SSTable是Bigtable中至关重要的一块,对于LevelDB来说也是如此,对LevelDB的SSTable实现细节的了解也有助于了解Bigtable中一些实现细节。
本节内容主要讲述SSTable的静态布局结构,SSTable文件形成了不同Level的层级结构,至于这个层级结构是如何形成的我们放在后面Compaction一节细说。本节主要介绍SSTable某个文件的物理布局和逻辑布局结构,这对了解LevelDB的运行过程很有帮助。
LevelDB不同层级都有一个或多个SSTable文件(以后缀.sst为特征),所有.sst文件内部布局都是一样的。上节介绍Log文件是物理分块的,SSTable也一样会将文件划分为固定大小的物理存储块Block,但是两者逻辑布局大不相同,根本原因是:Log文件中的记录是Key无序的,即先后记录的key大小没有明确大小关系,而.sst文件内部则是根据记录的Key由小到大排列的,从下面介绍的SSTable布局可以体会到Key有序是为何如此设计.sst文件结构的关键。
图1展示了一个.sst文件的物理划分结构,同Log文件一样,也是划分为固定大小的存储块,每个Block分为三个部分,包括Block、Type和CRC。Block为数据存储区,Type区用于标识Block中数据是否采用了数据压缩算法(Snappy压缩或者无压缩两种),CRC部分则是Block数据校验码,用于判别数据是否在生成和传输中出错。
以上是.sst的物理布局,下面介绍.sst文件的逻辑布局,所谓逻辑布局,就是说尽管大家都是物理块,但是每一块存储什么内容,内部又有什么结构等。图4.2展示了.sst文件的内部逻辑解释。
从图2可以看出,从大的方面,可以将.sst文件划分为数据存储区和数据管理区,数据存储区存放实际的Key:Value数据,数据管理区则提供一些索引指针等管理数据,目的是更快速便捷的查找相应的记录。两个区域都是在上述的分块基础上的,就是说文件的前面若干块实际存储KV数据,后面数据管理区存储管理数据。管理数据又分为四种不同类型:紫色的Meta Block,红色的MetaBlock Index和蓝色的Index block以及一个文件尾部块Footer。
LevelDB 1.2版对于Meta Block尚无实际使用,只是保留了一个接口,估计会在后续版本中加入内容,下面我们看看Index block和文件尾部Footer的内部结构。
图3 Index block结构
图3是Index block的内部结构示意图。再次强调一下,Data Block内的KV记录是按照Key由小到大排列的,Index block的每条记录是对某个Data Block建立的索引信息,每条索引信息包含三个内容:Data Block中key上限值(不一定是最大key)、Data Block在.sst文件的偏移和大小,以图3所示的数据块i的索引Index i来说:红色部分的第一个字段记载大于等于数据块i中最大的Key值的那个Key,第二个字段指出数据块i在.sst文件中的起始位置,第三个字段指出Data Block i的大小(有时候是有数据压缩的)。后面两个字段好理解,是用于定位数据块在文件中的位置的,第一个字段需要详细解释一下,在索引里保存的这个Key值未必一定是某条记录的Key,以图3的例子来说,假设数据块i 的最小Key=“samecity”,最大Key=“the best”;数据块i+1的最小Key=“the fox”,最大Key=“zoo”,那么对于数据块i的索引Index i来说,其第一个字段记载大于等于数据块i的最大Key(“the best”),同时要小于数据块i+1的最小Key(“the fox”),所以例子中Index i的第一个字段是:“the c”,这个是满足要求的;而Index i+1的第一个字段则是“zoo”,即数据块i+1的最大Key。
文件末尾Footer块的内部结构见图4,metaindex_handle指出了metaindex block的起始位置和大小;inex_handle指出了index Block的起始地址和大小;这两个字段可以理解为索引的索引,是为了正确读出索引值而设立的,后面跟着一个填充区和魔数(0xdb4775248b80fb57)。
图4 Footer
上面主要介绍的是数据管理区的内部结构,下面我们看看数据区的一个Block的数据部分内部是如何布局的,图5是其内部布局示意图。
图5 Data Block内部结构
从图中可以看出,其内部也分为两个部分,前面是一个个KV记录,其顺序是根据Key值由小到大排列的,在Block尾部则是一些“重启点”(Restart Point),其实是一些指针,指出Block内容中的一些记录位置。
“重启点”是干什么的呢?简单来说就是进行数据压缩,减少存储空间。我们一再强调,Block内容里的KV记录是按照Key大小有序的,这样的话,相邻的两条记录很可能Key部分存在重叠,比如key i=“the car”,Key i+1=“the color”,那么两者存在重叠部分“the c”,为了减少Key的存储量,Key i+1可以只存储和上一条Key不同的部分“olor”,两者的共同部分从Key i中可以获得。记录的Key在Block内容部分就是这么存储的,主要目的是减少存储开销。“重启点”的意思是:在这条记录开始,不再采取只记载不同的Key部分,而是重新记录所有的Key值,假设Key i+1是一个重启点,那么Key里面会完整存储“the color”,而不是采用简略的“olor”方式。但是如果记录条数比较多,随机访问一条记录,需要从头开始一直解析才行,这样也产生很大的开销,所以设置了多个重启点,Block尾部就是指出哪些记录是这些重启点的。
图6 记录格式
在Block内容区,每个KV记录的内部结构是怎样的?图6给出了其详细结构,每个记录包含5个字段:key共享长度,key非共享长度,value长度,key非共享内容,value内容。比如上面的“the car”和“the color”记录,key共享长度5;key非共享长度是4;而key非共享内容则实际存储“olor”;value长度及内容分别指出Key:Value中Value的长度和存储实际的Value值。
上面讲的这些就是.sst文件的全部内部奥秘。
Block格式及相关操作请参阅《levelDB源码分析-SSTable:Block》。
SSTable造作相关请参阅《levelDB源码分析-SSTable:.sst文件的构建与读取》