项目介绍
KV存储引擎 众所周知,非关系型数据库redis,以及levedb,rockdb其核心存储引擎的数据结构就是跳表。
本项目就是基于跳表实现的轻量级键值型存储引擎,使用C++实现。插入数据、删除数据、查询数据、数据展示、数据落盘、文件加载数据,以及数据库大小显示。
在随机写读情况下,该项目每秒可处理啊请求数(QPS): 24.39w,每秒可处理读请求数(QPS): 18.41w
项目存储文件
- main.cpp 包含skiplist.h使用跳表进行数据操作 skiplist.h 跳表核心实现 README.md 中文介绍 README-en.md 英文介绍 bin 生成可执行文件目录 makefile 编译脚本 store 数据落盘的文件存放在这个文件夹 stress_test_start.sh 压力测试脚本 LICENSE 使用协议
提供接口
- insertElement(插入数据) deleteElement(删除数据) searchElement(查询数据) displayList(展示已存数据) dumpFile(数据落盘) loadFile(加载数据) size(返回数据规模)
存储引擎数据表现
- 插入操作
跳表树高:18
采用随机插入数据测试:
插入数据规模(万条) 耗时(秒) 10 0.316763 50 1.86778 100 4.10648
每秒可处理写请求数(QPS): 24.39w
- 取数据操作
取数据规模(万条) 耗时(秒) 10 0.47148 50 2.56373 100 5.43204
每秒可处理读请求数(QPS): 18.41w
- 项目运行方式
make // complie demo main.cpp ./bin/main // run
如果想自己写程序使用这个kv存储引擎,只需要在你的CPP文件中include skiplist.h 就可以了。
可以运行如下脚本测试kv存储引擎的性能(当然你可以根据自己的需求进行修改)
sh stress_test_start.sh
待优化
- delete的时候没有释放内存 压力测试并不是全自动的 跳表的key用int型,如果使用其他类型需要自定义比较函数,当然把这块抽象出来更好 如果再加上一致性协议,例如raft就构成了分布式存储,再启动一个http server就可以对外提供分布式存储服务了
部分代码解析
项目涉及知识
- 函数模板、类模板 跳表结构的增、删、查 以及 mutex的使用 压力测试、线程(pthread 和 chrono)
代码阅读 从main函数开始阅读,然后跳到头文件,最后压力测试 SkipList<int, std::string> skipList(6); 定义了一个6层高度的跳表
头文件全局变量
node节点类 跳表类
该项目的跳表对Redis的跳表结构进行了一定的简化 Redis跳表 跳表数据结构: 代码实现: 本项目的跳表
- 节点
- 跳表
插入节点
template<typename K, typename V> int SkipList<K, V>::insert_element(const K key, const V value) { mtx.lock(); Node<K, V> *current = this->_header; // update 是个节点数组,用于后续插入位置的前向链接 和 后向链接 Node<K, V> *update[_max_level+1]; memset(update, 0, sizeof(Node<K, V>*)*(_max_level+1)); // 寻找插入位置,并保存插入位置前面的节点 // for进行高度遍历,while 行方向遍历 for(int i = _skip_list_level; i >= 0; i--) { while(current->forward[i] != NULL && current->forward[i]->get_key() < key) { current = current->forward[i]; } update[i] = current; } // 定位到 == key 或者 > key 的 节点 current = current->forward[0]; // 如果current节点存在且和key相等,提示,并解锁 if (current != NULL && current->get_key() == key) { std::cout << "key: " << key << ", exists" << std::endl; mtx.unlock(); return 1; } //否则,需要在update[0]和current node节点之间插入 [节点] if (current == NULL || current->get_key() != key ) { // 随机生成节点的高度 int random_level = get_random_level(); // 如果随机高度比当前的跳表的高度大,update数组在多余高出来的部分保存头节点指针 if (random_level > _skip_list_level) { for (int i = _skip_list_level+1; i < random_level+1; i++) { update[i] = _header; } _skip_list_level = random_level; } // 用随机生成的高度 创建 insert node Node<K, V>* inserted_node = create_node(key, value, random_level); // node节点 forword 指向 所在位置后面的节点指针 // node节点 所在位置前面的节点 指向node for (int i = 0; i <= random_level; i++) { inserted_node->forward[i] = update[i]->forward[i]; update[i]->forward[i] = inserted_node; } std::cout << "Successfully inserted key:" << key << ", value:" << value << std::endl; _element_count ++; } mtx.unlock(); return 0; }
删除节点
