leveldb源码分析7

  • 2021-01-11
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leveldb源码分析7

本系列《leveldb源码分析》共有22篇文章,这是第七篇。

6. SSTable之一

SSTable是Leveldb的核心之一,是表数据最终在磁盘上的物理存储。也是体量比较大的模块。

6.1 SSTable的文件组织

作者在文档doc/table_format.txt中描述了表的逻辑结构,如图6.1-1所示。逻辑上可分为两大块,数据存储区Data Block,以及各种Meta信息。

  1. 文件中的k/v对是有序存储的,并且被划分到连续排列的Data Block里面,这些Data Block从文件头开始顺序存储,Data Block的存储格式代码在block_builder.cc中;

  2. 紧跟在Data Block之后的是Meta Block,其格式代码也在block_builder.cc中;Meta Block存储的是Filter信息,比如Bloom过滤器,用于快速定位key是否在data block中。

  3. MetaIndex Block是对Meta Block的索引,它只有一条记录,key是meta index的名字(也就是Filter的名字),value为指向meta index的BlockHandle;BlockHandle是一个结构体,成员offset_是Block在文件中的偏移,成员size_是block的大小;

  4. Index block是对Data Block的索引,对于其中的每个记录,其key >=Data Block最后一条记录的key,同时<其后Data Block的第一条记录的key;value是指向data index的BlockHandle;

  5. Footer,文件的最后,大小固定,其格式如图6.1-2所示。

  6. 成员metaindex_handle指出了meta index block的起始位置和大小;

  7. 成员index_handle指出了index block的起始地址和大小;

这两个字段都是BlockHandle对象,可以理解为索引的索引,通过Footer可以直接定位到metaindex和index block。再后面是一个填充区和魔数(0xdb4775248b80fb57)。

6.2 Block存储格式

6.2.1 Block的逻辑存储

Data Block是具体的k/v数据对存储区域,此外还有存储meta的metaIndex Block,存储data block索引信息的Index Block等等,他们都是以Block的方式存储的。来看看Block是如何组织的。每个Block有三部分构成:block data, type, crc32,如图6.2-1所示。

类型type指明使用的是哪种压缩方式,当前支持none和snappy压缩。

虽然block有好几种,但是Block Data都是有序的k/v对,因此写入、读取BlockData的接口都是统一的,对于Block Data的管理也都是相同的。

对Block的写入、读取将在创建、读取sstable时分析,知道了格式之后,其读取写入代码都是很直观的。

由于sstable对数据的存储格式都是Block,因此在分析sstable的读取和写入逻辑之前,我们先来分析下Leveldb对Block Data的管理。

Leveldb对Block Data的管理是读写分离的,读取后的遍历查询操作由Block类实现,BlockData的构建则由BlockBuilder类实现。

6.2.2 重启点-restartpoint

BlockBuilder对key的存储是前缀压缩的,对于有序的字符串来讲,这能极大的减少存储空间。但是却增加了查找的时间复杂度,为了兼顾查找效率,每隔K个key,leveldb就不使用前缀压缩,而是存储整个key,这就是重启点(restartpoint)。

在构建Block时,有参数Options::block_restart_interval定每隔几个key就直接存储一个重启点key。

Block在结尾记录所有重启点的偏移,可以二分查找指定的key。Value直接存储在key的后面,无压缩。

对于一个k/v对,其在block中的存储格式为:

  • 共享前缀长度 shared_bytes: varint32

  • 前缀之后的字符串长度 unshared_bytes: varint32

  • 值的长度 value_length: varint32

  • 前缀之后的字符串 key_delta: char[unshared_bytes]

  • 值 value: char[value_length]

对于重启点,shared_bytes= 0

Block的结尾段格式是:

  • > restarts: uint32[num_restarts]

  • > num_restarts: uint32 // 重启点个数

元素restarts[i]存储的是block的第i个重启点的偏移。很明显第一个k/v对,总是第一个重启点,也就是restarts[0] = 0;

图6.2-2给出了block的存储示意图。

总体来看Block可分为k/v存储区和后面的重启点存储区两部分,其中k/v的存储格式如前面所讲,可看做4部分:

前缀压缩的key长度信息 + value长度 + key前缀之后的字符串+ value

最后一个4byte为重启点的个数。

对Block的存储格式了解之后,对Block的构建和读取代码分析就是很直观的事情了。见下面的分析。

6.3 Block的构建与读取

6.3.1 BlockBuilder的接口

首先从Block的构建开始,这就是BlockBuilder类,来看下BlockBuilder的函数接口,一共有5个:

void Reset(); // 重设内容,通常在Finish之后调用已构建新的block

//添加k/v,要求:Reset()之后没有调用过Finish();Key > 任何已加入的key

void Add(const Slice& key,const Slice& value);

