LotusDB 设计与实现—3 内存 memtable

LotusDB 是一个全新的 KV 存储引擎，Github 地址：https://github.com/flower-corp/lotusdb，希望大家多多支持呀，点个 star 或者参与进来！

顾名思义，memtable 是内存中维护的组件，在 LSM Tree 存储模型中，memtable 相当于一块内存 buffer，数据写入到 WAL 后，然后在 memtable 中更新。

memtable 的数据积累到一定的阈值之后，批量 Flush 到磁盘，这样做的目的是延迟写磁盘，并且将随机的 IO 写入转换为批量的顺序 IO，这也是 LSM 存储模型的核心思路。

design-overview.png

内存中的 memtable 一般会有多个，一个 memtable 写满之后，会转为不可变的 memtable，不可变的 memtable 不能接收新的写入，并且等待被后台线程 Flush 持久化到磁盘。

LotusDB 的一个 Column Family 结构体中，维护了最新的 memtable，记为 activeMem，以及不可变的 memtable 数组，即 immuMems。

Column Family 这个命名借鉴于 rocksdb，表示一个 key/value 的命名空间， 可以理解为表的概念。

从 Column Family 的结构体定义中可以查看：

type ColumnFamily struct {
    // Active memtable for writing.
    activeMem *memtable
    // Immutable memtables, waiting to be flushed to disk.
    immuMems []*memtable
    // Value Log(Put value into value log according to options ValueThreshold).
    vlog *valueLog
    // Store keys and meta info.
    indexer index.Indexer
    // When the active memtable is full, send it to the flushChn, see listenAndFlush.
    flushChn chan *memtable
    flushLock sync.RWMutex // guarantee flush and compaction exclusive.

    // ...
}

当有数据写入时，需要判断当前 memtable 是否已满，如果已满，则将 memtable 存放到 immuMems 这个 slice 里面，然后将 memtable 通过 channel 发送，由 channel 的另一端进行 flush 工作。发送到 channel 之后，需要创建一个新的 memtable 做为 activeMem。

大致的逻辑如下代码：

func (cf *ColumnFamily) waitWritesMemSpace(size uint32) error {
    // check whether memtable is full
    if !cf.activeMem.isFull(size) {
        return nil
    }

    timer := time.NewTimer(cf.opts.MemSpaceWaitTimeout)
    defer timer.Stop()
    select {
    case cf.flushChn <- cf.activeMem:
        cf.immuMems = append(cf.immuMems, cf.activeMem)
        // open a new active memtable.

        // ...

        if table, err := openMemtable(memOpts); err != nil {
            return err
        } else {
            cf.activeMem = table
        }
    case <-timer.C:
        return ErrWaitMemSpaceTimeout
    }
    return nil
}

如果当前 memtable 容量和数量都达到了最大值， 不可变的 memtable 还来不及 flush，这时候新的写入需要阻塞等待，等待的超时时间可以配置，默认是 100ms。

但实际上，这种情况发生的概率较低，只有在 memtable 阈值小、数量少，并且有大量写入的情况下才有可能发生，如果在写入的过程中遇到了类似 wait memtable space timeout 的错误，建议调大 memtable 的阈值，或者增加超时时间的配置。

需要注意在 memtable 中，如果是删除数据，那么实际上也是添加记录，并不会真正去执行删除，只是添加的记录加上了一个特殊的标记，一般称为墓碑值。

具体在 LotusDB 里面，添加记录操作的是 LogEntry 这个结构体，所以在里面加上了一个 Type 字段，标识这个 LogEntry 数据的类型，然后再添加到 memtable 中：

// put new writes to memtable.
func (mt *memtable) put(key []byte, value []byte, deleted bool, opts WriteOptions) error {
    entry := &logfile.LogEntry{
        Key: key,
        Value: value,
    }
    if opts.ExpiredAt > 0 {
        entry.ExpiredAt = opts.ExpiredAt
    }
    if deleted {
        entry.Type = logfile.TypeDelete
    }

    // ....
}

在 channel 的另一端（listenAndFlush 方法中），启动了一个 goroutine 进行监听，如果有新的 memtable 数据进来，则会开始 flush 操作。LotusDB 的 memtable 的具体数据结构采用的是跳表，所以就取出对应的跳表的迭代器，从头开始遍历跳表中的数据。

这里需要注意判断，如果 memtable 中的 key 被标记为删除或已过期的话，也需要记录一下，否则，则说明是有效的 key/value 数据，那么便会将数据追加写到 value log 中，获取到对应数据的索引信息，即文件 id 和位置偏移 offset。

for iter.SeekToFirst(); iter.Valid(); iter.Next() {
    key := iter.Key()
    node := &index.IndexerNode{Key: key}
    mv := decodeMemValue(iter.Value())

    // delete invalid keys from indexer.
    if mv.typ == byte(logfile.TypeDelete) || (mv.expiredAt != 0 && mv.expiredAt <= time.Now().Unix()) {
        deletedKeys = append(deletedKeys, key)
    } else {
        // wiret data into value log.
        valuePos, esize, err := cf.vlog.Write(&logfile.LogEntry{
            Key: key,
            Value: mv.value,
            ExpiredAt: mv.expiredAt,
        })
        if err != nil {
            return err
        }
        node.Meta = &index.IndexerMeta{
            Fid: valuePos.Fid,
            Offset: valuePos.Offset,
            EntrySize: esize,
        }
        nodes = append(nodes, node)
    }
}

遍历完 memtable 中的数据之后，再调用索引提供的方法，针对无效的数据进行批量删除，针对有效的数据进行批量添加，完成之后需要调用 Sync 方法持久化写入的内容，保证数据的一致性。

func (cf *ColumnFamily) flushUpdateIndex(nodes []*index.IndexerNode, keys [][]byte) error {
    cf.flushLock.Lock()
    defer cf.flushLock.Unlock()
    // must put and delete in batch.
    writeOpts := index.WriteOptions{SendDiscard: true}
    if _, err := cf.indexer.PutBatch(nodes, writeOpts); err != nil {
        return err
    }
    if len(keys) > 0 {
        if err := cf.indexer.DeleteBatch(keys, writeOpts); err != nil {
            return err
        }
    }
    // must fsync before delete wal.
    if err := cf.indexer.Sync(); err != nil {
        return err
    }
    return nil
}

Flush 完成之后，便会将 immuMems 这个数组中的 memtable 删除掉，给后续新的 memtable 空出位置。

memtable 相关的配置项：

ColumnFamilyOptions：

MemtableSize：一个 memtable 所占内存空间的阈值，默认 64MB

MemtableNums：最多可存在的 memtable 的数量，默认 5

MemSpaceWaitTimeout：等待 memtable 空闲空间的超时，默认 100ms

LotusDB Github 地址：https://github.com/flower-corp/lotusdb

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