libmdbx

Extended LMDB, aka "Расширенная LMDB".

The Future will Positive. Всё будет хорошо.

English version by Google is here.

Кратко

libmdbx - это встраиваемый key-value движок хранения со специфическим набором возможностей, которые при правильном применении позволяют создавать уникальные решения с чемпионской производительностью, идеально сочетаясь с технологией MRAM.

libmdbx обновляет совместно используемый набор данных, никак не мешая при этом параллельным операциям чтения, не применяя атомарных операций к самим данным, и обеспечивая согласованность при аварийной остановке в любой момент. Поэтому libmdbx позволяя строить системы с линейным масштабированием производительности чтения/поиска по ядрам CPU и амортизационной стоимостью любых операций Olog(N).

История

libmdbx является потомком "Lightning Memory-Mapped Database", известной под аббревиатурой LMDB. Изначально доработка производилась в составе проекта ReOpenLDAP. Примерно за год работы внесенные изменения приобрели самостоятельную ценность. Осенью 2015 доработанный движок был выделен в отдельный проект, который был представлен на конференции Highload++ 2015.

Характеристики и ключевые особенности

libmdbx наследует все ключевые возможности и особенности от своего прародителя LMDB, с устранением описанных далее проблем и архитектурных недочетов.

Общее для оригинальной LMDB и libmdbx

1. Данные хранятся в упорядоченном отображении (ordered map), ключи всегда отсортированы, поддерживается выборка диапазонов (range lookups).

2. Данные отображается в память каждого работающего с БД процесса. Ключам и данным обеспечивается прямой доступ без необходимости их копирования, так как они защищены транзакцией чтения и не изменяются.

3. Транзакции согласно ACID, посредством MVCC и COW. Изменения строго последовательны и не блокируются чтением, конфликты между транзакциями не возможны.

4. Чтение и поиск без блокировок, без атомарных операций. Читатели не блокируются операциями записи и не конкурируют между собой, чтение масштабируется линейно по ядрам CPU.

5. Эффективное хранение дубликатов (ключей с несколькими значениями), без дублирования ключей, с сортировкой значений, в том числе целочисленных (для вторичных индексов).

6. Эффективная поддержка ключей фиксированной длины, в том числе целочисленных.

7. Амортизационная стоимость любой операции Olog(N), WAF и RAF также Olog(N).

8. Нет WAL и журнала транзакций, после сбоев не требуется восстановление. Не требуется компактификация или какое-либо периодическое обслуживание. Поддерживается резервное копирование "по горячему", на работающей БД без приостановки изменения данных.

9. Отсутствует какое-либо внутреннее управление памятью или кэшированием. Всё необходимое штатно выполняет ядро ОС.

Недостатки и Компромиссы

1. Единовременно может выполняться не более одной транзакция изменения данных (один писатель). Зато все изменения всегда последовательны, не может быть конфликтов или ошибок при откате транзакций.

2. Отсутствие WAL обуславливает относительно большой WAF. Поэтому фиксация изменений на диске может быть дорогой и является главным ограничителем для производительности по записи. В качестве компромисса предлагается несколько режимов ленивой и/или периодической фиксации. В том числе режим MAPASYNC, при котором изменения происходят только в памяти и асинхронно фиксируются на диске ядром ОС.

3. COW для реализации MVCC выполняется на уровне страниц в B+ дереве. Поэтому изменение данных амортизационно требует копирования Olog(N) страниц, что расходует пропускную способность оперативной памяти и является основным ограничителем производительности в режиме MAPASYNC.

4. В LMDB существует проблема долгих чтений (приостановленных читателей), которая приводит к деградации производительности и переполнению БД. В libmdbx предложены средства для предотвращения, выхода из проблемной ситуации и устранения её последствий. Подробности ниже.

5. В LMDB есть вероятность разрушения БД в режиме WRITEMAP+MAPASYNC. В libmdbx для WRITEMAP+MAPASYNC гарантируется как сохранность базы, так и согласованность данных. При этом также, в качестве альтернативы, предложен режим UTTERLY_NOSYNC. Подробности ниже.

Проблема долгих чтений

Понимание проблемы требует некоторых пояснений, которые изложены ниже, но могут быть сложны для быстрого восприятия. Поэтому, тезисно:

• Изменение данных на фоне долгой операции чтения может приводить к исчерпанию места в БД.

• После чего любая попытка обновить данные будет приводить к ошибке MAP_FULL до завершения долгой операции чтения.

• Характерными примерами долгих чтений являются горячее резервное копирования и отладка клиентского приложения при активной транзакции чтения.

• В оригинальной LMDB после этого будет наблюдаться устойчивая деградация производительности всех механизмов обратной записи на диск (в I/O контроллере, в гипервизоре, в ядре ОС).

• В libmdbx предусмотрен механизм аварийного прерывания таких операций, а также режим LIFO RECLAIM устраняющий последующую деградацию производительности.