// 结束构建block,并返回指向block内容的指针

Slice Finish();// 返回Slice的生存周期:Builder的生存周期,or直到Reset()被调用

size_t CurrentSizeEstimate()const; // 返回正在构建block的未压缩大小—估计值

bool empty() const { returnbuffer_.empty();} // 没有entry则返回true

主要成员变量如下:

std::string            buffer_;    // block的内容

std::vector<uint32_t>  restarts_;  // 重启点-后面会分析到

int                    counter_;   // 重启后生成的entry数

std::string            last_key_;  // 记录最后添加的key

6.3.2 BlockBuilder::Add()

调用Add函数向当前Block中新加入一个k/v对{key, value}。函数处理逻辑如下:

S1 保证新加入的key > 已加入的任何一个key;
assert(!finished_);  

assert(counter_ <= options_->block_restart_interval);

assert(buffer_.empty() || options_->comparator->Compare(key,last_key_piece) > 0);
S2 如果计数器counter < opions->block_restart_interval,则使用前缀算法压缩key,否则就把key作为一个重启点,无压缩存储;
Slice last_key_piece(last_key_);

if (counter_ < options_->block_restart_interval) { //前缀压缩

    // 计算key与last_key_的公共前缀

    const size_t min_length= std::min(last_key_piece.size(), key.size());

    while ((shared < min_length)&& (last_key_piece[shared] == key[shared])) {

    shared++;

} else { // 新的重启点

    restarts_.push_back(buffer_.size());

    counter_ = 0;

}



Slice last_key_piece(last_key_);

if (counter_ < options_->block_restart_interval) { //前缀压缩

    // 计算key与last_key_的公共前缀

    const size_t min_length= std::min(last_key_piece.size(), key.size());

    while ((shared < min_length)&& (last_key_piece[shared] == key[shared])) {

    shared++;

} else { // 新的重启点

    restarts_.push_back(buffer_.size());

    counter_ = 0;

}
S3根据上面的数据格式存储k/v对,追加到buffer中,并更新block状态。
const size_t non_shared = key.size() - shared; // key前缀之后的字符串长度

// append"<shared><non_shared><value_size>" 到buffer_  

PutVarint32(&buffer_, shared); 

PutVarint32(&buffer_, non_shared); 

PutVarint32(&buffer_, value.size());  

// 其后是前缀之后的字符串 + value 

buffer_.append(key.data() + shared, non_shared);  

buffer_.append(value.data(), value.size());  

// 更新状态 ,last_key_ = key及计数器counter_

last_key_.resize(shared);   // 连一个string的赋值都要照顾到,使内存copy最小化

last_key_.append(key.data() + shared, non_shared); 

assert(Slice(last_key_) == key);  

counter_++;  

6.3.3 BlockBuilder::Finish()

调用该函数完成Block的构建,很简单,压入重启点信息,并返回buffer,设置结束标记finished:

for (size_t i = 0; i < restarts_.size(); i++) {  // 重启点  

      PutFixed32(&buffer_, restarts_[i]);  

}  

PutFixed32(&buffer_, restarts_.size());    // 重启点数量  

finished_ = true;  

return Slice(buffer_);  

6.3.4 BlockBuilder::Reset() & 大小

还有Reset和CurrentSizeEstimate两个函数,Reset复位函数,清空各个信息;函数CurrentSizeEstimate返回block的预计大小,从函数实现来看,应该在调用Finish之前调用该函数。

void BlockBuilder::Reset() {  

   buffer_.clear();  restarts_.clear();  last_key_.clear();  

   restarts_.push_back(0);       // 第一个重启点位置总是 0  

   counter_ = 0;  

   finished_ = false;  

}  



size_t BlockBuilder::CurrentSizeEstimate () const {  

   // buffer大小 +重启点数组长度 + 重启点长度(uint32)

  return (buffer_.size() +  restarts_.size() * sizeof(uint32_t) + sizeof(uint32_t)); 

}  

Block的构建就这些内容了,下面开始分析Block的读取,就是类Block。

6.3.5 Block类接口

对Block的读取是由类Block完成的,先来看看其函数接口和关键成员变量。

Block只有两个函数接口,通过Iterator对象,调用者就可以遍历访问Block的存储的k/v对了;以及几个成员变量,如下:

size_t size() const { returnsize_; }

Iterator* NewIterator(constComparator* comparator);



const char* data_;        // block数据指针

size_t size_;             // block数据大小

uint32_t restart_offset_; // 重启点数组在data_中的偏移

bool owned_;              //data_[]是否是Block拥有的

6.3.6 Block初始化

Block的构造函数接受一个BlockContents对象contents初始化,BlockContents是一个有3个成员的结构体。

  • >data = Slice();
  • >cachable = false; // 无cache
  • >heap_allocated = false; // 非heap分配

根据contents为成员赋值

data_ = contents.data.data(), size_ =contents.data.size(),owned_ = contents.heap_allocated;

然后从data中解析出重启点数组,如果数据太小,或者重启点计算出错,就设置size_=0,表明该block data解析失败。

if (size_ < sizeof(uint32_t)){

  size_ = 0;  // 出错了

} else {

  restart_offset_ = size_ - (1 +NumRestarts()) * sizeof(uint32_t);

  if (restart_offset_ > size_- sizeof(uint32_t)) size_ = 0;

