leveldb(十)：SSTable之1sstable文件的组成结构

个人总结：

1.sstable是由很多种不同类型的block组成的，每种block的功能各自不同，详见下，但他们的存储格式都是相同的，都利用了共享前缀压缩以及二分查找的技巧。

2.Leveldb对block的管理是读写分离的，读取后的遍历查询操作由Block类实现，block的构建则由BlockBuilder类实现。

对于Block，它其实是把整个block的内容都读到内存data_上，而Block::Iter无非是当前kv对在data_上的位置，iter的key_是一个包含key完整内容的string，iter的value就是data_上的value，只不过用slice包装了下。

对于BlockBuilder，把整个block的内容都写在string类型的buffer上。最后在被整个刷入到磁盘中，并不是一次往磁盘写一个kv，这样效率太低。

6 SSTable之1

SSTable是Leveldb的核心之一，是表数据最终在磁盘上的物理存储。也是体量比较大的模块。

6.1 SSTable的文件组织

作者在文档doc/table_format.txt中描述了表的逻辑结构，如图6.1-1所示。逻辑上可分为两大块，数据存储区Data Block，以及各种Meta信息。

1）文件中的k/v对是有序存储的，并且被划分到连续排列的Data Block里面，这些Data Block从文件头开始顺序存储，Data Block的存储格式代码在block_builder.cc中；

2）紧跟在Data Block之后的是Meta Block，其格式代码也在block_builder.cc中；Meta Block存储的是Filter信息，比如Bloom过滤器，用于快速定位key是否在data block中。

3）MetaIndex Block是对Meta Block的索引，它只有一条记录，key是meta index的名字（也就是Filter的名字），value为指向meta index的BlockHandle；

BlockHandle是一个结构体，成员offset_是Block在文件中的偏移，成员size_是block的大小；

4）Index block是对Data Block的索引，对于其中的每个记录，其key >=Data Block最后一条记录的key，同时<其后Data Block的第一条记录的key；value是指向data index的BlockHandle；

图6.1-1

5）Footer，文件的最后，大小固定，其格式如图6.1-2所示。

图6.1-2

成员metaindex_handle指出了meta index block的起始位置和大小；成员index_handle指出了index block的起始地址和大小；这两个字段都是BlockHandle对象，可以理解为索引的索引，通过Footer可以直接定位到metaindex和index block。再后面是一个填充区和魔数（0xdb4775248b80fb57）。

6.2 Block存储格式

6.2.1 Block的逻辑存储

Data Block是具体的k/v数据对存储区域，此外还有存储meta的metaIndex Block，存储data block索引信息的Index Block等等，他们都是以Block的方式存储的。来看看Block是如何组织的。每个Block有三部分构成：block data, type, crc32，如图6.2-1所示。

图6.2-1

类型type指明使用的是哪种压缩方式，当前支持none和snappy压缩。

虽然block有好几种，但是Block Data都是有序的k/v对，因此写入、读取BlockData的接口都是统一的，对于Block Data的管理也都是相同的。

对Block的写入、读取将在创建、读取sstable时分析，知道了格式之后，其读取写入代码都是很直观的。

由于sstable对数据的存储格式都是Block，因此在分析sstable的读取和写入逻辑之前，我们先来分析下Leveldb对Block Data的管理。

Leveldb对Block Data的管理是读写分离的，读取后的遍历查询操作由Block类实现，BlockData的构建则由BlockBuilder类实现。

6.2.2 重启点-restartpoint

BlockBuilder对key的存储是前缀压缩的，对于有序的字符串来讲，这能极大的减少存储空间。但是却增加了查找的时间复杂度，为了兼顾查找效率，每隔K个key，leveldb就不使用前缀压缩，而是存储整个key，这就是重启点（restartpoint）。

在构建Block时，有参数Options::block_restart_interval定每隔几个key就直接存储一个重启点key。

Block在结尾记录所有重启点的偏移，可以二分查找指定的key。Value直接存储在key的后面，无压缩。

对于一个k/v对，其在block中的存储格式为：

> 共享前缀长度         shared_bytes:    varint32

> 前缀之后的字符串长度 unshared_bytes:  varint32

> 值的长度             value_length:     varint32

> 前缀之后的字符串     key_delta:        char[unshared_bytes]

