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[转]Berkeley DB介绍及主从复制机制

 

berkeley db--入门介绍

1. Berkeley DB的简介

Berkeley DBBDB)是一个高性能的嵌入式数据库编程库(引擎),它可以用来保存任意类型的键/值对 (Key/Value Pair),而且可以为一个键保存多个数据。Berkeley DB可以支持数千的并发线程同时操作数据库,支持最大256TB的数据。

BDB提供诸如C语言,C++JavaPerlPythonTcl等多种编程语言的API,并且广泛支持大多数类Unix操作系统和Windows操作系统以及实时操作系统(如 VxWorks)。

1991年,Berkeley DB的第一个版发行(Linux系统也在这一年诞生),其最初的开发目的是以新的HASH访问算法来代替旧的hsearch函数和大量的dbm实现,该版本还包含了B+树数据访问算法。

1992年,BSD UNIX4.4发行版中包含了Berkeley DB1.85版。基本上认为这是Berkeley DB的第一个正式版。

1996年,Sleepycat软件公司成立,提供对Berkeley DB的商业支持。

2006年,SleepycatOracle收购,当时最新版本是4.7.25

2. 直观了解Berkeley DB软件包

Berkeley DB是一款开源软件,我们可以从Oracle的官方网站得到其源代码包。其源代码目录是由一系列子目录组成,从BDB的实现角度按照功能层次可将它们简单归类,划分如下:

a. DB核心模块(db);

b. 各子系统模块(存储管理子系统:btree/hash/qam;内存池管理子系统:mp;事务子系统:txn;锁子系统:mutex;日志子系统:log);

c. 操作系统抽象层(os_brew/os_s60/os_windows等);

d. Build目录(build_brew/build_s60/build_windows等);

e. 工具程序(db_archive/db_checkpoint等);

f. 语言API支持;

g. 例子(examples_c/examples_csharp等);

h. 其它;

 

通过源代码编译安装BDB很简单,代码如下:

    cd ./db-4.8.30/build_unix

    ../disk/configure --prefix=<dir>

    make && make install

 

安装目标目录(/usr/local/BerkeleyDB.4.8)包含四个子目录:

A. bin  一些实用工具

B. docs  文档

C. include 包含了使用BDB库开发程序时的头文件

D. lib  包含了使用BDB库开发程序时需要连接的库文件

 

3. 如何获得BDB的相关知识

BDB提供里非常详细的文档,可以官方网站获得htmlpdf版本的文档。这里对pdf版本的一些文档简介如下:

BDB_Installation.pdf: BDB的安装文档,涵盖了不同操作系统,不同的编译工具,不同编程语言等多方面的详细信息;

BDB_Prog_Reference.pdf: 该文档是使用BDB的开发人员的参考手册,主要从BDB的各种功能和机制的原理进行阐述,供使用BDB作为存储引擎来编写程序的各类程序员(CJavaC#Perl)阅读;

BDB-Porting-Guide.pdf: 该文档是给需要将BDB移植到一个新的平台开发人员准备的;

InMemoryDBApplication.pdf: 基于内存的BDB应用的相关知识;

BDB-C_APIReference.pdf: C API参考手册,跟BDB_Prog_Reference.pdf结合使用;

BerkeleyDB-Core-C-GSG.pdf: 为C语言开发人员提供的BDB的入门手册;

BerkeleyDB-Core-C-Txn.pdf: 为C语言开发人员提供的BDB事务方面的手册;

Replication-C-GSG.pdf: 为C语言开发人员提供的BDB复制方面的手册;

 

4. 以上对源码目录的分类是从实现角度按照层次进行划分的,如果从BDB的功能模块,或者说是从系统结构角度进行划分,可将其分为几个子系统:

    存储管理子系统 (Storage Subsystem)

    内存池管理子系统 (Memory Pool Subsystem)

    事务子系统 (Transaction Subsystem)

    锁子系统 (Locking Subsystem)

日志子系统 (Logging Subsystem)

 

5. 以上的五个子系统完成了BDB作为一个Database所需要的大部分功能,如何驾驭以上子系统来完成我们需要的任务是关键。像MySQL这种独立的RDBMS,我们可以通过配置和SQL语句来控制和使用它的各种功能。由于BDB是一个嵌入式的数据库,最终还是需要程序员通过调用API来完成。所以要使用好BDB,需要先了解其原理,然后在合适的位置上调用合适的API

 

写一个BDB程序的一般步骤:

a. 创建、设置和打开Environmentb. 创建、设置和打开Databasec. 访问Databased.关闭Databasee. 关闭Environment

此处的Database是从属于Environment,即db是在env这个环境上面建立起来的。为了便于快速把握重点,可以用BDB跟一般的RDBMS做个类比,这里的Database相当于数据表,Environment相当于数据库。

        DB_ENV *dbenv;

