# 实验报告：在LevelDB中实现TTL功能

10225501460 林子骥

10211900416 郭夏辉

## 1.实验目的

- 深入了解LevelDB的内部原理和数据结构。
- 掌握TTL（Time To Live，生存时间）功能的设计与实现方法。
- 学习如何在开源项目中添加新功能，提升代码阅读和修改能力。

## 2.实验要求

- 在LevelDB中实现键值对的TTL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。

## 3.实验背景

**TTL（Time To Live）**，即生存时间，是指数据在存储系统中的有效期。设置TTL可以使得过期的数据自动失效，减少存储空间占用，提高系统性能。**为什么需要TTL功能：**

- **数据自动过期**：无需手动删除过期数据，简化数据管理。
- **节省存储空间**：定期清理无效数据，优化资源利用。
- **提高性能**：减少无效数据的干扰，提升读写效率。

**在LevelDB中添加TTL功能的方案：**

1. **数据编码方式修改**：在键或值中增加过期时间的信息。
2. **读取时判断过期**：在Get操作时，检查数据是否过期，过期则返回NotFound。
3. **Compaction清理**：在数据压缩过程中，删除过期的数据。

## 4.实验步骤

### 4.1 数据格式调整及支持TTL的Put方法

原本的数据样貌大致是[key, value]，为了方便进一步的操作，在样貌不变的前提下，我们直接将过期时间放在了实际数据后面，一起存储到 value 中。

```cpp
Status DBImpl::Put(const WriteOptions& options, const Slice& key,
                   const Slice& value, uint64_t ttl) {
  std::string val_with_ts;
  val_with_ts.reserve(value.size() + kTSLength);
  char ts_string[kTSLength];
  TIMESTAMP expiration_time = this->env_->NowMicros() + ttl * 1000000;
  EncodeFixed64(ts_string,expiration_time);
  //assert(sizeof(expiration_time) == sizeof(TIMESTAMP ));
  // 追加原始 value 到 val_with_ts
  val_with_ts.append(value.data(), value.size());
  // 将 expiration_time 追加到 val_with_ts
  val_with_ts.append(ts_string,kTSLength);
  return DB::Put(options, key, Slice(val_with_ts));
}
```

最开始，我们拓展了`DBImpl::Put`使得它支持TTL。从前到后的逻辑很简单：

1. 创建一个空的 `std::string val_with_ts`，存储要写入的带过期时间的value，并且为其预留足够的空间（value和时间戳的长度之和）
2. 利用`env_`提供的`NowMicros()`方法，以微秒为单位计算过期时间（`当前时间+TTL*1000000`）这里我们尽量将所有底层操作交给`env_`完成，而DBImpl有该对象可以调用相关查找时间的函数
3. 利用`EncodeFixed64`编码函数将`expiration_time`编码为一个固定长度的字符串，并存储在`ts_string`中。利用LevelDB自带的而不是自己手写的编码函数可以提升一些运行效率。
4. 追加原始`value`到`val_with_ts`以及将`expiration_time` 追加到 `val_with_ts`只需要使用字符串的`append`方法从前往后拼接即可。
5. 最后将刚刚处理得到的`val_with_ts`打包成一个`Slice`，然后再调用原始的`DB::Put`方法。

为了适配之后的实验，提升兼容性，我们将上面这套逻辑重复了一遍，也完成了新的`Status DB::Put(const WriteOptions& options, const Slice& key, const Slice& value, uint64_t ttl) `，使得它支持TTL。

```cpp
Status DB::Put(const WriteOptions& options, const Slice& key,
                   const Slice& value, uint64_t ttl) {
  // 将 value 和 expiration_time 合并到一起，形成带 TTL 的 value
  std::string val_with_ts;

  val_with_ts.reserve(value.size() + sizeof(uint64_t));

  uint64_t expiration_time = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(
                                 std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch())
                                 .count() + ttl * 1000;

  // 追加原始 value 到 val_with_ts
  val_with_ts.append(value.data(), value.size());

  // 将 expiration_time 追加到 val_with_ts
  val_with_ts.append(reinterpret_cast<const char*>(&expiration_time), sizeof(expiration_time));

  WriteBatch batch;
  batch.Put(key, Slice(val_with_ts));
  return Write(options, &batch);
}
```

