一、前言
1.1、作者简介
Level DB是由google的两位大神级工程师Jeff Dean和Sanjay Ghemawat发起的开源项目。
Jeff Dean：Google大规模分布式平台Bigtable和MapReduce的主要设计和实现者
Sanjay Gghemawat：Google大规模分布式平台GFS，Bigtable和MapReduce主要设计和实现工程师。
1.2、LevelDB简介
LevelDB能够处理10亿级别规模的Key-Value持久性存储数据的C++程序库。
Bigtable这个分布式存储系统中，有两个核心部分：Master Server和Tablet Server，其中Master Server做一些管理数据的存储及分布式调度工作，Tablet Server负责分布式数据存储及读写操作。Level DB可以理解为一个简化版的Tablet Server。
1.2.1、LevelDB的特点
1、LevelDB是个可持久化的KV系统，不同于Redis数据都存在缓存，LevelDB的大部分数据都落磁盘存储。
2、LevelDB在存储数据时，根据记录的Key值有序存储的，就是说相邻的Key值在文件中是依次顺序存储的，而应用可以自定义Key大小比较函数，LevelDB会按照用户定义的比较函数依序存储这些数据。
3、LevelDB的操作接口简单，基本操作包括写、读、删除记录等，也支持对多条操作的原子批量操作。（没有redis接口丰富，需要自己扩展）
4、LevelDB支持数据快照（snapshot）功能，使得读操作不受写操作影响，可以在读操作过程中，始终看到一致的数据。
5、LevelDB还支持数据压缩等操作，这对于减小存储空间及加快IO效率都有直接的帮助。
最牛的是，LevelDB的性能非常强，官网称其随机写性能达到40万条记录每秒，而随机读性能达到6万条每秒。
总体来说，LevelDB的写操作要大大快于读操作，而顺序读写操作则大大快于随机读写操作。为什么这样，后面看原理。
二、LevelDB架构
LevelDB本质上是一套存储系统，及在这套存储系统上提供的一系列操作接口。
LevelDB作为存储系统，数据记录的存储介质包括内存和磁盘文件。当Level DB运行一段时间后，我们给LevelDB拍照如下：
LevelDB的静态结构包括6个主要部分：
- 内存中的MemTable、Inmmutable MemTable
- 磁盘上的主要文件：Current文件、Manifest文件、log文件、SSTable文件。
当然除了这六个主要部分，还有一些辅助的文件，但以上6个文件和数据结构是LevelDB的主体构成元素。
LevelDB的Log文件和Memtable与Bigtable论文中介绍是一致的。当应用写入一条Key:Value记录的时候，LevelDB会先往log文件里写入，成功后将记录插入Memtable中，这样就算完成了写入操作，因为一次写入操作，只涉及一次磁盘顺序写和一次内存写入，这就是LevelDB写入快的主要原因。
Log文件在系统中的作用主要是用于系统奔溃恢复时不丢数据，假如没有Log文件，刚写入的记录是保存在内存中的，如果系统崩溃，内存中的数据还没来得及dump到磁盘，就会丢数据（如Redis）。所以为了避免这个问题，LevelDB在写入内存前，先将操作记录到Log文件中，在记入内存。
当Memtable插入的数据占用内存到了一个界限后，需要将内存的记录导出到外存文件，LevelDB会生成新的Log文件和Memtable，原先的Memtable就成了Immutable Memtable，顾名思义，就是说这个Memtable的内容是不能更改的，即只能读不能写或删。新到来的数据被记入到新的Log文件和Memtable，LevelDB后台调度会将Immutable Memtable的数据导出到磁盘，形成了一个新的SSTable文件。SSTable文件就是由内存中的数据不断导出并进行Compaction操作后形成的。而SSTable的所有文件是一种层级结构，第一层为Level 0, 第二层为Level 1, 以此类推，层级逐渐增高，这就是为何成为LevelDB的原因。
SSTable中的文件是Key有序的，就是说文件中小Key记录排在大Key记录之前，各个Level的SSTable都是如此。
需要注意的是，Level 0是SSTable文件（后续为.sst）和其他Level文件相比有特殊性：这个层级内的.sst文件，两个文件可能存在key重叠，比如有两个level 0 的sst文件，文件A和文件B，文件A的Key的范围是：{bar, car}, 文件B的Key的范围是{blue, samecity}，那么很可能两个文件都存在key="blood"的记录。对于其他的Level的SSTable文件文件来说，则不会出现同一级别的.sst文件的Key重叠的现象，就是说Level中任意两个.sst文件，就可以保证他们的Key值是不会重叠的。