再学LevelDB Compaction

Posted 2023-02-19 Shi Peng

一、LevelDB的写入过程

当向LevelDB写入数据时，分下面几步：

Step1：Memtable --> Immutable Memtable

Memtable：内存SkipList
过程：从可读可写的Memtable变为可读不可写的Memtable
当memtable存储量达到某阈值时，会从Memtable转成Immutable Memtable，并创建新的MemTable用于接收写入请求。

Step2：Compaction

Compaction可手动触发，在满足某个条件时也会系统自动触发。
Compaction的过程，分两种：

Step2.1：Minor Compaction

将内存中ImmuTable MemTable dump到磁盘上sst文件的过程，称为Minor Compaction。
Minor Compaction，大部分数据会写入Level0，但不一定都写入Level 0。
Immutable Memtable会在后台线程中导出数据，flush到磁盘上，形成一个新的sstable文件。

Minor Compaction的过程如下：

在策略上，尽量要将新的compact的文件推到高level。

因为在level 0 需要控制文件过多，compaction IO和查找都比较耗费。

另一方面也不能推至过高level，一定程度上控制查找的次数，而且若某些范围的key更新比较频繁，后续往高层compaction IO消耗也很大。

所以PickLevelForMemTableOutput就是个权衡折中。如果新生成的sstable和Level 0的sstable有交叠，新产生的sstable就直接加入level 0，否则根据一定的策略，向上推到Level1 甚至是Level 2，但是最高推到Level2。

minor compaction主要做两件事情：
1）构造sstable文件
2）新的sstable文件写入哪一层。

Minor Compaction的触发条件：
1）imm_ != NULL 表示需要将Memtable dump成SSTable，发起Minor Compaction。
2）manual_compaction_ != NULL 表示手动发起Compaction。

Step2.2：Major Compaction

当某个Level层级的文件数量超过一定阈值后，会从这个Level的sstable文件将其和高一层级的level+1的sstable文件进行compaction成为新的level+1层的文件。

Major Compaction的触发条件：

触发条件1：文件数目太多或者某一层级文件总大小过大。

1）Level0文件个数太多
2）或某一层文件总大小太大。超过限制值。

触发条件2：seek次数太多

除了level 0以外，任何一个level的文件内部是有序的，文件之间也是有序的。
但是level（n）和level（n＋1）中的两个文件的key可能存在交叉重叠。这样在查找某个key时，经常去level（n） 查找无功而返，而不得不去level(n＋1)查找（这个过程可想象SkipList的查找过程），这说明该层级的文件和上一级的文件，key的范围重叠的很严重，这是不合理的，会导致效率的下降。因此，需要对该level 发起一次major compaction，减少 level 和level ＋ 1的重叠情况。

对于seek触发的compaction, 哪个文件无效seek的次数到了阈值，那个文件就是level n的参与compaction的文件。

而size 触发的compaction复杂一点，它需要考虑上一次compaction做到了哪个key，什么地方，然后大于该key的第一个文件即为level n的参与compaction的文件。

由于level0的特殊性，所以major compaction要分分为两种：

第一种：Level0 --> Level1

1）选择一个level0文件。
2）再找到一个和该level0有重复key的level1文件。
3）再查找出所有和这个level1文件有重复key的level0文件。
4）将所有level0文件和level1文件合并成一个新的level1文件。

第二种：Level N --> Level N +1

1）选择一个 Level N的文件
2）查找所有和该文件由重复key的Level N +1的文件。
3）compaction，生成新的Level N + 1的文件。