萬字長文！對比分析了多款儲存方案，KeeWiDB最終選擇自己來

騰訊雲資料庫發表於2022-11-27

大資料時代，無人不知Google的“三駕馬車”。“三駕馬車”指的是Google釋出的三篇論文，介紹了Google在大規模資料儲存與計算方向的工程實踐，奠定了業界大規模分散式儲存系統的理論基礎，如今市場上流行的幾款國產資料庫都有參考這三篇論文。

  • 《The Google File System》，2003年
  • 《MapReduce: Simplified Data Processing on Large Clusters》，2004年
  • 《Bigtable: A Distributed Storage System for Structured Data》，2006年

其中，Bigtable是資料儲存領域的經典論文，這篇論文首次對外完整、系統的敘述了Google是如何將LSM-Tree架構應用在工業級資料儲存產品中的。熟悉資料庫的朋友，一定對LSM-Tree不陌生。LSM-Tree起源於上世紀70年代，1996年被正式提出，之後Google成功實現商業化應用。

LSM-Tree的核心思想是“Out-of-Place Update”，可以將離散隨機寫轉化為批次順序寫，這對機械硬碟作為主流儲存介質的時代而言，能大幅度提升系統吞吐。現如今，已經有一大批成熟的KV儲存產品採用了LSM-Tree架構，例如DynamoDB, HBase, Cassandra和AsterixDB等。然而，工程實踐往往存在一種取捨，幾乎很難找到一個完美契合所有應用場景的設計。LSM-Tree在帶來優秀的寫入效能的同時，也帶來了讀寫放大和空間放大問題。

隨著硬體技術的發展，固態硬碟逐漸替代機械硬碟成為儲存的主流，曾經的核心因素（隨機寫和順序寫的效能差異）現在也不再那麼核心。那麼現在儲存系統設計的核心是什麼呢？KeeWiDB倒是可以給你答案圖片

高效能、低成本！如何減小固態硬碟擦除次數？如何延長使用壽命？這些都是KeeWiDB研發團隊重點突破的地方。基於此，本文將重點闡述KeeWiDB中儲存引擎的設計概覽，詳細介紹資料如何儲存、如何索引，給讀者提供一些KeeWiDB的思考和實踐。

一、儲存層

圖1 展示的是儲存在磁碟上的資料檔案格式，資料檔案由若干個固定大小的Page組成，檔案頭部使用了一些Page用於儲存元資訊，包括和例項與儲存相關的元資訊，元資訊後面的Page主要用於儲存使用者的資料以及資料的索引，尾部的Chunk Page則是為了滿足索引對連續儲存空間的需求。Page至頂向下分配，Chunk Page則至底向上，這種動態分配方式，空間利用率更高。

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圖1 KeeWiDB的儲存層架構

和主流涉盤型資料庫相似，我們使用Page管理物理儲存資源，那麼Page大小定為多少合適呢？

我們知道OS當機可能產生Partial Write，而KeeWiDB作為一個嚴格的事務型資料庫，資料操作的永續性是必須滿足的核心性質之一，所以當機不應該對資料的可用性造成影響。

針對Partial Write問題，業界主流的事務型資料庫都有自己的解決方案，比如MySQL採用了Double Write策略，PostgreSQL採用了Full Image策略，這些方案雖然可以解決該問題，但或多或少都犧牲了一定的效能。得益於SSD的寫盤機制，其天然就對物理頁寫入的原子性提供了很好的實現基礎，所以利用這類硬體4K物理頁寫入的原子特性，便能夠在保證資料永續性的同時，而不損失效能。此外，由於我們採用的索引相對穩定，其IO次數不會隨著Page頁大小改變而顯著不同。故權衡之下，我們選擇4K作為基本的IO單元。

至此，我們知道KeeWiDB是按照4K Page管理磁碟的出發點了，那麼是否資料就能直接儲存到Page裡面呢？

如你所想，不能。針對海量的小值資料，直接儲存會產生很多內部碎片，導致大量的空間浪費，同時也會導致效能大幅下降。解決辦法也很直觀，那就是將Page頁拆分為更小粒度的Block。