> 值                   value:           char[value_length]

对于重启点，shared_bytes= 0

Block的结尾段格式是：

> restarts:       uint32[num_restarts]

> num_restarts:  uint32 // 重启点个数

元素restarts[i]存储的是block的第i个重启点的偏移。很明显第一个k/v对，总是第一个重启点，也就是restarts[0] = 0;

图6.2-2给出了block的存储示意图。

图6.2-2

总体来看Block可分为k/v存储区和后面的重启点存储区两部分，其中k/v的存储格式如前面所讲，可看做4部分：

前缀压缩的key长度信息 + value长度 + key前缀之后的字符串+ value

最后一个4byte为重启点的个数。

对Block的存储格式了解之后，对Block的构建和读取代码分析就是很直观的事情了。见下面的分析。

6.3 Block的构建与读取

6.3.1 BlockBuilder的接口

首先从Block的构建开始，这就是BlockBuilder类，来看下BlockBuilder的函数接口，一共有5个：

[cpp] view plain copy

1. void Reset(); // 重设内容，通常在Finish之后调用已构建新的block  
2. //添加k/v，要求：Reset()之后没有调用过Finish()；Key > 任何已加入的key  
3. void Add(const Slice& key,const Slice& value);  
4. // 结束构建block，并返回指向block内容的指针  
5. Slice Finish();// 返回Slice的生存周期：Builder的生存周期，or直到Reset()被调用  
6. size_t CurrentSizeEstimate()const; // 返回正在构建block的未压缩大小—估计值  
7. bool empty() const { returnbuffer_.empty();} // 没有entry则返回true  

主要成员变量如下：

[cpp] view plain copy

1. std::string            buffer_; // block的内容  
2. std::vector<uint32_t>  restarts_;  // 重启点-后面会分析到  
3. int                  counter_;  // 重启后生成的entry数  
4. std::string            last_key_; // 记录最后添加的key  

6.3.2 BlockBuilder::Add()

调用Add函数向当前Block中新加入一个k/v对{key, value}。函数处理逻辑如下：

S1 保证新加入的key > 已加入的任何一个key；

[cpp] view plain copy

1. assert(!finished_);    
2. assert(counter_ <= options_->block_restart_interval);  
3. assert(buffer_.empty() || options_->comparator->Compare(key,last_key_piece) > 0);  

S2 如果计数器counter < opions->block_restart_interval，则使用前缀算法压缩key，否则就把key作为一个重启点，无压缩存储；

[cpp] view plain copy

1. Slice last_key_piece(last_key_);  
2. if (counter_ < options_->block_restart_interval) { //前缀压缩  
3.     // 计算key与last_key_的公共前缀  
4.     const size_t min_length= std::min(last_key_piece.size(), key.size());  
5.     while ((shared < min_length)&& (last_key_piece[shared] == key[shared])) {  
6.     shared++;  
7. }else{ // 新的重启点  
8.     restarts_.push_back(buffer_.size());  
9.     counter_ = 0;  
10. }  

S3根据上面的数据格式存储k/v对，追加到buffer中，并更新block状态。

[cpp] view plain copy

1. const size_t non_shared = key.size() - shared; // key前缀之后的字符串长度  
2. // append"<shared><non_shared><value_size>" 到buffer_    
3. PutVarint32(&buffer_, shared);   
4. PutVarint32(&buffer_, non_shared);   
5. PutVarint32(&buffer_, value.size());    
6. // 其后是前缀之后的字符串 + value   
7. buffer_.append(key.data() + shared, non_shared);    
8. buffer_.append(value.data(), value.size());    
9. // 更新状态 ，last_key_ = key及计数器counter_  
10. last_key_.resize(shared);   // 连一个string的赋值都要照顾到，使内存copy最小化  
11. last_key_.append(key.data() + shared, non_shared);   
12. assert(Slice(last_key_) == key);    
13. counter_++;    

6.3.3 BlockBuilder::Finish()

调用该函数完成Block的构建，很简单，压入重启点信息，并返回buffer_，设置结束标记finished_:

