Mongodb存储布局

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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

$ll mydb.*
-rw-------  1 ydzhang  staff  67108864  7  4 14:05 mydb.0
-rw-------  1 ydzhang  staff  16777216  7  4 14:05 mydb.ns

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。

struct Node {
    int hash;
    Namespace key;
    NamespaceDetails value;
};

  • 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:

class NamespaceDetails {
	DiskLoc firstExtent; // 第一个extent位置
	DiskLoc lastExtent;  // 最后一个extent位置
	DiskLoc deletedListSmall[SmallBuckets]; 
	// 不同大小的删除记录列表
	...
};

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。

 class DiskLoc {
    int _a;  // 数据文件编号,如mydb.0编号为0
    int ofs; // 文件内部偏移
 };

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

 class DataFileHeader {
	DataFileVersion version;
	int fileLength;
	DiskLoc unused;
	int unusedLength;
	DiskLoc freeListStart;
	DiskLoc freeListEnd;
	char reserve[];
 };

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。

struct Extent {
	unsigned magic;  // 用于检查extent数据有效性
	DiskLoc myLoc;   // extent自身位置
	/* 前一个/后一个 extent位置指针 */
	DiskLoc xnext;
	DiskLoc xprev;
	int length;  // extent总长度 
	DiskLoc firstRecord;  // extent内第一个record位置指针
	DiskLoc lastRecord;   // extent内最后一个record位置指针
	char _extentData[4];  // extent数据
};

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。

class Record {
	int _lengthWithHeaders;  // Record长度
	int _extentOfs;		  // Record所在的extent位置指针
	int _nextOfs;			// 前一个Record位置信息
	int _prevOfs;			// 后一个Record位置信息
	char _data[4];		   // Record数据
};

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。

class DeletedRecord {
   int _lengthWithHeaders;  // record长度
   int _extentOfs;          // record所在的extent位置指针
   DiskLoc _nextDeleted;    // 下一个已删除记录的位置
};

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。

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