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**本仓库提供TTL基本的测试用例**
克隆代码:
```bash
git clone --recurse-submodules https://gitea.shuishan.net.cn/building_data_management_systems.Xuanzhou.2024Fall.DaSE/leveldb_base.git
```
# LevelDB: Value Field & KV Separation 设计文档
## 项目概述
> **项目背景:**LevelDB 项目的 KV 键值对存储信息单一;LSM-Tree 读写放大开销大,导致 LevelDB 顺序范围查询时的数据吞吐量随 Value 大小增加而急剧下降。
#### 项目目标 & 实现目的
1. 实现 LevelDB 的 **value 字段功能**
+ 实现类似 关系数据库-表格-列 和 文档数据库-文档-字段 的多字段功能设计;
+ **提供高效的接口来读写 value、通过 value 查询多个匹配的 Key**
+ 使 LevelDB 同时具有 高性能读写大量键值对 和 多字段数据存储 的功能。
2. 实现 **KV 分离(分离存储、点查、范围查询、GC 机制)**
+ 减小 LevelDB 的读写放大;
+ 减小 LSM-Tree 的层级;
+ Compaction 不需重写 value;
+ 一个 SSTable 的 Block 能存更多 Key,有利于减少读 LSM-Tree 的开销;
+ Cache 能储存更多 SSTable,减少磁盘 I/O 开销。
3. 实现 **Benchmark**,测试并分析性能:
+ 验证功能扩展(value 多字段设计 & KV 分离)的有效性;
+ **评估性能提升(读写 Throughput 性能、读写放大、LSM-Tree 层级、随机点查/顺序范围查询效率(延迟)、GC 开销与性能影响、各读写阶段耗时占比 (Wait / Log / Memtable / Other))**
+ **分析资源利用率(硬盘 I/O 、内存负载)**
+ **比较大/小数据集、高并发场景的表现**
+ 找到性能瓶颈并针对优化。
## 功能设计
### 2.1 字段设计
+ **设计目标:**
1. 将 value 设计为一个字段数组,每个元素对应一个字段 `Field``field_name: field_value`
2. 对于 value 存储时的字符串类型值与真实含义的字段数组,采用字段数组的序列化与字符串的解析实现两者的转化;
3. 允许在存储 KV 键值对前修改字段内容;
4. 允许通过字段值查询所有对应的 key。
+ **实现思路:**
1. 设计类 `Fields` 来操作字段数组,与字段相关的字段截取、读写操作、序列化等函数均在 `Fields` 类中实现;
2. 通过字段查询 Key :实现函数 `FindKeysByField`,传入若干字段名和字段值(即子字段数组),遍历查找 LSM-Tree 找到对应的若干 key。
### 2.2 KV 分离
+ **设计目标:**
1. + 对于大 value,分离 KV 存储,减小 LevelDB 的读写放大;
+ 对于小 value,以 KV 键值对的正常形式存入 LSM-Tree;
2. 对于 vLog 有 GC 机制,可以定期和在 vLog 超出限制大小时触发,回收 vLog 中的失效 value 并更新 vLog 与 LSM-Tree;
3. 确保操作的原子性。
+ **实现思路:**
1. vLog 有若干个,**仅保存大于阈值的大 value 对应的 KV 数据对**,且为 Append-Only,仅有一个 vLog 是活跃的(可插入新 value 与 key),**具有一个垃圾计数器,当计数器超过阈值,触发 GC,并被重写**;
2. 原 LSM-Tree 中的 KV 键值对,**大 value(value 存入 vLog 的情况)改为 `<key, <fileno, offset>>` 的形式;小 value 则与原 LevelDB SSTable 中 KV 键值对存储格式相同**;
3. 当前活跃的 vLog **超过限制大小**后,新建一个文件作为新的活跃 vLog;
4. 将大 value 写入当前活跃 vLog 后,获得该 value 在 vLog 的 `offset` 和 vLog 的编号 `fileno` ,将 `<key, <fileno, offset>>` 写入 WAL 和 Memtable 中;
5. **GC 的触发时机为某个 vLog 的垃圾计数器到达阈值时,GC 过程重写目标 vLog 时,若当前处理的 KV 键值对的 key 在 LSM-Tree 中不存在或已更新,则忽略这个 KV 键值对;**
+ 新的 vLog 被重写完毕后,更新 vLog 中 KV 的新 `<fileno, offset>` 到 LSM-Tree 中;
+ 为了避免以下情况:用户在之前的时间戳删除了 LSM-Tree 中的某个 key,但当前时间戳 GC 导致重写后的 vLog 中的 KV 键值对被回写到 LSM-Tree 中更高层的 SSTable,相当于该 key 对应的 KV 键值对被额外重新插入了,新写入数据在旧写入数据下层的问题——每次读取数据需要遍历查找每一层的所有 SSTable。
## 数据结构设计
### 3.1 字段功能
+ `Field` & `FieldArray`
`using Field = std::pair<std::string, std::string>;`
`using FieldArray = std::vector<std::pair<std::string, std::string>>;`
+ `class Fields`,用于操作字段数组。
### 3.2 KV 分离
<img src="./image/write-badger.png" style="zoom: 50%;" />
