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@ -36,205 +36,599 @@ |
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#### 2.1.2 实验内容 |
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1. 数据存储与解析: 每个 value 存储为一个字符串数组,数组中的每个元素代表一个字段。 |
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2. 通过字段查询 Key: 实现函数FindKeysByField,传入字段名和字段的值就可以找到对应的key |
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```` |
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using Field = std::pair<std::string, std::string>; // field_name:field_value |
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using FieldArray = std::vector<std::pair<std::string, std::string>>; |
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```` |
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##### 编码函数: |
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`void DBImpl::SerializeValue(const FieldArray& fields, std::string &value, size_t slot_num)` |
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**设计思路:** |
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1. 使用 Field 存储属性和值,使用 FieldArray 存储多个 Field; |
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2. 函数 SerializeValue 把字段数组序列化为字符串; |
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3. 函数 DeserializeValue 把字符串反序列化为字段数组; |
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4. 函数 FindKeysByField 根据传入的字段名和字段的值找到对应的key。 |
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### 2.1.3 实验进度以及实验结果 |
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#### 实验进度 |
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已初步实现上述四个函数,后续会对查询函数 FindKeysByField 进行优化和完善,并将上述函数添加到 LevelDB 的代码之中。 |
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#### 实验结果 |
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通过测试 |
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#### 2.2 KV分离 |
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**设计目标:** |
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将value的存储和key在lsm tree中的存储分离,降低lsm tree的GC开销 |
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**功能:** 将传入的字段数组和 slot_num 序列化为字符串,并存到 value |
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**设计思路:** |
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1. value的分离式存储 |
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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。 |
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2. 存储value所在vlog和偏移量的元数据 |
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我们在key和vlog中添加一个slot_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slot_page中。这个slot_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slot_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slot_page中的映射即可。 |
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3. slot_page文件和vlog文件的GC |
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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slot_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。 |
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**字符串形式:** |
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##### 2.2.1 相关代码文件 |
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- [`/db/db_impl.cc`](./db/db_impl.cc): 修改函数 DBImpl::Get, DBImpl::Put 和 DBImpl::Delete,添加函数 Put_fields, Get_fields, get_slot_num,SerializeValue, DeserializeValue |
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- [`/db/db_impl.h`](./db/db_impl.h): 添加两个结构体 SlotPage *slot_page_; VlogSet *vlog_set_ ,添加增加的相关函数的声明 |
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- |
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- [`/db/shared_lock.h`](./db/shared_lock.h) 定义了一个 SharedLock 类,用于实现读写锁机制,包含四种操作:soft_lock():获取共享读锁,确保在没有写操作时允许多个读操作并发进行;soft_unlock():释放共享读锁;hard_lock():获取独占写锁,确保只有当没有其他读写操作时,允许写入操作进行;hard_unlock():释放独占写锁。 |
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- [`/db/slotpage.h`](./db/slotpage.h) |
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|
- [`/db/threadpool.h`](./db/threadpool.h) |
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- [`/db/vlog.h`](./db/vlog.h) |
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|
- [`/db/vlog_gc.cpp`](./db/vlog_gc.cpp) |
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|
- [`/db/vlog_gc.h`](./db/vlog_gc.h) |
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|
|
- [`/db/vlog_set.cpp`](./db/vlog_set.cpp) |
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|
|
- [`/db/vlog_set.h`](./db/vlog_set.h) |
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- |
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|
- [`/test/db_test3.cc`](./test/db_test3.cc):测试 value 的字段功能 |
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|
- [`/test/db_test4.cc`](./test/db_test4.cc) |
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|
- [`/test/db_test5.cc`](./test/db_test5.cc) |
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- |
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|
- [`CMakeLists.txt`](CMakeLists.txt):添加可执行文件 |
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##### 2.2.1 具体流程 |
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写入流程 |
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`single value: || value_size(uint16_t) | slot_num(size_t) || {field_nums(uint16_t), attr1, attr2, ... } |` |
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|
`single attr: | attr1_name_len(uint8_t) | attr1_name | attr1_len(uint16_t) | attr1 |` |
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**输入:** 字段数组, slot_num, &value |
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**具体实现如下:** |
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```` |
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|
Status DBImpl::Put_Fields(const WriteOptions& opt, const Slice& key, |
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|
const FieldArray& fields) { |
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// TODO(begin): allocate slot_num in slotpage and put value in vlog |
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// 将字段数组序列化 |
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|
size_t slot_num = slot_page_->alloc_slot(); |
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|
|
std::string slot_num_str((char *)&slot_num, sizeof(size_t)); |
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// size_t slot_num_str_num; |
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|
// std::memcpy(&slot_num_str_num, slot_num_str.c_str(), sizeof(size_t)); |
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|
// std::cout << "slot_num_str_num: " << slot_num_str_num << std::endl; |
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|
std::string serialized_value = SerializeValue(fields, slot_num_str); |
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|
// std::cout << "Put_Fields: " << key.ToString() << " " << serialized_value << std::endl; |
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|
struct slot_content sc; |
