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@ -0,0 +1,599 @@ |
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# 代码设计 |
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## 1.项目概述 |
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### 1.1 实现字段查询功能 |
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LevelDB 的基本数据结构是由一个 key 和对应的 value 组成，其中 value 是一个简单的字节序列（可以是字符串或二进制数据）。默认情况下，LevelDB 不支持像关系型数据库那样的字段查询功能。然而，在实际应用中，用户可能需要对存储的数据进行更加精细的操作，特别是当值包含多个逻辑字段时，直接使用现有的 LevelDB 接口难以满足需求。 |
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在本实验中，我们的目标是扩展 LevelDB 的功能，使其 value 支持多字段结构，并实现通过字段值查询对应的 key 的功能。 |
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### 1.2 KV 分离 |
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在 LevelDB 及其采用的 LSM 树结构中，性能挑战之一在于 Compaction 操作的效率。Compaction 是指将内存中的数据合并到磁盘上的过程，此过程中涉及大量的读写操作，对于系统的整体性能有着重要影响。在 Compaction 时，所有涉及到的旧 sstable 中的键值对都将被写入到新 sstable 中，而 Value 通常比 Key 大得多。如果将 Key 和 Value 分离存储，合并时只涉及 key 写入 sstable 的过程，可以显著减少 Compaction 的开销，从而提升性能。 |
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基于此我们计划实施键值分离策略。具体而言，键将保持原有的排序方式，而值将被独立存储。这样做可以在不影响查询性能的前提下，大幅降低 Compaction 过程中的数据迁移量，进而减少不必要的磁盘 I/O ，提升系统的合并效率。 |
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## 2.功能设计 |
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Andy Pavlo在15445课程中说，完成一个项目，应先写出能够完成正确性要求的代码，再在此基础上提升性能，避免不成熟的优化方式。 |
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因此，我们的项目流程将保持每周推进代码进度，在完成目标要求的代码的基础上，不断迭代优化性能。 |
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### 2.1.字段设计 |
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- **设计目标**： |
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- 将 LevelDB 中的 `value` 组织成字段数组，每个数组元素对应一个字段（字段名：字段值）。 |
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- 字段会被序列化为字符串，然后插入LevelDB。 |
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- 这些字段可以通过解析字符串得到，字段名与字段值都是字符串类型。 |
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- 允许任意调整字段。 |
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- 实现通过字段值查询对应的 `key`。 |
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- **实现思路**： |
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函数 `Put_with_fields` 负责插入含字段的数据。原字段数据经过序列化函数 `SerializeValue` 处理后，函数 `Put_with_fields` 调用 `Put` 将序列化后的字段插入 leveldb。 |
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函数 `Get_with_fields` 负责获得含字段的数据。使用 `Get` 从 leveldb 中获取 `key` 和序列化后的 `value`，调用 `ParseValue` 可以将字段反序列化。 |
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函数 `Get_keys_by_field` 遍历数据库中的所有键值对，解析每个 `Value`，提取字段数组 `FieldArray`。检查字段数组中是否存在目标字段，如果匹配，则记录其对应的 `Key`。将所有匹配 `key` 汇总到 `keys` 中返回。 |
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**初步实现**（第一周 已完成）：在 leveldb 内部实现以上功能。内部实现会导致读取时无法区分多字段类型和原生 kv 对，扩展性不足。 |
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**后续改进**（第二周）：为了解决无法区分多字段类型和原生 kv 对的问题，将以上函数功能实现在用户层级，使 leveldb 内部对多字段类型无感知。 |
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### 2.2.KV分离 |
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#### 设计思路 |
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- **KV 分离设计** |
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a. 将LevelDB的key-value存储结构进行扩展，分离存储key和value |
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b. Key存储在一个LevelDB实例中，LSM-tree中的value为一个指向Value log文件和偏移地址的指针，用户Value存储在Value log中。 |
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- **读取操作。** |
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KV分离后依然支持点查询与范围查询操作。 |
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- **Value log的管理。** |
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a.当Value log超过一定大小后通过后台GC操作释放Value log中的无效数据。 |
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b.GC能把旧Value log中没有失效的数据写入新的Value log，并更新LSM-tree里的键值对。 |
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c.新旧Value log的管理功能。 |
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- **确保操作的原子性** |
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#### 实现思路 |
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#### 初步实现（第一周 已完成） |
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使用单一Value Log简单的实现KV分离，该实现较为简单，仅需在Put/Get函数内部进行简单修改，但在大数据量场景下性能极差。 |
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##### 优点：实现简单，合并时开销小 |
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##### 缺点：大数据量下性能极差，不能作为最终方案。 |
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#### 第二种实现（第二周 已完成） |
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对每个SSTable和MemTable建立一个Value Log。该实现相比于初步实现更加复杂，需要在合并时查询所有相关Value Log，并建立新Value Log。此外还要考虑在合并结束后将废弃的Value Log异步删除。 |
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**Trick 1.为什么要在Put到MemTable时就放入Value Log而非dump至SS Table时才放入Value Log？** |