        DB *dbp;

        int ret;

        if ((ret = db_env_create(&dbenv, 0)) != 0) {

                fprintf(errfp, "%s: %s\n", progname, db_strerror(ret));

                return (1);

        }

        dbenv->set_errfile(dbenv, errfp);

        dbenv->set_errpfx(dbenv, progname);

        if ((ret = dbenv->set_cachesize(dbenv, 0, 64 * 1024, 0)) != 0) {

                dbenv->err(dbenv, ret, "set_cachesize");

                dbenv->close(dbenv, 0);

                return (1);

        }

        (void)dbenv->set_data_dir(dbenv, data_dir);

        if ((ret = dbenv->open(dbenv, home, DB_CREATE | DB_INIT_LOCK | DB_INIT_LOG | DB_INIT_MPOOL | DB_INIT_TXN, 0644)) != 0) {

                dbenv->err(dbenv, ret, "environment open: %s", home);

                dbenv->close(dbenv, 0);

                return (1);

        }

        if ((ret = db_create(&dbp, dbenv, 0)) != 0){

                fprintf(errfp, "%s: %s\n", progname, db_strerror(ret));

                return (1);

        }

        if ((ret = dbp->open(dbp, NULL, "exenv_db1.db", NULL, DB_BTREE, DB_CREATE,0644)) != 0){

                fprintf(stderr, "database open: %s\n", db_strerror(ret));

                return (1);

        }

        if ((ret = dbp->close(dbp, 0)) != 0) {

                fprintf(stderr, "database close: %s\n", db_strerror(ret));

                return (1);

        }

        if ((ret = dbenv->close(dbenv, 0)) != 0) {

                fprintf(stderr, "DB_ENV->close: %s\n", db_strerror(ret));

                return (1);

        }

        return (0);

 

数据文件:

一个BDB的实例会产生数据存储文件,数据文件的目录由dbenv->set_data_dir(dbenv, data_dir);这条语句来指定。涉及的文件类型有:Data FilesLog FilesRegion FilesTemporary Files

Data Files:数据文件,存储实际的数据;

Log Files:日志文件;

Region Files:是各个子系统保存信息的文件,如果在Env中设置了DB_PRIVATE选项,这些信息是被一个进程私有,即它们保存在内存中,这些文件在此种情况下不产生;

Temporary Files: 临时文件,特使情况会被创建;

 

数据的存数格式:

Berkeley DB提供了以下四种文件存储方法:哈希文件、B树、定长记录(队列)和变长记录(基于记录号的简单存储方式),应用程序可以从中选择最适合的文件组织结构。以上代码通过db->open函数中设置了DB_BTREE这个选项指定其使用B树方式存储。其它的三种存储格式对应的类型为:DB_HASHDB_QUEUEDB_RECNO

 

事务提交:

BDB中的事务提交有两种方式:DB_AUTO_COMMIT和显式提交事务。如果设置为DB_AUTO_COMMIT,则每步操作多作为单独的事务自动提交;如果需要显示提交,则需要显示调用具体事务相关的begin/end API(相见文档BerkeleyDB-Core-C-Txn.pdf)。

BDB在事务提交时也是遵循先写日志并刷新到磁盘的方式,但是为了提高性能,其又引入了两个选项:DB_TXN_NOSYNCDB_TXN_WRITE_NOSYNCDB_TXN_NOSYNC的作用是使BDB在事务提交的时候不严格要求日志到磁盘,刷新与否取决于日志缓冲;DB_TXN_WRITE_NOSYNC会比DB_TXN_NOSYNC稍显严格,其含义是要求事务提交刷新日志,但只是刷到操作系统文件缓存当中。

BDB的事务隔离性级别有三个:READ UNCOMMITEDREAD COMMITEDSERIALIZABLE

 

CheckPoint

执行一个检查点会完成的工作有:Flushes all dirty pages from the in-memory cache to database filesWrites a checkpoint recordFlushes the log to log filesWrites a list of open databases.

调用API DB_ENV->txn_checkpoint(); 即可完成,如果是非DB_PRIVATEEnv,也可以使用BDB自带的工具db_checkpoint。为了避免出现一个检查点提交大量数据的情况,BDB还提供了轻量级刷新脏页的APIDB_ENV->memp_trickle();

 

Replication

    BDB中提供了两种方式来支持复制技术:Replication Base APIReplication Manager。可以说Replication Base API是最基础的API,实现方式灵活,功能强大,但是编码量大;Replication Manager相当于框架,使用方式简单,编码量小。Replication Manager可能能够满足大部分用户的需求,但不是所有需求,所以灵活性不足。如果您的需要是Replication Manager不能满足的,请使用Replication Base API自己实现复制策略。Replication Manager的主从策略有两种:指定主从、自动推举主从。

 

分区:

BDB的分区机制是从db-4.8.x之后刚引入的新功能,涉及到的API有两个:

DB->set_partition() 设置分区方式,包含了一个分区方式的回调函数,用户可以通过编写代码来自己实现分区方式,非常灵活。(详见API手册BDB-C_APIReference.pdf