圖2 展示了Page內部的組織結構，主要包括兩部分：PageHeaderData和BlockTable。PageHeaderData部分儲存了Page頁的元資訊。BlockTable則是實際儲存資料的地方，包含一組連續的Block，而為了管理方便和檢索高效，同一個BlockTable中的Block大小是相等的。透過PageHeaderData的BitTable索引BlockTable，結合平臺特性，我們只需要使用一條CPU指令，便能夠定位到頁內空閒的Block塊。

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圖2 Page組成結構

而為了滿足不同使用者場景的資料儲存，儲存層內部劃分了多個梯度的Block大小，即多種型別的Page頁，每種型別的Page頁則透過特定的PageManager管理。

圖3 展示了PageManager的主要內容，透過noempty_page_list可以找到一個包含指定Block大小的Page頁，用於資料寫入；如果當前noempty_page_list為空，則從全域性Free Page List中彈出一個頁，初始化後掛在該連結串列上，以便後續使用者的寫入。當Page頁變為空閒時，則從該連結串列中摘除，重新掛載到全域性Free Page List上，以便其它PageManager使用。

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圖3 PageManager組成結構

想必大家已經發現上面的資料塊分配方式，和tcmalloc，jemalloc等記憶體分配器有相似之處。不同的是，作為磁碟型空間分配器，針對大塊空間的分配，KeeWiDB透過連結串列的方式將不同的型別的Block連結起來，並採用類似Best-Fit的策略選擇Block。如圖4所示，當使用者資料為5K大小時，儲存層會分配兩個Block，並透過Block頭部的Pos Info指標連結起來。這種大塊空間的分配方式，能夠較好的減小內部碎片，同時使資料佔用的Page數更少，進而減少資料讀取時的IO次數。

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圖4 Block鏈式結構

以上便是使用者資料在KeeWiDB中存放的主要形式。可以看出，使用者資料是分散儲存在整個資料庫檔案中不同Page上的，那麼如何快速定位使用者資料，便是索引的主要職責。

二、索引層

2.1 選型

KeeWiDB定位是一個KV資料庫，所以不需要像關係型資料庫那樣，為了滿足各種高效能的SQL操作而針對性的建立不同型別的索引。通常在主索引上，對範圍查詢需求不高，而對快速點查則需求強烈。所以我們沒有選擇在關係型資料庫中，發揮重要作用的B-Tree索引，而選擇了具有常數級等值查詢時間複雜度的hash索引。

hash索引大體上存在兩類技術方案Static Hashing和Dynamic Hashing。前者以Redis的主索引為代表，後者以BerkeleyDB為代表。如圖5所示，Static Hashing的主要問題是：擴容時Bucket的數量翻倍，會導致搬遷的資料量大，可能阻塞後續的讀寫訪問。基於此，Redis引入了漸進式Rehash演算法，其可以將擴容時的元素搬遷平攤到後續的每次讀寫操作上，這在一定程度上避免了阻塞問題。但由於其擴容時仍然需要Bucket空間翻倍，當資料集很大時，可能導致剩餘空間無法滿足需求，進而無法實現擴容，最終使得Overflow Chain過長，導致讀寫效能下降。

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圖5 Static Hashing擴容示意圖

Dynamic Hashing技術旨在解決Overflow Chain過長的問題，核心思想是在Bucket容量達到閾值時，進行單個Bucket的分裂，實現動態擴容，而不是當整個hash table填充率達到閾值時才擴容。這樣可以避免資料傾斜時，導致某個桶Overflow Chain過長，影響處理延遲。同時動態擴容每次只需一個Bucket參與分裂，擴容時搬遷資料量小。Dynamic Hashing通常有兩種選型：Extendible Hashing和Linear Hashing。這兩種演算法都實現了上述動態擴容的特性，但實現方式有所不同。

如圖6所示，Extendible Hashing使用Depth來表達參與運算的hashcode的最低有效位的長度。Local Depth和Bucket繫結，表示其中元素指定的最低有效位相等，等價於hash取模。Global Depth則表示全域性參與運算的最低有效位長度的最大值，即代表當前邏輯Bucket的個數。Directory是指標陣列，用於指代邏輯Bucket的物理位置資訊，和物理Bucket存在多對一的對映關係，當Bucket的Local Depth等於Global Depth時，對映關係為一對一。