template<typename K, typename V> void SkipList<K, V>::delete_element(K key) { mtx.lock(); Node<K, V> *current = this->_header; // update数组 用于保存 删除节点前面的节点 ,用于删除节点后的指向链接,步骤和插入节点类似 Node<K, V> *update[_max_level+1]; memset(update, 0, sizeof(Node<K, V>*)*(_max_level+1)); // 寻找要删除的节点,并将该节点前面的节点保存到update数组中 for (int i = _skip_list_level; i >= 0; i--) { while (current->forward[i] !=NULL && current->forward[i]->get_key() < key) { current = current->forward[i]; } update[i] = current; } // ==key 或者 > key 的元素节点 current = current->forward[0]; // 如果相等进行下面的操作,不相等直接解锁 return if (current != NULL && current->get_key() == key) { // 从低级别开始删除每层的节点, for (int i = 0; i <= _skip_list_level; i++) { // 如果在第i曾,其下一个节点不是所要删除的节点直接break if (update[i]->forward[i] != current) break; // 如果是要删除的节点 重新设置指针的指向,将其指向下一个节点的位置 update[i]->forward[i] = current->forward[i]; } // 减少没有元素的层,更新跳表的level while (_skip_list_level > 0 && _header->forward[_skip_list_level] == 0) { _skip_list_level --; } std::cout << "Successfully deleted key "<< key << std::endl; _element_count --; } mtx.unlock(); return; }
搜索节点
// Search for element in skip list /* +------------+ | select 60 | +------------+ level 4 +-->1+ 100 | | level 3 1+-------->10+------------------>50+ 70 100 | | level 2 1 10 30 50| 70 100 | | level 1 1 4 10 30 50| 70 100 | | level 0 1 4 9 10 30 40 50+-->60 70 100 */ template<typename K, typename V> bool SkipList<K, V>::search_element(K key) { std::cout << "search_element-----------------" << std::endl; Node<K, V> *current = _header; // for循环高度遍历,while循环水平遍历每一层。 for (int i = _skip_list_level; i >= 0; i--) { while (current->forward[i] && current->forward[i]->get_key() < key) { current = current->forward[i]; } } // 找到 > 或者 = key的 节点 current = current->forward[0]; // 如果存在且相等,成功找到 if (current and current->get_key() == key) { std::cout << "Found key: " << key << ", value: " << current->get_value() << std::endl; return true; } // 否则 没有找到 进行提示 std::cout << "Not Found Key:" << key << std::endl; return false; }
进一步优化
- 原始代码使用key进行排序,不具备通用型,增加score变量,通过score权重进行排序; 增加反向back指针 删除节点的时候没有释放内存,增加智能指针
github网址:
性能测试
- 参数设置 #define NUM_THREADS 1 #define TEST_COUNT 100000 SkipList<int, std::string> skipList(18);
- 测试的代码
pthread_t threads[NUM_THREADS]; pthread_create(&threads[i], NULL, insertElement, (void *)i); void *insertElement(void* threadid) { long tid; tid = (long)threadid; std::cout << tid << std::endl; int tmp = TEST_COUNT/NUM_THREADS; for (int i=tid*tmp, count=0; count<tmp; i++) { count++; skipList.insert_element(rand() % TEST_COUNT, "a"); } pthread_exit(NULL); }
- 计时 auto finish = std::chrono::high_resolution_clock::now(); std::chrono::duration elapsed = finish - start; std::cout << “insert elapsed:” << elapsed.count() << std::endl;
虚拟机测试: 项目官方测试:
知识补充: 4. 取消内存对齐 5.
异步日志系统
异步日志系统主要涉及了两个模块,一个是日志模块,一个是阻塞队列模块,其中加入阻塞队列模块主要是解决异步写入日志做准备.
