MongoDb Mmap引擎分析

Posted 2020-08-17 偶素浅小浅

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文章原文链接：https://www.qcloud.com/community/article/137

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MongoDB在3.0之前一直使用mmap引擎作为默认存储引擎，本篇从源码角度对mmap引擎作分析，业界一直以来对10gen用mmap实现存储引擎褒贬不一，本文对此不作探讨。

存储按照db来分目录， 每个db目录下有 .ns文件 {dbname}.0, {dbname}.1 等文件。journal 目录下存放的是WAL（write ahead log) 用于故障恢复。 目录结构如下：

db
|------journal
           |----_j.0
           |----_j.1
           |----lsn
|------local
           |----local.ns
           |----local.0
           |----local.1
|------mydb
           |----mydb.ns
           |----mydb.0
           |----mydb.1

这三类文件构成了mmap引擎的持久化单元。本文主要从代码层次分析每类文件的结构。

Namespace元数据管理

.ns文件映射

mmap引擎加载某个database时，首先初始化namespaceIndex，namespaceIndex相当于database的元数据入口。
mongo/db/storage/mmap_v1/catalog/namespace_index.cpp

 89    DurableMappedFile _f{MongoFile::Options::SEQUENTIAL};      
 90    std::unique_ptr<NamespaceHashTable> _ht;               
154    const std::string pathString = nsPath.string(); 
159    _f.open(pathString);
232    p = _f.getView();
242    _ht.reset(new NamespaceHashTable(p, (int)len, "namespace index"));

如上，创建对.ns文件的mmap，将内存的view直接映射到hashtable上(不不进行任何解析)。因此.ns文件是一个hashtable的内存镜像。

hashtable的key-value关系string->NamespaceDetails(namespace_details.h)，采用的是开放寻址hash。

39 int NamespaceHashTable::_find(const Namespace& k, bool& found) const {        
46     while (1) {        
47         if (!_nodes(i).inUse()) {        
48             if (firstNonUsed < 0)
49                 firstNonUsed = i;        
50         }       
51        
52         if (_nodes(i).hash == h && _nodes(i).key == k) {        
53             if (chain >= 200) 
54                 log() << "warning: hashtable " << _name << " long chain " << std::endl;        
55             found = true; 
56             return i;        
57         }        
58         chain++;        
59         i = (i + 1) % n; 
60         if (i == start) {        
62             log() << "error: hashtable " << _name << " is full n:" << n << std::endl;        
63             return -1;
64         }       
65         if (chain >= maxChain) {        
66             if (firstNonUsed >= 0)        
67                 return firstNonUsed;
68             log() << "error: hashtable " << _name << " max chain reached:" << maxChain << std::endl;
69             return -1;
70         }       
71     }       
72 }

上述过程是开放式寻址hash的经典的查找过程，如果有冲突，向后跳一格，如果跳到查找的起点依然没有找到可用的空槽，则说明hashtable满了。

元数据内容窥探

一个NamespaceDetails对象对应该db下的某张表的元数据(namespace_index.h)，大小为496bytes，mongod默认为.ns文件分配16MB的空间，且.ns文件唯一且不可动态伸缩空间，可以推断出一个mongod实例至多可建表大概30000个。该类有22个字段，重要字段有如下6个。

struct NamespaceDetails {
// extent对应于一个内存连续块，由于mmap，也是文件连续区域。一张表有多个extent。
// 以双向链表的形式组织，firstExtent和lastExtent分别对应extent的首尾指针
DiskLoc firstExtent;  
DiskLoc lastExtent;
// 有若干种（26种）按照最小尺寸划分的freelist，
// 表中删除掉的行对应的数据块放到freelist中，按照数据块的尺寸划分为若干规则的freelist。
DiskLoc deletedListSmall[SmallBuckets];
// 兼容旧版本mmap引擎的废弃字段
DiskLoc deletedListLegacyGrabBag;
// 该表是否是capped，capped-table是ring-buffer类型的table，MongoDB中用来存放oplog
int isCapped;
// 和deletedListSmall字段一样，都是freelist的一部分，只是大小不同
DiskLoc deletedListLarge[LargeBuckets];
}

为了便于下文阐述，结合上述对namespaceIndex构建过程的描述与对元数据的注解，笔者先勾勒出如下的元数据结构。

单表结构

上文我们讨论了单表元数据(NamespaceDetails)中重要字段的含义，接下来进行深入探讨。

Extent的组织形式

每张表由若干extent组成，每个extent为一块连续的内存区域(也即连续的硬盘区域)，由firstExtent 和 lastExtent 记录首尾位置，每个extent的结构为

