设计文档

王雪飞，马也驰

1.项目概述

本项目的背景是提升 LevelDB 在高写入负载场景下的性能。LevelDB 是一种轻量级的键值存储引擎，但在数据频繁更新或大值（Large Values）存储场景下，由于数据写入和合并（Compaction）过程的设计，其性能可能受到显著影响。为解决这一问题，项目目标是实现 KV（Key-Value）分离机制，以降低写放大现象并提高存储效率。

具体实现内容包括在 LevelDB 内部引入 KV 分离功能，即将键（Key）与值（Value）存储到不同的存储介质中。通过修改 SSTable 的结构设计，将键与指向值的指针存储在原有的文件中，而将实际值存储到单独的文件或存储介质中，从而减少 Compaction 操作对大值的处理负担。此外，项目还优化了数据访问逻辑，实现了值文件的高效读写支持。

该功能的应用场景主要包括：

1. 适用于大值写入频繁的场景，如日志存储、视频元数据管理等。
2. 提升 SSD 等固态存储设备的寿命，减少写入放大带来的磨损。
3. 在混合存储架构中，提高冷热数据分离的效率。

2. 功能设计

2.1 字段设计

设计目标： 能够准确描述kv的属性数量，以及每一个属性的名称和字节数量。

设计思路： key的格式：| key | vlog_fileno | value_offset | 单个value的格式：| {attr1名称长度(定长), attr1名称(变长), attr1的偏移量(定长)}, ...{attr1长度(定长), attr1内容(变长)}, ... |

2.1 KV分离

设计目标： 将value的存储和key在lsm tree中的存储分离，降低lsm tree的GC开销

设计思路：

1. value的分离式存储 我们使用若干个vlog文件，为每一个vlog文件设置容量上限（比如16MiB），并在内存中为每一个vlog维护一个discard计数器，表示这个vlog中当前有多少value已经在lsm tree中被标记为删除。
2. 存储value所在vlog和偏移量的元数据 我们在key和vlog中添加一个vlog_page的中间层，这一层存储每一个key对应的value所在的vlog文件和文件内偏移，而lsm tree中的key包含的实际上是这个中间层的slot下标，而每一个slot中存储的是key所对应的vlog文件号以及value在vlog中的偏移。这样，我们就可以在不修改lsm tree的基础上，完成对vlog的compaction，并将vlog的gc结果只反映在这个中间层vlog_page中。这个vlog_page实际上也是一个线性增长的log文件，作用类似于os中的页表，负责维护lsm tree中存储的slot下标到vlog和vlog内偏移量的一个映射。这样，通过vlog_page我们就可以找到具体的vlog文件和其文件内偏移量。对于vlog的GC过程，我们不需要修改lsm tree中的内容，我们只需要修改vlog_page中的映射即可。
3. vlog_page文件和vlog文件的GC 对于vlog文件，我们在内存中维护一个bitmap，用来表示每一个slot的使用情况，并在插入和GC删除kv时进行动态的分配和释放。对于vlog文件的GC，我们用一个后台线程来扫描所有vlog的discard计数器。当某些vlog的discard计数器超过某个阈值（比如1024），我们就对这些vlog文件进行GC过程，当GC完成之后将vlog_page中的slot元数据进行更新，再将原来的vlog文件进行删除，GC过程就完成了。

3. 数据结构设计

key的格式：| key | vlog_page_slot | vlog_page: | slot0:{vlog_no, offset}, slot1:{vlog_no, offset}, ... |

对于每一次读取，用户线程先读取lsm tree中key的slot下标，然后到vlog_page中读取对应的slot内容(每一个slot都是定长的)，之后再在这个slot中读取value所在的vlog文件号和偏移量offset，之后到对应的vlog文件中读取value。

但是这又带来了一个问题，我们该如何管理vlog_page这个文件？当插入新的kv时，我们需要在这个vlog_page中分配新的slot，在GC删除某个kv时，我们需要将对应的slot进行释放。这里我们选择在内存中维护一个可线性扩展的bitmap。这个bitmap中每一个bit标识了当前vlog_page文件中对应slot是否被使用，是为1，不是为0。这样一来，在插入新kv时，我们可以用bitmap来分配一个新的slot（将bitmap中第一个为0的bit设置为1），将内容进行写入；在GC删除某个kv时，我们将这个slot对应的bitmap中的bit重置为0即可。

4. 接口设计

这里只展示和vlog以及GC无关的接口，vlog的创建，管理以及后台线程的GC设计到vlog等新数据结构的实现，较为复杂和庞大，这里不做展示。我们只列出与kv的插入有关的新接口：

1. 搜索vlog_page文件: Status find_slot(const Slice& key, Slot *slot);
2. 搜索vlog文件: Status find_value(Slot *slot);
3. 分配新的slot: Status allocate_slot(Bitmap *map, uint64_t *s);
4. 释放slot: void deallocate_slot(Bitmap *map, uint64_t *s);

5. 功能测试

单元测试:

1. 测试插入后，是否能读取成功。
2. 测试插入超过初始vlog_page等slot数量之后，是否还能正常插入，检查vlog_page文件等线性可扩展性
3. 测试插入后，进行删除，等待GC完成后再读取value和vlog的大小，看看GC过程是否正常进行。

性能测试:

1. 测试插入的吞吐
2. 测试在只有删除的情况下，GC的效率
3. 测试在插入和删除不同比重的负载下，系统的吞吐情况

6. 可能遇到的挑战与解决方案

列出实现过程中可能遇到的技术难题及其解决思路，如如何处理GC开销、数据同步、索引原子更新等问题。 各种参数的设置，比如vlog的容量上限，以及vlog_page的bitmap管理方式是否足够高效？以及在GC过程中如果对被GC中的vlog进行写入该让用户线程和后台线程以什么样的方式进行同步？vlog_page的读写放大也是一个重要的问题。

7. 分工和进度安排

功能	完成日期	分工
vlog中value的存储格式	12.8	王雪飞
vlog_page实现	12.8	马也驰
vlog的GC实现	12.29	马也驰
性能测试	1.5	王雪飞
功能测试	1.5	马也驰