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|
vlog_set_->put_value(&sc.vlog_num, &sc.value_offset, serialized_value); |
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slot_page_->set_slot(slot_num, &sc); |
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|
char data[sizeof(size_t)]; |
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memcpy(data, &slot_num, sizeof(size_t)); |
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|
Slice slot_val(data, sizeof(data)); |
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|
// return DB::Put(opt, key, slot_val); |
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|
return DB::Put(opt, key, serialized_value); |
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|
// TODO(end) |
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|
|
void DBImpl::SerializeValue(const FieldArray& fields, std::string &value, size_t slot_num) { |
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|
std::string tmp_value; |
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|
uint16_t value_size = sizeof(uint16_t); |
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|
uint16_t field_nums = 0; |
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|
for (const auto& field : fields) { |
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|
const uint8_t attr_name_len = field.name.size(); |
|
|
|
const uint16_t attr_value_len = field.value.size(); |
|
|
|
const size_t attr_size = attr_name_len + attr_value_len + sizeof(uint8_t) + sizeof(uint16_t); |
|
|
|
char attr_data[attr_size]; |
|
|
|
|
|
|
|
size_t off = 0; |
|
|
|
memcpy(attr_data+off, &attr_name_len, sizeof(uint8_t)); |
|
|
|
off += sizeof(uint8_t); |
|
|
|
memcpy(attr_data+off, field.name.c_str(), attr_name_len); |
|
|
|
off += attr_name_len; |
|
|
|
memcpy(attr_data+off, &attr_value_len, sizeof(uint16_t)); |
|
|
|
off += sizeof(uint16_t); |
|
|
|
memcpy(attr_data+off, field.value.c_str(), attr_value_len); |
|
|
|
off += attr_value_len; |
|
|
|
|
|
|
|
assert(off == attr_size); |
|
|
|
tmp_value += std::string(attr_data, attr_size); |
|
|
|
value_size += attr_size; |
|
|
|
field_nums ++; |
|
|
|
} |
|
|
|
|
|
|
|
char value_data[value_size]; |
|
|
|
memcpy(value_data, &value_size, sizeof(uint16_t)); |
|
|
|
memcpy(value_data+sizeof(uint16_t), tmp_value.c_str(), tmp_value.size()); |
|
|
|
|
|
|
|
assert(sizeof(uint16_t) + tmp_value.size() == value_size); |
|
|
|
value = std::string(value_data, value_size); |
|
|
|
} |
|
|
|
```` |
|
|
|
##### 解码函数: |
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|
|
`void DBImpl::DeserializeValue(FieldArray& fields, const std::string& value_str)` |
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|
**功能:** 将传入的待解码字符串反序列化为字段数组并存到 fields |
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|
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|
**字符串形式:** |
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|
`single value: || value_size(uint16_t) | slot_num(size_t) || {field_nums(uint16_t), attr1, attr2, ... } |` |
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|
|
|
|
|
|
`single attr: | attr1_name_len(uint8_t) | attr1_name | attr1_len(uint16_t) | attr1 |` |
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|
**输入:** 存放解码结果的字段数组,待解码的字符串 |
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|
**具体实现如下:** |
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```` |
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void DBImpl::DeserializeValue(FieldArray& fields, const std::string& value_str) { |
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const char *value_data = value_str.c_str(); |
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const size_t value_len = value_str.size(); |
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|
size_t attr_off = sizeof(uint16_t); |
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|
while (attr_off < value_len) { |
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uint8_t attr_name_len = *(uint8_t *)(value_data+attr_off); |
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attr_off += sizeof(uint8_t); |
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|
auto attr_name = std::string(value_data+attr_off, attr_name_len); |
|
|
|
attr_off += attr_name_len; |
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|
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|
uint16_t attr_len = *(uint16_t *)(value_data+attr_off); |
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|
attr_off += sizeof(uint16_t); |
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|
|
auto attr_value = std::string(value_data+attr_off, attr_len); |
|
|
|
attr_off += attr_len; |
|
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|
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|
|
fields.push_back({attr_name, attr_value}); |
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|
} |
|
|
|
|
|
|
|
assert(attr_off == value_len); |
|
|
|
} |
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|
```` |
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2. 通过字段查询 Key: 实现函数 FindKeysByField,传入字段名和字段的值就可以找到对应的key |
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`std::vector<std::string> FindKeysByField(leveldb::DB* db, const Field& field)` |
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**功能:** 根据传入的字段值 field 查找所有包含该字段的 key,由于一个字段值可能对应多个key,所以返回`std::vector<std::string>` |
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|
|
**具体实现如下:** |
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```` |
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|
std::vector<std::string> FindKeysByField(leveldb::DB* db, const Field& field) { |
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|
std::vector<std::string> keys; |
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|
leveldb::Iterator* it = db->NewIterator(leveldb::ReadOptions()); |
|
|
|
// 遍历数据库中所有的键值对 |
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|
for (it->SeekToFirst(); it->Valid() ; it->Next()) { |
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std::string key = it->key().ToString(); |
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|
FieldArray fields; |
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|
|
// 调用 Get_Fields 函数,获取 key 对应的字段数组 |
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|
db->Get_Fields(leveldb::ReadOptions(), key, fields); |
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|
|
// 遍历字段数组,如果字段数组中包含该字段,则将该 key 添加到 keys 中 |
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|
for (const auto& f : fields) { |
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|
if (f.name == field.name && f.value == field.value) { |
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keys.push_back(key); |
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|
break; // 假设每个key中每个字段值唯一 |
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} |
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} |
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} |