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圖6 Extendible Hashing擴容示意圖

我們看看Extendible Hashing是怎麼處理擴容的。若插入元素後，Bucket容量達到閾值，首先將該Bucket的Local Depth加1，然後分情況觸發擴容：

  1. 若當前Bucket的Local Depth < Global Depth，則只需要將該Bucket分裂，重設Directory指標即可。
  2. 若當前Bucket的Local Depth == Global Depth，則不僅需要分裂該Bucket，同時還需要將Directory翻倍，並重設指標。

以圖6為例，Bucket 2中的元素在擴容前，參與運算的最低有效位為10(Local Depth等於2)；在擴容時，首先將Local Depth加1，然後最低有效位為010的元素保持不動，而其餘有效位為110的元素，便被搬遷到物理Bucket 6中。由於Global Depth小於Local Depth，所以需要對Directory陣列翻倍擴容，然後將邏輯Bucket 6的位置資訊，指向物理Bucket 6。其餘邏輯Bucket 4，5和7，則分別指向現存的物理Bucket 0，1，和3。

Extendible Hashing可以完全避免Overflow Chain的產生，使元素的讀取效率很高，但也存在弊端：Directory需要翻倍擴容，同時重設指標代價高。雖然Directory儲存的只是位置資訊，和Static Hashing相比空間利用率更高，但仍然無法避免當Bucket數量很大時，擴容對大塊空間的需求。同時擴容需要重設的Directory指標資料量，可能會隨著資料集的增大而增大。這對涉盤型資料庫來說，需要大量的磁碟IO，這會極大增加處理的長尾延遲。

Linear Hashing和Extendible Hashing相似，若插入操作導致Bucket容量達到閾值，便會觸發分裂。不同的是，分裂的Bucket是next_split_index指向的Bucket，而不是當前觸發分裂的Bucket。這種按順序分裂的機制，彌補了Extendible Hashing需要重設指標的缺點。如圖7所示，當Bucket 1插入元素17後達到了容量限制，便觸發分裂，分裂next_split_index指代的Bucket 0，最低有效位為000的元素保持不動，把最低有效位為100的元素搬遷到新建的Bucket 4中，並將next_split_index向前遞進1。

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圖7 Linear Hashing擴容示意圖

Extendible Hashing透過Directory指標陣列索引Bucket位置資訊，而Linear Hashing則透過兩個hash表來解決定位問題。如圖8所示，和採用漸進式Rehash的Redis相似，可以將hash table看作同時存在一小一大兩個表，分別以low_mask和high_mask表徵。當定位元素所屬Bucket時，主要分為以下幾步：

  • 透過雜湊函式計算得到元素的hashcode；
  • 透過low_mask計算元素的候選bucket_index，bucket_index = hashcode & low_mask；
  • 若bucket_index >= next_split_index，則其為目標Bucket；
  • 若bucket_index < next_split_index，說明其對應的Bucket已經被分裂，那麼參與運算的最低有效位數應該增加1位，即需要透過high_mask計算元素的目標bucket_index，bucket_index = hashcode & high_mask。

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圖8 Linear Hashing訪問示意圖

當然Linear Hashing也存在一個缺點：如果資料不均勻，則可能導致某個Bucket無法及時分裂，進而產生Overflow Chain。但相比Static Hashing而言，其長度要短很多。同時工程實踐中，可以透過預分配一定數量的Bucket，緩解資料傾斜的問題。如果再適當調小觸發Bucket分裂的容量閾值，幾乎可以做到沒有Overflow Chain。結合Extendible Hashing存在擴容時磁碟IO不穩定的問題，我們最終選擇了Linear Hashing作為KeeWiDB的主索引。

2.2 詳細設計

2.2.1 基礎架構

接下來我們將走近KeeWiDB，看看Linear Hashing的工程實踐。如圖9所示，整個索引可以概括為三層：HashMetaLayer，BucketIndexLayer和BucketLayer。下面我們將分別對每個層次的內容和作用作一個概述。