只不过在这里计算当前时间不能再使用`env_`的相关方法了，使用的是`std::chrono::system_clock::now()`获取当前时间，其他的逻辑是一样的。

实现很简单，就是将TTL值转为到期的时间戳，加入value尾部，这样可以尽可能降低整个项目的耦合程度，我们无需对ExtractUserkey(提取具体key值相关的函数)，FindShortSeperator(简化key长度,这里还可能导致时间戳被修改)等函数进行复杂的重写。此外，还可以节约空间。

这里基于原先的项目举几个例子来说明为什么不讲时间戳作为key的一部分写入，原先的index_block就是为了尽量缩短key的长度，而如果将时间戳加入key的尾部，其时间戳本身的长度就会大于key的长度。并且由于其内部的时间戳与key不同，是无序存储的，因此很难使用重启点来减少存储时间戳的空间开销。

![image-20241107080532982](assets/image-20241107080532982.png)

### 4.2支持TTL的Get方法

Get操作的核心便是检查数据是否过期，只要实现这里就能让读取顺利进行了。

```cpp
uint64_t DBImpl::GetTS(std::string* val) {
    auto expiration_time =  DecodeFixed64(val->data() + val->size() - kTSLength);
    val->resize(val->size() - kTSLength);//保证返回值没有ttl
    return expiration_time;
}

Status DBImpl::CheckIsExpire(std::string* value) {
  //debug 用
  auto a = env_->NowMicros();
  auto b = GetTS(value);
  if(a > b){
    return Status::Expire("Expire",Slice());
  }
  return Status();
}

Status DBImpl::Get(const ReadOptions& options, const Slice& key,
                   std::string* value) {
  // other code...
  // Unlock while reading from files and memtables
    // 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 {
      stats.now_ts = this->env_->NowMicros();
      s = current->Get(options, lkey, value, &stats);
      have_stat_update = true;
    }
    mutex_.Lock();
  }
  if(s.ok()){
    s = CheckIsExpire(value);
  }
  if (have_stat_update && current->UpdateStats(stats,s.IsExpire())) {
    MaybeScheduleCompaction();//有可能寻址过多，导致allow_seek为0，触发合并。
  }
   //......
}

bool Version::UpdateStats(const GetStats& stats,bool is_expire) {
  FileMetaData* f = stats.seek_file;
  if (f != nullptr) {
    f->allowed_seeks--;
    if(is_expire)f->allowed_seeks--;
    if (f->allowed_seeks <= 0 && file_to_compact_ == nullptr) {
      file_to_compact_ = f;
      file_to_compact_level_ = stats.seek_file_level;
      return true;
    }
  }
  return false;
}
```

与编码时候的`EncodeFixed64`相对应，我们使用`DecodeFixed64`将过期时间戳从value里面提取出来，并实现了`DBImpl::GetTS`方法。在此基础上我们检查value是否应该被丢弃了，实现了`DBImpl::CheckIsExpire`方法，如果当前时间已经超过了时间戳，那么直接返回过期状态`Status::Expire`。（其实这里也纠结了一下要不要按照实验文档中要求的那样返回状态`Status::NotFound`，经过测试两者都是可以的，然后严谨一些，实际情况是key已经存在，但由于某种原因不可再访问，所以最终还是使用了`Status::Expire`）

在此我们进行一些时间分析，对于涉及内存(memtable内,缓存命中)的查找速度很快；而这里可能会想到，有许多过期数据都在缓存池内要怎么办,实际上，只要是在缓存池内的数据，即使过期了，它也是有信息价值的(提供了过期这一信息)。因此，我们实际需要解决的是，如何降低IO层面的对于过期数据的查找。这里我们在基于leveldb采用的自动合并优化上(即一个文件访问多次后，它将会作为input传给compaction，然后后续过滤过期数据),对于在缓存池中，读取到的所过期的数据所在的文件，其`allowed_seek`次数再次减一(也可以基于需求减去其他值),这样的目的是，期望尽快对于其key值所在的文件触发合并，减少底层过期的数据量。

当然，这样做对于此次的查找帮助不大，主要是为了以后再次查找时，能加快扫描速度。接下里我们可能会想，如何减少cache内减少IO操作的次数。先回忆整个cache的读取流程：获得布隆过滤器，若key值存在，从硬盘中读取IndexBlock，然后再从硬盘读取DataBlock。其中IndexBlock的设计在之前已经提到，为了节约空间开销，不能添加时间戳。因此我们只能依靠于bloomfilter类似的功能。这里我们以manifest的元数据作为过滤的基础。