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delete it; |
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return keys; |
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} |
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```` |
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### 2.2 KV分离 |
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在LevelDB中实现KV分离,即将键值对中的键和值存储在不同的存储区域,以优化写性能和点查询性能。 |
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#### 2.2.1 实验要求 |
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1. 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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实现方法 |
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**数据结构设计:** |
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`memtable中:| key | slot_num | ` |
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`slot_page中: | slot0:{vlog_no(定长), offset(定长)}, slot1:{vlog_no, offset}, ... | ` |
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`value_log 中:|value 长度 | slot_num | attr个数(定长) | attr1_name的长度(定长) | attr1_name(变长) | attr1_value的长度(定长) | attr1_value(变长) | ... |` |
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2. 读取操作 |
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+ a. KV分离后依然支持点查询与范围查询操作。 |
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实现方法 |
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**读操作:** |
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`Status DBImpl::Put_Fields(const WriteOptions& opt, const Slice& key, const FieldArray& fields)` |
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**功能:** |
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将传入的字段数组插入数据库中 |
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**步骤:** |
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1. 为当前 KV 对分配一个 size_t 类型的 slot_num; |
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2. 将 slot_num 转化为字符串形式 slot_num_str; |
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3. 调用 SerializeValue 函数将字段数组和 slot_num_str 序列化为字符串 serialized_value; |
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|
|
4. 实例化 slot_content 结构体 sc; |
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|
5. 调用 put_value 函数,以 sc 中的 vlog_num(vlog编号) 和 value_offset(在vlog中的偏移量) 为参数,将字符串 serialized_value 写入 vlog 中; |
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6. 调用 set_slot 函数,将 slot_content 中的内容赋值给 slot_num; |
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7. 将 slot_num 作为 value 写入数据库中; |
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读取流程 |
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**代码实现:** |
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```` |
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|
// TODO(begin): search the slotpage and get value from vlog |
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|
size_t slot_num = *(size_t *)value->c_str(); |
|
|
|
struct slot_content sc; |
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|
std::string vlog_value; |
|
|
|
slot_page_->get_slot(slot_num, &sc); |
|
|
|
vlog_set_->get_value(sc.vlog_num, sc.value_offset, &vlog_value); |
|
|
|
*value = vlog_value; |
|
|
|
// TODO(end) |
|
|
|
Status DBImpl::Put_Fields(const WriteOptions& opt, const Slice& key, |
|
|
|
const FieldArray& fields) { |
|
|
|
std::string serialized_value; |
|
|
|
// alloc_slot 函数作用:分配一个 slot_num |
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|
size_t slot_num = slot_page_->alloc_slot(); |
|
|
|
// 调用 SerializeValue 函数将字段数组和 slot_num_str 序列化为字符串 serialized_value |
|
|
|
SerializeValue(fields, serialized_value, slot_num); |
|
|
|
// 实例化 slot_content 结构体 sc |
|
|
|
struct slot_content sc; |
|
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|
// put_value函数作用:将序列化后的字符串 serialized_value 插入 value_log 中 |
|
|
|
vlog_set_->put_value(sc, slot_num, serialized_value); |
|
|
|
// set_slot函数作用: 将 slot_num 写入到 缓冲块中 |
|
|
|
slot_page_->set_slot(slot_num, &sc); |
|
|
|
// 将 slot_num 作为 value 插入 memtable 中 |
|
|
|
char data[sizeof(size_t)]; |
|
|
|
memcpy(data, &slot_num, sizeof(size_t)); |
|
|
|
Slice slot_val(data, sizeof(data)); |
|
|
|
return DB::Put(opt, key, slot_val); |
|
|
|
} |
|
|
|
```` |
|
|
|
1. 读取 key 对应的 value, 也就是 slot_num |
|
|
|
2. 实例化 slot_content 结构体 sc |
|
|
|
3. 根据 slot_num 从 slot_page_ 中读取 slot_content |
|
|
|
4. 利用 sc 中的 vlog_num(vlog编号) 和 value_offset(在vlog中的偏移量) 从 vlog 中读取字符串 |
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|
|
5. 将字符串进行解码得到 value |
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|
|
`size_t alloc_slot()` |
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|
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|
|
|
|
删除流程 |
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|
|
**功能:** 分配一个 slot_num |
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|
|
|
|
|
**实现步骤:** |
|
|
|
1. 获取互斥锁; |
|
|
|
2. 判断当前 bitmap 是否有空闲槽位,就是遍历 bitmap,找到第一个为 0 的位,然后设置该位为 1,返回该位对应的 slot_num。 |
|
|
|
**具体实现如下:** |
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|
|
```` |
|
|
|
size_t alloc_slot() { |
|
|
|
// 获取互斥锁 |
|
|
|
mtx.lock(); |
|
|
|
size_t target_slot = first_empty_slot; |
|
|
|
char *start_byte = get_bitmap_byte(slot2byte(first_empty_slot)); |
|
|
|
const size_t off = slot2offset(first_empty_slot); |
|
|
|
SETBIT(start_byte, off); |
|
|
|
// find the next free slot |
|
|
|
if (HASFREESLOT(*start_byte)) { |
|
|
|
auto bit_off = find_first_free_slot_inbyte(*start_byte); |
|
|
|
first_empty_slot += bit_off - off; |
|
|
|
if (slot2byte(first_empty_slot) >= size) { |
|
|
|
alloc_new_bitmap(); |
|
|
|
} |
|
|
|
} else { |
|
|
|
size_t i; |
|
|
|
for (i = slot2byte(first_empty_slot)+1; i < size; i++) { |
|
|
|
char *byte = get_bitmap_byte(i); |
|
|
|
if (HASFREESLOT(*byte)) { |
|
|
|
// FIXME: pack four bytes to do free slot finding |
|
|
|
auto bit_off = find_first_free_slot_inbyte(*byte); |
|
|
|
first_empty_slot = byte2slot(i) + bit_off; |
|
|
|
break; |
|
|
|
} |
|
|
|
} |
|
|
|
// scale the bitmap |
|
|
|
if (i >= size) { |
|
|
|
alloc_new_bitmap(); |
|
|
|
// char *byte = get_bitmap_byte(i); |
|
|
|
// SETBIT(byte, 0); |
|
|
|
first_empty_slot = byte2slot(i) + 1; |
|
|
|
} |
|
|
|
} |
|
|
|
mtx.unlock(); |
|
|
|
return target_slot; |
|
|
|
} |
|
|
|
```` |
|
|
|
// TODO(begin) |
|
|
|
ReadOptions ro; |
|
|
|
ro.verify_checksums = true; |
|
|
|
ro.fill_cache = false; |
|
|
|
ro.snapshot = nullptr; |
|
|
|
std::string value; |
|
|
|
Get(ro, key, &value); |
|
|
|
size_t slot_num = *(size_t *)value.c_str(); |
|
|
|
struct slot_content sc; |
|
|
|
std::string vlog_value; |
|
|
|
slot_page_->get_slot(slot_num, &sc); |
|
|
|
vlog_set_->del_value(sc.vlog_num, sc.value_offset); |
|
|
|
// TODO(end) |
|
|
|
`void set_slot(size_t slot_num, struct slot_content *sc)` |
|
|
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|
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|
**功能:** 将一个槽位的内容设置到缓存块中 |
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|
