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Key-Value小数据库的原理和实现

2010-05-16

Key-Value 数据库是很早起比较典型的老式数据库,从Unix早期的dbm,后来的GNU版本的gdbm,还有ndbm,sdbm, cdb 以及功能强大的Berkeley DB (BDB)、还有这两年风头很劲的qdbm,都是典型代表。实际上来说,Key-Value 数据库不是严格意义上的数据库,只是一个简单快速的数据存储功能。

tmdb 也是差不多这么一个性质Key-Value小数据存储(DBM),设定存储数据目标量级是10W级,性能嘛也不是很好,算是一个小实验型产品。(tmdb 下载)

说说它的基本特点:

  • 存储数据量级为10W,超过后性能下降的厉害
  • 因为存储特点决定,更适合存储只读数据,当然,它也是可以删除和修改数据的,只是比较浪费空间
  •  Key长度不能超过64个字节,数据长度不能超过65536个字节,适合存储一些小数据
  • 使用的不是行级锁(Row-Level-Lock),而且是全局锁,所以并发读写情况下,性能不是很好
  • 索引文件和数据文件分离,备份情况下要全部备份
  • 接口API基本是按照传统的dbm的API来设定,整个库文件较小,可直接静态编译进程序

 

简单说说大致的设计思路,设计方案基本是简单容易实现的方式来操作(主要是自己懒),大致说说实现,实现的比较糟糕,请不吝指教。


【 存储结构 】

索引使用的是静态索引,Hash表的长度不能动态扩容,缺省是 65535 Hash Bucket,如果冲突的情况使用开拉链法,那么如果冲突厉害,或者数据量大,自然大大增加了查找一条记录的时间,所以小数据量并且Key分布均匀下性能比较好(所有hash都是这样好不好 ^_^)。

上面特点说了,索引和数据文件是分离的,主要是为了动态扩容的时候不用做太多数据迁移和位置计算。

数据存储是单个文件,头部预留了256个字节的剩余,后面的都是用来存数据,所有数据都是 append 的方式,一个数据被删除,只在索引修改标志位,不会做实际数据迁移,也不会做空闲数据空间链表记录(偷懒啊),所以结构比较简单。

看一下索引文件的存储结构:

Index File Struct:
+-----------+----------------------+--------------+----------------+
| Header    |    Key ptr buckets   | Key Record 1 |Key Record 2 .. |
+-----------+----------------------+--------------+----------------+
  256Bytes  262144Bytes(256KB)     76Bytes          76Bytes

 

预留了 256字节的头部空间,用来后续扩展,然后是 256K 的用来存储hash桶到一条Key的指针位置(Key Record),设定的是  65536 * 4 = 256K,所以整个索引文件不能超过2G数据文件,否则单个4字节的指针空间存储不下 (^_^)。
Key Record 是存储一个Key信息的记录,一个Key信息的结构:

 

Index key record
+-------+--------------+----------+----------+
| Flag  |    Key       | Data ptr | Next ptr |
+-------+--------------+----------+----------+
  4Bytes  64Bytes      4Bytes     4Bytes
  
Flag 4个字节是标志是否删除,或者别的。Key 是定长的 64 字节,Data Ptr 是数据指针,指到数据文件中具体Value的记录位置,也是4个字节,所以决定了数据文件大小也不能超过2G (^_^),Next ptr 是存储同样一个Hash值下一条记录的Key记录指针 (多么简单的设计啊,就是一个内存Hash Table)。

无论Key多长,为了保证性能,都是定长方式存储,所以这个如果Key多的情况,浪费比较严重,而且实际使用中,如果数据值比较短,一般索引文件会比数据文件更大。(-_-!)


再看看数据文件的存储结构:

Data File structure:
+----------------+----------------+-----------------+
| Header         | Data Record 1  |Data Record 2..  |
+----------------+----------------+-----------------+
  256bytes     dynamics length  dynamics length

 

256个字节的预留头,然后是每个不定长的数据记录,逐个往后排列。再看看单个数据记录的结构:

 

Data record
+--------+-------+------------------+----------+
| Flag   | len   |   Data           | Next ptr |
+--------+-------+------------------+----------+
  4Bytes  4Bytes   dynamics length    4Bytes

 

4个字节的标志位(预留),4个字节存储实际数据长度,然后是下一条记录的数据指针。

整个存储结构还是比较简单明了的,因为使用了索引文件和数据文件的分开,所以很多方式实现就简单了,不过就是打开文件会多打开一个文件描述符。(^_^)


【 Hash算法 】

采用的是 BKDR Hash 算法,主要是性能比较好,其实 SDBM hash 和 Times33 都不错,不过我看这个性能更好,就选择了它。

  1. /** 
  2.  * Hash core function 
  3.  * @desc BKDR Hash  
  4.  */  
  5. TDBHASH _db_hash(TDB *db, const char *str) {  
  6.     TDBHASH seed = 131; //31 131 1313 13131 131313 etc..  
  7.     TDBHASH hash = 0;   
  8.     while (*str) {  
  9.         hash = hash * seed + (*str++);  
  10.     }   
  11.     return (hash & 0x7FFFFFFF) % db->nhash;  
  12. }  


相关Hash算法比较:http://blog.csai.cn/user3/50125/archives/2009/35638.html

更多参见:http://blog.csdn.net/heiyeshuwu/archive/2010/07/12/5728641.aspx

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