LotusDB 设计与实现—2 WAL 日志

LotusDB 是一个全新的 KV 存储引擎，Github 地址：github.com/flower-corp/lotusdb，希望大家多多支持呀，点个 star 或者参与进来！

WAL 是 Write Ahead Log 的简称，通常叫做预写日志，是为了预防内存崩溃，保证数据不丢失的常用手段。WAL 是 LSM 存储模型中重要的组件，在 LotusDB 当中的重要性是一样的。

试想一下，如果没有 WAL，写入的数据直接到内存的话，由于内存是易失性的，崩溃之后数据无法恢复，如果数据写到一半发生了这种情况，会造成数据不一致甚至丢失，在一个系统底层的存储引擎当中，这通常是不可接受的。

日志结构的数据文件一般是追加写的，WAL 也是一样。在 LotusDB 当中写入 k/v 时，会先将数据封装成一条日志项 LogEntry，并将其追加到 WAL，日志项 LogEntry 的结构体定义如下：

// LogEntry is the data will be appended in log file.
type LogEntry struct {
    Key       []byte
    Value     []byte
    ExpiredAt int64 // time.Unix
    Type      EntryType
}

写入前需要将 LogEntry 结构体进行编码，然后再追加到文件中，编码后主要包含 key、value 信息，还有对应的长度 size 信息，以及对整条数据有效性做校验的 crc 值，格式如下：

// EncodeEntry will encode entry into a byte slice.
// The encoded Entry looks like:
// +-------+--------+----------+------------+-----------+-------+---------+
// |  crc  |  type  | key size | value size | expiresAt |  key  |  value  |
// +-------+--------+----------+------------+-----------+-------+---------+
// |------------------------HEADER----------------------|
//         |--------------------------crc check---------------------------|

编码后的数据写到 WAL 时，LotusDB 提供了两种 IO 模式：系统标准 IO 和 mmap，可在打开数据库时通过配置项进行选择，LogFile 结构体定义的 IoSelector 负责实现：

// LogFile is an abstraction of a disk file, entry`s read and write will go through it.
type LogFile struct {
    sync.RWMutex
    Fid        uint32
    WriteAt    int64
    IoSelector ioselector.IOSelector
}

LogFile 是操作文件数据读写的结构体，其中最重要的是 IoSelector，它是一个 interface，负责具体的读写操作，具体的实现有 FileIO 和 MMap。

// IOSelector io selector for fileio and mmap, used by wal and value log right now.
type IOSelector interface {
    // Write a slice to log file at offset.
    // It returns the number of bytes written and an error, if any.
    Write(b []byte, offset int64) (int, error)

    // Read a slice from offset.
    // It returns the number of bytes read and any error encountered.
    Read(b []byte, offset int64) (int, error)

    // Sync commits the current contents of the file to stable storage.
    // Typically, this means flushing the file system's in-memory copy
    // of recently written data to disk.
    Sync() error

    // Close closes the File, rendering it unusable for I/O.
    // It will return an error if it has already been closed.
    Close() error

    // Delete delete the file.
    // Must close it before delete, and will unmap if in MMapSelector.
    Delete() error
}

LotusDB 中的一个 WAL 和 一个 memtable 绑定，从 memtable 的结构体定义就能够体现出来：

type memtable struct {
    sync.RWMutex
    sklIter      *arenaskl.Iterator
    skl          *arenaskl.Skiplist
    wal          *logfile.LogFile
    bytesWritten uint32 // number of bytes written, used for flush wal file.
    opts         memOptions
}

WAL 文件的大小和跟之相绑定的 memtable 的容量相关，由于 memtable 通常会有一个阈值，写满之后就关闭了，WAL 此时也不会接受新的写入，因此 WAL 文件的容量通常不会无限膨胀。
memtable 中的数据被后台线程 flush 到磁盘之后，并且没有其他的错误发生，WAL 就可以被安全的删除了。

在 LotusDB 启动打开 memtable 的时候，会全量加载 WAL 中的数据，逻辑很简单，就是打开 WAL 文件，然后遍历其中的每条数据，将其应用到 memtable 的跳表数据结构当中，通过这样的方式，达到了 WAL 恢复数据的作用，参考代码如下：

    for {
        if entry, size, err := wal.ReadLogEntry(offset); err == nil {
            offset += size
            // No need to use atomic updates.
            // This function is only be executed in one goroutine at startup.
            wal.WriteAt += size

            // build memtable...
            // ...
        } else {
            if err == io.EOF || err == logfile.ErrEndOfEntry {
                break
            }
            return nil, err
        }
    }

WAL 刷盘策略

数据写到 WAL 文件中，实际上并没有完全落到磁盘，由于操作系统的实现，可能只是到了 page cache，需要我们手动调用 Flush 才能够真正将数据持久化。

针对 Flush 的策略，LotusDB 提供了两个配置项：
一是在 WriteOptions 中的 Sync，如果在数据写入时传递了这个 Options 并且将 Sync 设置为 true，那么写 WAL 完成后会立即 Flush，这种策略能够保证数据不丢，但性能是最差的。
二是 ColumnFamilyOptions 中的 WalBytesFlush，表示写入累积到配置的字节后进行 Flush，可以理解为每 WalBytesFlush 个字节 Flush 一次。这种情况下，如果系统发生异常，最多丢失 WalBytesFlush 个字节的数据。
如果都不设置，则完全交给操作系统，这是默认的策略，性能是最好的，但是如果系统崩溃，丢失的数据可能是最多的。

LotusDB 也提供了手动进行刷盘的方法，用户可以在适当的时候，调用 Sync 方法进行数据刷盘持久化。

其他和 WAL 相关的配置项：
ColumnFamilyOptions:
WalMMap 是否使用 mmap 进行写入，默认：false
WriteOptions:
DisableWal 是否禁用 WAL，默认：false

LotusDB Github 地址：github.com/flower-corp/lotusdb

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