LevelDB 完全解析（八）：点查询之 Get
2024-01-04 06:54:49
点查询概述
点查询是数据库中读取操作的一种，用于获取单个键对应的值。在 LevelDB 中，点查询可以通过 leveldb::DB::Get() 接口实现。Get() 方法的原型如下：
Status Get(const ReadOptions& options,
const Slice& key,
std::string* value);
其中，
options：读取选项，用于指定一些读取操作的配置，例如是否使用缓存、读取超时时间等。key：要查询的键。value：查询结果，用于存储查询到的值。
Get() 方法的返回值是一个 Status 对象，表示读取操作的状态。如果读取操作成功，则 Status 对象的状态码为 OK。否则，Status 对象的状态码为错误码，例如 NOT_FOUND 表示键不存在。
点查询实现
LevelDB 通过 leveldb::DBImpl::Get() 方法实现点查询。Get() 方法首先检查内存缓存中是否存在该键，如果存在则直接返回缓存中的值。如果不存在，则通过 LSM 树查找该键。LSM 树是一个分层存储结构，由多个层组成。每一层都由多个 SST 文件组成，SST 文件是 LevelDB 的基本存储单元。Get() 方法从最高层开始查找，如果在当前层找不到该键，则继续查找下一层。依次类推，直到找到该键或者遍历完所有层。如果在所有层都没有找到该键，则 Get() 方法返回一个错误。
内存缓存
内存缓存是 LevelDB 中的一个重要组件，用于缓存最近访问过的键值对。当客户端执行读取操作时，LevelDB 会首先检查内存缓存中是否存在该键。如果存在，则直接返回缓存中的值。如果不存在，则需要通过 LSM 树查找该键。内存缓存可以有效减少对 LSM 树的访问次数，从而提高读取性能。
LSM 树
LSM 树（Log-Structured Merge-Tree）是一种分层存储结构，由多个层组成。每一层都由多个 SST 文件组成，SST 文件是 LevelDB 的基本存储单元。SST 文件是一个有序的文件，其中包含了一系列连续的键值对。SST 文件中的键值对是按照键的顺序排列的。
LSM 树的层级结构如下图所示：
+--------+
| Level 0 |
+--------+
|
|
V
+--------+
| Level 1 |
+--------+
|
|
V
+--------+
| Level 2 |
+--------+
|
|
V
+--------+
| Level N |
+--------+
LSM 树的层级结构从 0 开始编号，0 层是最低层，N 层是最高层。每一层都包含一定数量的 SST 文件。SST 文件的数量随着层级的升高而减少。0 层通常包含较多的 SST 文件，而 N 层通常只包含很少的 SST 文件。
布隆过滤器
布隆过滤器是一种概率数据结构，用于快速判断一个元素是否存在于一个集合中。LevelDB 在每一层都使用了一个布隆过滤器，用于判断该层是否包含某个键。当客户端执行读取操作时，LevelDB 会首先检查该层的布隆过滤器。如果布隆过滤器返回 true，则表示该层可能包含该键。此时，LevelDB 会继续在该层查找该键。如果布隆过滤器返回 false，则表示该层肯定不包含该键。此时，LevelDB 会跳过该层，继续查找下一层。
布隆过滤器可以有效减少对 LSM 树的访问次数，从而提高读取性能。但是，布隆过滤器也存在误判的可能性。也就是说，布隆过滤器可能会错误地判断一个元素存在于集合中，而实际上该元素并不存在。这种误判的概率随着布隆过滤器大小的减小而增加。
性能优化
LevelDB 通过多种技术来优化点查询的性能，包括：
- 内存缓存：内存缓存可以有效减少对 LSM 树的访问次数，从而提高读取性能。
- 布隆过滤器：布隆过滤器可以快速判断一个元素是否存在于一个集合中，从而减少对 LSM 树的访问次数。
- SST 文件的压缩：SST 文件的压缩可以减少 SST 文件的大小，从而减少读取 SST 文件所需的时间。
- LSM 树的合并：LSM 树的合并可以将多个 SST 文件合并成一个更大的 SST 文件，从而减少 SST 文件的数量，提高读取性能。
总结
点查询是 LevelDB 中读取操作的一种，用于获取单个键对应的值。LevelDB 通过 leveldb::DBImpl::Get() 方法实现点查询。Get() 方法首先检查内存缓存中是否存在该键，如果存在则直接返回缓存中的值。如果不存在，则通过 LSM 树查找该键。LSM 树是一个分层存储结构，由多个层组成。每一层都由多个 SST 文件组成，SST 文件是 LevelDB 的基本存储单元。Get() 方法从最高层开始查找，如果在当前层找不到该键，则继续查找下一层。依次类推，直到找到该键或者遍历完所有层。如果在所有层都没有找到该键，则 Get() 方法返回一个错误。
LevelDB 通过多种技术来优化点查询的性能，包括内存缓存、布隆过滤器、SST 文件的压缩和 LSM 树的合并。
