Mongodb mmapv1存储引擎解析

mongodb的mongod服务管理一个数据目录,可包含多个DB,每个DB的数据单独组织,本文主要介绍mmapv1存储引擎的数据组织方式。

Database

每个Database(DB)由一个.ns文件及若干个数据文件组成

数据文件从0开始编号,依次为mydb.0、mydb.1、mydb.2等,文件大小从64MB起,依次倍增,最大为2GB。

Namespace

每个DB包含多个namespace(对应mongodb的collection名),mydb.ns实际上是一个hash表(采用线性探测方式解决冲突),用于快速定位某个namespace的起始位置。

hash表里的一个节点包含的元数据结构如下,每个节点大小为628Bytes,16M的NS文件最多可存储26715个namespace。

  • key为namespace的名字,为固定长度128字节的字符数组。
  • hash为namespce的hash值,用于快速查找
  • value包含一个namespace所有的元数据

namespace元数据结构如下:

其中DiskLoc代表某个数据文件的具体偏移位置,数据文件使用mmap映射到内存空间进行管理,内存的管理(哪些数据何时换入/换出)完全交给OS管理。

数据文件

每个数据文件被划分成多个extent,每个extent只包含一个namespace的数据,同一个namespace的所有extent之间以双向链表形式组织。

namesapce的元数据里包含指向第一个及最后一个extent的位置指针,通过这些信息,就可以遍历一个namespace下的所有extent数据。

每个数据文件包含一个固定长度头部DataFileHeader

Header中包含数据文件版本、文件大小、未使用空间位置及长度、空闲extent链表起始及结束位置。extent被回收时,就会放到数据文件对应的空闲extent链表里。

unusedLength为数据文件未被使用过的空间长度,unused则指向未使用空间的起始位置。

Extent

每个extent包含多个Record(对应mongodb的document),同一个extent下的所有record以双向链表形式组织。

Record

每个Record对应mongodb里的一个文档,每个Record包含固定长度16bytes的描述信息。

Record被删除后,会以DeleteRecord的形式存储,其前两个字段与Record是一致的。

一个namespace下的所有的已删除记录(可以回收并复用的存储空间)以单向链表的形式,为了最大化存储空间利用率,不同size(32B、64B、128B…)的记录被挂在不同的链表上,NamespaceDetail里的deletedListSmall/deletedListLarge包含指向这些不同大小链表头部的指针。

写入Record

  1. 检查对应的namespace对应的删除记录链表里是否有合适的DeletedRecord可以利用,如果有,则直接复用删除空间写入记录。
  2. 检查数据文件的freeList里是否有合适大小的空闲extent可以利用,如果有则直接利用空闲的extent,将记录写入。
  3. 第1、2步都不成功,则写创建新的extent写入记录;创建新extent时,如果当前的数据文件没有足够的空闲空间,则创建新的数据文件。

删除Record

删除的记录会以DeleteRecord的形式插入到对应集合的删除链表里,删除的空间在下一次写入新的记录时可能会被利用上;但也有可能一直用不上而浪费。比如某个128Bytes大小的记录被删除后,接下来写入的记录一直大于128B,则这个128B的DeletedRecord不能有效的被利用。

当删除很多时,可能产生很多不能重复利用的”存储碎片”,从而导致存储空间大量浪费;可通过对集合进行compact来整理存储碎片。

更新Record

更新Record时,分2种情况

  1. 更新的Record比原来小,可以直接复用现有的空间(原地更新);多余的空间如果足够多,会将剩余空间插入到DeletedRecord链表;
  2. 更新的Record比原来大,更新相当于删除 + 新写入,原来的空间会插入到DeletedRecord链表里。

更新跟删除类似,也有可能产生很多存储碎片;如果业务场景里更新很多,可通过合理设置Record Padding,尽量让每次更新都直接复用现有存储空间。

查询Record

没有索引的情况下,查询某个Record需要遍历整个集合,读取出符合条件的Record;如果经常需要根据每个纬度查询Record,则需要给集合建立索引以提高查询效率。

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