Key-Value小数据库tmdb发布：原理和实现 .

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【原创】Key-Value小数据库tmdb发布：原理和实现

Key-Value 数据库是很早起比较典型的老式数据库，从Unix早期的dbm，后来的GNU版本的gdbm，还有ndbm，sdbm, cdb 以及功能强大的Berkeley DB (BDB)、还有这两年风头很劲的qdbm，都是典型代表。实际上来说，Key-Value 数据库不是严格意义上的数据库，只是一个简单快速的数据存储功能。

tmdb 也是差不多这么一个性质Key-Value小数据存储(DBM)，设定存储数据目标量级是10W级，性能嘛也不是很好，算是一个小实验型产品。(tmdb
下载)

说说它的基本特点：

存储数据量级为10W，超过后性能下降的厉害
因为存储特点决定，更适合存储只读数据，当然，它也是可以删除和修改数据的，只是比较浪费空间
Key长度不能超过64个字节，数据长度不能超过65536个字节，适合存储一些小数据
使用的不是行级锁(Row-Level-Lock)，而且是全局锁，所以并发读写情况下，性能不是很好
索引文件和数据文件分离，备份情况下要全部备份
接口API基本是按照传统的dbm的API来设定，整个库文件较小，可直接静态编译进程序

简单说说大致的设计思路，设计方案基本是简单容易实现的方式来操作（主要是自己懒），大致说说实现，实现的比较糟糕，请不吝指教。

【 存储结构 】



索引使用的是静态索引，Hash表的长度不能动态扩容，缺省是 65535 Hash Bucket，如果冲突的情况使用开拉链法，那么如果冲突厉害，或者数据量大，自然大大增加了查找一条记录的时间，所以小数据量并且Key分布均匀下性能比较好（所有hash都是这样好不好 ^_^）。

上面特点说了，索引和数据文件是分离的，主要是为了动态扩容的时候不用做太多数据迁移和位置计算。

数据存储是单个文件，头部预留了256个字节的剩余，后面的都是用来存数据，所有数据都是 append 的方式，一个数据被删除，只在索引修改标志位，不会做实际数据迁移，也不会做空闲数据空间链表记录（偷懒啊），所以结构比较简单。

看一下索引文件的存储结构：

Index File Struct:

+-----------+----------------------+--------------+----------------+

| Header | Key ptr buckets | Key Record 1 |Key Record 2 .. |

+-----------+----------------------+--------------+----------------+

256Bytes 262144Bytes(256KB) 76Bytes 76Bytes

预留了 256字节的头部空间，用来后续扩展，然后是 256K 的用来存储hash桶到一条Key的指针位置(Key Record)，设定的是 65536 * 4 = 256K，所以整个索引文件不能超过2G数据文件，否则单个4字节的指针空间存储不下 (^_^)。

Key Record 是存储一个Key信息的记录，一个Key信息的结构：

Index key record

+-------+--------------+----------+----------+

| Flag | Key | Data ptr | Next ptr |

+-------+--------------+----------+----------+

4Bytes 64Bytes 4Bytes 4Bytes

Flag 4个字节是标志是否删除，或者别的。Key 是定长的 64 字节，Data Ptr 是数据指针，指到数据文件中具体Value的记录位置，也是4个字节，所以决定了数据文件大小也不能超过2G (^_^)，Next ptr 是存储同样一个Hash值下一条记录的Key记录指针 (多么简单的设计啊，就是一个内存Hash Table)。

无论Key多长，为了保证性能，都是定长方式存储，所以这个如果Key多的情况，浪费比较严重，而且实际使用中，如果数据值比较短，一般索引文件会比数据文件更大。(-_-!)

再看看数据文件的存储结构：

Data File structure:

+----------------+----------------+-----------------+

| Header | Data Record 1 |Data Record 2.. |

+----------------+----------------+-----------------+

256bytes dynamics length dynamics length

256个字节的预留头，然后是每个不定长的数据记录，逐个往后排列。再看看单个数据记录的结构：

Data record

+--------+-------+------------------+----------+

| Flag | len | Data | Next ptr |

+--------+-------+------------------+----------+

4Bytes 4Bytes dynamics length 4Bytes

4个字节的标志位(预留),4个字节存储实际数据长度，然后是下一条记录的数据指针。

整个存储结构还是比较简单明了的，因为使用了索引文件和数据文件的分开，所以很多方式实现就简单了，不过就是打开文件会多打开一个文件描述符。(^_^)

【 Hash算法 】

采用的是 BKDR Hash 算法，主要是性能比较好，其实 SDBM hash 和 Times33 都不错，不过我看这个性能更好，就选择了它。

[cpp]
view plaincopyprint?