/*extents are datafile regions where all the records within the region belong to the same namespace.*/
struct Extent {
    DiskLoc myLoc;
    DiskLoc xnext; //双向链表中前节点指针
    DiskLoc xprev; //双向链表中后节点指针
    Namespace nsDiagnstic;
    int length;
    // 一个Record对应表中的一行，每个extent在物理上由若干地址连续的
    // Record组成，但是这些record在逻辑上的前后关系并不等价于物理上
    // 的前后关系，first/last Record维护了逻辑上的先后关系，在维护游
    // 表迭代时使用
    DiskLoc firstRecord;
    DiskLoc lastRecord;
    char _extentData[4];
}

上述描述的组织结构如下图所示：

Extent 的分配与回收由ExtentManger管理，ExtentManager 首先尝试从已有文件中分配一个满足条件的连续块，如果没有找到，则生成一个新的{dbname}.i 的文件。

143 void DataFile::open(OperationContext* txn,                                                       
144                     const char* filename,                                                         
145                     int minSize,                                                                 
146                     bool preallocateOnly) {                                                       
147     long size = _defaultSize();                                                                   
148                                                                                                   
149     while (size < minSize) {                                                                     
150         if (size < maxSize() / 2) {                                                               
151             size *= 2;                                                                           
152         } else {                                                                                 
153             size = maxSize();                                                                     
154             break;                                                                               
155         }                                                                                         
156     }                                                                                             
157                                                                                                   
158     if (size > maxSize()) {                                                                       
159         size = maxSize();                                                                         
160     }                                                                                             
161                                                                                                   
162     invariant(size >= 64 * 1024 * 1024 || mmapv1GlobalOptions.smallfiles);

文件的大小 {dbname}.0的大小默认为64MB。 之后每次新建会扩大一倍，以maxSize(默认为2GB)为上限。

一个extent被分为若干Records，每个Record对应表中的一行(一个集合中的文档），每一张表被RecordStore类封装，并对外提供出CRUD的接口。

Record分配

首先从已有的freelist(上文中提到的deletedBuckets)中分配，每张表按照内存块尺寸维护了不同规格的freelist，每个freelist是一个单向链表，当删除Record时，将record放入对应大小的freelist中。
如下按照从小到大的顺序遍历DeletedBuckets，如果遍历到有空闲且符合大小的空间，则分配：

107         for (myBucket = bucket(lenToAlloc); myBucket < Buckets; myBucket++) {
108             // Only look at the first entry in each bucket. This works because we are either
109             // quantizing or allocating fixed-size blocks.
110             const DiskLoc head = _details->deletedListEntry(myBucket);
111             if (head.isNull())
112                 continue;
113             DeletedRecord* const candidate = drec(head);
114             if (candidate->lengthWithHeaders() >= lenToAlloc) {
115                 loc = head;
116                 dr = candidate;
117                 break;
118             }
119         }

上述代码分配出一块尺寸合适的内存块，但是该内存块依然可能比申请的尺寸大一些。mmap引擎在这里的处理方式是：将多余的部分砍掉，并归还给freelist。

133     const int remainingLength = dr->lengthWithHeaders() - lenToAlloc;
134     if (remainingLength >= bucketSizes[0]) {
135         txn->recoveryUnit()->writingInt(dr->lengthWithHeaders()) = lenToAlloc;
136         const DiskLoc newDelLoc = DiskLoc(loc.a(), loc.getOfs() + lenToAlloc);
137         DeletedRecord* newDel = txn->recoveryUnit()->writing(drec(newDelLoc));
138         newDel->extentOfs() = dr->extentOfs();       
139         newDel->lengthWithHeaders() = remainingLength;
140         newDel->nextDeleted().Null();
141         
142         addDeletedRec(txn, newDelLoc);
143     }

上述分片内存的过程如下图所示：

如若从已有的freelist中分配失败，则会尝试申请新的extent,并将新的extent加到尺寸规则最大的freelist中。并再次尝试从freelist中分配内存。

 59 const int RecordStoreV1Base::bucketSizes[] = {
  ...
 83     MaxAllowedAllocation,      // 16.5M
 84     MaxAllowedAllocation + 1,  // Only MaxAllowedAllocation sized records go here.
 85     INT_MAX,                   // "oversized" bucket for unused parts of extents.
 86 };
 87

上述过程为mmap引擎对内存管理的概况，可见每个record在分配时不是固定大小的，申请到的内存块要将多出的部分添加到deletedlist中，record释放后也是链接到对应大小的deletedlist中，这样做时间久了之后会产生大量的内存碎片，mmap引擎也有针对碎片的compact过程以提高内存的利用率。

碎片Compact

compact以命令的形式，暴露给客户端，该命令以collection为维度，在实现中，以extent为最小粒度。

compact整体过程分为两步，如上图，第一步将extent从freelist中断开，第二步将extent中已使用空间copy到新的extent,拷贝过去保证内存的紧凑。从而达到compact的目的。

1. orphanDeletedList 过程
   将collection 对应的namespace 下的deletedlist 置空，这样新创建的record就不会分配到已有的extent。