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圖9 Linear Hashing實現架構圖

HashMetaLayer

HashMetaLayer主要用於描述hash table的元資訊。如圖10所示，主要包括以下內容：

  • current_size: 當前hash table儲存的元素個數；
  • split_bucket_index: 下次需要分裂的Bucket邏輯編號；
  • current_bucket_count: 當前使用的Bucket數量；
  • low_mask: 用於對映hash table的小表，high_mask =（low_mask << 1) | 1；
  • index_page_array: 用於儲存分段連續的IndexPage的起始頁的位置資訊；

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圖10 hash meta組成結構

BucketIndexLayer

BucketIndexLayer表示一組分段連續的IndexPage頁面。IndexPage主要用於儲存物理Bucket的位置資訊，其作用類似於Extendible Hashing的Directory陣列。透過引入BucketIndexLayer，可以使物理Bucket離散分佈於資料庫檔案中，避免對連續大塊儲存空間的需求。引入額外的層次，不可避免的會導致IO和CPU的消耗，我們透過兩個方面來減小消耗。

首先，透過hash meta儲存的index_page_array，將定位目標Bucket的時間複雜度做到常數級，減小CPU消耗。由於每個IndexPage所能容納的Bucket位置資訊數量是固定的，所以如果將IndexPage看作邏輯連續的Page陣列時，就可以在O(1)時間複雜度下計算出Bucket所屬的IndexPage邏輯編號，以及其在IndexPage內部的偏移。再把分段連續的IndexPage的第一個頁的物理位置資訊記錄在index_page_array陣列中，定位到IndexPage的物理位置便也為常數級。如圖11所示，連續的IndexPage的頁面個數與index_page_array的陣列索引的關係為分段函式。採用分段函式主要基於以下考慮：

  • 減小空間浪費。使每次分配的IndexPage數量，隨著資料量的增大而增大，而不是維持固定值，避免小資料量時造成空間浪費。特別是在多DB場景下(索引相互獨立)，使用者資料傾斜時，這種空間浪費會被放大；
  • 增加空間使用的靈活性。每次分配IndexPage的數量也不能無限增大，避免無法分配大塊的連續空間。

再者，我們透過記憶體快取避免IndexPage的額外IO消耗，KeeWiDB透過10MB的常駐記憶體，便可以索引數十億個元素。

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圖11 indexpagearray 結構示意圖

讀者可能有疑問，既然IndexPage可以做到分段連續，那為何不直接將BucketPage做到分段連續，這樣可以避免引入IndexPage，似乎還能減少IO次數。不這麼做，是因為相同大小的連續空間，前者能索引的元素個數是後者的數百倍，所以在多DB場景下，前者更具有優勢。與此同時，如果採用相似的索引策略，後者也並不能減小IO次數，因為bucket_page_array是index_page_array的數百倍大，這會導致hash meta無法存放在一個Page中，導致IO次數增加。所以，最終我們選擇犧牲少量記憶體空間，以提高磁碟空間使用的靈活性。

BucketLayer

BucketLayer則是最終儲存hash元素，即使用者資料索引的地方。每一個邏輯Bucket由一組物理BucketPage連結而成，即採用開鏈法解決hash衝突，只是連結的單位是Page頁而不是單個元素。BucketPage連結串列頭稱為PrimaryBucketPage，其餘則為OverflowBucketPage。

如圖12所示，BucketPage主要包括兩方面內容：代表元資訊的Header和儲存資料的Blocks。Header儲存的內容又可以分為兩部分：表徵Bucket結構和狀態的Normal Meta，以及表徵BucketPage內部Blocks儲存狀態的blocks map。Blocks陣列是實際儲存元素的地方，其和元素一一對應。

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圖12 Bucket Page組成結構

BucketPage可以看作是一個按照元素hashcode排序的有序陣列。元素查詢主要分為三步：

  • 首先透過blocks_sort_map，二分查詢與待查鍵hashcode相等的index；
  • 透過index內記錄的block_index，找到其對應的Blocks陣列中的元素，即為候選索引；
  • 透過該候選索引讀取儲存的使用者資料，若儲存的資料健與待查健二進位制相等，則該索引即是目標索引。

