【转载】 LevelDb日知录之四 SSTable文件

郑重声明:本文转载自郎格科技系列博客,原文地址:http://www.samecity.com/blog/Article.asp?ItemID=84
SSTable是Bigtable中至关重要的一块,对于LevelDb来说也是如此,对LevelDb的SSTable实现细节的了解也有助于了解Bigtable中一些实现细节。本节内容主要讲述SSTable的静态布局结构,朗格科技曾在“LevelDb日知录之二:整体架构”中说过,SSTable文件形成了不同Level的 层级结构,至于这个层级结构是如何形成的我们放在后面Compaction一节细说。本节主要介绍SSTable某个文件的物理布局和逻辑布局结构,这对 了解LevelDb的运行过程很有帮助。

LevelDb不同层级有很多SSTable文件(以后缀.sst为特征),所有.sst文件内部布局都是一样的。上节介绍Log文件是物理分块 的,SSTable也一样会将文件划分为固定大小的物理存储块,但是两者逻辑布局大不相同,根本原因是:Log文件中的记录是Key无序的,即先后记录的 key大小没有明确大小关系,而.sst文件内部则是根据记录的Key由小到大排列的,从下面介绍的SSTable布局可以体会到Key有序是为何如此设 计.sst文件结构的关键。


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上图展示了一个.sst文件的物理划分结构,同Log文件一样,也是划分为固定大小的存储块,每个Block分为三个部分,红色部分是数据存储区,蓝色 的Type区用于标识数据存储区是否采用了数据压缩算法(Snappy压缩或者无压缩两种),CRC部分则是数据校验码,用于判别数据是否在生成和传输中 出错。    以上是.sst的物理布局,下面介绍.sst文件的逻辑布局,所谓逻辑布局,就是说尽管大家都是物理块,但是每一块存储什么内容,内部又有什么结构等。图4.2展示了.sst文件的内部逻辑解释。


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从图4.2可以看出,从大的方面,可以将.sst文件划分为数据存储区和数据管理区,数据存储区存放实际的Key:Value数据,数据管理区则提供一些 索引指针等管理数据,目的是更快速便捷的查找相应的记录。两个区域都是在上述的分块基础上的,就是说文件的前面若干块实际存储KV数据,后面数据管理区存 储管理数据。管理数据又分为四种不同类型:紫色的Meta Block,红色的MetaBlock 索引和蓝色的数据索引块以及一个文件尾部块。

    LevelDb 1.2版对于Meta Block尚无实际使用,只是保留了一个接口,估计会在后续版本中加入内容,下面我们看看数据索引区和文件尾部Footer的内部结构。

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图4.3是数据索引的内部结构示意图。再次强调一下,Data Block内的KV记录是按照Key由小到大排列的,数据索引区的每条记录是对某个Data Block建立的索引信息,每条索引信息包含三个内容,以图4.3所示的数据块i的索引Index i来说:红色部分的第一个字段记载大于等于数据块i中最大的Key值的那个Key,第二个字段指出数据块i在.sst文件中的起始位置,第三个字段指出 Data Block i的大小(有时候是有数据压缩的)。后面两个字段好理解,是用于定位数据块在文件中的位置的,第一个字段需要详细解释一下,在索引里保存的这个Key值未 必一定是某条记录的Key,以图4.3的例子来说,假设数据块i 的最小Key=“samecity”,最大Key=“the best”;数据块i+1的最小Key=“the fox”,最大Key=“zoo”,那么对于数据块i的索引Index i来说,其第一个字段记载大于等于数据块i的最大Key(“the best”)同时要小于数据块i+1的最小Key(“the fox”),所以例子中Index i的第一个字段是:“the c”,这个是满足要求的;而Index i+1的第一个字段则是“zoo”,即数据块i+1的最大Key。

 文件末尾Footer块的内部结构见图4.4,metaindex_handle指出了metaindex block的起始位置和大小;inex_handle指出了index Block的起始地址和大小;这两个字段可以理解为索引的索引,是为了正确读出索引值而设立的,后面跟着一个填充区和魔数。


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上面主要介绍的是数据管理区的内部结构,下面我们看看数据区的一个Block的数据部分内部是如何布局的(图4.1中的红色部分),图4.5是其内部布局示意图。


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从图中可以看出,其内部也分为两个部分,前面是一个个KV记录,其顺序是根据Key值由小到大排列的,在Block尾部则是一些“重启点”(Restart Point),其实是一些指针,指出Block内容中的一些记录位置。

“重启点”是干什么的呢?我们一再强调,Block内容里的KV记录是按照Key大小有序的,这样的话,相邻的两条记录很可能Key部分存在重叠,比如 key i=“the Car”,Key i+1=“the color”,那么两者存在重叠部分“the c”,为了减少Key的存储量,Key i+1可以只存储和上一条Key不同的部分“olor”,两者的共同部分从Key i中可以获得。记录的Key在Block内容部分就是这么存储的,主要目的是减少存储开销。“重启点”的意思是:在这条记录开始,不再采取只记载不同的 Key部分,而是重新记录所有的Key值,假设Key i+1是一个重启点,那么Key里面会完整存储“the color”,而不是采用简略的“olor”方式。Block尾部就是指出哪些记录是这些重启点的。


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在Block内容区,每个KV记录的内部结构是怎样的?图4.6给出了其详细结构,每个记录包含5个字段:key共享长度,比如上面的“olor”记录, 其key和上一条记录共享的Key部分长度是“the c”的长度,即5;key非共享长度,对于“olor”来说,是4;value长度指出Key:Value中Value的长度,在后面的Value内容字 段中存储实际的Value值;而key非共享内容则实际存储“olor”这个Key字符串。

上面讲的这些就是.sst文件的全部内部奥秘。
 

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