Cassandra存储机制

本文是一篇转载文章,主要内容是对Cassandra存储机制的描述,能够帮助你更好的了解Cassandra的工作原理。

原文链接:http://www.ningoo.net/html/2010/cassandra_storage.html

在2009年兴起的NoSQL 运 动中,Cassandra是其中重要的一个分布式key-value数据库产品,由Facebook在2008年开源,目前是Apache的顶级项目。最 近twitter的一 篇声明 ,表示将从MySQL迁移到Cassandra,更让其声名大振。Cassandra是结合了Google Bigtable的数据模型和Amazon Dynamo高可用框架的一个产品。其数据模型可以参考张瑞的blog

值得说一下的是Cassandra的存储机制,也是借鉴了Bigtable的设计,采用Memtable和SSTable的方式。和关系数据库一 样,Cassandra在写数据之前,也需要先记录日志,称之为commitlog ,然后数据才会写入到Column Family对应的Memtable中,并且Memtable中的内容是按照key排序好的。Memtable是一种内存结构,满足一定条件后批量刷新到 磁盘上,存储为SSTable。这种机制,相当于缓存写回机制(Write-back Cache),优势在于将随机IO写变成顺序IO写,降低大量的写操作对于存储系统的压力。SSTable一旦完成写入,就不可变更,只能读取。下一次 Memtable需要刷新到一个新的SSTable文件中。所以对于Cassandra来说,可以认为只有顺序写,没有随机写操作。

因为SSTable数据不可更新,可能导致同一个Column Family的数据存储在多个SSTable中,这时查询数据时,需要去合并读取Column Family所有的SSTable和Memtable,这样到一个Column Family的数量很大的时候,可能导致查询效率严重下降。因此需要有一种机制能快速定位查询的Key落在哪些SSTable中,而不需要去读取合并所有 的SSTable。Cassandra采用的是Bloom Filter 算法,通过多个hash函数将key映射到一 个位图中,来快速判断这个key属于哪个SSTable。关于Bloom Filter,有兴趣的可以去看看参考文章4,5和6。

为了避免大量SSTable带来的性能影响,Cassandra也提供一种定期将多个SSTable合并成一个新的SSTable的机制,因为每个 SSTable中的key都是已经排序好的,因此只需要做一次合并排序就可以完成该任务,代价还是可以接受的。所以在Cassandra的数据存储目录 中,可以看到三种类型的文件,格式类似于:

  • Column Family Name-序号-Data.db
  • Column Family Name-序号-Filter.db
  • Column Family Name-序号-index.db

其中Data.db文件是SSTable数据文件,SSTable是Sorted Strings Table的缩写,按照key排序后存储key/value键值字符串。index.db是索引文件,保存的是每个key在数据文件中的偏移位置,而 Filter.db则是Bloom Filter算法生产的映射文件。

上面大致介绍了一下Cassandra的存储机制,通过将最新的写操作放在内存中的Memtable,然后定期刷新到磁盘持久化为 SSTable,Cassandra将随机写操作转换成了顺序写操作,这可以提升IO性能。

最新写入的脏数据是在内存Memtable表中,因此必须有机制来确保异常情况下,能够将内存中的数据恢复出来。和关系型数据库系统一 样,Cassandra也是采用的先写日志再写数据的方式,其日志称之为Commitlog。

和Memtable/SSTable不一样的是,Commitlog是server级别的,不是Column Family级别的 。 每个Commitlog文件的大小是固定的,称之为一个Commitlog Segment,目前版本(0.5.1)中,这个大小是128MB,这是硬编码在代码(src\java\org\apache\cassandra \db\Commitlog.java)中的。当一个Commitlog文件写满以后,会新建一个的文件。当旧的Commitlog文件不再需要时,会自 动清除。

每个Commitlog文件(Segment)都有一个固定大小(大小根据Column Family的数目而定)的CommitlogHeader 结 构,其中有两个重要的数组,每一个Column Family在这两个数组中都存在一个对应的元素。其中一个是位图数组(BitSet dirty ),如果Column Family对应的Memtable中有脏数据,则置为1,否则为0,这在恢复的时候可以指出哪些Column Family是需要利用Commitlog进行恢复的。另外一个是整数数组(int[] lastFlushedAt ), 保存的是Column Family在上一次Flush时日志的偏移位置,恢复时则可以从这个位置读取Commitlog记录。通过这两个数组结构,Cassandra可以在异 常重启服务的时候根据持久化的SSTable和Commitlog重构内存中Memtable的内容,也就是类似Oracle等关系型数据库的实例恢复。

当Memtable flush到磁盘的SStable时,会将所有Commitlog文件的dirty数组对应的位清零,而在Commitlog达到大小限制创建新的文件 时,dirty数组会从上一个文件中继承过来。如果一个Commitlog文件的dirty数组全部被清零,则表示这个Commitlog在恢复的时候不 再需要,可以被清除。因此,在恢复的时候,所有的磁盘上存在的Commitlog文件都是需要的。

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