Bitcask 存储模型

Bitcask 是一个日志型、基于hash表结构的key-value存储模型，以Bitcask为存储模型的K-V系统有 Riak和 beansdb新版本。

日志型数据存储

何谓日志型？就是append only，所有写操作只追加而不修改老的数据，就像我们的各种服务器日志一样。在Bitcask模型中，数据文件以日志型只增不减的写入文件，而文件有一定的大小限制，当文件大小增加到相应的限制时，就会产生一个新的文件，老的文件将只读不写。在任意时间点，只有一个文件是可写的，在Bitcask模型中称其为active data file，而其他的已经达到限制大小的文件，称为older data file，如下图：

文件中的数据结构非常简单，是一条一条的数据写入操作，每一条数据的结构如下：

上面数据项分别为key，value，key的大小，value的大小，时间戳（应该是），以及对前面几项做的crc校验值。（数据删除操作也不会删除旧的条目，而是将value设定为一个特殊的值以作标示）
数据文件中就是连续一条条上面格式的数据，如下图：

上面就是日志型的数据文件，但文件这样持续的存下去，肯定是会无限膨胀的，为了解决个问题，和其他日志型存储系统一样Bitcask也有一个定期的merge操作。
merge操作，即定期将所有older data file中的数据扫描一遍并生成新的data file（没有包括active data file 是因为它还在不停写入），这里的merge其实就是将对同一个key的多个操作以只保留最新一个的原则进行删除。每次merge后，新生成的数据文件就不再有冗余数据了。

事实上，Bitcask 中有两类文件：

xxx.w：即上面说的数据文件，xxx 是一个数值，写满1G后将新建文件，数值自增，程序往数值最大的一个文件 Append 数据；
write.pos：记录当前数值最大的 xxx.w 文件（FileNo），以及该文件的写位移（Offset），方便在写数据的时候快速定位；

定义了数据文件和记录写位移的文件后，我们通过以下方式实现数据写：

检查当前 xxx.w 文件写位移 + 当前要写入的数据长度是否大于MAX_FILE_SIZE（即一个数据文件的最大size，这里我们定义为1G）；如果大于则创建一个序号增 1 的 .w 文件；
调用 open、write 函数将数据追加到当前 .w 文件结尾；
更新 write.pos 中 FileNo、Offset 的值；

基于hash表的索引数据

写操作有 write.pos 文件指明要写入的 FileNo 和 Offset；但对于读操作，如何快速地从浩瀚的数据中，找到某个 key 对应数据所在的文件和文件位移呢？这要依赖于内存中的hash表数据索引，如下图

hash表对应的这个结构中包括了三个用于定位数据value的信息，分别是文件id号(file_id)，value值在文件中的位置（value_pos）,value值的大小（value_sz），于是我们通过读取file_id对应文件的value_pos开始的value_sz个字节，就得到了我们需要的value值。整个过程如下图所示：

由于多了一个hash表的存在，我们的写操作就需要多更新一块内容，即这个hash表的对应关系。于是一个写操作就需要进行一次顺序的磁盘写入和一次内存操作。

另外，由于索引hash表是存放在内存中的，每次进程重启时需要重建hash表，这需要整个扫描一遍所有的数据文件，如果数据文件很大，这将是一个非常耗时的过程。因此Bitcask模型中包含了一个称作hint file的部分，目的在于提高重建hash表的速度。

上面讲到在old data file进行merge操作时，会产生新的data file，而Bitcask模型实际还鼓励生成一个hint file，这个hint file中每一项的数据结构，与data file中的数据结构非常相似，不同的是他并不存储具体的value值，而是存储value的位置，这样，在重建hash表时，就不需要再扫描所有data file文件，而仅仅需要将hint file中的数据一行行读取并重建即可。大大提高了利用数据文件重启数据库的速度。