过往Hash索引的进化趋势—— LSM树的产生

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2023-10-27 02:26:46

LSM 树：解决 Hash 索引局限性的创新型数据结构

在海量数据和高并发写入场景中，传统 Hash 索引的性能常常面临挑战。LSM 树（Log-Structured Merge Tree）应运而生，为解决这些痛点提供了创新的解决方案。

Hash 索引的局限性

Hash 索引依靠哈希表实现快速查找和写入。然而，随着数据规模的不断扩大和并发写入的激增，Hash 索引的性能会逐渐下降。主要原因在于：

静态性： Hash 索引一旦创建，就无法修改。这使得数据增长时需要频繁重建索引，消耗大量时间和资源。
并发写入敏感性： 多个事务同时写入数据时，Hash 索引需要对哈希表加锁，从而降低并发写入的性能。

LSM 树的原理

LSM 树是一种基于日志结构的合并树，将数据存储在多个有序的 SSTable（Sorted String Table）文件中。它的工作原理如下：

写入： 数据首先被写入一个称为 Memtable 的内存缓冲区。
刷新： 当 Memtable 达到一定大小时，它会被刷新到磁盘，形成一个新的 SSTable。
合并： 定期，LSM 树会合并多个 SSTable，生成较大的、有序的 SSTable，从而提高查询效率。

LSM 树的优点

与 Hash 索引相比，LSM 树具有以下优势：

更高的吞吐量： LSM 树允许数据写入内存缓冲区，而不是立即持久化到磁盘，从而提高吞吐量。
更低的并发写入敏感性： LSM 树仅在刷新 Memtable 时对 SSTable 加锁，避免了对整个内存缓冲区加锁。
更快的查询速度： 定期合并 SSTable 减少了文件数量，提高了查询效率。

LSM 树的应用

LSM 树广泛应用于大数据和高吞吐量场景的数据库系统中，包括：

Cassandra
HBase
RocksDB
LevelDB
WiredTiger

代码示例

以下是一个用 Java 实现的简化 LSM 树示例：

import java.util.List;

public class LSMStore {

    // 内存缓冲区
    private Memtable memtable = new Memtable();

    // 已刷新到磁盘的 SSTable 列表
    private List<SSTable> sstables = new ArrayList<>();

    public void put(String key, String value) {
        memtable.put(key, value);
    }

    public String get(String key) {
        // 先在 Memtable 中查找
        String value = memtable.get(key);
        if (value != null) {
            return value;
        }

        // 在已刷新 SSTable 中依次查找
        for (SSTable sstable : sstables) {
            value = sstable.get(key);
            if (value != null) {
                return value;
            }
        }

        return null;
    }

    public void flush() {
        // 刷新 Memtable 到磁盘
        SSTable newSSTable = new SSTable(memtable);
        sstables.add(newSSTable);
        memtable = new Memtable();
    }

    public void compact() {
        // 合并多个 SSTable
        SSTable mergedSSTable = new SSTable();
        for (SSTable sstable : sstables) {
            mergedSSTable.addAll(sstable.entries());
        }
        sstables.clear();
        sstables.add(mergedSSTable);
    }

    // Memtable 实现
    private static class Memtable {

        // 使用 HashMap 存储键值对
        private Map<String, String> entries = new HashMap<>();

        public void put(String key, String value) {
            entries.put(key, value);
        }

        public String get(String key) {
            return entries.get(key);
        }

    }

    // SSTable 实现
    private static class SSTable {

        // 使用有序列表存储键值对
        private List<Entry> entries = new ArrayList<>();

        public SSTable() {
            // ...
        }

        public SSTable(Memtable memtable) {
            // ...
        }

        public void addAll(List<Entry> entries) {
            // ...
        }

        public String get(String key) {
            // ...
        }

    }

}