LevelDB本质上是一套存储系统以及在这套存储系统上提供的一些操作接口。为了便于理解整个系统及其处理流程,我们可以从两个不同的角度来看待LevleDB:静态角度和动态角度。

从静态角度,可以假想整个系统正在运行过程中(不断插入删除读取数据),此时我们给LevelDB照相,从照片可以看到之前系统的数据在内存和磁盘中是如何分布的,处于什么状态等。从动态的角度,主要是了解系统是如何写入一条记录,读出一条记录,删除一条记录的,同时也包括除了这些接口操作外的内部操作比如compaction,系统运行时崩溃后如何恢复系统等等方面。

本节所讲的整体架构主要从静态角度来描述levelDB设计。接下来的几节内容会详述静态结构涉及到的文件或者内存数据结构,专题的后半部分主要介绍动态视角下的LevelDB,就是说整个系统是怎么运转起来的。

LevelDB作为存储系统,数据记录的存储介质包括内存以及磁盘文件,如果像上面说的,当LevelDB运行了一段时间后,假如我们给LevelDB进行透视拍照,会看到如下一番景象:

leveDB 2: 整体架构

从图中可以看出,构成LevelDB静态结构的包括六个主要部分:内存中的MemTable和Immutable MemTable以及磁盘上的Current文件,Manifest文件,log文件以及SSTable文件。当然,LevelDB除了这六个主要部分还有一些辅助的文件,但是以上六个文件和数据结构是LevelDB的主体构成元素。

LevelDB的Log文件和Memtable与Bigtable论文中介绍的是一致的,当应用写入一条Key:Value记录的时候,LevelDB会先往log文件里写入,成功后将记录插进Memtable中,这样基本就算完成了写入操作。因为一次写入操作只涉及一次磁盘顺序写和一次内存写入,所以这是为何说LevelDB写入速度极快的主要原因。

Log文件在系统中的作用主要是用于系统崩溃恢复而不丢失数据,假如没有Log文件,因为写入的记录刚开始是保存在内存中的,此时如果系统崩溃,内存中的数据还没有来得及Dump到磁盘,所以会丢失数据(Redis就存在这个问题)。为了避免这种情况,LevelDB在写入内存前先将操作记录到Log文件中,然后再记入内存中,这样即使系统崩溃,也可以从Log文件中恢复内存中的Memtable,不会造成数据的丢失。

当Memtable插入的数据占用内存到了一个界限后,需要将内存的记录导出到外存文件中,LevleDb会生成新的Log文件和Memtable,原先的Memtable就成为Immutable Memtable,顾名思义,就是说这个Memtable的内容是不可更改的,只能读不能写入或者删除。新到来的数据被记入新的Log文件和Memtable,LevelDB后台调度会将Immutable Memtable的数据导出到磁盘,形成一个新的SSTable文件。SSTable就是由内存中的数据不断导出并进行Compaction操作后形成的,而且SSTable的所有文件是一种层级结构,第一层为Level 0,第二层为Level 1,依次类推,层级逐渐增高,这也是为何称之为LevelDB的原因。

SSTable中的文件是Key有序的,就是说在文件中小key记录排在大Key记录之前,各个Level的SSTable都是如此,但是这里需要注意的一点是:Level 0的SSTable文件(后缀为.sst)和其它Level的文件相比有特殊性:这个层级内的.sst文件,两个文件可能存在key重叠,比如有两个level 0的sst文件,文件A和文件B,文件A的key范围是:{bar, car},文件B的Key范围是{blue,samecity},那么很可能两个文件都存在key=”blood”的记录。对于其它Level的SSTable文件来说,则不会出现同一层级内.sst文件的key重叠现象,就是说Level L中任意两个.sst文件,那么可以保证它们的key值是不会重叠的。这点需要特别注意,后面您会看到很多操作的差异都是由于这个原因造成的。

SSTable中的某个文件属于特定层级,而且其存储的记录是key有序的,那么必然有文件中的最小key和最大key,这是非常重要的信息,利用这个信息就可以快速定位key属于被存储在哪个SSTable内。Manifest就是干这个的,它记载了各个SSTable文件的管理信息:比如属于哪个Level,文件名称叫啥,最小key和最大key各自是多少。下图是Manifest所存储内容的示意:

leveDB 2: 整体架构

图中只显示了两个文件(manifest会记载所有SSTable文件的这些信息),即Level 0的test.sst1和test.sst2文件,同时记载了这些文件各自对应的key范围,比如test.sstt1的key范围是“an”到 “banana”,而文件test.sst2的key范围是“baby”到“samecity”,可以看出两者的key范围是有重叠的。

Current文件是干什么的呢?这个文件的内容只有一个信息,就是记载当前的manifest文件名。因为在LevleDB的运行过程中,随着Compaction的进行,SSTable文件会发生变化,会有新的文件产生,老的文件被废弃,Manifest也会跟着反映这种变化,此时往往会新生成Manifest文件来记载这种变化,而Current则用来指出哪个Manifest文件才是我们关心的那个Manifest文件(全局只有一个有效manifest文件)。

以上介绍的内容就构成了LevelDB的整体静态结构,在接下来的内容中,我们会首先介绍重要文件或者内存数据的具体数据布局与结构。