前言

? ? ? 本文主要介紹 Cassandra 中數(shù)據(jù)的存儲格式，包括在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)和磁盤中數(shù)據(jù)。Cassandra 的寫的性能表現(xiàn)非常好，為什么寫的性能這么好？和它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有沒有關(guān)系，以及和它的寫的機制又有多大的關(guān)系。同時也將分析哪些因素會影響讀的性能 Cassandra 又做了哪些改進。

Cassandra 的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)主要分為三種：

1、CommitLog：主要記錄下客戶端提交過來的數(shù)據(jù)以及操作。這個數(shù)據(jù)將被持久化到磁盤中，以便數(shù)據(jù)沒有被持久化到磁盤時可以用來恢復。

2、Memtable：用戶寫的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的形式，它的對象結(jié)構(gòu)在后面詳細介紹。其實還有另外一種形式是 BinaryMemtable 這個格式目前 Cassandra 并沒有使用，這里不再介紹了。

3、SSTable：數(shù)據(jù)被持久化到磁盤，這又分為 Data、Index 和 Filter 三種數(shù)據(jù)格式。

CommitLog 數(shù)據(jù)格式

CommitLog 的數(shù)據(jù)只有一種，那就是按照一定格式組成 byte 組數(shù)，寫到 IO 緩沖區(qū)中定時的被刷到磁盤中持久化，在上一篇的配置文件詳解中已經(jīng)有說到 CommitLog 的持久化方式有兩種，一個是 Periodic 一個是 Batch，它們的數(shù)據(jù)格式都是一樣的，只是前者是異步的，后者是同步的，數(shù)據(jù)被刷到磁盤的頻繁度不一樣。關(guān)于 CommitLog 的相關(guān)的類結(jié)構(gòu)圖如下：

圖 1. CommitLog 的相關(guān)的類結(jié)構(gòu)圖

它持久化的策略也很簡單，就是首先將用戶提交的數(shù)據(jù)所在的對象 RowMutation 序列化成 byte 數(shù)組，然后把這個對象和 byte 數(shù)組傳給 LogRecordAdder 對象，由 LogRecordAdder 對象調(diào)用 CommitLogSegment 的 write 方法去完成寫操作，這個 write 方法的代碼如下：

清單 1. CommitLogSegment. write

public CommitLogSegment.CommitLogContext write（RowMutation rowMutation，

Object serializedRow）{

long currentPosition = -1L;

...

Checksum checkum = new CRC32（）;

if （serializedRow instanceof DataOutputBuffer）{

DataOutputBuffer buffer = （DataOutputBuffer） serializedRow;

logWriter.writeLong（buffer.getLength（））;

logWriter.write（buffer.getData（）， 0， buffer.getLength（））;

checkum.update（buffer.getData（）， 0， buffer.getLength（））;

}

else{

assert serializedRow instanceof byte［］;

byte［］ bytes = （byte［］） serializedRow;

logWriter.writeLong（bytes.length）;

logWriter.write（bytes）;

checkum.update（bytes， 0， bytes.length）;

}

logWriter.writeLong（checkum.getValue（））;

...

}

這個代碼的主要作用就是如果當前這個根據(jù) columnFamily 的 id 還沒有被序列化過，將會根據(jù)這個 id 生成一個 CommitLogHeader 對象，記錄下在當前的 CommitLog 文件中的位置，并將這個 header 序列化，覆蓋以前的 header。這個 header 中可能包含多個沒有被序列化到磁盤中的 RowMutation 對應的 columnFamily 的 id。如果已經(jīng)存在，直接把 RowMutation 對象的序列化結(jié)果寫到 CommitLog 的文件緩存區(qū)中后面再加一個 CRC32 校驗碼。Byte 數(shù)組的格式如下：

圖 2. CommitLog 文件數(shù)組結(jié)構(gòu)

上圖中每個不同的 columnFamily 的 id 都包含在 header 中，這樣做的目的是更容易的判斷那些數(shù)據(jù)沒有被序列化。

CommitLog 的作用是為恢復沒有被寫到磁盤中的數(shù)據(jù)，那如何根據(jù) CommitLog 文件中存儲的數(shù)據(jù)恢復呢？這段代碼在 recover 方法中：

清單 2. CommitLog.recover

public static void recover（File［］ clogs） throws IOException{

...

final CommitLogHeader clHeader = CommitLogHeader.readCommitLogHeader（reader）;

int lowPos = CommitLogHeader.getLowestPosition（clHeader）;

if （lowPos == 0） break;

reader.seek（lowPos）;

while （！reader.isEOF（））{

try{

bytes = new byte［（int） reader.readLong（）］;

reader.readFully（bytes）;

claimedCRC32 = reader.readLong（）;

}

...

