LSM-tree入门

最近练手的项目里用到了LevelDB, 具有很优秀的存储效率,DDIA中有介绍它底层是LSM-tree实现的,今天决定看看LSM-tree,给看到的文章做总结,也给自己想要动手写了好久的技术博客开个头吧。

特点

总的来说就是通过将大量的随机写转换为顺序写,从而极大地提升了数据写入的性能,虽然与此同时牺牲了部分读的性能。只适合存储 key 值有序且写入大于读取的数据,或者读取操作通常是 key 值连续的数据。 这里有一篇比较B树,B+树,以及lsm树的文章

存储模型

  • WAL

WAL(write ahead log)也称预写log,包括mysql的Binlog等,在设计数据库的时候经常被使用,当插入一条数据时,数据先顺序写入 WAL 文件中,之后插入到内存中的 MemTable 中。这样就保证了数据的持久化,不会丢失数据,并且都是顺序写,速度很快。当程序挂掉重启时,可以从 WAL 文件中重新恢复内存中的 MemTable。

  • MemTable

MemTable 对应的就是 WAL 文件,是该文件内容在内存中的存储结构,通常用 SkipList 来实现。MemTable 提供了 k-v 数据的写入、删除以及读取的操作接口。其内部将 k-v 对按照 key 值有序存储,这样方便之后快速序列化到 SSTable 文件中,仍然保持数据的有序性。

  • Immutable Memtable

顾名思义,Immutable Memtable 就是在内存中只读的 MemTable,由于内存是有限的,通常我们会设置一个阀值,当 MemTable 占用的内存达到阀值后就自动转换为 Immutable Memtable,Immutable Memtable 和 MemTable 的区别就是它是只读的,系统此时会生成新的 MemTable 供写操作继续写入。之所以要使用 Immutable Memtable,就是为了避免将 MemTable 中的内容序列化到磁盘中时会阻塞写操作。

  • SSTable

SSTable 就是 MemTable 中的数据在磁盘上的有序存储,其内部数据是根据 key 从小到大排列的。通常为了加快查找的速度,需要在 SSTable 中加入数据索引,可以快读定位到指定的 k-v 数据。

SSTable 通常采用的分级的结构,例如 LevelDB 中就是如此。MemTable 中的数据达到指定阀值后会在 Level 0 层创建一个新的 SSTable。当某个 Level 下的文件数超过一定值后,就会将这个 Level 下的一个 SSTable 文件和更高一级的 SSTable 文件合并,由于 SSTable 中的 k-v 数据都是有序的,相当于是一个多路归并排序,所以合并操作相当快速,最终生成一个新的 SSTable 文件,将旧的文件删除,这样就完成了一次合并过程。

LSM tree的写入

1,当收到一个写请求时,会先把该条数据记录在WAL Log里面,用作故障恢复。

2,当写完WAL Log后,会把该条数据写入内存的SSTable里面(删除是墓碑标记,更新是新记录一条的数据),也称Memtable。注意为了维持有序性在内存里面可以采用红黑树或者跳跃表相关的数据结构。

3,当Memtable超过一定的大小后,会在内存里面冻结,变成不可变的Memtable,同时为了不阻塞写操作需要新生成一个Memtable继续提供服务。

4,把内存里面不可变的Memtable给dump到到硬盘上的SSTable层中,此步骤也称为Minor Compaction,这里需要注意在L0层的SSTable是没有进行合并的,所以这里的key range在多个SSTable中可能会出现重叠,在层数大于0层之后的SSTable,不存在重叠key。

5,当每层的磁盘上的SSTable的体积超过一定的大小或者个数,也会周期的进行合并。此步骤也称为Major Compaction,这个阶段会真正 的清除掉被标记删除掉的数据以及多版本数据的合并,避免浪费空间,注意由于SSTable都是有序的,我们可以直接采用merge sort进行高效合并。

LSM tree 的读取

LSM Tree 的读取效率并不高,当需要读取指定 key 的数据时,先在内存中的 MemTable 和 Immutable MemTable 中查找,如果没有找到,则继续从 Level 0 层开始,找不到就从更高层的 SSTable 文件中查找,如果查找失败,说明整个 LSM Tree 中都不存在这个 key 的数据。如果中间在任何一个地方找到这个 key 的数据,那么按照这个路径找到的数据都是最新的。

在每一层的 SSTable 文件的 key 值范围是不重复的,所以只需要查找其中一个 SSTable 文件即可确定指定 key 的数据是否存在于这一层中。Level 0 层比较特殊,因为数据是 Immutable MemTable 直接写入此层的,所以 Level 0 层的 SSTable 文件的 key 值范围可能存在重复,查找数据时有可能需要查找多个文件。

读取的优化

因为这样的读取效率非常差,通常会进行一些优化,例如 LevelDB 中的 Mainfest 文件,这个文件记录了 SSTable 文件的一些关键信息,例如 Level 层数,文件名,最小 key 值,最大 key 值等,这个文件通常不会太大,可以放入内存中,可以帮助快速定位到要查询的 SSTable 文件,避免频繁读取。

1,压缩

SSTable 是可以启用压缩功能的,并且这种压缩不是将整个 SSTable 一起压缩,而是根据 locality 将数据分组,每个组分别压缩,这样的好处当读取数据的时候,我们不需要解压缩整个文件而是解压缩部分 Group 就可以读取。

2,缓存

因为SSTable在写入磁盘后,除了Compaction之外,是不会变化的,所以我可以将Scan的Block进行缓存,从而提高检索的效率

3,索引,Bloom filters

正常情况下,一个读操作是需要读取所有的 SSTable 将结果合并后返回的,但是对于某些 key 而言,有些 SSTable 是根本不包含对应数据的,因此,我们可以对每一个 SSTable 添加 Bloom Filter,因为布隆过滤器在判断一个SSTable不存在某个key的时候,那么就一定不会存在,利用这个特性可以减少不必要的磁盘扫描。

4,合并

这个在前面的写入流程中已经介绍过,通过定期合并瘦身, 可以有效的清除无效数据,缩短读取路径,提高磁盘利用空间。但Compaction操作是非常消耗CPU和磁盘IO的,尤其是在业务高峰期,如果发生了Major Compaction,则会降低整个系统的吞吐量,这也是一些NoSQL数据库,比如Hbase里面常常会禁用Major Compaction,并在凌晨业务低峰期进行合并的原因。

列下以后可以看的参考资料:

http://citeseerx.ist.psu.edu/...

https://cloud.tencent.com/dev...
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