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|
|
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|
**实现步骤:** |
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|
1. 计算块编号:通过 slotnum_hash2_blocknum 函数将槽位编号转换为块编号 |
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|
|
2. 确定缓存块位置:使用块编号对 BLOCK_NUM 取模,得到缓存块的位置 |
|
|
|
3. 加锁:对目标缓存块加锁以确保线程安全 |
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4. 检查和更新缓存块 |
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5. 设置槽位内容:调用 set_slot 函数设置槽位内容 |
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6. 更新访问时间和脏标志:增加访问时间并标记为脏数据 |
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7. 解锁:释放锁 |
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**具体实现如下:** |
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```` |
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void set_slot(size_t slot_num, struct slot_content *sc) { |
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auto block_num = slotnum_hash2_blocknum(slot_num); |
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|
auto blockcache_num = block_num % BLOCK_NUM; |
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|
latches_[blockcache_num].lock(); |
|
|
|
if (!info[blockcache_num].used || info[blockcache_num].block_num != block_num) { |
|
|
|
if (info[blockcache_num].is_dirty) { |
|
|
|
write_back_block(blockcache_num); |
|
|
|
} |
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|
|
read_in_block(blockcache_num, block_num); |
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|
access_time[blockcache_num] = 0; |
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|
|
info[blockcache_num] = block_info(block_num, false, true); |
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|
|
} |
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|
|
set_slot(sc, blockcache_num, SLOT_OFFSET_IN_BLOCK(slot_num)); |
|
|
|
access_time[blockcache_num]++; |
|
|
|
info[blockcache_num].is_dirty = true; |
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|
|
latches_[blockcache_num].unlock(); |
|
|
|
} |
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|
|
```` |
|
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1. 读取 key 对应 |
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### 锁机制 |
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### 3. 数据结构设计 |
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`key的格式:| key | slot_num | ` |
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`void VlogSet::put_value(struct slot_content &sc, size_t slot_num, const leveldb::Slice &value)` |
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`slot_page: | slot0:{vlog_no(定长), offset(定长)}, slot1:{vlog_no, offset}, ... | ` |
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**功能:** 将序列化后的字符串 serialized_value 插入 value_log 中,位置由 slot_content 确定 |
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`value 的格式:|value 长度 | slot_num | attr个数(定长) | attr1_name的长度(定长) | attr1_name(变长) | attr1_value的长度(定长) | attr1_value(变长) | ... |` |
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**输入:** 待插入的字符串 value,slot_num,slot_content |
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对于每一次读取,用户线程先读取lsm tree中key的slot_num下标,然后到slot_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。 |
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|
**具体实现如下:** |
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```` |
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void VlogSet::put_value(struct slot_content &sc, size_t slot_num, const leveldb::Slice &value) { |
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mtx.lock(); |
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// 根据值的大小获取可写入的vlog信息 |
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auto vinfo = get_writable_vlog_info(value.size()); |
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if (!vinfo) { |
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// vlog全部已满,创建新的vlog |
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auto _vlog_num_ = register_new_vlog(); |
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vinfo = get_vlog_info(_vlog_num_); |
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} |
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|
// 锁定 vlog 信息,更新 slot_content 内容 |
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|
vinfo->vlog_info_latch_.lock(); |
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|
sc.vlog_num = vinfo->vlog_num; |
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sc.value_offset = vinfo->curr_size; |
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|
// 更新 vlog 内容,包括当前大小 curr_size 和存储的 value 个数 |
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vinfo->curr_size += value.size() + sizeof(uint16_t) + sizeof(size_t); |
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vinfo->value_nums ++; |
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// 根据 vlog 编号获取 vlog 处理器 |
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auto vhandler = get_vlog_handler(vinfo->vlog_num); |
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|
// 如果 vlog 无效或者正在进行GC,则使用 vlog_num_for_gc |
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if (!vinfo->vlog_valid_ || vinfo->processing_gc) { |
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vhandler = get_vlog_handler(vinfo->vlog_num_for_gc); |
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|
|
} |
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|
// 加锁 |
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vhandler->vlog_latch_.hard_lock(); |
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|
// 增加访问线程数 |
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vhandler->incre_access_thread_nums(); // FIXME: increase thread nums |
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mtx.unlock(); // for better performance |
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|
// vlog 信息写入完毕,解锁 |
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|
vinfo->vlog_info_latch_.unlock(); |
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|
// 调用 write_vlog_value 函数,将字符串 serialized_value 写入 vlog 中 |
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|
write_vlog_value(sc, slot_num, value); |
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// 写入完毕,减少访问线程数 |
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|
vhandler->decre_access_thread_nums(); // FIXME: decrease thread nums |
|
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|
// 解锁 |
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|
vhandler->vlog_latch_.hard_unlock(); |
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|
|
} |
|
|
|
```` |
|
|
|
`void VlogSet::write_vlog_value(const struct slot_content &sc, size_t slot_num, const leveldb::Slice &value)` |
|
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但是这又带来了一个问题,我们该如何管理slot_page这个文件?当插入新的kv时,我们需要在这个slot_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slot_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。 |