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原因：将写ValueLog推迟至SSTable并没有减少Put时写入磁盘的总数据量（写ValueLog：ValueLog中写Value，WAl中写Key和Value元数据；不写ValueLog：WAL中写Key和Value），优点是将两次无法并行的写文件操作变为一次写文件操作。但该方法有一个缺陷，即leveldb原生的管理数据的方式是MemTable和SSTable大小相等。而经过这样改变后，MemTable在dump成SSTable后其大小会突然减少（Value全部转移至ValueLog），导致一个SSTable中存储的数据量过少。而原本valuelog的优势（一个SSTable可以放更多键值对使得table cache命中率变高）也将不存在了。我们将两个做法都进行了实现，通过对比性能发现后者不如前者，因此选择保留前者设计。 |
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##### 优点：随合并自动GC，无需考虑GC。 |
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##### 缺点：合并时开销未能减小。 |
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**第三种实现**（第三周）：使用相对固定大小的Value Log，例如每个Value Log大小约为2KB。新添加的键值对依次将值计入最新Value Log，当Value Log大小满了之后就创建新Value Log。需要设计一种不改变SSTable内记录Value元数据的GC方法。 |
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##### 优点：合并时开销小。 |
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##### 缺点：需要设计一种GC方式，能够在异步GC的同时不改变SSTable。 |
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## 3. 数据结构设计 |
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### KV分离后 Value 结构设计 |
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一个Value，开头是使用Varint64存储的FieldNum，表示有FieldNum个Field组成。然后是使用Varint64存储的Field X name size，表示该field的字段名长度，然后是字段名，然后是使用Varint64存储的Field X Value size，表示该field的值长度，然后是值。 |
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### ValueLog结构设计 |
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**第一版设计** |
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使用一个Value Log文件的设计中，我们只需记录Value在Value Log中对应的偏移量和Value长度即可。 |
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Value Log中只记录Value值，无需记录元信息。 |
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**第二版设计** |
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Value设计为：1字节标志位+Varint64文件ID+Varint64偏移量+Varint64长度。 |
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在存储时根据Value大小是否较大选择进行KV分离。若分离则标志位为true，否则标志位为false。 |
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日志文件中仍然只需记录Value值即可，无需记录元信息。 |
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**第三版设计** |
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这一版设计有些复杂。 |
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和第二版设计一样，在Value开头使用一字节标志位表示是否KV分离。 |
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如果KV分离，则接下来是Varint64的文件ID和Varint64的文件内offset。 |
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在ValueLog中，在开头记录当前会索引到该Value Log的键值对数量Using count。如果Using count==0，则表示该ValueLog不被任何键值对使用，可以删除。 |
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**Using count在Value Log添加键值对时进行+1**。 |
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**Using count**在**其中任意键值对被合并**，**并且 该键值对由于合并时被更加新的键值对覆盖 或者 该键值对的True using Sign=False**时，进行**-1**。 |
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在一个Value通过SSTable索引到Value Log后，其索引到的开头是一个**Value True Using Sign**。该标志位同样是一字节，标志了当前该Value是否是真正的Value。 |
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**若标志位为True表示是真正的Value，那么标志位后是Varint64的Value长度+Value本身。** |
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**若标志位为False表示不是真正的Value，那么标志位后是Varint64的下一个可能存在有真实对应Value的Value Log文件ID和Varint64的在下一个Value Log文件中的offset。** |
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**Value True Using Sign发生变化有两种情况：** |
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**1** |
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一个键值对由于合并时被更加新的键值对覆盖时，不仅将Using count进行-1，同时也将其Value True Using Sign设置为False。 |
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**2** |
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在键值对加入到Value Log时，其Value True Using Sign设置为True。 |
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当后台异步GC过程检测到一个Value Log的Using count较小时，将对其中Value True Using Sign仍为True的Value做以下处理： |
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1.将Value对应的数据（设为True的标志位，Value len和Value本身）像新数据一样写入最新的Value Log中。 |
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2.将原Value True Using Sign置为False |
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3.将原Value Log中标志位后的数据修改为新写入的Value Log的ID和数据所处的Offset。 |
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（保证原Value大小大于16，以防Varint64(Value len)+Value len<Varint64(File ID)+Varint64(Offset)。) |
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**注意** |
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在SSTable合并时要检查所合并的Value直接指向的Value Log是否Value True Using Sign=True，不是的话，要不断通过Next File找下一个文件，直到找到Value True Using Sign=True的文件。然后将新SSTable中的Value指向该新文件。**除此之外，在此过程中找到的所有文件的Using count都要-1**。 |
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这样的GC设计可以确保，GC过程中无需修改原SSTable数据，且合并过程中仅需修改较少的数据。 |
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> [!CAUTION] |
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> **！注意！在实现过程中发现性能缺陷** |
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当合并时由于需要扫描合并的SSTable，要对其中每个Value做读ValueLog操作（因为可能可以更新Value指向的ValueLog），导致一次合并会涉及很多次的ValueLog文件读写，性能过于低效，因此想到了新的操作方法。 |
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### 3.1 fixsize_valuelog实际设计 |