Операции чтения выполняются в контексте снимка данных (версии БД), который был актуальным на момент старта транзакции чтения. Такой читаемый снимок поддерживается неизменным до завершения операции. В свою очередь, это не позволяет повторно использовать страницы БД в последующих версиях (снимках БД).

Другими словами, если обновление данных выполняется на фоне долгой операции чтения, то вместо повторного использования "старых" ненужных страниц будут выделяться новые, так как "старые" страницы составляют снимок БД, который еще используется долгой операцией чтения.

В результате, при интенсивном изменении данных и достаточно длительной операции чтения, в БД могут быть исчерпаны свободные страницы, что не позволит создавать новые снимки/версии БД. Такая ситуация будет сохраняться до завершения операции чтения, которая использует старый снимок данных и препятствует повторному использованию страниц БД.

Однако, на этом проблемы не заканчиваются. После описанной ситуации, все дополнительные страницы, которые были выделены пока переработка старых была невозможна, будут участвовать в цикле выделения/освобождения до конца жизни экземпляра БД. В оригинальной LMDB этот цикл использования страниц работает по принципу FIFO. Поэтому увеличение количества циркулирующий страниц, с точки зрения механизмов кэширования и/или обратной записи, выглядит как увеличение рабочего набор данных. Проще говоря, однократное попадание в ситуацию "уснувшего читателя" приводит к устойчивому эффекту вымывания I/O кэша при всех последующих изменениях данных.

Для устранения описанных проблемы в libmdbx сделаны существенные доработки, подробности ниже. Иллюстрации к проблеме "долгих чтений" можно найти в слайдах презентации. Там же приведен пример количественной оценки прироста производительности за счет эффективной работы BBWC при включении LIFO RECLAIM в libmdbx.

Вероятность разрушения БД в режиме WRITEMAP+MAPASYNC

При работе в режиме WRITEMAP+MAPSYNC запись измененных страниц выполняется ядром ОС, что имеет ряд преимуществ. Так например, при крахе приложения, ядро ОС сохранит все изменения.

Однако, при аварийном отключении питания или сбое в ядре ОС, на диске будет сохранена только часть измененных страниц БД. При этом с большой вероятностью может оказаться так, что будут сохранены мета-страницы со ссылками на страницы с новыми версиями данных, но не сами новые данные. В этом случае БД будет безвозвратна разрушена, даже если до аварии производилась полная синхронизация данных (посредством mdbx_env_sync()).

В libmdbx эта проблема устранена, подробности ниже.

Доработки libmdbx

1. Режим LIFO RECLAIM.

   Для повторного использования выбираются не самые старые, а самые новые страницы из доступных. За счет этого цикл использования страниц всегда имеет минимальную длину и не зависит от общего числа выделенных страниц.

   В результате механизмы кэширования и обратной записи работают с максимально возможной эффективностью. В случае использования контроллера дисков или системы хранения с BBWC возможно многократное увеличение производительности по записи (обновлению данных).

2. Обработчик OOM-KICK.

   Посредством mdbx_env_set_oomfunc() может быть установлен внешний обработчик (callback), который будет вызван при исчерпания свободных страниц из-за долгой операцией чтения. Обработчику будет передан PID и pthread_id. В свою очередь обработчик может предпринять одно из действий:

   • отправить сигнал kill (#9), если долгое чтение выполняется сторонним процессом;

   • отменить или перезапустить проблемную операцию чтения, если операция выполняется одним из потоков текущего процесса;

   • подождать некоторое время, в расчете что проблемная операция чтения будет штатно завершена;

   • перервать текущую операцию изменения данных с возвратом кода ошибки.

3. Гарантия сохранности БД в режиме WRITEMAP+MAPSYNC.

   При работе в режиме WRITEMAP+MAPSYNC запись измененных страниц выполняется ядром ОС, что имеет ряд преимуществ. Так например, при крахе приложения, ядро ОС сохранит все изменения.

   Однако, при аварийном отключении питания или сбое в ядре ОС, на диске будет сохранена только часть измененных страниц БД. При этом с большой вероятностью может оказаться так, что будут сохранены мета-страницы со ссылками на страницы с новыми версиями данных, но не сами новые данные. В этом случае БД будет безвозвратна разрушена, даже если до аварии производилась полная синхронизация данных (посредством mdbx_env_sync()).

   В libmdbx эта проблема устранена путем полной переработки пути записи данных:

   • В режиме WRITEMAP+MAPSYNC libmdbx не обновляет мета-страницы непосредственно, а поддерживает их теневые копии с переносом изменений после фиксации данных.

   • При завершении транзакций, в зависимости от состояния синхронности данных между диском и оперативной память, libmdbx помечает точки фиксации либо как сильные (strong), либо как слабые (weak). Так например, в режиме WRITEMAP+MAPSYNC завершаемые транзакции помечаются как слабые, а при явной синхронизации данных как сильные.