更新操作只需要將查詢到的Blocks陣列中對應的Block替換為新的元素。而元素插入操作在查詢無果的基礎上，還需要以下幾步：

  • 透過blocks_alloc_map找到Blocks陣列的空位，並將對應的bit位置1；
  • 將元素插入到該Blocks陣列指定的空位中；
  • 構建index，更新blocks_sort_map。

同樣，元素刪除操作在查詢成功後，也需要額外幾步：

  • 透過blocks_alloc_map找到指定的bit位，將其置為0；
  • 刪除index，更新blocks_sort_map。

除了使用者觸發的讀寫操作，hash table自身還存在分裂和合並操作。如圖13所示，展示了Bucket分裂和合並時的狀態轉化圖，Bucket主要存在五種狀態：

  • Normal：常規狀態；
  • BeingSplitted：分裂狀態。觸發分裂時，源端Bucket的狀態；
  • BeingMerged: 合併狀態。觸發合併時，源端Bucket的狀態；
  • BeingFilled：填充狀態。觸發分裂(合併)時，目的端Bucket的狀態；
  • BeingCleanup：清理狀態。分裂(合併)完成時，源端Bucket的狀態。

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圖13 Bucket狀態轉換圖

如圖14所示，Bucket分裂操作主要分為三個階段：

  • Prepare階段：建立目的Bucket物理頁，更新hash table結構，分別設定源端和目的端Bucket狀態為BeingSplitted和BeingFilled；
  • Split階段：將源端Bucket的資料，按照high_mask重新rehash，將不再屬於該Bucket的資料複製至目的Bucket；
  • Cleanup階段：將不再屬於源端Bucket的資料清理掉。

和分裂操作相似，Bucket的合併操作也分為三個階段：

  • Prepare階段：分別設定源端和目的端Bucket狀態為BeingMerged和BeingFilled。
  • Merge階段：將源端Bucket資料，複製至目的端Bucket。
  • Cleanup階段：清理源端Bucket，更新hash table結構。

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圖14 Bucket分裂和合並示意圖

那麼，正常讀寫場景下，使用者訪問延遲有多大呢？現在我們梳理下，使用者寫入資料時典型的IO路徑：

  • 儲存層分配資料Block，用於存放使用者資料，並構建使用者資料索引資訊；
  • 查詢主索引的後設資料HashMetaBlock；
  • 透過使用者資料鍵的hashcode值，計算得到目標Bucket邏輯編號，並定位IndexPage；
  • 透過IndexPage找到對應的BucketPage，插入使用者資料索引。

由於HashMetaBlock和IndexPage資料量很小(億級資料集只需幾兆空間)，可以直接快取在記憶體中。那麼一次典型的小值寫入，平均只需要兩次IO：一次資料寫入，一次索引寫入，這樣平均處理延遲就能維持在較低的水平。隨著資料集的增大，寫入可能觸發分裂式擴容，而大多數場景下，擴容只會涉及2個BucketPage，即只需要額外兩次IO，且IO次數不會隨著資料量的增大而增大，這樣處理的長尾延遲就相對穩定可控。

2.2.2 併發控制

讀者透過架構篇可以瞭解到，KeeWiDB採用了Shared-Nothing的架構設計，宏觀上將資料集按Slot進行了拆分，每個執行緒獨立負責部分Slot資料的讀寫，即發揮了多核併發的優勢。而對於執行緒內部的讀寫訪問，則引入了協程機制，來提高單核處理能力。協程級併發意味著可能存在多個協程同時訪問系統資源，與主流關係型資料庫相似，KeeWiDB透過兩階段鎖實現事務serializable級別的隔離性要求，關於事務的相關內容，後續我們會有專題進行詳細介紹。這裡我們主要討論的是，儲存引擎層是如何保障資料訪問的併發安全。

hash索引的併發控制，其核心是需要滿足以下要求：

  • 讀取保障：不會讀取到中間狀態的值，記作R-1；
  • 讀取保障：不會因為分裂(合併)，導致讀取不到原本應該存在的值，記作R-2；
  • 寫入保障：併發寫入不會互相干擾，即寫入滿足原子性，記作W-1；
  • 寫入保障：不會因為分裂(合併)，導致丟失更新，記作W-2；
  • 自恢復保障：不會因為中途當機，導致hash table結構被破壞，無法恢復服務，記作SR。