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#### 新的`valuelog` 文件的组织方式： |
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`valuelog` 文件存储了 **键值对（KV）** 数据，每条记录按照以下格式组织： |
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1. **键的长度**（`key_len`）：`uint64_t`，标识键的字节长度。 |
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2. **键**（`key`）：实际的键数据，长度为 `key_len`。 |
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3. **值的长度**（`value_len`）：`uint64_t`，标识值的字节长度。 |
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4. **值**（`value`）：实际的值数据，长度为 `value_len`。 |
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在sstable中key对应的value位置存储了对应valuelog文件的id和在文件中的offset。 |
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#### gc过程： |
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垃圾回收的核心思想是扫描所有的 `valuelog` 文件，检查文件中的记录是否有效。如果记录的键已失效（比如键在 `sstable` 中不存在或元数据不匹配），则该记录会被忽略，最终删除整个无效的 `valuelog` 文件。 |
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#### **详细过程：** |
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1. **扫描数据库目录**： |
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- 遍历 `valuelog` 文件。 |
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2. **处理每个 `valuelog` 文件**： |
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- 打开文件，逐条读取记录。 |
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3. **读取每条记录**： |
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- 按文件结构读取 `key_len`、`key`、`value_len`、`value`。 |
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- 检查 sstable是否包含该键： |
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- 如果键不存在（或无效），忽略此条记录。 |
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- 如果键存在，验证元数据（包括 `valuelog_id` 和 `offset`）。 |
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- 有效的键值对会被重新 put 进入数据库，sstable中重复的key会在compaction过程中被回收。 |
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4. **清理无效文件**： |
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- 如果整个 `valuelog` 文件的记录均无效或已被迁移，删除该文件。 |
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## 4. 接口/函数设计 |
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#### 4. 1Value多字段设计 |
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##### **4.1.1 数据序列化与反序列化** |
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**序列化字段数组为字符串值** |
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```cpp |
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std::string SerializeValue(const FieldArray& fields); |
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``` |
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- **输入**：字段数组 `fields`。 |
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- **输出**：序列化后的字符串。 |
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**反序列化字符串值为字段数组** |
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```c++ |
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void DeserializeValue(const std::string& value_str, FieldArray* res); |
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``` |
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- **输入**：序列化字符串 `value_str`。 |
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- **输出**：字段数组 `res`。 |
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##### **4.1.2 数据查询接口** |
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**按字段查找键** |
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```c++ |
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|
Status DB::Get_keys_by_field(const ReadOptions& options, const Field field, std::vector<std::string>* keys); |
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``` |
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- **输入**： |
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- 读取选项 `options`。 |
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- 字段值 `field`。 |
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- **输出**： |
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- 操作状态 `Status`。 |
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- 符合条件的键列表 `keys`。 |
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##### **4.1.3 判断文件是否为 `valuelog` 文件** |
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**判断给定文件是否为 `.valuelog` 格式的文件。** |
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```c++ |
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bool IsValueLogFile(const std::string& filename) { |
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``` |
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**输入**： |
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- 文件名 `filename`，可以是完整路径或纯文件名。 |
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**输出**： |
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- 布尔值 `true`：文件是 `valuelog` 文件。 |
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- 布尔值 `false`：文件不是 `valuelog` 文件。 |
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##### **4.1.4 解析 `sstable` 中的元信息** |