ByteArrayInputStream bufIn = new ByteArrayInputStream（bytes）;

Checksum checksum = new CRC32（）;

checksum.update（bytes， 0， bytes.length）;

if （claimedCRC32 ！= checksum.getValue（））{continue;}

final RowMutation rm =

RowMutation.serializer（）.deserialize（new DataInputStream（bufIn））;

}

...

}

這段代碼的思路是：反序列化 CommitLog 文件的 header 為 CommitLogHeader 對象，尋找 header 對象中沒有被回寫的最小 RowMutation 位置，然后根據(jù)這個位置取出這個 RowMutation 對象的序列化數(shù)據(jù)，然后反序列化為 RowMutation 對象，然后取出 RowMutation 對象中的數(shù)據(jù)重新保存到 Memtable 中，而不是直接寫到磁盤中。CommitLog 的操作過程可以用下圖來清楚的表示：

圖 3. CommitLog 數(shù)據(jù)格式的變化過程

Memtable 內(nèi)存中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Memtable 內(nèi)存中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較簡單，一個 ColumnFamily 對應一個唯一的 Memtable 對象，所以 Memtable 主要就是維護一個 ConcurrentSkipListMap《decoratedkey， columnfamily=“” style=“box-sizing： border-box;”》 類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當一個新的 RowMutation 對象加進來時，Memtable 只要看看這個結(jié)構(gòu)是否 《decoratedkey， columnfamily=“” style=“box-sizing： border-box;”》集合已經(jīng)存在，沒有的話就加進來，有的話取出這個 Key 對應的 ColumnFamily，再把它們的 Column 合并。Memtable 相關(guān)的類結(jié)構(gòu)圖如下：

圖 4. Memtable 相關(guān)的類結(jié)構(gòu)圖

Memtable 中的數(shù)據(jù)會根據(jù)配置文件中的相應配置參數(shù)刷到本地磁盤中。這些參數(shù)在上一篇中已經(jīng)做了詳細說明。

前面已經(jīng)多處提到了 Cassandra 的寫的性能很好，好的原因就是因為 Cassandra 寫到數(shù)據(jù)首先被寫到 Memtable 中，而 Memtable 是內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以 Cassandra 的寫是寫內(nèi)存的，下圖基本上描述了一個 key/value 數(shù)據(jù)是怎么樣寫到 Cassandra 中的 Memtable 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的。

圖 5. 數(shù)據(jù)被寫到 Memtable

SSTable 數(shù)據(jù)格式

每添加一條數(shù)據(jù)到 Memtable 中，程序都會檢查一下這個 Memtable 是否已經(jīng)滿足被寫到磁盤的條件，如果條件滿足這個 Memtable 就會寫到磁盤中。先看一下這個過程涉及到的類。相關(guān)類圖如圖 6 所示：

圖 6. SSTable 持久化類結(jié)構(gòu)圖

Memtable 的條件滿足后，它會創(chuàng)建一個 SSTableWriter 對象，然后取出 Memtable 中所有的 《decoratedkey， columnfamily=“” style=“box-sizing： border-box;”》集合，將 ColumnFamily 對象的序列化結(jié)構(gòu)寫到 DataOutputBuffer 中。接下去 SSTableWriter 根據(jù) DecoratedKey 和 DataOutputBuffer 分別寫到 Date、Index 和 Filter 三個文件中。

Data 文件格式如下：

圖 7. SSTable 的 Data 文件結(jié)構(gòu)

Data 文件就是按照上述 byte 數(shù)組來組織文件的，數(shù)據(jù)被寫到 Data 文件中是接著就會往 Index 文件中寫，Index 中到底寫什么數(shù)據(jù)呢？

其實 Index 文件就是記錄下所有 Key 和這個 Key 對應在 Data 文件中的啟示地址，如圖 8 所示：

圖 8. Index 文件結(jié)構(gòu)

?

