分布式存储引擎OceanBase，UpdateServer 实现机制——存储引擎

2022-06-18 09:01:51

UpdateServer存储引擎如下图所示。

UpdateServer存储引擎与Bigtable存储引擎看起来很相似，不同点在于：

UpdateServer只存储了增量修改数据，基线数据以SSTable的形式存储在Chunkserver上,而Bigtable存储引擎同时包含某个子表的基线数据和增量数据；
UpdateServer内部所有表格共用MemTable以及SSTable，而Bigtable中每个子表的MemTable和SSTable分开存放；
Updateserver的SSTable存储在SSD磁盘中，而Bigtable的 SSTable存储在GFS中。

UpdateServer存储引擎包含几个部分：操作日志、MemTable以及ssTable。更新操作首先记录到操作日志中，接着更新内存中活跃的MemTable(Active MemTable)活跃的MemTable到达一定大小后将被冻结，称为Frozen MemTable，同时创建新的Active MemTables Frozen MemTable将以SSTable文件的形式转储到SSD磁盘中。

1.操作日志

OceanBase中有一个专门的提交线程负责确定多个写事务的顺序(即事务id)，将这些写事务的操作追加到日志缓冲区，并将日志缓冲区的内容写人日志文件。为了防止写操作日志污染操作系统的缓存，写操作日志文件采用Direct IO的方式实现：

class ObLogWriter
{
public:
    //write_1og高数清操作日志存入日志统冲区
    int write_log(const LogComand cmd, const char* log_data, const int64_t data_len);
    //将日志缓冲区中的日志先同步到备机再写入主机磁盘
    int flush_log(LogBuffer&  tlog_buffer, const bool sync_to_slave = true, const bool is_master = true);

每条日志项由四部分组成：日志头+日志序号+日志类型(LogCommand)+日志内容，其中，日志头中记录了每条日志的校验和(checksum)。ObLogWriter中的write_log函数负责将操作日志拷贝到日志缓冲区中，如果日志缓冲区已满，则向调用者返回缓冲区不足(OB_BUF_NOT_ENOUGH）错误码。接着，调用者会通过flush_log将缓冲区中已有的日志内容同步到备机并写入主机磁盘。如果主机磁盘的最后一个日志文件超过指定大小(默认为64MB)，还会调用switch_log函数切换日志文件。为了提高写性能，UpdateServer实现了成组提交（Group Commit)技术，即首先多次调用write_log函数将多个写操作的日志拷贝到相同的日志缓冲区，接着再调用flush_log函数将日志缓冲区中的内容一次性写入到日志文件中。

2.MemTable

MemTable底层是一个高性能内存B树。MemTable封装了B树，对外提供统一的读写接口。

B树中的每个叶子节点对应MemTable中的一行数据，key为行主键，value为行操作链表的指针。每行的操作按照时间顺序构成一个行操作链表。

如下图所示，MemTable的内存结构包含两部分：索引结构以及行操作链表，索引结构为B树，支持插入、删除、更新、随机读取以及范围查询操作。行操作链表保存的是对某一行各个列(每个行和列确定一个单元，称为Cell)的修改操作。

【例】对主键为1的商品有3个修改操作，分别是：将商品购买人数修改为100，删除该商品，将商品名称修改为“女鞋”，那么，该商品的行操作链中将保存三个Cell，分别为： <update，购买人数，100> 、<delete，*> 以及 <update，商品名，“女鞋”> 。

MemTable中存储的是对该商品的所有修改操作，而不是最终结果。另外，MemTable删除一行也只是往行操作链表的末尾加入一个逻辑删除标记，即 <delete，*> ，而不是实际删除索引结构或者行操作链表中的行内容。

MemTable实现时做了很多优化，包括：

哈希索引：针对主要操作为随机读取的应用，MemTable不仅支持B树索引，还支持哈希索引，UpdateServer内部会保证两个索引之间的一致性。
内存优化：行操作链表中每个cell操作都需要存储操作列的编号(column_id)、

操作类型（更新操作还是删除操作）、操作值以及指向下一个cell操作的指针，如果不做优化，内存膨胀会很大。为了减少内存占用，MemTable实现时会对整数值进行变长编码，并将多个cell操作编码后序列到同一块缓冲区中，共用一个指向下一批cell操作缓冲区的指针：

struct ObCellMeta
{
  const static int64_t TP_INT8 = 1; //int8整数类型
  const static int64_t TP_INT16 = 2; //int16整数类型
  const static int64_t TP_INT32 = 3; //int32整数类型
  const static int64_t TP_INT64 = 4; //int64整数类型
  const static int64_t TP_VARCHAR = 6; //变长字符串类型
  const static int64_t TP_DOUBLE = 13; //双精度浮点类型
  const static int64_t TP_ESCAPE = 0x1f; //扩展类型
  const static int64_t ES_DEL_ROW = 1; //删除行操作
}；

class ObCompactCellwriter
{
 public:
    //写入更新操作，存储成压缩格式
    int append(uint64_t column_id, const ObObj& value);
    //写入删除操作，存储成压缩格式
    int row_delete();
};