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**解析 `sstable` 中存储的值，提取 `valuelog_id` 和 `offset` 信息。** |
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```c++ |
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void ParseStoredValue(const std::string& stored_value, uint64_t& valuelog_id, uint64_t& offset); |
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``` |
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- **输入**： |
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- 存储值 `stored_value`，格式为 `"valuelog_id|offset"`。 |
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- **输出**： |
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- `valuelog_id`：解析出的 ValueLog 文件 ID。 |
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- `offset`：解析出的记录偏移量。 |
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##### **4.1.5 获取 `ValueLog` 文件 ID** |
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**从文件名中提取 ValueLog 文件的 ID（假设文件名格式为 `number.valuelog`）。** |
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``` |
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uint64_t GetValueLogID(const std::string& valuelog_name); |
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``` |
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- **输入**： |
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- 文件名 `valuelog_name`，可以是完整路径或仅文件名，格式需符合 `number.valuelog`。 |
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- **输出**： |
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- `uint64_t` 类型，返回提取的文件 ID。 |
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#### 4.2 Value Log设计 |
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##### **4.2.1 WriteValueLog** |
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将一堆键值对的值顺序写入Value Log，用于writebatch写入数据库，以及Value Log GC的时候。两者都会对多个键值对同时操作，因此设计为批处理。 |
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函数内将使用写锁保证正确性。同一时间最多只有一个WriteValueLog可以进行。 |
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```cpp |
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std::vector<std::pair<uint64_t,uint64_t>> WriteValueLog(std::vector<const slice&> value); |
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``` |
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- **输入**：一个Slice vector，表示要写入Value Log的Value们。 |
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- **输出**：一个std::pair<uint64_t,uint64_t> vector，每个pair中：第一个uint64_t是Value Log文件ID，第二个uint64_t是处在Value Log中的偏移量。 |
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> [!NOTE] |
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> |
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> 在第三版设计中，valuelog中会存储key，所以有部分改动。 |
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##### **4.2.2 ReadValueLog** |
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通过Value Log读取目标键值对的值。 |
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函数内将使用读锁保证正确性。在一个ValueLog正在被读取时，GC和WriteValueLog(?)无法对该ValueLog操作。 |
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```cpp |
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|
Status ReadValueLog(uint64_t file_id, uint64_t offset,Slice* value); |
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``` |
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- **输入**：第一个uint64_t是Value Log文件ID，第二个uint64_t是处在Value Log中的偏移量，第三个是指向要传回的value的指针。 |
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- **输出**：一个Status，表示是否成功传回对应Value。 |
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|
> [!NOTE] |
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|
> |
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|
|
> 在第三版设计中，valuelog中会存储key，所以有部分改动。 |
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##### **4.2.3 测试GC** |
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调用`MaybeScheduleGarbageCollect()`来安排一个后台线程执行垃圾回收任务。它会等待所有已安排的垃圾回收任务完成，这通过循环检查`background_garbage_collect_scheduled_`标志，并在该标志为真时等待`background_gc_finished_signal_`信号来实现。 |
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```cpp |
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void DBImpl::TEST_GarbageCollect() |
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``` |
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##### **4.2.4 调用线程进行GC** |
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启动一个新的后台线程执行`BGWorkGC`方法。这里使用了`gc_mutex_.Lock()`来确保线程安全。 |
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```cpp |
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void DBImpl::MaybeScheduleGarbageCollect() |
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``` |
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##### **4.2.5 调用负责GC函数** |
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调用`BackgroundGarbageCollect()`进行实际的垃圾回收工作。 |
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```cpp |