總體上，hash索引主要採用了三種鎖確保併發安全：

  • Page鎖：讀寫物理鎖，確保物理頁訪問的原子性；
  • Bucket鎖：Bucket級別讀寫邏輯鎖，確保分裂(合併)時，寫入的併發正確性；
  • Exclusive鎖：特殊的Page寫鎖，該Page無他人引用。

什麼是引用計數呢？如圖15所示，Page從磁碟載入上來之後，儲存在Cache模組的Buffer陣列中，並透過PageDesc索引。每當使用者請求相關Page，便使其引用計數加1，釋放Page則引用計數減1，後臺協程會透過演算法週期性的選擇引用計數為0的頁淘汰。Exclusive鎖的含義就是除了請求者之外，無他人引用，即引用計數為1。

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圖15 Page Cache模組示意圖

下面將分別從內部hash table resize和外部使用者讀寫兩個典型場景，簡要描述我們是如何做到併發安全的。為了後續行文方便，現在對部分簡寫的含義作如下說明：

  • PageWriteLock(X)，PageReadLock(X)：持有X資源的Page寫鎖或讀鎖。
  • PageWriteUnlock(X)，PageReadUnlock(X)：釋放持有的X資源的Page寫鎖或讀鎖。
  • ExclusiveLock(X)，ExclusiveUnlock(X)：持有或釋放X資源的Exclusive鎖。
  • BucketWriteLock(X)，BucketReadLock(X)：持有編號為X的Bucket的寫鎖或讀鎖。
  • BucketWriteUnlock(X)，BucketReadUnlock(X)：釋放持有的編號為X的Bucket的寫鎖或讀鎖。
  • LoadFromDisk(X)：從磁碟載入X表徵的物理頁，存放在Cache模組中。若已經成功載入，則只將引用計數加1。
  • HMB：代表HashMetaBlock。
  • IP-X：代表邏輯編號為X的IndexPage。
  • B-X: 代表邏輯編號為X的Bucket。
  • PBP-X：代表B-X對應的PrimaryBucketPage。
  • OBP-X：代表B-X對應的OverflowBucketPage。

hash table resize

由於合併操作和分裂操作，幾乎互為相反操作。所以下面將主要以分裂為例，分析加入併發控制之後的分裂操作是如何處理的。

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圖16 hash分裂併發控制示意圖

如圖16所示，Prepare階段的主要操作步驟如下：

  • LoadFromDisk(HMB)，PageReadLock(HMB)；
  • 根據meta資訊，定位目標Bucket及其所屬IndexPage(此例為B-0和IP-0)；
  • 嘗試按序獲取B-0的Bucket讀鎖和B-1的Bucket寫鎖，PageReadUnlock(HMB)；
  • 若B-0或B-1的Bucket鎖未成功鎖定，則釋放已持有的鎖，直接返回；
  • LoadFromDisk(IP-0)，PageReadLock(IP-0)。獲取PBP-0位置資訊，PageReadUnlock(IP-0)；
  • LoadFromDisk(PBP-0)，LoadFromDisk(PBP-1)；
  • WriteLock(HMB)，WriteLock(IP-0)，PageWr iteLock(PBP-0)，PageWriteLock(PBP-1)；
  • 更新PBP-0的狀態為BeingSplitted，更新PBP-1的狀態為BeingFilled；
  • 將PBP-1的位置資訊記錄在IP-0中；
  • 更新HMB元資訊欄位：next_split_index，current_Bucket_count；
  • 寫入表示資料修改的WAL日誌；
  • WriteUnlock(IP-0)，WriteUnlock(HMB)。

