庖丁解LevelDB之数据存储

作为一个存储引擎，数据存储自然是LevelDB重中之重的需求。我们已经在庖丁解LevelDB之概览中介绍了Leveldb的使用流程，以及数据在Memtable，Immutable，SST文件之间的流动。本文就将详细的介绍LevelDB的数据存储方式，包括数据在不同介质中的存储方式，数据结构及设计思路。

Memtable

Memtable对应Leveldb中的内存数据，LevelDB的写入操作会直接将数据写入到Memtable后返回。读取操作又会首先尝试从Memtable中进行查询。我们对Memtable的需求如下：

• 常驻内存；

• 可能会有频繁的插入和查询操作；
• 不会有删除操作；
• 需要支持阻写状态下的遍历操作（Immutable的Dump过程）

LevelDB采用跳表SkipList实现，在给提供了O(logn)的时间复杂度的同时，又非常的易于实现：

SkipList中单条数据存放一条Key-Value数据，定义为：

SkipList Node := InternalKey + ValueString
InternalKey := KeyString + SequenceNum + Type
Type := kDelete or kValue
ValueString := ValueLength + Value
KeyString := UserKeyLength + UserKey

Log

数据写入Memtable之前，会首先顺序写入Log文件，以避免数据丢失。LevelDB实例启动时会从Log文件中恢复Memtable内容。所以我们对Log的需求是：

• 磁盘存储
• 大量的Append操作
• 没有删除单条数据的操作
• 遍历的读操作

LevelDB首先将每条写入数据序列化为一个Record，单个Log文件中包含多个Record。同时，Log文件又划分为固定大小的Block单位，并保证Block的开始位置一定是一个新的Record。这种安排使得发生数据错误时，最多只需丢弃一个Block大小的内容。显而易见地，不同的Record可能共存于一个Block，同时，一个Record也可能横跨几个Block。

Block := Record * N
Record := Header + Content
Header := Checksum + Length + Type
Type := Full or First or Midder or Last

Log文件划分为固定长度的Block，每个Block中包含多个Record；Record的前56个位为Record头，包括32位checksum用做校验，16位存储Record实际内容数据的长度，8位的Type可以是Full、First、Middle或Last中的一种，表示该Record是否完整的在当前的Block中，如果不是则通过Type指明其前后的Block中是否有当前Record的前驱后继。

SST文件

SST文件是Leveldb中数据的最终存储角色，划分为不同的Level，Level 0的SST文件由Memtable直接Dump产生。其他层次的SST文件则由其上一层文件在Compaction过程中归并产生。读请求时可能会从SST文件中查找某条数据。我们对SST文件的需求是：

• 支持顺序写操作
• 支持遍历操作
• 查找操作

我们将从物理格式和逻辑格式两个方面来介绍SST文件中的数据存储方式。所谓物理格式指的是数据的存储和解析方式；利用确定的物理格式，我们可以存储不同意义的数据，这就是数据的逻辑格式。

物理格式

LevelDB将SST文件定义为Table，每个Table又划分为多个连续的Block，每个Block中又存储多条数据Entry：

可以看出，单个Block作为一个独立的写入和解析单位，会在其末尾存储一个字节的Type和4个字节的Crc，其中Type记录的是当前Block的数据压缩策略，而Crc则存储Block中数据的校验信息。Block中每条数据Entry是以Key-Value方式存储的，并且是按Key有序存储，Leveldb很巧妙了利用了有序数组相邻Key可能有相同的Prefix的特点来减少存储数据量。如上图所示，每个Entry只记录自己的Key与前一个Entry Key的不同部分，例如要顺序存储Key值“apple”和“applepen”的两条数据，这里第二个Entry中只需要存储“pen”的信息。在Entry开头记录三个长度值，分别是当前Entry和其之前Entry的公共Key Prefix长度、当前Entry Key自有Key部分的长度和Value的长度。通过这些长度信息和其后相邻的特有Key及Value内容，结合前一条Entry的Key内容，我们可以方便的获得当前Entry的完整Key和Value信息。

这种方式非常好的减少了数据存储，但同时也引入一个风险，如果最开头的Entry数据损坏，其后的所有Entry都将无法恢复。为了降低这个风险，leveldb引入了重启点，每隔固定条数Entry会强制加入一个重启点，这个位置的Entry会完整的记录自己的Key，并将其shared值设置为0。同时，Block会将这些重启点的偏移量及个数记录在所有Entry后边的Tailer中。

逻辑格式

Table中不同的Block物理上的存储方式一致，如上文所示，但在逻辑上可能存储不同的内容，包括存储数据的Block，存储索引信息的Block，存储Filter的Block：

• Footer：为于Table尾部，记录指向Metaindex Block的Handle和指向Index Block的Handle。需要说明的是Table中所有的Handle是通过偏移量Offset以及Size一同来表示的，用来指明所指向的Block位置。Footer是SST文件解析开始的地方，通过Footer中记录的这两个关键元信息Block的位置，可以方便的开启之后的解析工作。另外Footer种还记录了用于验证文件是否为合法SST文件的常数值Magicnum。

• Index Block：记录Data Block位置信息的Block，其中的每一条Entry指向一个Data Block，其Key值为所指向的Data Block最后一条数据的Key，Value为指向该Data Block位置的Handle。

• Metaindex Block：与Index Block类似，由一组Handle组成，不同的是这里的Handle指向的Meta Block。

• Data Block：以Key-Value的方式存储实际数据，其中Key定义为：

  DataBlock Key := UserKey + SequenceNum + Type
  Type := kDelete or kValue
  

  对比Memtable中的Key，可以发现Data Block中的Key并没有拼接UserKey的长度在UserKey前，这是由于上面讲到的物理结构中已经有了Key的长度信息。

• Meta Block：比较特殊的Block，用来存储元信息，目前LevelDB使用的仅有对布隆过滤器的存储。写入Data Block的数据会同时更新对应Meta Block中的过滤器。读取数据时也会首先经过布隆过滤器过滤。Meta Block的物理结构也与其他Block有所不同：

   [filter 0]
   [filter 1] 
   [filter 2] 
   ... 
   [filter N-1] 
   [offset of filter 0] : 4 bytes 
   [offset of filter 1] : 4 bytes 
   [offset of filter 2] : 4 bytes 
   ... 
   [offset of filter N-1] : 4 bytes 
   [offset of beginning of offset array] : 4 bytes 
   lg(base) : 1 byte
  

  其中每个filter节对应一段Key Range，落在某个Key Range的Key需要到对应的filter节中查找自己的过滤信息，base指定这个Range的大小。

总结

本文重点介绍了LevelDB不同介质角色中数据的存储方式，并没有过多的涉及代码细节。因为一旦有了具体的存储格式，相关的代码不过就是在读写两端的序列化反序列化。同样，之后几篇博客将要介绍的版本控制，迭代器，缓存等方面的内容也都非常紧密的依赖这些存储格式。

参考

Source Code：https://github.com/google/leveldb

LevelDB Doc: https://raw.githubusercontent.com/google/leveldb/master/doc/table_format.txt

LevelDB Doc: https://raw.githubusercontent.com/google/leveldb/master/doc/log_format.txt

庖丁解LevelDB之概览: http://catkang.github.io/2017/01/07/leveldb-summary.html