自定义阻塞队列 单例模式创建日志 异步日志
0. 生产者消费者模型
1. 阻塞队列
/************************************************************* *循环数组实现的阻塞队列,m_back = (m_back + 1) % m_max_size; *线程安全,每个操作前都要先加互斥锁,操作完后,再解锁 **************************************************************/
private: locker m_mutex; // 循环数组加锁 cond m_cond; // 条件变量通知 T *m_array; // 循环数组 int m_size; // 已经有的size int m_max_size; // 最大的size int m_front; // 头部元素 int m_back; // 尾部元素
- 构造函数
block_queue(int max_size = 1000) { if (max_size <= 0) { exit(-1); } m_max_size = max_size; m_array = new T[max_size]; m_size = 0; m_front = -1; m_back = -1; }
- 析构函数
~block_queue() { m_mutex.lock(); if (m_array != NULL) delete [] m_array; m_mutex.unlock(); }
- 队列中添加元素push(): - 0. 先加锁 - 1. 判断阻塞队列是否满了,满了的话就条件变量广播让pop来取,解锁,同时返回false - 2. 如果阻塞队列没有满的话,就队列尾部添加string, size++,条件变量广播让pop来取,解锁
bool push(const T &item) { m_mutex.lock(); if (m_size >= m_max_size) { m_cond.broadcast(); m_mutex.unlock(); return false; } m_back = (m_back + 1) % m_max_size; m_array[m_back] = item; m_size++; m_cond.broadcast(); m_mutex.unlock(); return true; }
- pop消费操作 - 1. 先对阻塞队列加锁 - 2. 如果阻塞队列为空,条件变量阻塞在 -
//pop时,如果当前队列没有元素,将会等待条件变量 bool pop(T &item) { m_mutex.lock(); //多个消费者的时候,这里要是用while而不是if while (m_size <= 0) { //当重新抢到互斥锁 if (!m_cond.wait(m_mutex.get())) { m_mutex.unlock(); return false; } } m_front = (m_front + 1) % m_max_size; item = m_array[m_front]; m_size--; m_mutex.unlock(); return true; }
- 清空
void clear() { m_mutex.lock(); m_size = 0; m_front = -1; m_back = -1; m_mutex.unlock(); }
- 判断队列满还是空 返回队首元素 队尾元素
bool full() bool empty() bool front(T &value) bool back(T &value)
- 在size() 和max_size()操作的时候需要对size和max_size变量加锁
2. Log类头文件
单例模式
- 成员变量
private: char dir_name[128]; //路径名 char log_name[128]; //log文件名 int m_log_buf_size; //日志缓冲区大小 FILE *m_fp; //打开log的文件指针 char *m_buf; block_queue<string> *m_log_queue; //阻塞队列 locker m_mutex;
- 成员函数
private: Log(); virtual ~Log();
- public成员函数
//C++11以后,使用局部变量懒汉不用加锁 static Log *get_instance() { static Log instance; return &instance; } static void *flush_log_thread(void *args) { string single_log; //从阻塞队列中取出一个日志string,写入文件 while (m_log_queue->pop(single_log)) { m_mutex.lock(); fputs(single_log.c_str(), m_fp); m_mutex.unlock(); } } //可选择的参数有日志文件、日志缓冲区大小、最长日志条队列 bool init(const char *file_name, int log_buf_size = 8192, int max_queue_size = 1000); void write_log(int level, const char *format, ...); void flush(void);
3. Log实现文件
- init函数: 初始化
m_log_queue = new block_queue<string>(max_queue_size); pthread_t tid; //flush_log_thread为回调函数,这里表示创建线程异步写日志 pthread_create(&tid, NULL, flush_log_thread, NULL); m_fp = fopen(log_full_name, "a");
- write_log函数 : 如果阻塞队列满了,就直接将内容追加到日志文件中
if (!m_log_queue->full()) { m_log_queue->push(log_str); } else { m_mutex.lock(); fputs(log_str.c_str(), m_fp); m_mutex.unlock(); }
- flush强制刷新缓冲区
void Log::flush(void) { m_mutex.lock(); //强制刷新写入流缓冲区 fflush(m_fp); m_mutex.unlock(); }