DB->set_partition_dirs() 设置分区目录。(详见API手册BDB-C_APIReference.pdf

 

备份:

BDB有三种备份方式:

Offline Backups:离线备份,停服务拷贝数据目录;

Hot Backups:使用API或者BDB自带工具db_backupDB在使用情况做备份;

Incremental Backups:增量备份;

具体细节详见BerkeleyDB-Core-C-Txn.pdf

 

6. 以下是可能获取到Berkeley DB资源的链接:

官方主页:

  http://www.oracle.com/database/berkeley-db/db/index.html

产品下载:

  http://www.oracle.com/technology/software/products/berkeley-db/index.html

官方开发者文档中心:

  http://www.oracle.com/technology/documentation/berkeley-db/db/index.html

                                                                               

berkeley db--进阶特性分析

数据存储

Berkeley DB的数据存储可以抽象为一张表,其中第一列是key,剩余的n-1列(fields)是value。

BDB访问数据库的方式,或者套用MySQL数据库的说法是存储引擎,有四种:

  • Btree 数据保存在平衡树里,key和value都可以是任意类型,并且可以有duplicated keys
  • Hash 数据保存在散列表里,key和value都可以是任意类型,并且可以有duplicated keys
  • Queue 数据以固定长度的record保存在队列里,key是一个逻辑序号。这种访问方式可以快速在队列尾插入数据,然后从队列头读取数据。它的优点在于可以提供record级别的锁机制,当需要并发访问队列的时候,可以提供很好性能。
  • Recno 这种访问方式类似于Queue,但它可以提供变长的record。

BDB的数据容量是256TB,单个的key或value可以保存4GB数据。

BDB是为并发访问设计的,thread-safe,且良好的支持多进程访问。

少量或者中量数据都建议使用BTREE,尤其并发的场景下,BTREE支持 lock coupling 技术,可以提升并发性能。

BDB组成

Berkeley DB内含多个独立的子系统:

  • Locking subsystem
  • Logging subsystem
  • Memory Pool subsystem
  • Transaction subsystem

一般使用的时候,这些子系统都被整合在DB environment里,但它们也单独拿出来,配合BDB之外的数据结构使用。

所谓DB Environment就是一个目录,其中保存着Locking、Logging、Memory Pool等子系统的信息,不同的thread可以打开同一个目录读写DB environment,BDB通过这种方式实现多进程/线程共享数据库。

【注意】多进程共享一个环境时,必须要使用 DB_SYSTEM_MEM,否则无法正常初始化环境。

关于DB environment的设置很多,一般没必要全部在代码里设置,也可以使用名为 DB_CONFIG 的配置文件来设置,该文件默认位于环境目录。

Concurrent Data Store (CDS)

CDS适用于多读单写的应用场景,当使用CDS的时候,仅需要 DB_INIT_MPOOL | DB_INIT_CDB 这两个子系统,不应该启用任何其他子系统,比如DB_INIT_LOCKDB_INIT_TXNDB_RECOVER 等。

由于CDS并不启动lock子系统,所以使用CDS无需检查deadlock,但下面的几种情况会导致线程永远阻塞:

  • 混用DB handle和cursor(此时同一thread会有两个locker竞争)。
  • 当打开一个write cursor的时候,在同一个线程里有其他的cursor开启。
  • 不检查BDB的错误码(当一个cursor错误返回时,必须关闭这个cursor)。

其实CDS和DS的唯一区别就在于,当要写db的时候,应该使用DB_WRITECURSOR创建一个write cursor。当这样的write cursor 存在的时候,其他试图创建 write cursor 的线程将被阻塞,直到该 write cursor被关闭。当write cursor存在的时候,read cursor不会被阻塞;但是,所有实际的写操作,包括直接调用DB->put()或者DB->del()都将被阻塞,直到所有的read cursor关闭,才会真正的写入db。这就是multiple-reader/single-writer的具体工作机制。

参考:Berkeley DB 产品对比

CDS中的注意事项

如果使用secondary database,意味着会在同一个cursor下操作两个db,此时如果用CDS,也许必须设置DB_CDB_ALLDB,但这会严重影响性能。

所谓 DB_CDB_ALLDB 是一个非常粗粒度的锁,CDS的锁基于API-layer,默认per-database,但如果设置了DB_CDB_ALL,则是per-environment,这意味着:

  • 整个DB environment下只能有一个write cursor。
  • 当写db的时候,整个DB environment下任何read cursor不可以打开。

读写CDS简单的做法是能用DB handle的地方直接使用DB handle,没有必要使用CURSOR handle,因为你用DB->put()或者DB->del()来修改数据库时,它内部也是调用了CURSOR handle。当然,如果你要使用CURSOR遍历数据库时,用于写的CURSOR必须设置DB_WRITECURSOR来创建:

DB->cursor(db, NULL, &dbc, DB_WRITECURSOR);

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