设计海量key-value数据的存储查询模块

http://www.cnblogs.com/iamzhaiwei/archive/2012/09/02/2689653.html

单机存储100亿大数据量的key-value数据，要求能够支持插入和查询操作，单条数据长度不定，平均约1024字节，假设可用内存10G，磁盘空间不限，请设计一个存储查询模块，支持按照key来获取对应的value，设计目标以查询性能为先，尽量节约资源，查询可以理解为网民的检索行为。

1)        说明该设计方案和主要思路，以及优缺点

2)        请详细说明该设计思路下查询和插入的操作流程

3)        如果增加更新操作，请评估前面的设计方案是否可行，需要做怎样的修改，不可行则指明主要问题点。

分析：

1)数据量大小为：

data_size=100亿*1024Byte=10^10*10^3Byte=10^13Byte=10^4G

假设每个key的长度不超过128Byte。

使用2种文件存储数据：索引文件和数据文件。

索引文件采用类似B+树的结构化存储，一条数据对应一条记录，一条记录包括：数据的key、存储该数据的数据文件ID以及数据文件偏移量，占用空间:

record_size=key_size+data_file_ID_size+offset_size=128+4+8=140Byte。

B+树共有3层，内节点只存储最多M个关键字key和相应的M棵子树的位置，第i个关键字是第i棵子树中的最小关键字，叶节点存储最多M个key-value数据。每个节点最多包含M个key，M^3=100亿=10^10，M=2200。

内节点有2种形式：一是存储在索引文件中，包含的域有：关键字key，相应的子节点的索引文件ID和文件偏移量，占用空间：

inner_node_size_in_file=(key_size+index_file_ID_size+file_offset_size)*M=(128+4+8)*2200

=30800Byte=300K。

二是存储在内存中，除了上面提到的域，还包括指向子节点的指针域，占用空间：

Inner_node_size_in_memory*M=(inner_node_size_in_file+pointer_size)*M

=144*2200Byte=316800Byte=310K。

第一层和第二层占用空间：

(M+1)*inner_node_size_in_momery=666M，

可以全部存储在内存中。

         内节点按顺序写入索引文件，采用惰性空间分配策略，即使内节点没有满，也分配最大空间inner_node_size_in_file。这样保证内节点可以在原地更新，保持有序状态。假设索引文件最大index_file_size=2G，一个索引文件可以容纳内节点数目：

Inner_count_in_file=index_file_size/ inner_node_size_in_momery

=6990>inner_node_count=M+1

一个索引文件足够了。

叶节点包含key-value数据，占用空间：

Leaf_size_in_memory=M*data_size=2200*1024=2200K

叶节点以在文件尾追加方式写入数据文件，不需要保持有序，因为B+树的第二层内节点记录了所有叶节点的数据文件ID和文件偏移量。假设一个数据文件大小是data_file_size=2G，数据文件数目为

data_file_count=data_size/data_file_size=5000

优点：

1)      B+树采用3层，第1层和第2层是内节点，是索引节点，存储在索引文件，可以全部存储在内存，第3层是叶节点，存储在数据文件，部分缓存在内存。插入和查找一条数据，最多需要访问硬盘一次。

2)      索引文件采用惰性空间分配策略保证内节点可以在原地更新，保持有序状态。

3)      数据文件的更新一直是在尾部追加，不需要移动数据。

缺点：

1)      索引文件浪费了部分空间。

第二问：

查找：在根节点二叉查找关键字，下降到第二层某一个节点，二叉查找关键字，下降到第三层某一个关键字，若该条数据不在内存中，从数据文件读入，若在内存中，直接返回数据。

插入：与查找类似，找到该条数据应该在的位置，添加到最后一个数据文件的末尾。

第三问：若增加更新操作，前面的方案可行，需要做下列修改：

将数据按照大小分类存储到不同的数据文件中。假设数据大小平均分布在512Byte到1536Byte之间，步长平均为128Byte，数据文件分类为存储512Byte的，存储512+128Byte的，存储512+128*2Byte的，……，类似内存池的做法。更新数据时，将数据写到能容纳该条数据的最小分类的数据文件，将该位置记为空闲，加到该数据文件的空闲位置链表。链表的指针可以用空闲位置的前4个字节表示，文件的最开始4个字节表示链表头部指针。当然，这样会浪费部分空间。可以监控每种文件的空间使用情况，做出调整。