LevelDB源码解析（4）——数据库KV对写入

前3篇文章实际上都是在介绍LevelDB辅助代码，无论是跳表，LRU Cache还是布隆过滤器，这篇文章主要希望一起来探寻下LevelDB向数据库中写入时，涉及的主要代码流程是什么。在继续下面的内容之前，读者最好先对LevelDB的核心概念和设计思想有些基本的知识，这里推荐几篇文章供参考：
01| LevelDB架构分析
LevelDB 的原理

写入的总体流程

Write --> Log file(WAL日志) --> Memtable
(后台调度) --> Memtable --> immutable Memtable --> SST file
(后台调度) --> SST file@level L --> SST file @level L+1

保存Key的入口

从include/leveldb/db.h中可以看到，LevelDB对外暴露的接口非常简洁,最常用的应该是Open/Put/Write(批量Put)/Delete/Get，其他的包括遍历时用的NewIterator，获取当前DB快照(Snapshot)和统计信息等，至于手动Compact等接口相对高阶，一般不太使用。
当我们想要保存单个Key时，打开或创建DB后，可直接调用下面的接口

  virtual Status Put(const WriteOptions& options, const Slice& key,
                     const Slice& value) = 0;

关于Slice类型简单插一句，它是字符串切片（有Golang或者Python等编程经验的朋友可以直接做类比）。切片是字符串上一种引用，它并不保存实际的string数据，只关注数据的起始位置和长度，如下

Class Slice {
private:
  const char* data_;
  size_t size_;
};

回到正题，调用这个Put接口实际上到达了DBImpl::Write(const WriteOptions& options, WriteBatch* updates)函数，也就是说写单个Key的Put接口，实际是Write接口(批量写)的Convenient function而已。接下来我们看一下Write函数的内部做了哪些事。

保存Key-Value pair到Memtable

函数先是创建了一个Writer并放入Writer队列（FIFO）std::deque<Writer*> writers_ GUARDED_BY(mutex_);中，并一直等待轮到自己后再继续。这里用到的技巧是使用条件变量(conditinal variable)来唤醒队列中的任务，这是个比较常用的技巧，比如可用来实现线程池，更详细的内容读者朋友可以搜索下相关资料。
之后检查一下MemTable，MakeRoomForWrite(updates == nullptr);，确保有Memtable中有足够的剩余空间容纳当前的写操作(mem_->ApproximateMemoryUsage() <= options_.write_buffer_size))，这里write_buffer_size是Memtable的大小（可配置，在OpenDataBase的时候可以指定）。如果空间不足，该函数会创建一个新的Memtable，并把旧Memtable(DBImpl::mem_)放入immutable Memtable(DBImpl::imm_)，并在后台尝试进行Compaction（后面会继续讨论）。把KV pair写入MemTable前，先写log（WAL，write-ahead log)文件，并根据options.sync调用Sync接口将log落盘。在类Posix系统上，一般是通过系统调用fdatasync或者fsync。

      mutex_.Unlock();
      status = log_->AddRecord(WriteBatchInternal::Contents(write_batch));
      bool sync_error = false;
      if (status.ok() && options.sync) {
        status = logfile_->Sync();
        if (!status.ok()) {
          sync_error = true;
        }
      }
      if (status.ok()) {
        status = WriteBatchInternal::InsertInto(write_batch, mem_);
      }
      mutex_.Lock();

WAL日志在数据库系统中使用比较广泛，可（在数据库异常崩溃时）找回未写入硬盘的修改，减少数据丢失。MemTable在内存中，其数据结构类型正是之前介绍过的跳表，因为LevelDB把数据写入Memtable后就认为成功，所以并发写入性能相对较好。