/**
* Hash core function
* @desc BKDR Hash
*/
TDBHASH _db_hash(TDB *db, const char *str) {
TDBHASH seed = 131; //31 131 1313 13131 131313 etc..

TDBHASH hash = 0;
while (*str) {
hash = hash * seed + (*str++);
}
return (hash & 0x7FFFFFFF) % db->nhash;
}

[cpp]
view plaincopyprint?

TDB      *tdb_open(const char * path, char *mode);
void      tdb_close(TDB *db);
char     *tdb_fetch(TDB *db, const char *key);
STATUS    tdb_store(TDB *db, const char *key, const char *value, int mode);
STATUS    tdb_delete(TDB *db, const char *key);
void      tdb_rewind(TDB *db);
char     *tdb_nextrec(TDB *db, char *ret_key);

TDB      *tdb_open(const char * path, char *mode);
void      tdb_close(TDB *db);
char     *tdb_fetch(TDB *db, const char *key);
STATUS    tdb_store(TDB *db, const char *key, const char *value, int mode);
STATUS    tdb_delete(TDB *db, const char *key);
void      tdb_rewind(TDB *db);
char     *tdb_nextrec(TDB *db, char *ret_key);

有点特别的是打开数据库的时候，tdb_open 的 mode 参数只能是三个值：r/c/w：

r: read only,

c: create/truncate db,

w: read/write

使用代码示例：(db_test.c)

[cpp]
view plaincopyprint?

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <time.h>

#include "tmdb.h"

int main() {
char *df = "db";
TDB *db = tdb_open(df, "c");
if ( !db ){
printf("tdb_open() %s fail./n", df);
return -1;
}
printf("tdb_open() %s success./n", df);

int s;
char *ret;
char *key = "test_key";
char *val = "test_value";
s = tdb_store(db, key, val, TDB_INSERT);
if (TDB_SUCCESS == s){
printf("tdb_store() %s success./n", key);
ret = tdb_fetch(db, key);
if (NULL != ret){
printf("tdb_fetch() %s success, value: %s./n", key, ret);
}
}
tdb_close(db);
printf("Close db done/n");

return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include "tmdb.h"

int main() {
char *df = "db";
TDB *db = tdb_open(df, "c");
if ( !db ){
printf("tdb_open() %s fail./n", df);
return -1;
}
printf("tdb_open() %s success./n", df);

int s;
char *ret;
char *key = "test_key";
char *val = "test_value";
s = tdb_store(db, key, val, TDB_INSERT);
if (TDB_SUCCESS == s){
printf("tdb_store() %s success./n", key);
ret = tdb_fetch(db, key);
if (NULL != ret){
printf("tdb_fetch() %s success, value: %s./n", key, ret);
}
}
tdb_close(db);
printf("Close db done/n");

return 0;
}

编译的时候记得加上库路径：(L 是库路径，l是库名, I是头文件路径)

$ gcc -o db_test db_test.c -L. -ltmdb -I.

$ ./db_test

tdb_open() db success.

tdb_store() test_key success.

tdb_fetch() test_key success, value: test_value.

Close db done

【 结束 】



基本上 tmdb 只是一个比较简单容易理解的小dbm，性能不咋地，只是一个实验品，欢迎大家提出更多想法和指正不足。

更多开源代码：
http://heiyeluren.googlecode.com

tmdb 下载：http://heiyeluren.googlecode.com/files/tmdb-0.0.1.zip

相关参考：

APUE: http://www.apue.com/

Haah 算法比较: http://blog.csai.cn/user3/50125/archives/2009/35638.html

bdb/gdbm/tc/sqlite3 性能测试:
http://dieken-qfz.spaces.live.com/Blog/cns!586D665C0DEB512D!548.entry