同時持有所有待修改頁面Page鎖的目的是：確保多頁修改的原子性。極小部分場景下，WAL日誌寫入可能引起協程切換，而後臺Page刷髒協程可能獲得執行權，如果此時不對所有頁加鎖，則可能導致部分頁的修改持久化，而索引通常無法記錄回滾日誌，所以最終可能導致hash table結構的錯亂。

Split階段的主要操作步驟如下：

  • 遍歷PBP-0中元素，按照high_mask進行rehash，將不再屬於PBP-0的元素複製至B-1鏈中；
  • 若B-0還存在Overflow Page，則PageWriteUnlock(PBP-0)；
  • LoadFromDisk(OBP-0)，PageReadLock(OBP-0)。遍歷OBP-0中元素，按照high_mask進行rehash，將不再屬於PBP-0的元素複製至B-1鏈中；
  • 若B-0還存在Overflow Page，則PageReadUnlock(OBP-0)，從步驟3開始重複執行，直到遍歷完B-0整個連結串列；
  • WriteLock(PBP-0)，WriteLock(PBP-1)；
  • 更新PBP-0的狀態為BeingCleanup，更新PBP-1的狀態為Normal；
  • WriteUnlock(PBP-0)，WriteUnlock(PBP-1)；
  • BucketReadUnlock(0)，BucketWriteUnlock(1)。

在Split階段資料複製過程中，若B-1當前BucketPage寫滿，則需要增加Overflow Page用於後續寫入，而此操作涉及頁面分配，可能讓出執行權，所以為了避免影響B-1的併發讀取操作，會首先將當前BucketPage的寫鎖釋放。

Cleanup階段的主要操作步驟如下：

  • LoadFromDisk(PBP-0)；
  • 嘗試獲取PBP-0的Exclusive鎖，若獲取失敗，直接退出；
  • 遍歷PBP-0中元素，按照high_mask進行rehash，將不再屬於PBP-0的元素清理掉；
  • 若B-0還存在Overflow Page，則PageWriteUnlock(PBP-0)；
  • LoadFromDisk(OBP-0)，PageWriteLock(OBP-0)。遍歷OBP-0中元素，按照high_mask進行rehash，將不再屬於OBP-0的元素清理掉；
  • 若B-0還存在Overflow Page，則PageWriteUnlock(OBP-0)，從步驟5開始重複執行，直到遍歷完B-0整個連結串列；
  • WriteLock(PBP-0)，更新PBP-0的狀態為Normal，WriteUnLock(PBP-0)。

透過將分裂操作拆分為三個階段，主要是為了提高等待磁碟IO時的併發度。當Prepare階段完成時，新的hash table結構便對後續讀寫可見，不論是使用者讀寫還是hash table resize操作都可以基於新的結構繼續執行，即可能同時存在多個Bucket的併發分裂操作，這樣就能有效避免某次Bucket分裂耗時過長(等待磁碟IO)，導致其餘Bucket無法及時分裂，進而影響訪問延遲的問題。同時，將Split操作和Cleanup操作分開，也是為了能在等待新頁分配的時候，可以釋放Page鎖，避免影響併發讀寫。

read && write

如圖17所示，加入併發控制後，典型的寫入流程主要分為以下幾步：

  • LoadFromDisk(HMB)，PageReadLock(HMB)。根據meta資訊，定位目標Bucket及其所屬IndexPage(此例為B-0和IP-0)，PageReadUnlock(HMB)；
  • LoadFromDisk(IP-0)，PageReadLock(IP-0)。讀取PBP-0的位置資訊，PageReadUnlock(IP-0)；
  • 獲取B-0的Bucket讀鎖；
  • 遍歷B-0的連結串列，直到結束或找到待查元素，然後寫入或更新相關元素。遍歷過程中，在訪問BucketPage前，先加寫鎖，訪問完後立即解鎖；
  • 釋放B-0的Bucket讀鎖。

