LevelDB 完全解析（0）：基本原理和整体架构

之前零零散散写过几篇和 LSM-Tree、LevelDB 有关的文章。之后也看了一些代码和论文，笔记也做了一些，但大都比较零乱、随意，没花功夫整理。

这次打算将之前的文章和之后的笔记一起整理一下，成为一个系列文章——本文是本系列文章的第一篇。

LSM-Tree

Log Structured Merge Tree，简称 LSM-Tree。2006年，Google 发表了 BigTable 的论文。这篇论文提到 BigTable 单机上所使用的数据结构就是 LSM-Tree。
很多存储产品使用 LSM-Tree 作为数据结构，比如 Apache HBase，Apache Cassandra，MongoDB 的 Wired Tiger 存储引擎，LevelDB 存储引擎，RocksDB 存储引擎等。
简单地说，LSM-Tree 的设计目标是提供比传统的 B-Tree/B+Tree 更好的写性能。LSM-Tree 通过将磁盘的随机写转化为顺序写来提高写性能 ，而付出的代价就是牺牲部分读性能、写放大（B-Tree/B+Tree 同样有写放大的问题）。

如何优化写性能

如果我们对写性能特别敏感，我们最好怎么做？—— Append only：所有写操作都是将数据添加到文件末尾。这样顺序写的性能是最好的，大约等于磁盘的理论速度（无论是 SSD 还是 HDD，顺序写性能都要明显由于随机写性能）。但是 append only 的方式会带来一些问题：

• 不支持有序遍历。
• 需要垃圾回收（清理过期数据）。

所以，纯粹的 append only 方式只能适用于一些简单的场景：

• 存储系统的 WAL。
• 能知道明确的 offset 的查询，比如 Bitcask。

如何优化读性能

如果我们对读性能特别敏感，一般我们有两种方式：

• 有序存储，比如 B-Tree/B+Tree。但是 B-Tree/B+Tree 会导致随机写。
• 哈希存储 —— 不支持有序遍历，适用范围有限。

读写性能的权衡

如何获得接近 append only 的写性能，而又能拥有不错的读性能呢？以 LevelDB/RocksDB 为代表的 LSM-Tree 存储引擎给出了一个参考答案。原始的 LSM-Tree 可以参考论文。下面的讨论主要以 LevelDB 为例子。
LevelDB 的写操作（Put/Delete/Write）主要由两步组成：

1. 写日志（WAL，顺序写）。
2. 写 MemTable（内存中的 SkipList）。

所以，正常情况下，LevelDB 的写速度非常快。

内存中的 MemTable 写满后，会转换为 Immutable MemTable，然后被后台线程 compact 成按 key 有序存储的 SSTable（顺序写）。
SSTable 按照数据从新到旧被组织成多个层次（上层新下层旧），点查询（Get）的时候从上往下一层层查找，所以 LevelDB 的读操作可能会有多次磁盘 IO（LevelDB 通过 table cache、block cache 和 bloom filter 等优化措施来减少读操作的 I/O 次数）。
后台线程的定期 compaction 负责回收过期数据和维护每一层数据的有序性。在数据局部有序的基础上，LevelDB 实现了数据的（全局）有序遍历。

LevelDB 接口使用

LevelDB 提供的接口很简单，请参考官网文档。

LevelDB 整体架构

LevelDB整体架构.png

上图简单展示了 LevelDB 的整体架构。

1. MemTable：内存数据结构，具体实现是 SkipList。 接受用户的读写请求，新的数据会先在这里写入。
2. Immutable MemTable：当 MemTable 的大小达到设定的阈值后，会被转换成 Immutable MemTable，只接受读操作，不再接受写操作，然后由后台线程 flush 到磁盘上 —— 这个过程称为 minor compaction。
3. Log：数据写入 MemTable 之前会先写日志，用于防止宕机导致 MemTable 的数据丢失。一个日志文件对应到一个 MemTable。
4. SSTable：Sorted String Table。分为 level-0 到 level-n 多层，每一层包含多个 SSTable，文件内数据有序。除了 level-0 之外，每一层内部的 SSTable 的 key 范围都不相交。
5. Manifest：Manifest 文件中记录 SSTable 在不同 level 的信息，包括每一层由哪些 SSTable，每个 SSTable 的文件大小、最大 key、最小 key 等信息。
6. Current：重启时，LevelDB 会重新生成 Manifest，所以 Manifest 文件可能同时存在多个，Current 记录的是当前使用的 Manifest 文件名。
7. TableCache：TableCache 用于缓存 SSTable 的文件描述符、索引和 filter。
8. BlockCache：SSTable 的数据是被组织成一个个 block。BlockCache 用于缓存这些 block（解压后）的数据。