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**功能:** 将字符串 value 写入 vlog 中 |
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**输入:** slot_content,slot_num,字符串 value |
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### 4. 接口设计 |
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#### 4.1 在 LevelDB 的 value 中实现字段功能 |
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1. std::string SerializeValue(const FieldArray& fields, std::string slot_num_str) |
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|
**实现步骤:** |
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**功能:** 将字段数组和 slot_num_str 序列化为字符串 |
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|
**具体实现如下:** |
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```` |
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void VlogSet::write_vlog_value(const struct slot_content &sc, size_t slot_num, const leveldb::Slice &value) { |
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|
// 函数 get_vlog_name 作用:获取 slot_content 中 vlog_num 对应的 vlog 名称 |
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auto vlog_name = get_vlog_name(sc.vlog_num); |
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|
// 打开文件:使用 fstream 打开文件,确保文件以读写模式打开 |
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auto handler = std::fstream(vlog_name, std::ios::in | std::ios::out); |
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|
// 定位写入位置:通过 seekp 方法将文件指针移动到 slot_content 中的 value_offset 位置 |
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|
handler.seekp(sc.value_offset); |
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|
// 准备数据:构造要写入的数据,包括值大小(uint16_t)、slot_num(size_t)和实际值内容(Slice) |
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const char *value_buff = value.data(); |
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const size_t off = sizeof(uint16_t) + sizeof(size_t); |
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|
|
const size_t value_size = off + value.size(); |
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|
char data[value_size]; |
|
|
|
memcpy(data, &value_size, sizeof(uint16_t)); |
|
|
|
memcpy(data+sizeof(uint16_t), &slot_num, sizeof(size_t)); |
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|
|
memcpy(data+off, value_buff, value.size()); |
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|
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|
handler.write(data, value_size); |
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|
// 刷新缓冲区:调用 flush 方法确保数据写入磁盘 |
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|
handler.flush(); |
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|
|
// 关闭文件 |
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|
handler.close(); |
|
|
|
} |
|
|
|
```` |
|
|
|
|
|
|
|
**输入:** 字段名和字段的值组成的字段数组 和 slot_num_str,即为该 KV 对分配的 slot_num 的字符串形式 |
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|
|
`Status DBImpl::Get_Fields(const ReadOptions& options, const Slice& key,FieldArray& fields)` |
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|
|
|
|
|
|
**输出:** 序列化后的字符串 |
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|
|
**功能:** |
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2. FieldArray DeserializeValue(const std::string& value_str) |
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|
从数据库中读取 key 对应的字段数组 |
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|
**功能:** 将字符串反序列化为字段数组 |
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|
**步骤:** |
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**输入:** 字符串 |
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读取流程 |
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1. 读取 key 对应的 slot_num |
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2. 实例化 slot_content 结构体 sc |
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3. 调用 get_slot 函数,根据 slot_num 从缓存中获取 slot_content |
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|
|
4. 调用 get_value 函数,根据 sc 中的 vlog_num(vlog编号) 和 value_offset(在vlog中的偏移量) 从 vlog 中读取字符串 |
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|
|
5. 将字符串解码得到 value |
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|
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|
|
**输出:** 反序列化的字段数组 |
|
|
|
**代码实现:** |
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```` |
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|
|
Status DBImpl::Get_Fields(const ReadOptions& options, const Slice& key, |
|
|
|
FieldArray& fields) { |
|
|
|
size_t slot_num; |
|
|
|
// get_slot_num 函数作用:从 memtable 中读取 key 对应的 slot_num |
|
|
|
auto s = get_slot_num(options, key, &slot_num); |
|
|
|
if (!s.ok()) { |
|
|
|
return s; |
|
|
|
} |
|
|
|
|
|
|
|
3. std::vector< std::string >FindKeysByField(leveldb::DB* db, Field &field) |
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|
struct slot_content sc; |
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|
|
std::string vlog_value; |
|
|
|
// get_slot 函数作用:根据 slot_num 从缓存中获取 slot_content,并存放到 sc 中 |
|
|
|
slot_page_->get_slot(slot_num, &sc); |
|
|
|
// get_value 函数作用:根据 sc 中的信息,从 value_log 中读取字符串并存放到 vlog_value |
|
|
|
vlog_set_->get_value(sc, &vlog_value); |
|
|
|
if (vlog_value.empty()) { |
|
|
|
return Status::NotFound("value has been deleted"); |
|
|
|
} |
|
|
|
// 调用 DeserializeValue 函数,将 vlog_value 解码为字段数组 fields |
|
|
|
DeserializeValue(fields, vlog_value); |
|
|
|
return Status::OK(); |
|
|
|
} |
|
|
|
```` |
|
|
|
`void get_slot(size_t slot_num, struct slot_content *sc)` |
|
|
|
|
|
|
|
**功能:** 获取 slot_num 对应的 slot_content |
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|
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|
|
|
|
**实现步骤:** |
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|
1. 计算块编号:根据槽位号计算出对应的块编号。 |
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|
|
2. 锁定缓存块:通过哈希计算确定缓存块编号,并加锁以确保线程安全。 |
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|
|
3. 检查缓存命中:如果缓存未使用或块编号不匹配,则处理缓存未命中情况。 |
|
|
|
4. 写回脏数据:如果缓存块是脏数据,先将其写回磁盘。 |
|
|
|
5. 读取新块:从磁盘读取新的块到缓存,并更新访问时间和块信息。 |
|
|
|
6. 读取槽位内容:从缓存块中读取指定槽位的内容。 |
|
|
|
7. 解锁缓存块:操作完成后解锁。 |
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|
|
**具体实现如下:** |
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```` |
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|
void get_slot(size_t slot_num, struct slot_content *sc) { |
|
|
|
auto block_num = slotnum_hash2_blocknum(slot_num); |
|
|
|
auto blockcache_num = block_num % BLOCK_NUM; |
|
|
|
latches_[blockcache_num].lock(); |
|
|
|
if (!info[blockcache_num].used || info[blockcache_num].block_num != block_num) { // cache miss |
|
|
|
if (info[blockcache_num].is_dirty) { |
|
|
|
write_back_block(blockcache_num); |
|
|
|
} |
|
|
|
read_in_block(blockcache_num, block_num); |
|
|
|
access_time[blockcache_num] = 0; |
|
|
|
info[blockcache_num] = block_info(block_num, false, true); |
|
|
|
} |
|
|
|
read_slot(sc, blockcache_num, SLOT_OFFSET_IN_BLOCK(slot_num)); |
|
|
|
access_time[blockcache_num]++; |
|
|
|
latches_[blockcache_num].unlock(); |