## 接口/函数设计
### 4.1 字段功能
+ `class Fields`
```c++
class Fields {
public:
// 从 FieldArray 构造
explicit Fields(FieldArray field_array);
// 从字符串解码构造
explicit Fields(const std::string& value_str);
~Fields();
// 更新字段值
void update_field(const std::string& name, const std::string& value);
// 获取字段
Field get_field(const std::string& name) const;
// 检查字段是否存在
bool has_field(const std::string& name) const;
// 序列化字段数组为字符串
std::string Serialize() const;
// 重载运算符 [] 用于访问字段值
std::string operator[](const std::string& name) const;
// 重载运算符 [] 用于修改字段值
std::string& operator[](const std::string& name);
// 重载运算符 == 用于比较两个 Fields 是否相等
bool operator==(const Fields& other) const;
};
```
### 4.2 KV 分离
+ 大 value 的 key 对应的 value 存储位置:`VPtr`
```c++
struct VPtr {
int fileno; // VLog 文件号
uint64_t offset; // 偏移量
};
```
+ `class VLog`
```c++
class VLog {
private:
// 该 VLog 是否活跃,即可插值
bool activate_;
// 最大 VLog 大小
std::size_t maxSize_;
// GC 计数器
std::size_t deadkeyCount;
public:
// 构造函数,默认赋值 GC 计数器为 GC 触发的最大阈值
VLog(bool activate, std::size_t maxSize, std::size_t gcThreshold)
: activate_(activate), maxSize_(maxSize), deadkeyCount(gcThreshold) {}
// 向 VLog 中添加一个新的键值对
virtual void append(const std::string& key, const std::string& value) = 0;
// 查找给定键对应的值
virtual VPtr lookup(const std::string& key) const = 0;
// 执行垃圾回收操作
virtual void GarbageCollection() = 0;
virtual ~VLog() {}
};
```
## 功能测试
### 单元测试(测试用例)
+ **字段功能:**
1. (测试是否能序列化 `FieldArray`、反序列化解析 value ;)
2. 测试是否能成功写入、点查与范围查询;
3. 测试是否能通过 value 查询所有匹配的 Key。
+ **KV 分离:**
1. 测试大小 value 与对应 key 是否按规则存入 LSM-Tree 或 VLog;
2. 测试是否能通过 key 与 `VPtr` 找到 VLog 中正确的 value;
3. 测试 GC 流程是否正确,包括是否成功触发、重写 VLog、回写 LSM-Tree 的 key 对应的 `VPtr`
### 性能测试(Benchmark)
1. 测试不同 value 大小的 Throughput;
2. 测试读写放大的减小程度;
3. 测试随着插入数据量,LSM-Tree 层级的减小程度;
4. 测试随机点查 / 顺序范围查询效率;
5. 测试 GC 开销;
6. 测试各读写阶段耗时占比(Wait / Log / Memtable / Other);
7. 比较大/小数据集、高并发场景的表现;
8. (比较资源利用率(硬盘 I/O 、内存负载);)
## 可能遇到的挑战与解决方案
1. KV 分离中 VLog 的 GC 开销可能较大:GC 过程中需要扫描和重写 vLog,以及回写 LSM-Tree,需要遍历所有 SSTable,开销较大;
2. 数据一致性问题:若程序突然停止运行,可能导致数据不一致的情况,目前暂时没想到恢复机制;
3. 读、写、GC 等流程的持锁处理;
4. 由于每次读取需要遍历整个 LSM-Tree 且由于 vLog 是 Append-Only 的无序存储,导致顺序读取的效率可能不比随机读取高多少,开销大,需要实现 value 预读机制,提前预读取下一个 value。
## 分工和进度安排
| 功能 | 预计完成日期 | 分工 |
| :------------------------------------------: | :----------: | :----------: |
| Fields 类和相关接口实现 | 12月3日 | 朱维清、谷杰 |
| 测试实现字段功能 | 12月5日 | 谷杰 |
| VLog 类和相关接口实现 | 12月15日 | 朱维清、谷杰 |
| 测试实现 KV 分离 | 12月19日 | 朱维清 |
| Benchmark 测试(吞吐量、写放大、点查范围查) | 12月26日 | 谷杰 |
| Benchmark 测试(GC 开销、大小数据集、并发) | 12月26日 | 朱维清 |

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