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Key-Value小数据库tmdb发布:原理和实现

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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。

view plaincopy to clipboardprint?
/** 
 * Hash core function 
 * @desc BKDR Hash  
 */ 
TDBHASH _db_hash(TDB *db, const char *str) {  
    TDBHASH seed = 131; //31 131 1313 13131 131313 etc..  
    TDBHASH hash = 0;   
    while (*str) {  
        hash = hash * seed + (*str++);  
    }   
    return (hash & 0x7FFFFFFF) % db->nhash;  

/**
 * Hash core function
 * @desc BKDR Hash
 */
TDBHASH _db_hash(TDB *db, const char *str) {
 TDBHASH seed = 131; //31 131 1313 13131 131313 etc..
 TDBHASH hash = 0;
 while (*str) {
  hash = hash * seed + (*str++);
 }
 return (hash & 0x7FFFFFFF) % db->nhash;
}


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

 

【tmdb 性能测试】


基本下面的测试都是在Linux下面实现,大抵CPU都是双核或者多核,Kernel 都是 2.6,文件系统基本都是Ext3,但是在实际测试发现好的文件系统和好的系统配置,性能差异还是比较明显的。

CentOS 5.4 测试


Suse 11 测试


Fedora 7 测试


Cygwin 测试

 

插入数据 - 平均记录(忽略Cygwin测试):
10W: 3.69秒
50W: 22.44秒
100W: 49.14秒


读取数据 - 平均记录(忽略Cygwin测试):
10W: 2秒
50W: 13.26秒
100W: 32.82秒


【 tmdb 使用 】


tmdb-0.0.1下载: http://heiyeluren.googlecode.com/files/tmdb-0.0.1.zip

使用比较简单,可以编译成so共享库或者a静态库,然后包含头文件后直接使用。目前内置的Makefile会编译出输出到 output目录,生成 libtmdb.so 和 libtmdb.a 两个库和 tmdb.h 头文件,一般我个人建议是直接使用静态库,无依赖,还保证版本正常。目前下载的包里有 tmdb_test.c 文件,是测试性能的代码,可以参考使用,缺省 make 会编译此文件到 output 目录,便于直接测试执行。

 

内置API:
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TDB      *tdb_open(const char * path, char *mode);  
void      tdb_close(TDB *db);  
char     *tdb_fetch(TDB *db, const char *key);  
STATUS    tdb_store(TDB *db, const char *key, const char *value, int mode);  
STATUS    tdb_delete(TDB *db, const char *key);  
void      tdb_rewind(TDB *db);  
char     *tdb_nextrec(TDB *db, char *ret_key); 
TDB      *tdb_open(const char * path, char *mode);
void      tdb_close(TDB *db);
char     *tdb_fetch(TDB *db, const char *key);
STATUS    tdb_store(TDB *db, const char *key, const char *value, int mode);
STATUS    tdb_delete(TDB *db, const char *key);
void      tdb_rewind(TDB *db);
char     *tdb_nextrec(TDB *db, char *ret_key);

 

有点特别的是打开数据库的时候,tdb_open 的 mode 参数只能是三个值:r/c/w:
r: read only,
c: create/truncate db,
w: read/write


使用代码示例:(db_test.c)

view plaincopy to clipboardprint?
#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
#include <time.h>  
#include "tmdb.h"  
 
int main() {  
    char *df = "db";  
    TDB *db = tdb_open(df, "c");  
    if ( !db ){  
        printf("tdb_open() %s fail.\n", df);  
        return -1;  
    }  
    printf("tdb_open() %s success.\n", df);  
 
    int s;  
    char *ret;  
    char *key = "test_key";  
    char *val = "test_value";  
    s = tdb_store(db, key, val, TDB_INSERT);  
    if (TDB_SUCCESS == s){  
        printf("tdb_store() %s success.\n", key);  
        ret = tdb_fetch(db, key);  
        if (NULL != ret){  
            printf("tdb_fetch() %s success, value: %s.\n", key, ret);  
        }  
    }  
    tdb_close(db);  
    printf("Close db done\n");  
      
    return 0;  

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include "tmdb.h"

int main() {
 char *df = "db";
 TDB *db = tdb_open(df, "c");
 if ( !db ){
  printf("tdb_open() %s fail.\n", df);
  return -1;
 }
 printf("tdb_open() %s success.\n", df);

 int s;
 char *ret;
 char *key = "test_key";
 char *val = "test_value";
 s = tdb_store(db, key, val, TDB_INSERT);
 if (TDB_SUCCESS == s){
  printf("tdb_store() %s success.\n", key);
  ret = tdb_fetch(db, key);
  if (NULL != ret){
   printf("tdb_fetch() %s success, value: %s.\n", key, ret);
  }
 }
 tdb_close(db);
 printf("Close db done\n");
 
 return 0;
}


编译的时候记得加上库路径:(L 是库路径,l是库名, I是头文件路径)
$ gcc  -o db_test db_test.c -L. -ltmdb -I.
$ ./db_test
tdb_open() db success.
tdb_store() test_key success.
tdb_fetch() test_key success, value: test_value.
Close db done

 


【 结束 】


基本上 tmdb 只是一个比较简单容易理解的小dbm,性能不咋地,只是一个实验品,欢迎大家提出更多想法和指正不足。


更多开源代码: http://heiyeluren.googlecode.com
tmdb 下载:http://heiyeluren.googlecode.com/files/tmdb-0.0.1.zip


相关参考:
APUE: http://www.apue.com/
Haah 算法比较: http://blog.csai.cn/user3/50125/archives/2009/35638.html
bdb/gdbm/tc/sqlite3 性能测试: http://dieken-qfz.spaces.live.com/Blog/cns!586D665C0DEB512D!548.entry


本文来自CSDN博客,转载请标明出处:http://blog.csdn.net/heiyeshuwu/archive/2010/07/12/5728641.aspx

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