|
|
|
} |
|
|
|
```` |
|
|
|
|
|
|
|
**功能:** 根据字段名和字段的值找到对应的key |
|
|
|
`void VlogSet::get_value(const struct slot_content &sc, std::string *value)` |
|
|
|
|
|
|
|
**输入:** 数据库名,字段名和字段的值 |
|
|
|
**功能:** 从 vlog 中读取字符串 |
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|
|
|
|
|
|
**输出:** 包含该字段和字段数组的 key,由于可能不只有一个,所以返回值为 vector |
|
|
|
**实现步骤:** |
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|
1. 获取 vlog_num 和 vlog_handler |
|
|
|
|
|
|
|
4. Put_Fields(const WriteOptions& opt, const Slice& key, |
|
|
|
const FieldArray& fields) |
|
|
|
**具体实现如下:** |
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|
|
```` |
|
|
|
void VlogSet::get_value(const struct slot_content &sc, std::string *value) { |
|
|
|
// 获取互斥锁 |
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|
mtx.lock(); |
|
|
|
// get_vlog_info 函数作用:根据 sc 中的 vlog_num 获取 vlog_info |
|
|
|
auto vinfo = get_vlog_info(sc.vlog_num); |
|
|
|
// get_vlog_handler 函数作用:根据 sc 中的 vlog_num 获取 vlog_handler |
|
|
|
auto vhandler = get_vlog_handler(sc.vlog_num); |
|
|
|
// 加 vlog 信息锁 |
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|
|
vinfo->vlog_info_latch_.lock(); |
|
|
|
// 根据 vinfo 检查 vlog 是否有效 |
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|
|
if (!vinfo->vlog_valid_) { |
|
|
|
// 如果无效,则进行垃圾处理 |
|
|
|
vhandler = get_vlog_handler(vinfo->vlog_num_for_gc); |
|
|
|
} |
|
|
|
// 加锁 |
|
|
|
vhandler->vlog_latch_.soft_lock(); |
|
|
|
// 增加访问线程数 |
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|
|
vhandler->incre_access_thread_nums(); // FIXME: increase thread nums |
|
|
|
// 释放互斥锁和 vlog 信息锁 |
|
|
|
mtx.unlock(); // for better performance |
|
|
|
vinfo->vlog_info_latch_.unlock(); |
|
|
|
// read_vlog_value 函数作用:根据 sc 中的 vlog_num 和 value_offset 从 vlog 中读取字符串 |
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|
|
read_vlog_value(sc, value); |
|
|
|
// 减少访问线程数 |
|
|
|
vhandler->decre_access_thread_nums(); // FIXME: decrease thread nums |
|
|
|
// 释放 vlog 锁 |
|
|
|
vhandler->vlog_latch_.soft_unlock(); |
|
|
|
} |
|
|
|
```` |
|
|
|
`void VlogSet::read_vlog_value(const struct slot_content &sc, std::string *value)` |
|
|
|
|
|
|
|
**功能:** 仿照Status DB::Put(const WriteOptions& opt, const Slice& key, const Slice& value),调用序列化函数,实现以字段形式插入 value |
|
|
|
**功能:** 根据 sc 中的 vlog_num 和 value_offset 从 vlog 中读取字符串并存放到 value |
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|
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|
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|
5. Get_Fields(const ReadOptions& options, const Slice& key, |
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|
|
FieldArray* fields) |
|
|
|
**实现步骤:** |
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|
1. 根据 sc 中的 vlog_num 获取 vlog 文件名 |
|
|
|
**具体实现如下:** |
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|
|
```` |
|
|
|
void VlogSet::read_vlog_value(const struct slot_content &sc, std::string *value) { |
|
|
|
// 根据 sc 中的 vlog_num 获取 vlog 文件名 |
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|
|
auto vlog_name = get_vlog_name(sc.vlog_num); |
|
|
|
// 打开 vlog 文件 |
|
|
|
auto handler = std::fstream(vlog_name, std::ios::in | std::ios::out); |
|
|
|
// 使用 seekp 方法将文件指针定位到 value_offset 指定的位置 |
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|
|
handler.seekp(sc.value_offset); |
|
|
|
// 从文件中读取固定大小的数据到缓冲区 value_buff |
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|
|
char value_buff[VALUE_BUFF_SIZE]; |
|
|
|
handler.read(value_buff, VALUE_BUFF_SIZE); |
|
|
|
// 从缓冲区中提取值的大小,并检查是否被删除标记 |
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|
|
uint16_t value_size; |
|
|
|
memcpy(&value_size, value_buff, sizeof(uint16_t)); |
|
|
|
// 如果值带有删除标记,则将结果字符串设置为空并返回 |
|
|
|
if (value_size & VALUE_DELE_MASK) { |
|
|
|
*value = ""; |
|
|
|
return ; |
|
|
|
} |
|
|
|
// 计算实际值的大小并从缓冲区中提取值,存储到结果字符串中 |
|
|
|
value_size &= VALUE_SIZE_MASK; |
|
|
|
assert(value_size <= VALUE_BUFF_SIZE); |
|
|
|
const size_t off = sizeof(uint16_t)+sizeof(size_t); |
|
|
|
*value = std::string(&value_buff[off], value_size-off); |
|
|
|
// 关闭文件 |
|
|
|
handler.close(); |
|
|
|
} |
|
|
|
```` |
|
|
|
`Status DBImpl::Delete(const WriteOptions& options, const Slice& key)` |
|
|
|
|
|
|
|
**功能:** 仿照Status DB::Get(const WriteOptions& opt, const Slice& key, const Slice& value),读取key对应的 value 之后,通过调用反序列化函数,将 value 反序列化为字段数组,并存到 fields 中 |
|
|
|
**功能:** 删除 key 对应的条目 |
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|
|
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|
|
#### 4.2 实现KV分离 |
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|
1. 搜索slot_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); |
|
|
|
**步骤:** |
|
|
|
1. 获取 key 对应的 slot_num |
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|
|
|
|
|
**代码实现:** |
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|
```` |
|
|
|
// 删除操作,删除 key 对应的条目 |
|
|
|
Status DBImpl::Delete(const WriteOptions& options, const Slice& key) { |
|
|
|
size_t slot_num; |
|
|
|
// get_slot_num 函数的作用: 获取 key 对应的 slot_num |
|
|
|
auto s = get_slot_num(ReadOptions(), key, &slot_num); |
|
|
|
if (!s.ok()) { |
|
|
|
return s; |
|
|
|
} |
|
|
|
|
|
|
|
struct slot_content sc; |
|
|
|
// get_slot 函数作用: |
|
|
|
slot_page_->get_slot(slot_num, &sc); |
|
|
|
// del_value 函数作用: |
|
|
|
vlog_set_->del_value(sc); |
|
|
|
slot_page_->dealloc_slot(slot_num); |
|
|
|
|
|
|
|
### 5. 功能测试 |
|
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|
### 5.1 在 LevelDB 的 value 中实现字段功能 |
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|
|
#### 5.1.1 功能测试 |
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|
1. 能否以字段形式插入并读取数据 |
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|
|
2. 能否以通过字段值查询对应的 key |
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```` |
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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); |
|
|
|
return DB::Delete(options, key); |
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|
|
} |
|
|
|
```` |
|
|
|
3. 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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|
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+ c. 新旧Value log的管理功能。 |
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|
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|
|
**GC 和 slot_page 管理, vlog管理:** |
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|
4. 确保操作的原子性 |
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**锁机制:** |
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[`/db/shared_lock.h`](./db/shared_lock.h) 定义了一个 SharedLock 类,用于实现读写锁机制,包含四种操作:soft_lock():获取共享读锁,确保在没有写操作时允许多个读操作并发进行;soft_unlock():释放共享读锁;hard_lock():获取独占写锁,确保只有当没有其他读写操作时,允许写入操作进行;hard_unlock():释放独占写锁。 |
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|
|
#### 2.2.1 实验内容 |
|
|
|
+ 1) 不改变LevelDB原有的接口,实现KV分离。 |
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|
|
+ 2) 编写测试点验证KV分离是否正确实现。 |
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**设计思路:** |