[cpp] view plain copy

1. for (size_t i = 0; i < restarts_.size(); i++) {  // 重启点    
2.       PutFixed32(&buffer_, restarts_[i]);    
3. }    
4. PutFixed32(&buffer_, restarts_.size());    // 重启点数量    
5. finished_ = true;    
6. return Slice(buffer_);    

6.3.4 BlockBuilder::Reset() & 大小

还有Reset和CurrentSizeEstimate两个函数，Reset复位函数，清空各个信息；函数CurrentSizeEstimate返回block的预计大小，从函数实现来看，应该在调用Finish之前调用该函数。

[cpp] view plain copy

1. void BlockBuilder::Reset() {    
2.    buffer_.clear();  restarts_.clear();  last_key_.clear();    
3.    restarts_.push_back(0);       // 第一个重启点位置总是 0    
4.    counter_ = 0;    
5.    finished_ = false;    
6. }    
7.   
8. size_t BlockBuilder::CurrentSizeEstimate () const {    
9.    // buffer大小 +重启点数组长度 + 重启点长度(uint32)  
10.   return (buffer_.size() +  restarts_.size() * sizeof(uint32_t) + sizeof(uint32_t));   
11. }    

Block的构建就这些内容了，下面开始分析Block的读取，就是类Block。

6.3.5 Block类接口

对Block的读取是由类Block完成的，先来看看其函数接口和关键成员变量。

Block只有两个函数接口，通过Iterator对象，调用者就可以遍历访问Block的存储的k/v对了；以及几个成员变量，如下：

[cpp] view plain copy

1.   size_t size() const { returnsize_; }  
2.   Iterator* NewIterator(constComparator* comparator);  
3.   
4.   const char* data_; // block数据指针  
5.   size_t size_;      // block数据大小  
6.   uint32_t restart_offset_;     // 重启点数组在data_中的偏移  
7.   bool owned_;              //data_[]是否是Block拥有的  

6.3.6 Block初始化

Block的构造函数接受一个BlockContents对象contents初始化，BlockContents是一个有3个成员的结构体。

[cpp] view plain copy

1.   >data = Slice();  
2.   >cachable = false; // 无cache  
3.   >heap_allocated = false; // 非heap分配  
4. 根据contents为成员赋值  
5. data_ = contents.data.data(), size_ =contents.data.size(),owned_ = contents.heap_allocated;  

然后从data中解析出重启点数组，如果数据太小，或者重启点计算出错，就设置size_=0，表明该block data解析失败.

[cpp] view plain copy

1. if (size_ < sizeof(uint32_t)){  
2.   size_ = 0;  // 出错了  
3. } else {  
4.   restart_offset_ = size_ - (1 +NumRestarts()) * sizeof(uint32_t);  
5.   if (restart_offset_ > size_- sizeof(uint32_t)) size_ = 0;  
6. }  

NumRestarts()函数就是从最后的uint32解析出重启点的个数，并返回:

return DecodeFixed32(data_ +size_ - sizeof(uint32_t))

6.3.7 Block::Iter

这是一个用以遍历Block内部数据的内部类，它继承了Iterator接口。函数NewIterator返回Block::Iter对象：return new Iter(cmp, data_,restart_offset_, num_restarts);

下面我们就分析Iter的实现。

主要成员变量有：

[cpp] view plain copy

1. const Comparator* constcomparator_; // key比较器  
2. const char* const data_;      // block内容  
3. uint32_t const restarts_;     // 重启点(uint32数组)在data中的偏移  
4. uint32_t const num_restarts_; // 重启点个数  
5. uint32_t current_; // 当前entry在data中的偏移.  >= restarts_表明非法  
6. uint32_t restart_index_;  // current_所在的重启点的index  

下面来看看对Iterator接口的实现，简单函数略过。

>首先是Next()函数，直接调用private函数ParseNextKey()跳到下一个k/v对，函数实现如下：

S1 跳到下一个entry，其位置紧邻在当前value_之后。如果已经是最后一个entry了，返回false，标记current_为invalid。

[cpp] view plain copy

1. current_ = NextEntryOffset(); // (value_.data() + value_.size()) - data_  
2. const char* p = data_ +current_;  
3. const char* limit = data_ +restarts_; // Restarts come right after data  
4. if (p >= limit) { // entry到头了，标记为invalid.  
5.   current_ = restarts_;  
6.   restart_index_ =num_restarts_;  
7.   return false;  
8. }  