我们为每个文件的元数据增加新字段

```cpp
struct FileMetaData {
  FileMetaData() : refs(0), allowed_seeks(1 << 30), file_size(0),oldest_ts(UINT64_MAX),newer_ts(0) {}

  int refs;
  int allowed_seeks;  // Seeks allowed until compaction
  uint64_t number;
  uint64_t file_size;    // File size in bytes
  InternalKey smallest;  // Smallest internal key served by table
  InternalKey largest;   // Largest internal key served by table
  TIMESTAMP oldest_ts;	//新字段:该文件内最小的时间戳，
  TIMESTAMP newer_ts;	//新字段：该文件内最大的时间戳
};
```

接下来就是对相关的MANIFEST文件的元数据写入进行修改以及在写入key,value对时，对时间戳更新。包括`VersionEdit::AddFile`,`VersionEdit::EncodeTo`Status `VersionEdit::DecodeFrom`,`builder.h:Status BuildTable`这里不在报告中举出。然后最后的过滤操作，则在`Status Version::Get`内的`match`函数

```cpp
//1.调用Status Version::Get(const ReadOptions& options, const LookupKey& k,
// std::string* value, GetStats* stats)接口，进入非memtable部分查找
//2调用void Version::ForEachOverlapping(Slice user_key, Slice internal_key, void* arg,
// bool (*func)(void*, int, FileMetaData*))查找涉及到的key以及对应的文件元数据
//3.调用match函数，寻址

static bool Match(void* arg, int level, FileMetaData* f) {
	State* state = reinterpret_cast<State*>(arg);
	if (state->stats->seek_file == nullptr && state->last_file_read != nullptr) {
	// We have had more than one seek for this read. Charge the 1st file.
	state->stats->seek_file = state->last_file_read;
	state->stats->seek_file_level = state->last_file_read_level;
	}
	state->last_file_read = f;
	state->last_file_read_level = level;
	if(state->stats->now_ts > f->newer_ts)return false;//在访问缓存池前，判断是否过期
	state->s = state->vset->table_cache_->Get(*state->options, f->number, f->file_size, state->ikey,&state->saver, SaveValue);
	// other code...
}
```

这里有尝试`if(state->stats->now_ts > f->newer_ts)return false;`根据文件内的最新时间戳来进行过滤。但是实际上，对于多次的批量插入以及一个batch内不同的TTL，在合并后，我们无法很好的预测出一个文件的新旧情况，即每一个文件的元数据的new_ts有可能都十分大，最终还是要进入cache内查找。



**经过刚刚的修改，我们初步完成了读取功能，第一个测试点经过一些修改也能顺利通过了。**

在这时曾发现ttl_test启动后，无论如何修改ReadTTL都显示 failed，经过助教提醒发现是随机种子的问题，如果采用`static_cast<unsigned int>(time(0))`根据当前的时间戳生成随机数，那么`InsertData`插入数据的 key 和查找时所使用的 key 不一致导致读取失败。解决的办法就是`srand(0)`固定随机种子。

ReadTTL之后，CompactionTTL还未开始，直接显示 open DB failed，出现这个原因是ReadTTL之后打开的数据库没有清除，只需要在ReadTTL的末尾加上`delete db;`就解决了问题。

还有就是`delete db;`之后需要睡眠一秒，否则还是会出现read DB failed。这里的另外一个问题就是ReadTTL测试用例在我的电脑上一直出现open db fail,但是在另一位队友的电脑上就不会，这是因为在我这里程序跑的太慢了，超过它所设定的20s，这里酌情提高之后就能解决了。

