Redis与KV存储(RocksDB)融合之编码方式

简介

Redis 是目前 NoSQL 领域的当红炸子鸡，它象一把瑞士军刀，小巧、锋利、实用，特别适合解决一些使用传统关系数据库难以解决的问题。Redis 作为内存数据库,所有的数据全部都存在内存中，特别适合处理少量的热数据。当有巨量数据超过内存大小需要落盘保存时，就需要使用 Redis + KV存储的方案了。

本文涉及的Ardb就是一个完全兼容Redis协议的NoSQL的存储服务。其存储基于现有成熟的KV存储引擎实现，理论上任何类似B-Tree/LSM Tree实现的KV存储实现均可作为Ardb的底层存储实现，目前Ardb支持LevelDB/RocksDB/LMDB.

本文以Ardb为例，介绍Redis与KV存储之间融合时编解码层的实现。

编码方式

Redis与KV存储的融合方案中，编解码层是一个很重要的环节。通过编解码层，我们可以屏蔽了各种kv存储实现的不同，可以在任意一个简单的kv存储引擎上，封装实现Redis中string，hash，list，set，sorted set等复杂类型的数据结构。

对于String类型，很显然可以与KV存储中的一个KV对一一对应;

对于其它的容器类型，我们需要

一个KV来存储其整个Key的元信息（比如List的成员个数，过期时间等）；
每一个成员需要一个KV来保存成员的名称和值；

对于sorted set，其每个成员有score和rank两个属性，所以需要：

一个KV保存整个Key的元信息
每一个成员需要一个KV保存 score信息
每一个成员需要一个KV保存每个成员对应 rank 信息

Key的编码格式

对于所有的Key，包含同样的前缀，编码格式定义如下：

[<namespace>] <key> <type> <element...>

namespace用于支持类似redis中的库概念, 可以为任意字符串, 不限制必须为数字;
key则是一个变长二进制字符串
type用于定义一个简单key-value的类型，此类型隐含表明key的数据结构类型;一个字节
meta信息的key中type固定为KEY_META；具体类型将在value中定义（参考下一节）
除以上三部分外，不同类型的key可能有附加字段；如Hash的key可能需要附加field字段

Value的编码格式

内部Value则比较复杂，编码均以type开始， type取值即上节定义的KeyType

<type> <element...>

后续格式根据各种类型定义不同.

各类型数据编码方式

各类型数据的编码方式如下: ns代表namespace

            KeyObject                             ValueObject
String      [<ns>] <key> KEY_META                 KEY_STRING <MetaObject>
Hash        [<ns>] <key> KEY_META                 KEY_HASH <MetaObject>
            [<ns>] <key> KEY_HASH_FIELD <field>   KEY_HASH_FIELD <field-value>
Set         [<ns>] <key> KEY_META                 KEY_SET <MetaObject>
            [<ns>] <key> KEY_SET_MEMBER <member>  KEY_SET_MEMBER
List        [<ns>] <key> KEY_META                 KEY_LIST <MetaObject>
            [<ns>] <key> KEY_LIST_ELEMENT <index> KEY_LIST_ELEMENT <element-value>
Sorted Set  [<ns>] <key> KEY_META                 KEY_ZSET <MetaObject>
            [<ns>] <key> KEY_ZSET_SCORE <member>  KEY_ZSET_SCORE <score>
            [<ns>] <key> KEY_ZSET_SORT <score> <member> KEY_ZSET_SORT

ZSet编码实例

这里以最复杂的Sorted Set来做实例。假设有个Sorted Set为 A: {member=frist, score=1}, {member=second, score=2}。其在Ardb中的存储方式如下：
Key A的存储编码为：

// 伪代码中的|代表域的分割，不代表实际存储为"|"。实际序列化的时候每个域是按照特定位置序列化的.
键为：ns|1|A(1代表是KEY_META元信息类型)
值为：元信息编码（redis数据类型/zset，过期时间，成员个数，最大最小score等）

成员first的score信息存储编码为:

键为：ns|11|A|first (11代表类型为KEY_ZSET_SCORE)
值为：11|1 (11代表类型KEY_ZSET_SCORE，1为该成员first的score）

成员first的rank信息存储编码为:

键为：ns|10|A|1|first (10代表类型为KEY_ZSET_SORT, 1为score)
值为：10 (代表类型KEY_ZSET_SORT，无意义。rocksdb中自动按key大小排序，所以很容易算出rank，不需要存储和更新）

成员second的score信息存储编码略。
当用户使用zcard A命令时，直接访问namespace_1_A即可得到元信息中该有序集合的数目;
当用户使用zscore A first时，直接访问namespace_A_first即可得到first成员的score;
当用户使用zrank A first时，先用zscore得到score,再查找namespace_10_A_1_first的序号；

具体的存储方式代码如下:

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