S2 解析出entry，解析出错则设置错误状态，记录错误并返回false。解析成功则根据信息组成key和value，并更新重启点index。

[cpp] view plain copy

1. uint32_t shared, non_shared,value_length;  
2. p = DecodeEntry(p, limit,&shared, &non_shared, &value_length);  
3. if (p == NULL || key_.size()< shared) {  
4.   CorruptionError();  
5.   return false;  
6. } else { // 成功  
7.   key_.resize(shared);  
8.   key_.append(p, non_shared);  
9.   value_ = Slice(p +non_shared, value_length);  
10.   while (restart_index_ + 1< num_restarts_ && GetRestartPoint(restart_index_ + 1) < current_) {  
11.        ++restart_index_; //更新重启点index  
12.   }  
13.   return true;  
14. }  

函数DecodeEntry从字符串[p, limit)解析出key的前缀长度、key前缀之后的字符串长度和value的长度这三个vint32值，代码很简单。

函数CorruptionError将current_和restart_index_都设置为invalid状态，并在status中设置错误状态。

函数GetRestartPoint从data中读取指定restart index的偏移值restart[index]，并返回：DecodeFixed32(data_ + restarts_ +index * sizeof(uint32_t);

>接下来看看Prev函数，Previous操作分为两步：首先回到current_之前的重启点，然后再向后直到current_，实现如下：

S1首先向前回跳到在current_前面的那个重启点，并定位到重启点的k/v对开始位置。

[cpp] view plain copy

1. const uint32_t original =current_;  
2. while (GetRestartPoint(restart_index_)>= original) {  
3.         if (restart_index_ == 0) { // 到第一个entry了，标记invalid状态  
4.             current_ = restarts_;  
5.             restart_index_ =num_restarts_;  
6.             return;  
7.       }  
8.       restart_index_--;  
9. }  
10. SeekToRestartPoint(restart_index_);//根据restart index定位到重启点的k/v对  

S2 第二步，从重启点位置开始向后遍历，直到遇到original前面的那个k/v对。

    do {} while (ParseNextKey() &&NextEntryOffset() < original);

说说上面遇到的SeekToRestartPoint函数，它只是设置了几个有限的状态，其它值将在函数ParseNextKey()中设置。感觉这有点tricky，这里的value_并不是k/v对的value，而只是一个指向k/v对起始位置的0长度指针，这样后面的ParseNextKey函数将会取出重启点的k/v值。

[cpp] view plain copy

1. void SeekToRestartPoint(uint32_tindex) {  
2.   key_.clear();  
3.   restart_index_ = index;  
4.   // ParseNextKey()会设置current_;  
5.   //ParseNextKey()从value_结尾开始, 因此需要相应的设置value_  
6.   uint32_t offset =GetRestartPoint(index);  
7.   value_ = Slice(data_ + offset,0); // value长度设置为0，字符串指针是data_+offset  
8. }  

> SeekToFirst/Last，这两个函数都很简单，借助于前面的SeekToResartPoint函数就可以完成。

[cpp] view plain copy

1. virtual void SeekToFirst() {  
2.   SeekToRestartPoint(0);  
3.   ParseNextKey();  
4. }  
5.   
6. virtual void SeekToLast() {  
7.   SeekToRestartPoint(num_restarts_ - 1);  
8.   while (ParseNextKey()&& NextEntryOffset() < restarts_) {} //Keep skipping  
9. }  

> 最后一个Seek函数，跳到指定的target(Slice)，函数逻辑如下：

S1 二分查找，找到key < target的最后一个重启点，典型的二分查找算法，代码就不再贴了。

S2 找到后，跳转到重启点，其索引由left指定，这是前面二分查找到的结果。如前面所分析的，value_指向重启点的地址，而size_指定为0，这样ParseNextKey函数将会取出重启点的k/v值。

    SeekToRestartPoint(left);

S3 自重启点线性向下，直到遇到key>= target的k/v对。

[cpp] view plain copy

1. while (true) {  
2.   if (!ParseNextKey()) return;  
3.   if (Compare(key_, target)>= 0) return;  
4. }  

上面就是Block::Iter的全部实现逻辑，这样Block的创建和读取遍历都已经分析完毕。