LevelDB-Time-To-Live/README.md

# 在LevelDB中实现TTL功能

## 10225102463 李畅 10225101440 韩晨旭@ArcueidType

# 实验要求

+ 在LevelDB中实现键值对的`TTL(Time-To-Live)`功能，使得过期的数据在**读取**时自动失效，并在适当的时候被**合并**清理。

+ 修改LevelDB的源码，实现对`TTL`的支持，包括数据的写入、读取和过期数据的清理。

+ 编写测试用例，验证`TTL`功能的正确性和稳定性。*(Optional)*

# 1. 设计思路和实现过程

## 1.1 设计思路

### Phase 0

在LevelDB中实现`TTL`功能主要涉及数据的**读、写、合并**。

在**写入**数据时，`TTL`功能是个可选项。从代码层面来说，LevelDB数据的写入调用了`Put`函数接口：

```
// 假设增加一个新的Put接口，包含TTL参数, 单位（秒）
Status DB::Put(const WriteOptions& opt, const Slice& key, 
    const Slice& value, uint64_t ttl);

// 如果调用的是原本的Put接口，那么就不会失效
Status DB::Put(const WriteOptions& opt, const Slice& key, 
    const Slice& value);
```

这段代码中，如果存入`TTL`参数，则调用本实验中新实现的`Put`函数接口；否则直接调用原有的`Put`接口。

### Phase 1

本小组的思路很简明：

+ 直接将`TTL`信息在**写入**阶段添加到原有的数据结构中
+ 在**读取**和**合并**时从得到的数据中 **解读** 出其存储的`TTL`信息，判断是否过期

因此，接下来需要思考的是如何将`TTL`信息巧妙地存入LevelDB的数据结构中。

### Phase 2

由于插入数据时调用的`Put`接口只有三个参数，其中`opt`是写入时的系统配置，实际插入的数据只有`key/value`，因此存储`ttl`信息时，最简单的方法就是存入`key`或`value`中。

在这样的方法中，可以调用原有的`Put`函数，将含义`ttl`信息的`key/value`数据存入数据库。

经过讨论后，本小组选择将`ttl`信息存入`value`中。

这样做的优缺点是：

+ **优点**：由于LevelDB在合并数据的过程中，需要根据`SSTable`的`key`对数据进行有序化处理，将`ttl`信息存储在`value`中不会影响`key`的信息，因此对已有的合并过程不产生影响
  
+ **缺点**：在获取到`SSTable`的`key`时，无法直接判断该文件是否因为`ttl`而成为过期数据，仍然需要读取对应的`value`才能判断，多了一步读取开销。***但是***，实际上在读取数据以及合并数据的过程中，其代码实际上都读取了对应`SSTable`中存储的`value`信息，因此获取`ttl`信息时必要的读取`value`过程并不是多余的，实际***几乎不***造成额外的读取开销影响

### Phase 3

在确定插入数据时选用的方法后，读取和合并的操作只需要在获取数据文件的`value`后解读其包含的`ttl`信息，并判断是否过期就可以了。

## 1.2 实现过程

### 1.2.1 写入 Put

首先需要实现的是将`ttl`信息存入`value`的方法。`Put`中获取的`ttl`参数是该数据文件的**生存时间（单位：秒）**。本小组对此进行处理方法是通过`ttl`计算过期时间的**时间戳**，转码为字符串类型后存入`value`的最前部，并用`|`符号与原来的值分隔开。

对于不使用`ttl`的数据文件，存入`0`作为`ttl`，在读取数据时若读到`0`则表示不使用`TTL`功能。

将此功能封装为**编码**和**解码**文件过期时间（DeadLine）的函数，存储在`/util/coding.h`文件中：

```c++
inline std::string EncodeDeadLine(uint64_t ddl, const Slice& value) {       // 存储ttl信息
  return std::to_string(ddl) + "|" + value.ToString();
}

inline void DecodeDeadLineValue(std::string* value, uint64_t& ddl) {        // 解读ttl信息
  auto separator = value->find_first_of("|");
  std::string ddl_str = value->substr(0, separator);
  ddl = std::atoll(ddl_str.c_str());
  *value = value->substr(separator + 1);
}
```

