LevelDB : MemTable

引文

1. http://blog.youkuaiyun.com/xuqianghit/article/details/6948164
2. http://mingxinglai.com/cn/2013/01/leveldb-memtable/

下面是我结合引文的学习记录，仅用于笔记作用，因大部分出自引文，读者可以移步引文进行学习。

MemTable的作用

以下内容摘自引文2：

在levelDB中所有KV数据都是存储在Memtable，Immutable Memtable和SSTable中的，Immutable Memtable从结构上讲和Memtable是完全一样的，区别仅仅在于其是只读的，不允许写入操作，而Memtable则是允许写入和读取的。当Memtable写入的数据占用内存到达指定数量，则自动转换为Immutable Memtable，等待Dump到磁盘中，系统会自动生成新的Memtable供写操作写入新数据，理解了Memtable，那么Immutable Memtable自然不在话下。
LevelDb的MemTable提供了将KV数据写入，删除以及读取KV记录的操作接口，但是事实上Memtable并不存在真正的删除操作，删除某个Key的Value在Memtable内是作为插入一条记录实施的，但是会打上一个Key的删除标记，真正的删除操作是Lazy的，会在以后的Compaction过程中去掉这个KV。 需要注意的是，LevelDb的Memtable中KV对是根据Key大小有序存储的，在系统插入新的KV时，LevelDb要把这个KV插到合适的位置上以保持这种Key有序性。其实，LevelDb的Memtable类只是一个接口类，真正的操作是通过背后的SkipList来做的，包括插入操作和读取操作等，所以Memtable的核心数据结构是一个SkipList。

MemTable可以看做是对SkipList的封装。

成员变量

首先看看MemTable的成员变量：

  typedef SkipList<const char*, KeyComparator> Table;
  KeyComparator comparator_;
  int refs_;    // 引用计数
  Arena arena_; // 内存池
  Table table_; // Table就是SkipList<const char*, KeyComparator>

添加/查询接口

暴露出来的添加、查询接口：

  // Add an entry into memtable that maps key to value at the
  // specified sequence number and with the specified type.
  // Typically value will be empty if type==kTypeDeletion.
  void Add(SequenceNumber seq, ValueType type,
           const Slice& key,
           const Slice& value);

  // If memtable contains a value for key, store it in *value and return true.
  // If memtable contains a deletion for key, store a NotFound() error
  // in *status and return true.
  // Else, return false.
  bool Get(const LookupKey& key, std::string* value, Status* s);

添加

void MemTable::Add(SequenceNumber s, ValueType type,
                   const Slice& key,
                   const Slice& value) {
  // Format of an entry is concatenation of:
  //  key_size     : varint32 of internal_key.size()
  //  key bytes    : char[internal_key.size()]
  //  value_size   : varint32 of value.size()
  //  value bytes  : char[value.size()]
  size_t key_size = key.size();
  size_t val_size = value.size();
  size_t internal_key_size = key_size + 8;
  const size_t encoded_len =
      VarintLength(internal_key_size) + internal_key_size +
      VarintLength(val_size) + val_size;
  char* buf = arena_.Allocate(encoded_len);
  char* p = EncodeVarint32(buf, internal_key_size);
  memcpy(p, key.data(), key_size);
  p += key_size;
  EncodeFixed64(p, (s << 8) | type); // s 和 type 编码成8个字节
  p += 8;
  p = EncodeVarint32(p, val_size);
  memcpy(p, value.data(), val_size);
  assert((p + val_size) - buf == encoded_len);
  table_.Insert(buf); // 插入到SkipList中
}

将SequenceNumber, ValueType, key, value编码成一定的格式放在buf中，最后插入到table中。
编码格式为：| internal_key_size | internal_key | val_size | value |
其中internal_key 是由 key，s，type组成的，而s 和 type被编码成8个字节, 所以：internal_key_size = key.size() + 8。编码完成后，将buf插入到table中。

查询

bool MemTable::Get(const LookupKey& key, std::string* value, Status* s) {
  Slice memkey = key.memtable_key();
  Table::Iterator iter(&table_);
  iter.Seek(memkey.data());
  if (iter.Valid()) {
    // entry format is:
    //    klength  varint32
    //    userkey  char[klength]
    //    tag      uint64
    //    vlength  varint32
    //    value    char[vlength]
    // Check that it belongs to same user key.  We do not check the
    // sequence number since the Seek() call above should have skipped
    // all entries with overly large sequence numbers.
    const char* entry = iter.key();
    uint32_t key_length;
    const char* key_ptr = GetVarint32Ptr(entry, entry+5, &key_length);
    if (comparator_.comparator.user_comparator()->Compare(
            Slice(key_ptr, key_length - 8),
            key.user_key()) == 0) {
      // Correct user key
      const uint64_t tag = DecodeFixed64(key_ptr + key_length - 8);
      switch (static_cast<ValueType>(tag & 0xff)) {
        case kTypeValue: {
          Slice v = GetLengthPrefixedSlice(key_ptr + key_length);
          value->assign(v.data(), v.size());
          return true;
        }
        case kTypeDeletion:
          *s = Status::NotFound(Slice());
          return true;
      }
    }
  }
  return false;
}

该函数根据key在table中查找，找到时返回一个迭代器iter，那么entry就指向key（即上面Add函数中的buf）

    const char* entry = iter.key();

buf的格式在上面总结过，是这样的：

| internal_key_size | internal_key | val_size | value |

其中我们要查找的key是internal_key的一部分，而internal_key的构成是这样事儿的：

| key | SequenceNumber | Type |

其中SequenceNumber和Type被打包成一个8字节组。

那么找到key的过程是这样的：
首先要取出internal_key_size。还记得varint是个边长编码吗？但是varint最长不会超过5字节，所以函数GetVarint32Ptr可以从entry的前5个字节解码出internal_key_size。注意，该函数能够处理internal_key_size不足5个字节的情况，原因是：由于varint的编码方式是使用每个字节的第8位表示是否有后续字节，所以该函数可以处理变长的varint。^_^。同时，该函数将返回internal_key的首地址。

const char* key_ptr = GetVarint32Ptr(entry, entry+5, &key_length);

然后比较要查找的key和找到的key是否相同，其中减去的8字节是上面提到的SequenceNumber+Type，它们不参与比较过程：

    if (comparator_.comparator.user_comparator()->Compare(
            Slice(key_ptr, key_length - 8), 
            key.user_key()) == 0) 
    {...}

最后，如果Type是kTypeValue，那么就返回value部分；如果Type是kTypeDeletion，表示该数据被标记为删除类型，返回NotFound。

// 获得 SequenceNumber + Type , Type是最后一个字节，即下面的 tag & 0xff。
const uint64_t tag = DecodeFixed64(key_ptr + key_length - 8);
switch (static_cast<ValueType>(tag & 0xff)) {
  case kTypeValue: {
    Slice v = GetLengthPrefixedSlice(key_ptr + key_length);
    value->assign(v.data(), v.size());
    return true;
  }
  case kTypeDeletion:
    *s = Status::NotFound(Slice());
    return true;
}

LookupKey

分析完上面的内容，有疑问如下：

• LookupKey是做什么的？
• 为什么感觉有两次比较过程？一次在seek(), 一次在compare