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1. value的分离式存储 |
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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。 |
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2. 存储value所在vlog和偏移量的元数据 |
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我们在 memtable 和vlog中添加一个slot_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slot_page中。这个slot_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slot_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slot_page中的映射即可。 |
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3. slot_page文件和vlog文件的GC |
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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slot_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。 |
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##### 2.2.1 相关代码文件 |
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- [`/db/db_impl.cc`](./db/db_impl.cc): 修改函数 DBImpl::Get, DBImpl::Put 和 DBImpl::Delete,添加函数 Put_fields, Get_fields, get_slot_num,SerializeValue, DeserializeValue |
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- [`/db/db_impl.h`](./db/db_impl.h): 添加两个结构体 SlotPage *slot_page_; VlogSet *vlog_set_ ,添加增加的相关函数的声明 |
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- [`/db/shared_lock.h`](./db/shared_lock.h) 定义了一个 SharedLock 类,用于实现读写锁机制,包含四种操作:soft_lock():获取共享读锁,确保在没有写操作时允许多个读操作并发进行;soft_unlock():释放共享读锁;hard_lock():获取独占写锁,确保只有当没有其他读写操作时,允许写入操作进行;hard_unlock():释放独占写锁。 |
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- [`/db/slotpage.h`](./db/slotpage.h) |
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- [`/db/threadpool.h`](./db/threadpool.h) |
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- [`/db/vlog.h`](./db/vlog.h) |
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- [`/db/vlog_gc.cpp`](./db/vlog_gc.cpp) |
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- [`/db/vlog_gc.h`](./db/vlog_gc.h) |
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- [`/db/vlog_set.cpp`](./db/vlog_set.cpp) |
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- [`/db/vlog_set.h`](./db/vlog_set.h) |
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- [`/test/db_test3.cc`](./test/db_test3.cc):测试 value 的字段功能 |
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- [`/test/db_test4.cc`](./test/db_test4.cc) |
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- [`/test/db_test5.cc`](./test/db_test5.cc) |
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- [`CMakeLists.txt`](CMakeLists.txt):添加可执行文件 |
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对于每一次读取,用户线程先读取lsm tree中key的slot_num下标,然后到slot_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。 |
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但是这又带来了一个问题,我们该如何管理slot_page这个文件?当插入新的kv时,我们需要在这个slot_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slot_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。 |
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### 3. 功能测试 |
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#### 3.1 在 LevelDB 的 value 中实现字段功能 |
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1. 以字段形式插入,读取数据 |
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2. 根据 key 删除数据 |
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3. 通过字段值查询对应的 key |
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**测试流程:** |
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1. 写入4条数据; |
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2. 读取这四条数据; |
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3. 检查读取的数据跟写入的是否一致; |
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4. 通过字段值查询对应的 key; |
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5. 删除查找到的 keys 中的第一个key; |
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6. 通过4中的字段值查询对应的 key,查找到的数目比4中少一个。 |
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**测试代码:** |
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```` |
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TEST(TestSchema, Basic) { |
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DB *db; |
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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", &db).ok() == false) { |
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if (!OpenDB("testdb_function", &db).ok()) { |
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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 key0 = "k_0"; |
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std::string key1 = "k_1"; |
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std::string key2 = "k_2"; |
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|
std::string key3 = "k_3"; |
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FieldArray fields0 = {{"name", "myc&wxf"}}; |
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FieldArray fields1 = { |
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{"name", "Customer1"}, |
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{"address", "IVhzIApeRb"}, |
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{"phone", "25-989-741-2988"} |
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}; |
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|
|
|
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FieldArray fields2 = { |
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|
{"name", "Customer1"}, |
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{"address", "ecnu"}, |
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@ -243,60 +637,64 @@ TEST(TestSchema, Basic) { |
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FieldArray fields3 = { |
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|
{"name", "Customer2"}, |
|
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|
{"address", "ecnu"}, |
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{"phone", "111111111"} |
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|
|
{"phone", "11111"} |
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|
}; |
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// 序列化并插入 |
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std::string value1 = SerializeValue(fields1); |
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std::string value2 = SerializeValue(fields2); |
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std::string value3 = SerializeValue(fields3); |
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|
db->Put(leveldb::WriteOptions(), key1, value1); |
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|
db->Put(leveldb::WriteOptions(), key2, value2); |
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db->Put(leveldb::WriteOptions(), key2, value3); |
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// 读取并反序列化 |
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std::string value_ret; |
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db->Get(leveldb::ReadOptions(), key1, &value_ret); |