### 4.3支持TTL的Compaction

在数据Compaction过程中，需要删除过期的数据。大合并操作都调用`DoCompactionWork`进行，结合之前的授课我们可以知道它本身就会检查数据是否有效，因此我们只需要在此多加入一些关于TTL判断的逻辑就行。比较巧的是，`DoCompactionWork`自带drop变量来标记数据是否需要被丢弃，我们只需要利用好它就行。

```cpp
Status DBImpl::DoCompactionWork(CompactionState* compact) {
  // other code...
  while (input->Valid() && !shutting_down_.load(std::memory_order_acquire)) {
    // other code...
    if (!ParseInternalKey(key, &ikey)) {
      // other code...
    } else {
      if (!has_current_user_key ||
          user_comparator()->Compare(ikey.user_key, Slice(current_user_key)) !=
              0) {
        // other code...
      }
      if (last_sequence_for_key <= compact->smallest_snapshot) {
        // other code...
      } else if (ikey.type == kTypeDeletion &&
                 ikey.sequence <= compact->smallest_snapshot &&
                 compact->compaction->IsBaseLevelForKey(ikey.user_key)) {
        // other code...
      }else if((ts = DecodeFixed64(input->value().data() + input->value().size() - kTSLength)) < env_->NowMicros()){
          // TTL
        drop = true;
      }

      last_sequence_for_key = ikey.sequence;
    }
// other code...
  return status;
}
```

其实判断的逻辑和之前`Get`和`Put`时候是一样的，如果当前时间超出了过期时间，则将 drop 标记为 true，表示丢弃该数据；若当前时间尚未超出过期时间则将数据视为有效的。

这里有一个小问题是TEST中无法完全删除所有过期数据。具体的例子如下，未触发手动合并前：level0文件数量：31个；level1数量：1；level2数量：1个；然后手动合并后，它会先尝试合并level0数据，然后在合并的过程中，它会将level0和level1的所有数据都当做input，放入一个mergeIterator。因为时间过期了，它会将这些文件全删掉，只剩下level2的一个文件。然后因为此时我们最大的遍历层只能到level1，level2的数据删除依赖于level1在合并时，其key的范围覆盖到level2，然后删除。此外，即使level1还剩下一个文件，也需要其所有。对于这个问题的解决，我们最开始是修改`kL0_CompactionTrigger `等参数，加大level0的文件数量，使得所有数据都放在level0中，这样可以确保所有数据都在compaction中作为input，但这会导致在今后正常运行时(非测试情况)，其IO开销较大(因为level0层会覆盖很多key)。

在这里经过助教提示发现了一个小问题，就是手动合并可能无法保证合并所有数据，导致无法完全丢弃过期数据。解决方法就是修改 CompactRange 的流程使得所有数据得到合并。原始代码并没有去合并最大的含有文件的level（max_level_with_files）的文件，只合并了在此之前的level，我们的修改是这样的：

```cpp
void DBImpl::CompactRange(const Slice* begin, const Slice* end) {
  // other code...
  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);
  }
  TEST_CompactRange(max_level_with_files, begin, end);
}
```



## 5.测试和结果

### 5.1测试用例

```cpp
#include "gtest/gtest.h"
#include "leveldb/env.h"
#include "leveldb/db.h"

using namespace leveldb;

constexpr int value_size = 2048;
constexpr int data_size = 128 << 20;

Status OpenDB(std::string dbName, DB **db) {
  Options options;
  options.create_if_missing = true;
  return DB::Open(options, dbName, db);
}

void InsertData(DB *db, uint64_t ttl/* second */) {
  WriteOptions writeOptions;
  int key_num = data_size / value_size;
  srand(0);

  for (int i = 0; i < key_num; i++) {
    int key_ = rand() % key_num+1;
    std::string key = std::to_string(key_);
    std::string value(value_size, 'a');
    db->Put(writeOptions, key, value, ttl);
  }
}

void GetData(DB *db, int size = (1 << 30)) {
  ReadOptions readOptions;
  int key_num = data_size / value_size;
  
  // 点查
  srand(0);
  for (int i = 0; i < 100; i++) {
    int key_ = rand() % key_num+1;
    std::string key = std::to_string(key_);
    std::string value;
    db->Get(readOptions, key, &value);
  }
}
//
TEST(TestTTL, ReadTTL) {
  DB *db;
  if(OpenDB("testdb", &db).ok() == false) {
    std::cerr << "open db failed" << std::endl;
    abort();
  }
  // 如果出现open db fail,请酌情提高这里
  uint64_t ttl = 20;

  InsertData(db, ttl);

  ReadOptions readOptions;
  Status status;
  int key_num = data_size / value_size;
  srand(0);
  for (int i = 0; i < 100; i++) {
    int key_ = rand() % key_num+1;
    std::string key = std::to_string(key_);
    std::string value;
    status = db->Get(readOptions, key, &value);
    ASSERT_TRUE(status.ok());
  }

  Env::Default()->SleepForMicroseconds(ttl * 1000000);

  for (int i = 0; i < 100; i++) {
    int key_ = rand() % key_num+1;
    std::string key = std::to_string(key_);
    std::string value;
    status = db->Get(readOptions, key, &value);
    ASSERT_FALSE(status.ok());
  }
  delete db;
  Env::Default()->SleepForMicroseconds( 1000);
}

TEST(TestTTL, CompactionTTL) {
  DestroyDB("testdb", Options());
  DB *db;
  if(OpenDB("testdb", &db).ok() == false) {
    std::cerr << "open db failed" << std::endl;
    abort();
  }

  uint64_t ttl = 20;
  InsertData(db, ttl);

  leveldb::Range ranges[1];
  ranges[0] = leveldb::Range("-", "A");
  uint64_t sizes[1];
  db->GetApproximateSizes(ranges, 1, sizes);
  ASSERT_GT(sizes[0], 0);

  Env::Default()->SleepForMicroseconds(ttl * 1000000);

  db->CompactRange(nullptr, nullptr);

  leveldb::Range ranges2[1];
  ranges2[0] = leveldb::Range("-", "A");
  uint64_t sizes2[1];
  db->GetApproximateSizes(ranges2, 1, sizes2);
  ASSERT_EQ(sizes2[0], 0);
}


int main(int argc, char** argv) {
  // All tests currently run with the same read-only file limits.
  testing::InitGoogleTest(&argc, argv);
  return RUN_ALL_TESTS();
}
```