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void DBImpl::BGWorkGC(void* db) |
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``` |
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##### **4.2.6 后台GC函数** |
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负责执行后台垃圾回收任务。它确保在进行垃圾回收时，只有一个线程能够访问共享资源，并且在完成任务后通知等待的线程。 |
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```cpp |
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void DBImpl::BackgroundGarbageCollect() |
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``` |
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##### **4.2.7 后台GC函数** |
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垃圾回收的核心实现。在目前的设计下，它遍历数据库目录中的所有valuelog文件，并尝试回收不再需要的数据。 |
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```cpp |
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void DBImpl::GarbageCollect() |
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``` |
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## 5. 功能测试 |
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### 5.1**单元测试（测试用例）**： |
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#### 依据我们的设计，每周的工作内容完成后，都将对当前完成的功能进行正确性检验。以下以第一周我们完成的功能为例： |
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#### 第一周 |
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**字段数组的存储与读取：** |
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验证了 `Put_with_fields` 和 `Get_with_fields` 的正确性，确保字段数组可以正确序列化存储并反序列化读取。 |
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**基于字段的键查询：** |
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验证了 `Get_keys_by_field` 的逻辑，确保能够根据字段值查找所有匹配的键。 |
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**Key Value分离：** |
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并未额外设计，通过上两个功能的正确运行能够证明Key Value分离的初步实现大体是正确的。 |
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```c++ |
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#include "gtest/gtest.h" |
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#include "leveldb/env.h" |
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#include "leveldb/db.h" |
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using namespace leveldb; |
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constexpr int value_size = 2048; |
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constexpr int data_size = 128 << 20; |
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Status OpenDB(std::string dbName, DB **db) { |
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Options options; |
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options.create_if_missing = true; |
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return DB::Open(options, dbName, db); |
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} |
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TEST(TestTTL, OurTTL) { |
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DB *db; |
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WriteOptions writeOptions; |
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ReadOptions readOptions; |
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if(OpenDB("testdb_for_XOY", &db).ok() == false) { |
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std::cerr << "open db failed" << std::endl; |
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abort(); |
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} |
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std::string key = "k_1"; |
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std::string key1 = "k_2"; |
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FieldArray fields = { |
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{"name", "Customer#000000001"}, |
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{"address", "IVhzIApeRb"}, |
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{"phone", "25-989-741-2988"} |
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|
}; |
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FieldArray fields1 = { |
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{"name", "Customer#000000001"}, |
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{"address", "abc"}, |
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{"phone", "def"} |
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|
}; |
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db->Put_with_fields(WriteOptions(), key, fields); |
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db->Put_with_fields(WriteOptions(), key1, fields1); |
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// 读取并反序列化 |
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FieldArray value_ret; |
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db->Get_with_fields(ReadOptions(), key, &value_ret);; |
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for(auto pr:value_ret){ |