}

NumRestarts()函数就是从最后的uint32解析出重启点的个数,并返回:

return DecodeFixed32(data_ +size_ - sizeof(uint32_t))

6.3.7 Block::Iter

这是一个用以遍历Block内部数据的内部类,它继承了Iterator接口。函数NewIterator返回Block::Iter对象:

return new Iter(cmp, data_,restart_offset_, num_restarts);

下面我们就分析Iter的实现

主要成员变量有:

const Comparator* constcomparator_; // key比较器

const char* const data_;      // block内容

uint32_t const restarts_;     // 重启点(uint32数组)在data中的偏移

uint32_t const num_restarts_; // 重启点个数

uint32_t current_; // 当前entry在data中的偏移.  >= restarts_表明非法

uint32_t restart_index_;  // current_所在的重启点的index

下面来看看对Iterator接口的实现,简单函数略过。

首先是Next()函数,直接调用private函数ParseNextKey()跳到下一个k/v对,函数实现如下:

S1 跳到下一个entry,其位置紧邻在当前value_之后。如果已经是最后一个entry了,返回false,标记current_为invalid。

current_ = NextEntryOffset(); // (value_.data() + value_.size()) - data_

const char* p = data_ +current_;

const char* limit = data_ +restarts_; // Restarts come right after data

if (p >= limit) { // entry到头了,标记为invalid.

  current_ = restarts_;

  restart_index_ =num_restarts_;

  return false;

}

S2 解析出entry,解析出错则设置错误状态,记录错误并返回false。解析成功则根据信息组成key和value,并更新重启点index。

uint32_t shared, non_shared,value_length;

p = DecodeEntry(p, limit,&shared, &non_shared, &value_length);

if (p == NULL || key_.size()< shared) {

  CorruptionError();

  return false;

} else { // 成功

  key_.resize(shared);

  key_.append(p, non_shared);

  value_ = Slice(p +non_shared, value_length);

  while (restart_index_ + 1< num_restarts_ && GetRestartPoint(restart_index_ + 1) < current_) {

       ++restart_index_; //更新重启点index

  }

  return true;

}
  • 函数DecodeEntry从字符串[p, limit)解析出key的前缀长度、key前缀之后的字符串长度和value的长度这三个vint32值,代码很简单。
  • 函数CorruptionError将current_和restartindex都设置为invalid状态,并在status中设置错误状态。
  • 函数GetRestartPoint从data中读取指定restart index的偏移值restart[index],并返回:
DecodeFixed32(data_ + restarts_ +index * sizeof(uint32_t);

接下来看看Prev函数,Previous操作分为两步:首先回到current_之前的重启点,然后再向后直到current_,实现如下:

S1首先向前回跳到在current_前面的那个重启点,并定位到重启点的k/v对开始位置。

const uint32_t original =current_;

while (GetRestartPoint(restart_index_)>= original) {
        // 到第一个entry了,标记invalid状态
        if (restart_index_ == 0) { 

            current_ = restarts_;

            restart_index_ =num_restarts_;

            return;

      }

      restart_index_--;

}
 //根据restart index定位到重启点的k/v对

SeekToRestartPoint(restart_index_);

S2 第二步,从重启点位置开始向后遍历,直到遇到original前面的那个k/v对。

do {} while (ParseNextKey() &&NextEntryOffset() < original);

说说上面遇到的SeekToRestartPoint函数,它只是设置了几个有限的状态,其它值将在函数ParseNextKey()中设置。感觉这有点tricky,这里的value_并不是k/v对的value,而只是一个指向k/v对起始位置的0长度指针,这样后面的ParseNextKey函数将会取出重启点的k/v值。

void SeekToRestartPoint(uint32_tindex) {

  key_.clear();

  restart_index_ = index;

  // ParseNextKey()会设置current_;

  //ParseNextKey()从value_结尾开始, 因此需要相应的设置value_

  uint32_t offset =GetRestartPoint(index);

  value_ = Slice(data_ + offset,0); // value长度设置为0,字符串指针是data_+offset

}

SeekToFirst/Last,这两个函数都很简单,借助于前面的SeekToResartPoint函数就可以完成。

virtual void SeekToFirst() {

  SeekToRestartPoint(0);

  ParseNextKey();

}



virtual void SeekToLast() {

  SeekToRestartPoint(num_restarts_ - 1);

  while (ParseNextKey()&& NextEntryOffset() < restarts_) {} //Keep skipping

}

最后一个Seek函数,跳到指定的target(Slice),函数逻辑如下:

S1 二分查找,找到key < target的最后一个重启点,典型的二分查找算法,代码就不再贴了。
S2 找到后,跳转到重启点,其索引由left指定,这是前面二分查找到的结果。如前面所分析的,value_指向重启点的地址,而size_指定为0,这样ParseNextKey函数将会取出重启点的k/v值。
SeekToRestartPoint(left);
S3 自重启点线性向下,直到遇到key>= target的k/v对。
while (true) {

   if (!ParseNextKey()) return;

   if (Compare(key_, target)>= 0) return;

}

上面就是Block::Iter的全部实现逻辑,这样Block的创建和读取遍历都已经分析完毕。