### 5.2实验结果

在我的电脑上，我适当调大了ReadTTL中TTL之后(调整到了50)，结果如下所示：

![image-20241107082315854](assets/image-20241107082315854.png)



## 6.本实验ttl实现与已有ttl实现的比较

 **RocksDB** ：

本身支持一种数据过期淘汰方案，该方案是通过特定的 API 打开 DB，对写入该 DB 的全部 key 都遵循一个 TTL 过期策略，例如 TTL 为 3 天，那么写入该 DB 的 key 都会在写入的三天后自动过期。但是该方案不灵活，无法针对每一条 key 设置 TTL。

此外，rocksdb该方案底层也是通过 compaction filter 实现的，也就是说过期数据虽然对用户不可见，但是磁盘空间并不会及时回收，根本原因就是数据堆积在某一层，而该层没有触发 compaction，那么我们可以手动调用 RocksDB 的 CompactionRange 函数，来触发 compaction filter，达到快速回收磁盘空间的目的。但是主动调用 CompactionRange 会导致 RocksDB 自身的 compaction 暂停，这会触发 Write Stall，造成非常严重的后果。

**Parker**：

采用`Periodic compaction + dynamic compaction`。Periodic compaction 的主要原理是增加一个 periodic_compaction_seconds 参数，并记录每个SST 文件的创建时间，每隔 periodic_compaction_seconds 秒，主动对这个 SST 文件进行 compaction 操作，从而回收沉底的 SST 文件；而 dynamic compaction 则是通过设置level_compaction_dynamic_level_bytes 为 true，进行动态合并，而不是按 level 的顺序合并到下一层，这使得 compaction 更加频繁。

**业内有赞 KV ：**

具体做法是，保持现有存储列族不变，另外增加一个列族，专门存储 key 的 TTL，然后通过一个 goroutine 根据当前时间戳，按照过期数据删除策略可以是定时触发，例如凌晨1点，或者每个一段时间触发等。该列族中 key 的编码规则如下：

- key：时间戳 + key 的类型 + key 值
- value：存储一个字节，代表不同数据类型

这个方案优点是回收速度快且回收时间可控，但是缺点就是实现复杂，极端情况下会降低 50% 的TPS。



**本实验的ttl**

在数据的 value 的尾部添加八个字节的 TTL，实现灵活。

![屏幕截图 2024-11-07 110211](./assets/key_value_pair.jpg)

基于ttl过期的case，显著降低allowed_seek次数，使得对于指定的过期文件，能够加快合并速度。

## 7.实验总结和思考

通过本次实验，我们对LevelDB有了更深入的理解。超脱于之前的理论讲解，我们透过代码掌握了各个部分是如何实现的，也对整体样貌再次有了一个概览，为日后的数据管理系统的学习打下了坚实基础。