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std::cout<<std::string(pr.first.data(),pr.first.size())<<" "<<std::string(pr.second.data(),pr.second.size())<<"\n"; |
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} |
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std::vector<std::string> v; |
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db->Get_keys_by_field(ReadOptions(),fields[0],&v); |
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for(auto s:v)std::cout<<s<<"\n"; |
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delete db; |
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} |
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int main(int argc, char** argv) { |
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// All tests currently run with the same read-only file limits. |
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testing::InitGoogleTest(&argc, argv); |
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return RUN_ALL_TESTS(); |
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} |
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``` |
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#### 进一步设计 |
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**对KV分离实现更细粒度的测试，以及对KV分离GC操作实现测试** |
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1.向表内插入一些value较小的键值对以及value较大的键值对，随后通过检查ValueLog内部数据（也可以是ValueLog文件长度）来判断是否对长短数据各自进行了处理。 |
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2.向表内插入大量value较大的键值对后，查询ValueLog文件总数，删除其中绝大多数键值对，然后再查一次ValueLog文件总数，期望文件总数变少。 |
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### 5.2**性能测试（Benchmark）**： |
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这一部分我们希望在完成大部分功能后再根据代码调整。 |
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初步计划： |
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1.测试大数据量下短键值对和长键值对分别的插入和查询效率，与原版LevelDB作对比。 |
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2.测试大数据量下磁盘使用率，与原版LevelDB作对比。 |
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3.测试大数据量下合并的速率，与原版LevelDB作对比。 |
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4.完成了多种KV分离方案后，将不同方案在Benchmark下进行测试。 |
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原leveldb： |
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version_2: |
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version_3: |
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## 6. 可能遇到的挑战与解决方案 |
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如何处理**GC开销、数据同步** |
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**如何实现GC** |
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在数据结构设计中已经进行了详细说明。 |
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第二种设计通过合并过程自动完成了GC的功能。 |
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第三种设计通过设计了一种异步的GC操作，使GC无需改变SSTable数据。 |
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**数据同步** |
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写Value Log的时机和写WAL的时机一致，都在写MemTable之前完成。如果用户的Sync参数设置为True，则要保证Value Log一定写入完成后才能返回给用户写入成功的信息。 |
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**减少GC开销** |
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有一种可能的优化是仅在数据写入SSTable之后才会使用Value Log。 |
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## 7. 分工和进度安排 |
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| 功能 | 完成日期 | 分工 | |
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| ------------------------------------------------- | -------- | ------------- | |
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| 完成初步的多字段Value实现和KV分离实现 | 11月20日 | 谢瑞阳 | |
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| 完成设计文档 | 11月27日 | 徐翔宇&谢瑞阳 | |
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| 将多字段Value实现迁移至用户层级 | 11月27日 | 徐翔宇 | |
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| 完成第二版ValueLog的设计 | 11月27日 | 谢瑞阳 | |
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| 完成第二版ValueLog的测试 | 11月27日 | 徐翔宇 | |
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| 完成第三版ValueLog的函数接口实现以及测试 | 12月1日 | 徐翔宇 | |
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| 完成第三版ValueLog的函数实现 | 12月4日 | 谢瑞阳 | |
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| 完成BenchMark设计 | 12月8日 | 徐翔宇&谢瑞阳 | |
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| 完成BenchMark，对不同KV分离方案进行测试 | 12月11日 | 徐翔宇 | |
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| 基于测试结果进行优化，完成第四版ValueLog的设计... | 12月??日 | 徐翔宇&谢瑞阳 | |
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## 8. 每周进度更新 |
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12.3-12.9：实现version_2，修改version_3设计，完成version_3，benchmark实验。 |
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- [ ] 在valuelog中调整value和key的顺序，kv_len的储存形式，get的时机应该在读取value之前 |
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- [ ] 调整kv分离标志位的位置 |
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- [ ] 实现valuelog的block_cache |
xxy
9 months ago