在写入数据调用`Put`接口时，分别启用`EncodeDeadLine`函数存储`ttl`信息：

```c++
// Default implementations of convenience methods that subclasses of DB
// can call if they wish
// TTL: Update TTL Encode
Status DB::Put(const WriteOptions& opt, const Slice& key, const Slice& value) { // 不使用TTL
  WriteBatch batch;
  batch.Put(key, EncodeDeadLine(0, value));
  return Write(opt, &batch);
}

// TTL: Put methods for ttl
Status DB::Put(const WriteOptions& options, const Slice& key,
                     const Slice& value, uint64_t ttl) {                        // 使用TTL
  WriteBatch batch;
  auto dead_line = std::time(nullptr) + ttl;        // 计算过期时间的时间戳
  batch.Put(key, EncodeDeadLine(dead_line, value));
  return Write(options, &batch);
}
```

### 1.2.2 读取 Get

LevelDB在读取数据时，调用`Get`接口，获取文件的`key/value`，因此只需要在`Get`函数中加入使用`TTL`功能的相关代码：

```c++
Status DBImpl::Get(const ReadOptions& options, const Slice& key,
                   std::string* value) {
  (......)

  // Unlock while reading from files and memtables
  {
    mutex_.Unlock();
    // First look in the memtable, then in the immutable memtable (if any).
    LookupKey lkey(key, snapshot);
    if (mem->Get(lkey, value, &s)) {
      // Done
    } else if (imm != nullptr && imm->Get(lkey, value, &s)) {
      // Done
    } else {
      s = current->Get(options, lkey, value, &stats);
      have_stat_update = true;
    }

    // TTL: Get the true value and make sure the data is still living
    if(!value->empty()) {
      uint64_t dead_line;
      DecodeDeadLineValue(value, dead_line);
      if (dead_line != 0) {
        // use TTL
        if (std::time(nullptr) >= dead_line) {
          // data expired
          *value = "";
          s = Status::NotFound("Data expired");
        }
      } else {
        // TTL not set
      }
    }
    mutex_.Lock();
  }

  (......)
}
```

若使用了`TTL`功能，则当文件过期时，返回`NotFound("Data expired")`的信息，即“数据已清除”。

**注意**：由于LevelDB对于数据的读取是只读`ReadOnly`的，因此只能返回`NotFound`的信息，而无法真正清理过期数据。

### 1.2.3 合并 Compaction

在合并的过程中，需要做到清理掉过期的数据，释放空间。

在大合并的过程中，需要调用`DoCompactionWorks`函数实现合并的操作，也是在这个过程中，LevelDB得以真正完成清理旧版本数据、已删除数据并释放空间的过程。

其实现逻辑是在该函数的过程中引入一个布尔变量`drop`，对于需要清理的数据设置`drop`为`True`，而需要保留的数据则是`drop`为`False`，最后根据`drop`的值清理过期数据，并将需要保留的数据合并写入新的`SSTable`。

因此，我们只需要在判断`drop`为`True`的条件中加入对过期时间(DeadLine)的判断就可以实现`TTL`功能的清理过期数据了：

```c++
Status DBImpl::DoCompactionWork(CompactionState* compact) {
  (......)

  while (input->Valid() && !shutting_down_.load(std::memory_order_acquire)) {
    (......)

    // Handle key/value, add to state, etc.
    bool drop = false;
    if (!ParseInternalKey(key, &ikey)) {
      // Do not hide error keys
      current_user_key.clear();
      has_current_user_key = false;
      last_sequence_for_key = kMaxSequenceNumber;
    } else {
      if (!has_current_user_key ||
          user_comparator()->Compare(ikey.user_key, Slice(current_user_key)) !=
              0) {
        // First occurrence of this user key
        current_user_key.assign(ikey.user_key.data(), ikey.user_key.size());
        has_current_user_key = true;
        last_sequence_for_key = kMaxSequenceNumber;
      }

      std::string value = input->value().ToString();
      uint64_t ddl;
      DecodeDeadLineValue(&value, ddl);


      if (last_sequence_for_key <= compact->smallest_snapshot) {
        (......)
      } else if (ddl <= std::time(nullptr)) {       // 根据ttl判断是否为过期数据
        // TTL: data expired
        drop = true;
      }

      last_sequence_for_key = ikey.sequence;
    }

    (......)

    input->Next();
  }
  (......)
}
```