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圖17 hash寫入併發控制示意圖

如圖18所示，典型的讀取流程主要分為以下幾步：

  • LoadFromDisk(HMB)，PageReadLock(HMB)。根據meta資訊，定位目標Bucket及其所屬IndexPage(此例為B-1和IP-0)，PageReadUnlock(HMB)；
  • LoadFromDisk(IP-0)，PageReadLock(IP-0)。讀取PBP-1的位置資訊，PageReadUnlock(IP-0)；
  • LoadFromDisk(PBP-1)，PageReadLock(PBP-1)；
  • 若PBP-1當前狀態為BeingFilled，則PageReadUnlock(PBP-1)，同時LoadFromDisk(PBP-0)，持有PBP-0引用；
  • 遍歷B-1的連結串列，直到結束或找到待查元素。遍歷過程中，在訪問BucketPage前，先加讀鎖，訪問完後立即解鎖；
  • 若B-1連結串列無法找到對應元素，且已經持有PBP-0的引用。則以遍歷B-1連結串列相同的方式，遍歷B-0連結串列；
  • B若持有PBP-0的引用，則釋放它。

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圖18 hash讀取併發控制示意圖

以上便是加入併發控制之後，hash讀寫的主要流程，限於篇幅上述流程簡化了部分故障恢復和衝突檢測邏輯。現在我們來回顧下，前文提到的併發安全保障是否得到了滿足。由於我們在讀取Page前，都獲取了該Page的讀或寫鎖，所以保證了讀寫的原子性，即R-1和W-1得到保障。讀取操作則透過事先持有待分裂Bucket的引用，避免了分裂過程中，無法讀取到已存在的元素，即R-2也得到保障。寫入操作透過事先獲取Bucket邏輯讀鎖，保證了不會因為分裂操作，導致丟失更新的問題，即滿足了W-2要求。最後透過保證hash結構變化的原子性，滿足了故障重啟後的自恢復性，即SR得到保障。

在保障了併發安全的前提下，hash索引的併發度究竟如何呢？

在回答這個問題之前，我們先來回顧下這裡使用的鎖。由於我們探討的是執行緒內多協程的併發，所以使用的並不是系統鎖，而是簡單的計數器，也就是說產生鎖衝突之後，開銷主要在於使用者空間的協程上下文切換。那麼鎖衝突機率高嗎？由於我們採用了非搶佔式排程，所以除非當前協程主動讓出執行許可權，其他協程不會投入執行，也就不會產生衝突。

那什麼時候讓出執行權呢？絕大多數情況下，是在等待IO的時候。也就是說，在持有鎖而讓出執行權的情況下，可能會產生鎖衝突。不管是讀寫操作還是分裂合併操作，對Page鎖的應用都是：先載入頁，再鎖定資源。故一般不會出現Page鎖衝突的情況，極少數情況下可能需要等待重做日誌就緒，從而產生Page鎖衝突。對處於BeingFilled狀態Bucket的寫入操作，會導致Bucket鎖衝突，衝突機率隨著hash表的增大而減小，且衝突時間和相關Page鎖的衝突時間幾乎相等。Exclusive鎖的衝突機率和Bucket鎖類似。所以，工程實踐中，我們會預分配一定數量的桶，以分散併發操作的Page頁，進而減小鎖衝突的機率，最終達到減小協程切換消耗的目的。

總結

本文主要介紹了KeeWiDB儲存引擎的設計細節。首先，透過介紹儲存層的基本組織結構，知道了我們使用4K Page作為管理整個儲存檔案的基本單元，而使用者資料則是儲存於Page內的Block中。接著，透過對比分析各類索引的特點，簡述了我們選擇Linear Hashing作為使用者資料索引的主要原因。最後，深入分析了Linear Hashing在KeeWiDB中的工程實踐，包括具體的組織架構，增刪查改的大致流程，以及在協程架構下，如何做到併發安全的。

目前，KeeWiDB 正在公測階段，現已在內外部已經接下了不少業務，其中不乏有一些超大規模以及百萬 QPS 級的業務，線上服務均穩定執行中。

後臺回覆“KeeWiDB”，試試看，有驚喜。

關於作者

章俊，騰訊雲資料庫高階工程師，擁有多年的分散式儲存、資料庫從業經驗，現從事於騰訊雲資料庫KeeWiDB的研發工作。

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