MemTable通过ObCompactCellWriter来将cell操作序列化到内存缓冲区中，如果为更新操作，调用append函数；如果为删除操作，调用row_delete函数。更新操作的存储格式为：数据类型+值+列ID，TP_INT8/TP_INT16/TP_INT32/TP_INT64分别表示8位/16位/32位/64位整数类型，TP_VARCHAR表示变长字符串类型，TP_DOUBLE表示双精度浮点类型。删除操作为扩展操作，其存储格式为：TP_ESCAPE+ES_DEL_ROW。例9-3中的三个Cell；<update，购买人数，100>、<delete，*>以及<update, 商品名，“女鞋”> 在内存缓冲区的存储格式为：

1	2	3	4	5	6	7	8
TP_INT8	100	购买人数列ID	TP_ESCAPE	ES_DEL_ROW	TP_VARCHAR	女鞋	商品名列ID

第1～3字节考示第一个Cell，即<update,购买人数，100> ；第4~5字节表示第二个cell，即<delete. *> ；第6~8字节表示第三个Cel1，即<update，商品名，“女鞋”> 。

MemTable的主要对外接口可以归结如下：

//开启一个事务
// @param [in] trans_type 事务类型，可能为读事务或者写事务
// @param [out] id 返回的事务描述符
int start_transaction(const TETransType trans_type, MemTableTransDescriptor& td);
// 提交或者回滚一个要新
// @param [in] td 事务描述符
// @param [in] rollback 是否回滚，默认为false
int and transation(conat MemTableTransDescriptor td, bool rollback = false);
// 执行随机读取操作，返回一个选代器
// @param [in] td 事务描述符
// @param [in] table_id 表格编号
// @param [in] row key 待查询的主键
// @param [out]iter 返回的迭代器
int get(const MemTableTransDescriptor td, const uint64_t table_id,const ObRowkey& row key, MemTableIterator& iter);
// 执行范围查询操作，返回一个选代器
// @param [in] td 事务描述符
// @param [in] range 查询范周，包括起始行、结束行，开区间或者闭区间
// @param [out] iter 返回的迭代器
int scan(const MemTableTransDescriptor td, const ObRange& range, MemTableIterator& iter);
// 开始执行一次修改操作
// @param [in] td 事务描述符
int atart_mutatlon(const MemTableTransDescriptor td);
// 提交或者回滚一次修改操作
// @param [in] td 事务描述符
// @param [in] rollback 是否回滚
int end _mutation(const MemTableTransDescriptor td, bool rollback);
//执行修改操作
// @param [in] td 事务描述符
// @param [in] mutator 修改操作，包含一个或者多个对多个表格的cell操作
int set(const MemTableTransDescriptor td, ObUpsMutator& mutator);

对于读事务，操作步骤如下：

调用start transaction开始一个读事务，获得事务描述符；
执行随机读取或者扫描操作，返回一个迭代器；接着可以从迭代器不断迭代数据；
调用end transaction提交或者回滚一个事务。

class MemTableIterator
{
public:
  //迭代器移动到下一个cell
  int next cell();
  //获取当前cell的内容
  //@param [out] cell_info 当前cell的内容，包括表名(table_id)，行主健(row_key)，列编号(column_id）以及列值(column_value)
  int get_cell(obcellInfo** cell_info);
  //获取当前cell的内容
  //@param [out] cell_info 当前cell的内容
  //@param is_row_changed 是否迭代到下一行
  int get_cell(obcellInfo** cell_info, bool* is_row_changed);
};

读事务返回一个迭代器Mem Tablelterator，通过它可以不断地获取下一个读到的cell。在【例】中，读取编号为1的商品可以得到一个迭代器，从这个迭代器中可以读出行操作链中保存的3个Cell，依次为：<update，购买人数，100>，<delete， *>，<update, 商品名， “女鞋”> 。

写事务总是批量执行，步骤如下：

调用start transaction开始一批写事务，获得事务描述符；
调用start mutation开始一次写操作；
执行写操作，将数据写入到MemTable中；
调用end_mutation提交或者回滚一次写操作；如果还有写事务，转到步骤2；
调用end transaction提交写事务。

3.SSTable

当活跃的MemTable超过一定大小或者管理员主动发起冻结命令时，活跃的MemTable将被冻结，生成冻结的MemTable，并同时以SSTable的形式转储到SSD磁盘中。

SSTable的详细格式请参考ChunkServer实现机制，与ChunkServer中的SSTable不同的是，UpdateServer中所有的表格共用一个SSTable，且SSTable为稀疏格式，也就是说，每一行数据的每一列可能存在，也可能不存在修改操作。

另外，OceanBase设计时也尽量避免读取UpdateServer中的SSTable，只要内存足够，冻结的MemTable会保留在内存中，系统会尽快将冻结的数据通过定期合并或者数据分发的方式转移到ChunkServer中去，以后不再需要访问UpdateServer中的SSTable数据。

当然，如果内存不够需要丢弃冻结MemTable，大量请求只能读取SSD磁盘，UpdateServer性能将大幅下降。因此，希望能够在丢弃冻结MemTable之前将SSTable的缓存预热。

UpdateServer的缓存预热机制实现如下：在丢弃冻结MemTable之前的一段时间(比如10分钟)，每隔一段时间(比如30秒），将一定比率（比如5%）的请求发给SSTable，而不是冻结MemTable。这样，SSTable上的读请求将从5%到10%，再到15%，依次类推，直到100%，很自然地实现了缓存预热。

码农公寓

1.操作日志

2.MemTable

3.SSTable

相关文章