   443         WriteUnitOfWork wunit(txn);
   444         // Orphaning the deleted lists ensures that all inserts go to new extents rather than
   445         // the ones that existed before starting the compact. If we abort the operation before
   446         // completion, any free space in the old extents will be leaked and never reused unless
   447         // the collection is compacted again or dropped. This is considered an acceptable
   448         // failure mode as no data will be lost.
   449         log() << "compact orphan deleted lists" << endl;
   450         _details->orphanDeletedList(txn);
   

2. 对于每个extent，每个extent记录了首尾record，遍历所有record，并将record插入到新的extent中,新的extent在插入时由于空间不足而自动分配（参考上面的过程），extent重新设置从最小size开始增长。

   452     // Start over from scratch with our extent sizing and growth
   453     _details->setLastExtentSize(txn, 0);
   454
   455     // create a new extent so new records go there
   456     increaseStorageSize(txn, _details->lastExtentSize(txn), true);
   467     for (std::vector<DiskLoc>::iterator it = extents.begin(); it != extents.end(); it++) {
   468         txn->checkForInterrupt();
   469         invariant(_details->firstExtent(txn) == *it);
   470         // empties and removes the first extent
   471         _compactExtent(txn, *it, extentNumber++, adaptor, options, stats);
   472         invariant(_details->firstExtent(txn) != *it);
   473         pm.hit();
   474     }
   

3. 在_compactExtent的过程中，该extent的record逐渐被插入到新的extent里，空间逐步释放，当全部record都清理完后，该extent又变成崭新的，没有使用过的extent了。如下图
   

   324         while (!nextSourceLoc.isNull()) {
   325             txn->checkForInterrupt();
   326
   327             WriteUnitOfWork wunit(txn);
   328             MmapV1RecordHeader* recOld = recordFor(nextSourceLoc);
   329             RecordData oldData = recOld->toRecordData();
   330             nextSourceLoc = getNextRecordInExtent(txn, nextSourceLoc);
   371             CompactDocWriter writer(recOld, rawDataSize, allocationSize);
   372             StatusWith<RecordId> status = insertRecordWithDocWriter(txn, &writer);
   398             _details->incrementStats(txn, -(recOld->netLength()), -1);
             }
   

   上述即是_compactExtent函数中遍历该extent的record，并插入到其他extent，并逐步释放空间的过程（398行）。

mmap数据回写

上面我们介绍.ns文件结构时谈到.ns文件是通过mmap 映射到内存中的一个hashtable上，这个映射过程是通过DurableMappedFile 实现的。我们看下该模块是如何做持久化的
在mmap 引擎的 finishInit中

252 void MMAPV1Engine::finishInit() {

253     dataFileSync.go();

这里调用 DataFileSync类的定时任务，在backgroud线程中定期落盘

 67     while (!inShutdown()) {
 69         if (storageGlobalParams.syncdelay == 0) {
 70             // in case at some point we add an option to change at runtime
 71             sleepsecs(5);
 72             continue;
 73         }
 74
 75         sleepmillis(
 76             (long long)std::max(0.0, (storageGlobalParams.syncdelay * 1000) - time_flushing));

 83         Date_t start = jsTime();
 84         StorageEngine* storageEngine = getGlobalServiceContext()->getGlobalStorageEngine();
 85
 86         dur::notifyPreDataFileFlush();
 87         int numFiles = storageEngine->flushAllFiles(true);
 88         dur::notifyPostDataFileFlush();
 97         }
 98     }

flushAllFiles最终会调用每个memory-map-file的flush方法

245 void MemoryMappedFile::flush(bool sync) {                                                         
246     if (views.empty() || fd == 0 || !sync)                                                       
247         return;                                                                                   
248                                                                                                   
249     bool useFsync = !ProcessInfo::preferMsyncOverFSync();                                         
250                                                                                                   
251     if (useFsync ? fsync(fd) != 0 : msync(viewForFlushing(), len, MS_SYNC) != 0) {               
252         // msync failed, this is very bad                                                         
253         log() << (useFsync ? "fsync failed: " : "msync failed: ") << errnoWithDescription()       
254               << " file: " << filename() << endl;                                                 
255         dataSyncFailedHandler();                                                                 
256     }                                                                                             
257 }

fsync vs msync

不管调用fsync 还是msync落盘，我们的预期都是内核会高效的查找出数据中的脏页执行写回，但是根据https://jira.mongodb.org/browse/SERVER-14129 以及下面的代码注释中
在有些操作系统上（比如SmartOS与 Solaris的某些版本)， msync并不能高效的寻找脏页，因此mmap引擎在这里对操作系统区别对待了。

208         // On non-Solaris (ie, Linux, Darwin, *BSD) kernels, prefer msync.
209         // Illumos kernels do O(N) scans in memory of the page table during msync which
210         // causes high CPU, Oracle Solaris 11.2 and later modified ZFS to workaround mongodb
211         // Oracle Solaris Bug:                                                                   
212         //  18658199 Speed up msync() on ZFS by 90000x with this one weird trick
213         bool preferMsyncOverFSync;