Index 文件實際上就是 Key 的一個索引文件，目前只對 Key 做索引，對 super column 和 column 都沒有建索引，所以要匹配 column 相對來說要比 Key 更慢。

Index 文件寫完后接著寫 Filter 文件，F(xiàn)ilter 文件存的內(nèi)容就是 BloomFilter 對象的序列化結(jié)果。它的文件結(jié)構(gòu)如圖 9 所示：

圖 9. Filter 文件結(jié)構(gòu)

BloomFilter 對象實際上對應一個 Hash 算法，這個算法能夠快速的判斷給定的某個 Key 在不在當前這個 SSTable 中，而且每個 SSTable 對應的 BloomFilter 對象都在內(nèi)存中，F(xiàn)ilter 文件指示 BloomFilter 持久化的一個副本。三個文件對應的數(shù)據(jù)格式可以用下圖來清楚的表示：

圖 10. SSTable 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化

這個三個文件寫完后，還要做的一件事件就是更新前面提到的 CommitLog 文件，告訴 CommitLog 的 header 所存的當前 ColumnFamily 的沒有寫到磁盤的最小位置。

在 Memtable 往磁盤中寫的過程中，這個 Memtable 被放到 memtablesPendingFlush 容器中，以保證在讀時候它里面存的數(shù)據(jù)能被正確讀到，這個在后面數(shù)據(jù)讀取時還會介紹。

數(shù)據(jù)的寫入

數(shù)據(jù)要寫到 Cassandra 中有兩個步驟：

1.找到應該保存這個數(shù)據(jù)的節(jié)點

2.往這個節(jié)點寫數(shù)據(jù)。客戶端寫一條數(shù)據(jù)必須指定 Keyspace、ColumnFamily、Key、Column Name 和 Value，還可以指定 Timestamp，以及數(shù)據(jù)的安全等級。

數(shù)據(jù)寫入涉及的主要相關(guān)類如下圖所示：

圖 11. Insert 相關(guān)類圖

大慨的寫入邏輯是這樣的：

CassandraServer 接收到要寫入的數(shù)據(jù)時，首先創(chuàng)建一個 RowMutation 對象，再創(chuàng)建一個 QueryPath 對象，這個對象中保存了 ColumnFamily、Column Name 或者 Super Column Name。接著把用戶提交的所有數(shù)據(jù)保存在 RowMutation 對象的 Map《string， columnfamily=“” style=“box-sizing： border-box;”》 結(jié)構(gòu)中。接下去就是根據(jù)提交的 Key 計算集群中那個節(jié)點應該保存這條數(shù)據(jù)。這個計算的規(guī)則是：將 Key 轉(zhuǎn)化成 Token，然后在整個集群的 Token 環(huán)中根據(jù)二分查找算法找到與給定的 Token 最接近的一個節(jié)點。如果用戶指定了數(shù)據(jù)要保存多個備份，那么將會順序在 Token 環(huán)中返回與備份數(shù)相等的節(jié)點。這是一個基本的節(jié)點列表，后面 Cassandra 會判斷這些節(jié)點是否正常工作，如果不正常尋找替換節(jié)點。還有還要檢查是否有節(jié)點正在啟動，這種節(jié)點也是要在考慮的范圍內(nèi)，最終會形成一個目標節(jié)點列表。最 后把數(shù)據(jù)發(fā)送到這些節(jié)點。

接下去就是將數(shù)據(jù)保存到 Memtable 中和 CommitLog 中，關(guān)于結(jié)果的返回根據(jù)用戶指定的安全等級不同，可以是異步的，也可以是同步的。如果某個節(jié)點返回失敗，將會再次發(fā)送數(shù)據(jù)。下圖是當 Cassandra 接收到一條數(shù)據(jù)時到將數(shù)據(jù)寫到 Memtable 中的時序圖。

圖 12. Insert 操作的時序圖