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auto fields_ret = ParseValue(value_ret); |
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db->Put_Fields(leveldb::WriteOptions(), key0, fields0); |
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db->Put_Fields(leveldb::WriteOptions(), key1, fields1); |
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|
db->Put_Fields(leveldb::WriteOptions(), key2, fields2); |
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db->Put_Fields(leveldb::WriteOptions(), key3, fields3); |
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FieldArray fields_ret_0; |
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FieldArray fields_ret_1; |
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|
FieldArray fields_ret_2; |
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|
FieldArray fields_ret_3; |
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|
db->Get_Fields(leveldb::ReadOptions(), key0, fields_ret_0); |
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db->Get_Fields(leveldb::ReadOptions(), key1, fields_ret_1); |
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db->Get_Fields(leveldb::ReadOptions(), key2, fields_ret_2); |
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db->Get_Fields(leveldb::ReadOptions(), key3, fields_ret_3); |
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// 检查反序列化结果 |
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ASSERT_EQ(fields_ret.size(), fields1.size()); |
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for (size_t i = 0; i < fields_ret.size(); ++i) { |
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ASSERT_EQ(fields_ret[i].first, fields1[i].first); |
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ASSERT_EQ(fields_ret[i].second, fields1[i].second); |
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ASSERT_EQ(fields_ret_0.size(), fields0.size()); |
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|
for (size_t i = 0; i < fields_ret_0.size(); ++i) { |
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|
ASSERT_EQ(fields_ret_0[i].name, fields0[i].name); |
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|
ASSERT_EQ(fields_ret_0[i].value, fields0[i].value); |
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|
} |
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|
ASSERT_EQ(fields_ret_1.size(), fields1.size()); |
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|
|
for (size_t i = 0; i < fields_ret_1.size(); ++i) { |
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|
ASSERT_EQ(fields_ret_1[i].name, fields1[i].name); |
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// ASSERT_EQ(fields_ret_1[i].value, fields1[i].value); |
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|
} |
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// 测试查找功能 |
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Field query_field = {"name", "Customer2"}; |
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Field query_field = {"name", "Customer1"}; |
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std::vector<std::string> found_keys = FindKeysByField(db, query_field); |
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std::cout << "找到的key有:" << found_keys.size() << "个" << std::endl; |
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// 删除查找到的第一个 key |
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const std::string& key = found_keys[0]; |
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db->Delete(leveldb::WriteOptions(), key); |
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// 再次查找 |
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|
std::vector<std::string> found_deleted_keys = FindKeysByField(db, query_field); |
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// 关闭数据库 |
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delete db; |
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|
} |
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int main(int argc, char **argv) { |
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int main(int argc, char** argv) { |
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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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#### 5.1.2 测试结果 |
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插入三条数据,name 字段分别为: Customer1, Customer1, Customer2 |
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**测试结果:** |
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先根据 "name":"customer1"查找,结果为: |
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|
在根据"name":"customer2"查找,结果为: |
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### 5.2 |
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#### 3.2 测试并发插入和读取数据 |
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#### 3.3 测试 GC |
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#### 3.4 测试 |
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单元测试: |
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1. 测试插入超过初始slot_page等slot数量之后,是否还能正常插入,检查slot_page文件等线性可扩展性 |
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2. 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。 |
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性能测试: |
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1. 测试插入的吞吐 |
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2. 测试在只有删除的情况下,GC的效率 |
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3. 测试在插入和删除不同比重的负载下,系统的吞吐情况 |
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### 4. 性能测试: |
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#### 4.1 测试吞吐量 |
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#### 4.2 测试延迟 |
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#### 4.3 测试写放大 |
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吞吐率下降很多 |
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写放大下降很多 |
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#### 6. 可能遇到的挑战与解决方案 |
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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。 |
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各种参数的设置,比如vlog的容量上限,以及slot_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?slot_page的读写放大也是一个重要的问题。 |
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@ -313,10 +711,10 @@ int main(int argc, char **argv) { |
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| vlog的GC实现 | 12.29 | 马也驰 | |
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| 性能测试 | 1.5 | 王雪飞, 马也驰 | |
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| 功能测试 | 1.5 | 王雪飞, 马也驰 | |
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报告待完成部分: |
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+ alloc_slot() set_slot() get_slot() |
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+ gc过程 |
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+ slot_page 管理,value_log 管理 |
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+ 性能测试 |
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+ 功能测试 |