理论上，`Compaction`相关的代码也实现了，但实际上还会存在一些问题。具体问题和解决方法详见 [问题和解决方案](#3.-问题和解决方案)。

## 2. 测试用例和测试结果

### TestTTL.ReadTTL

`TestTTL`中第一个测试样例，检测插入和读取数据时，读取过期数据能够正确返回`NotFound`。

![ReadTTL](img/test1_succ.png)

### TestTTL.CompactionTTL

`TestTTL`中第二个测试样例，检测插入和合并数据，能够在触发合并时清除所有过期数据。

![CompactionTTL](img/test2_succ.png)

然而，当数据库的设定的`level`过小时，仍然会出现错误。

![CompactionTTL_fail](img/test2_fail_with_3levels.png)

具体问题和解决方法见 [问题和解决方案](#3.-问题和解决方案)。

### TestTTL.LastLevelCompaction

在解决了上面遇到的问题之后，本小组添加了一个测试样例，用来检测在含义`SSTable`的最大层能否正确检测文件数量和合并、清理过期数据。

![LastLevelCompaction](img/test3_pass.png)

最后，展示三个测试样例一起运行的结果：

![All_pass](img/all_pass.jpg)

## 3. 问题和解决方案

### 3.1 无法合并和清理所有数据文件

本实验的问题和**合并**`Compaction`有关。

LevelDB中`Compaction`的逻辑是选中特定层(`level`)合并，假设为`level n`。在`level n`中找目标文件`SSTable A`（假设该次触发的合并从文件A开始），并确定`level n`以及`level n+1`中与`SSTable A`包含的数据(`key/value`)有`key`发生重复(`overlap`)的所有文件，合并后产生新的`SSTable B`放入`level n+1`层中。

这样引发的问题是：由`DoCompactionWorks`代码可知，不参与合并的文件无法被获取信息，因而即使过期了也无法被清理。在此例子中，若`level n+1`层中有含有过期数据的`SSTable C`，但`SSTable C`与`SSTable A`发生合并时触及的所有文件都没有`overlap`的话，则在该次合并中并没有被触及，因而无法被清理。

再次强调，合并过程必须清理**所有**已经过期的数据（尽管这听起来有些让人困惑，因为正常使用时，没有被合并的过期数据即使未被清理也不影响正常使用），而无法被清理的`SSTable C`明显是个例外，是个错误。

而在LevelDB提供的`CompactRange(nullptr,nullptr)`这个“合并所有数据”的功能中，同样会发生这样的错误，导致有部分数据文件并没有在合并过程中被触及——即使它声称合并了**所有**数据。

从代码层面可以理解导致该错误的原因。原来的代码：

```c++
void DBImpl::CompactRange(const Slice* begin, const Slice* end) {
  int max_level_with_files = 1;
  {
    MutexLock l(&mutex_);
    Version* base = versions_->current();
    for (int level = 1; level < config::kNumLevels; level++) {
      if (base->OverlapInLevel(level, begin, end)) {
        max_level_with_files = level;
      }
    }
  }
  TEST_CompactMemTable();  // TODO(sanjay): Skip if memtable does not overlap
  for (int level = 0; level < max_level_with_files; level++) {
    TEST_CompactRange(level, begin, end);
  }
}

void DBImpl::TEST_CompactRange(int level, const Slice* begin,
                               const Slice* end) {
  assert(level >= 0);
  assert(level + 1 < config::kNumLevels);
  
  (......)
}
```

这里注意两个数：`config::kNumLevels`和`max_level_with_files`：

+ config::kNumLevels：是LevelDB在启动时设定的数，表示总共使用的`level`层数。默认值为7

+ max_level_with_files：表示含有`SSTable`文件的最高层的编号。注意，这里的`level`编号是从0开始的，因此`max_level_with_files`理论最大值是`config::kNumLevels - 1`

在原来的代码中，`DBImpl::CompactRange`函数中的最后一个循环，选择的`level`无法到达`max_level_with_files`，因此即使“合并所有数据”，也没法触及`max_level_with_files`中的所有文件，而是对`max_level_with_files - 1`层的所有文件做了大合并。

修改后的代码如下：

```c++
void DBImpl::CompactRange(const Slice* begin, const Slice* end) {
  int max_level_with_files = 1;
  {
    MutexLock l(&mutex_);
    Version* base = versions_->current();
    for (int level = 1; level < config::kNumLevels; level++) {
      if (base->OverlapInLevel(level, begin, end)) {
        max_level_with_files = level;
      }
    }
  }
  TEST_CompactMemTable();  // TODO(sanjay): Skip if memtable does not overlap
  for (int level = 0; level < max_level_with_files + 1; level++) {
    TEST_CompactRange(level, begin, end);
  }
}

void DBImpl::TEST_CompactRange(int level, const Slice* begin,
                               const Slice* end) {
  assert(level >= 0);
  assert(level < config::kNumLevels);

  (......)
}
```

