leveldb源码分析3

  • 2021-01-11
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leveldb源码分析3

本系列《leveldb源码分析》共有22篇文章,这是第三篇。

4. Memtable之一

Memtable是leveldb很重要的一块,leveldb的核心之一。我们肯定关注KV数据在Memtable中是如何组织的,秘密在Skip list中。

4.1 用途

在Leveldb中,所有内存中的KV数据都存储在Memtable中,物理disk则存储在SSTable中。在系统运行过程中,如果Memtable中的数据占用内存到达指定值(Options.write_buffer_size),则Leveldb就自动将Memtable转换为Memtable,并自动生成新的Memtable,也就是Copy-On-Write机制了。

Immutable Memtable则被新的线程Dump到磁盘中,Dump结束则该Immutable Memtable就可以释放了。因名知意,Immutable Memtable是只读的

所以可见,最新的数据都是存储在Memtable中的,Immutable Memtable和物理SSTable则是某个时点的数据。

为了防止系统down机导致内存数据Memtable或者Immutable Memtable丢失,leveldb自然也依赖于log机制来保证可靠性了。

Memtable提供了写入KV记录,删除以及读取KV记录的接口,但是事实上Memtable并不执行真正的删除操作,删除某个Key的Value在Memtable内是作为插入一条记录实施的,但是会打上一个Key的删除标记,真正的删除操作在后面的 Compaction过程中,lazy delete。

4.2 核心是Skip list

另外,Memtable中的KV对是根据Key排序的,leveldb在插入等操作时保证key的有序性。想想,前面看到的Skip list不正是合适的人选吗,因此Memtable的核心数据结构是一个Skip list,Memtable只是一个接口类。当然随之而来的一个问题就是Skip list是如何组织KV数据对的,在后面分析Memtable的插入、查询接口时我们将会看到答案。

4.3 接口说明

先来看看Memtable的接口:

void Ref() { ++refs_; }

void Unref();

Iterator* NewIterator();

void Add(SequenceNumber seq,
          ValueType type,
          const Slice& key,
          const Slice& value);

bool Get(const LookupKey& key, std::string* value, Status* s);

首先Memtable是基于引用计数的机制,如果引用计数为0,则在Unref中删除自己,Ref和Unref就是干这个的。

  • NewIterator是返回一个迭代器,可以遍历访问table的内部数据,很好的设计思想,这种方式隐藏了table的内部实现。外部调用者必须保证使用Iterator访问Memtable的时候该Memtable是live的。
  • Add和Get是添加和获取记录的接口,没有Delete,还记得前面说过,memtable的delete实际上是插入一条type为kTypeDeletion的记录。

4.4 类图

先来看看Memtable相关的整体类层次吧,并不复杂,还是相当清晰的。见图4.4-1。

4.5 Key结构

Memtable是一个KV存储结构,那么这个key肯定是个重点了,在分析接口实现之前,有必要仔细分析一下Memtable对key的使用。

这里面有5个key的概念,可能会让人混淆,下面就来一个一个的分析。

4.5.1 InternalKey & ParsedInternalKey & User Key

InternalKey是一个复合概念,是有几个部分组合成的一个key,ParsedInternalKey就是对InternalKey分拆后的结果,先来看看ParsedInternalKey的成员,这是一个struct:

Slice user_key;

SequenceNumber sequence;

ValueType type;

也就是说InternalKey是由User key + SequenceNumber + ValueType组合而成的,顺便先分析下几个Key相关的函数,它们是了解Internal Key和User Key的关键。

首先是InternalKey和ParsedInternalKey相互转换的两个函数,如下。

bool ParseInternalKey (const Slice& internal_key,
                       ParsedInternalKey* result);

void AppendInternalKey (std::string* result,
                        const ParsedInternalKey& key);

函数实现很简单,就是字符串的拼接与把字符串按字节拆分,代码略过。根据实现,容易得到InternalKey的格式为:

| User key (string) | sequence number (7 bytes) | value type (1 byte) |

由此还可知道sequence number大小是7 bytes,sequence number是所有基于op log系统的关键数据,它唯一指定了不同操作的时间顺序。

user key放到前面的原因是,这样对同一个user key的操作就可以按照sequence number顺序连续存放了,不同的user key是互不相干的,因此把它们的操作放在一起也没有什么意义。

另外用户可以为user key定制比较函数,系统默认是字母序的。

下面的两个函数是分别从InternalKey中拆分出User Key和Value Type的,非常直观,代码也附上吧。

inline Slice ExtractUserKey(const Slice& internal_key)
{
    assert(internal_key.size() >= 8);
    return Slice(internal_key.data(), internal_key.size() - 8);
}

inline ValueType ExtractValueType(const Slice& internal_key)
{
    assert(internal_key.size() >= 8);
    const size_t n = internal_key.size();
    uint64_t num = DecodeFixed64(internal_key.data() + n - 8);
    unsigned char c = num & 0xff;
    return static_cast<ValueType>(c);
}

4.5.2 LookupKey & Memtable Key

Memtable的查询接口传入的是LookupKey,它也是由User Key和Sequence Number组合而成的,从其构造函数:

LookupKey(const Slice& user_key, SequenceNumber s)

中分析出LookupKey的格式为:

| Size (int32变长)| User key (string) | sequence number (7 bytes) | value type (1 byte) |

两点:

  • 这里的Size是user key长度+8,也就是整个字符串长度了;
  • value type是kValueTypeForSeek,它等于kTypeValue。

由于LookupKey的size是变长存储的,因此它使用kstart_记录了user key string的起始地址,否则将不能正确的获取size和user key;

LookupKey导出了三个函数,可以分别从LookupKey得到Internal Key,Memtable Key和User Key,如下:

// Return a key suitable for lookup in a MemTable.
Slice memtable_key() const { return Slice(start_, end_ - start_); }

// Return an internal key (suitable for passing to an internal iterator)
Slice internal_key() const { return Slice(kstart_, end_ - kstart_); }

// Return the user key
Slice user_key() const { return Slice(kstart_, end_ - kstart_ - 8); }

其中start_是LookupKey字符串的开始,end_是结束,kstart_是start_+4,也就是user key字符串的起始地址。