   • При открытии БД выполняется автоматический откат к последней сильной фиксации. Этим обеспечивается гарантия сохранности БД.

   К сожалению, такая гарантия надежности не дается бесплатно. Для сохранности данных, страницы формирующие крайний снимок с сильной фиксацией, не должны повторно использоваться (перезаписываться) до формирования следующей сильной точки фиксации. Таким образом, крайняя точка фиксации создает описанный выше эффект "долгого чтения". Разница же здесь в том, что при исчерпании свободных страниц ситуация будет автоматически исправлена, посредством записи изменений на диск и формированием новой сильной точки фиксации.

   В последующих версиях libmdbx будут предусмотрены средства для асинхронной записи данных на диск с автоматическим формированием сильных точек фиксации.

4. Возможность автоматического формирования контрольных точек (сброса данных на диск) при накоплении заданного объёма изменений, устанавливаемого функцией mdbx_env_set_syncbytes().

5. Возможность получить отставание текущей транзакции чтения от последней версии данных в БД посредством mdbx_txn_straggler().

6. Утилита mdbx_chk для проверки БД и функция mdbx_env_pgwalk() для обхода всех страниц БД.

7. Управление отладкой и получение отладочных сообщений посредством mdbx_setup_debug().

8. Возможность связать с каждой завершаемой транзакцией до 3 дополнительных маркеров посредством mdbx_canary_put(), и прочитать их в транзакции чтения посредством mdbx_canary_get().

9. Возможность узнать есть ли за текущей позицией курсора строка данных посредством mdbx_cursor_eof().

10. Возможность явно запросить обновление существующей записи, без создания новой посредством флажка MDB_CURRENT для mdbx_put().

11. Возможность обновить или удалить запись с получением предыдущего значения данных посредством mdbx_replace().

12. Поддержка ключей и значений нулевой длины. Включая сортированные дубликаты, в том числе вне зависимости от порядка их добавления или обновления.

13. Исправленный вариант mdbx_cursor_count(), возвращающий корректное количество дубликатов для всех типов таблиц и любого положения курсора.

14. Возможность открыть БД в эксклюзивном режиме посредством mdbx_env_open_ex(), например в целях её проверки.

15. Возможность закрыть БД в "грязном" состоянии (без сброса данных и формирования сильной точки фиксации) посредством mdbx_env_close_ex().

16. Возможность получить посредством mdbx_env_info() дополнительную информацию, включая номер самой старой версии БД (снимка данных), который используется одним из читателей.

17. Функция mdbx_del() не игнорирует дополнительный (уточняющий) аргумент data для таблиц без дубликатов (без флажка MDB_DUPSORT), а при его ненулевом значении всегда использует его для сверки с удаляемой записью.

18. Возможность открыть dbi-таблицу, одновременно с установкой компараторов для ключей и данных, посредством mdbx_dbi_open_ex().

19. Возможность посредством mdbx_is_dirty() определить находятся ли некоторый ключ или данные в "грязной" странице БД. Таким образом избегаю лишнего копирования данных перед выполнением модифицирующих операций (значения в размещенные "грязных" страницах могут быть перезаписаны при изменениях, иначе они будут неизменны).

20. Корректное обновление текущей записи, в том числе сортированного дубликата, при использовании режима MDB_CURRENT в mdbx_cursor_put().

21. Все курсоры, как в транзакциях только для чтения, так и в пишущих, могут быть переиспользованы посредством mdbx_cursor_renew() и ДОЛЖНЫ ОСВОБОЖДАТЬСЯ ЯВНО.

ВАЖНО, Обратите внимание!

Это единственное изменение в API, которое значимо меняет семантику управления курсорами и может приводить к утечкам памяти. Следует отметить, что это изменение вынужденно. Так устраняется неоднозначность с массой тяжких последствий:

• обращение к уже освобожденной памяти;
• попытки повторного освобождения памяти;
• memory corruption and segfaults.

22. Дополнительный код ошибки MDBX_EMULTIVAL, который возвращается из mdbx_put() и mdbx_replace() при попытке выполнять неоднозначное обновление или удаления одного из нескольких значений с одним ключом, т.е. когда невозможно однозначно идентифицировать одно целевое значение из нескольких.

23. Возможность посредством mdbx_get_ex() получить значение по заданному ключу, одновременно с количеством дубликатов.

24. Наличие функций mdbx_cursor_on_first() и mdbx_cursor_on_last(), которые позволяют быстро выяснить стоит ли курсор на первой/последней позиции.

25. При завершении читающих транзакций, открытые в них DBI-хендлы не закрываются и не теряются при завершении таких транзакций посредством mdbx_txn_abort() или mdbx_txn_reset(). Что позволяет избавится от ряда сложно обнаруживаемых ошибок.