简单的方法是直接修改了循环的条件和相关函数`TEST_CompactRange`的判断条件，使得`level`可以到达`max_level_with_files`，这样就可以真正地合并所有文件并清理过期数据。

### 3.2 最后一层文件堆积且无法清理

在上一个问题中的解决方法在遇到最后一层（`MaxLevel`），即`level == config::kNumLevels - 1`时失效，因为这个时候的`Compaction`无法再找到`level + 1`的文件合并了，因为`level + 1`层根本不存在。

*在测试样例中，由于存入的文件到达不了`MaxLevel`，并不会遇到这种情况，因此可以顺利通过样例。为了制造出现错误的情况，可以将`config::kNumLevels`设置为较小值（如：3）再运行测试。这种情况放在`git`仓库的`light_ver`分支的修改里了。*

这同时引发了另一个问题的思考：当存储的数据文件（`SSTable`）已经存放在最高层`MaxLevel`中时，无法被合并和清除，因此本小组决定对涉及`MaxLevel`的合并做优化。

我们选择的优化方式基于以下思考：

+ 通常情况下，`MaxLevel`仅在手动触发的大合并即`Manual Compaction`中使用到，而自动合并`Size Compaction`和`Seek Compaction`几乎不会发生在`MaxLevel`，理由是：
  + Seek Compaction的情况：由于`MaxLevel`没有“下一层”，当在该层的`seek`查找不到文件时则返回`NotFound`，不可能触发`Seek Compaction`
  + Size Compaction的情况：由于数据库的`SSTable`通常按层顺序存储，若`MaxLevel`的存储文件大小达到上限，说明数据库的存储容量已经满了
+ 在大合并中，由于针对上个问题的修改方案，当`level`到达`max_level_with_files`时，会和下一层（此时为空）合并，导致合并后的文件会存入下一层，然而这个操作的目的仅仅是清理`max_level_with_files`的过期数据而已，并不需要移动文件，且这样做更早地使用了更高的`level`

优化方案：修改`Manual Compaction`相关的函数`CompactRange`、`TEST_CompactRange`和`InstallCompactionResults`，以及`Manual Compaction`类、`Compaction`类，向它们引入布尔类型变量`is_last_level`，判断当前层是否是`max_level_with_files`。

主要修改的函数：

```c++
void VersionSet::SetupOtherInputs(Compaction* c) {
  const int level = c->level();
  InternalKey smallest, largest;

  AddBoundaryInputs(icmp_, current_->files_[level], &c->inputs_[0]);
  GetRange(c->inputs_[0], &smallest, &largest);

  // TTL: manual compaction for last level shouldn't have inputs[1]
  if (!c->is_last_level()) {                     
    current_->GetOverlappingInputs(level + 1, &smallest, &largest,
                                   &c->inputs_[1]);
    AddBoundaryInputs(icmp_, current_->files_[level + 1], &c->inputs_[1]);
  }
  (......)
  if (!c->inputs_[1].empty()) {
    (......)
  }

  (......)
}
```

若当前合并的`level`是`max_level_with_files`，则`Compaction* c`不需要`inputs_[1]`，相当于和一个空的`level`进行合并。

```c++
Status DBImpl::InstallCompactionResults(CompactionState* compact) {
  (......)
  for (size_t i = 0; i < compact->outputs.size(); i++) {
    const CompactionState::Output& out = compact->outputs[i];
    if (!compact->compaction->is_last_level()) {    
      compact->compaction->edit()->AddFile(level + 1, out.number, out.file_size, out.smallest, out.largest);
    } else {
      // TTL: outputs of last level compaction should be writen to last level itself
      compact->compaction->edit()->AddFile(level, out.number, out.file_size, out.smallest, out.largest);
    }
  }
  return versions_->LogAndApply(compact->compaction->edit(), &mutex_);
}
```

添加判断条件，若当前层是最高层，则合并后的文件仍然放在本层。

修改后，可以同时解决提到的两个问题，成功清理最高层的过期数据文件。