ToplingDB高性能 K-V 数据库引擎-技术圈

ToplingDB 是由北京拓扑岭科技有限公司出品的一款开源数据库引擎。Fock 自 RocksDB 并进行内核改造，以独有的“可检索内存压缩”和“分布式 compact”等技术手段，大大提升数据库引擎的性能和可用性。

部署安装 ToplingDB

服务器环境

操作系统： CentOS Linux release 8.4.2105

g++版本： g++ (GCC) 8.4.1 20200928 (Red Hat 8.4.1-1)
安装相关依赖

ToplingDB 基于 RocksDB 构建，我们需要用到压缩库 snappy 和命令行参数解析工具 gflags 。除此之外，在编译的过程中，还需要用到 libaio 的开发包。
- 安装 snappy ：
  1
  
  sudo yum install snappy snappy-devel
- 安装 gflags ：
  - 对于 CentOS 8：
    1
    
    sudo dnf --enablerepo=powertools install gflags-devel
  - 对于 CentOS 7（需要 EPEL ）：
    1
    
    sudo yum install gflags-devel
- 安装 libaio-devel ：
  1
  
  sudo yum install libaio-devel

安装 ToplingDB

获取项目源代码：

1 2	cd ~ git clone https://github.com/topling/toplingdb.git

更新依赖的子项目：

1 2	cd toplingdb git submodule update --init --recursive

编译安装动态库：
1 2
make shared_lib sudo make install

设置环境变量：

除了 librocksdb.so 之外，我们还会用到 topling-zip 编译生成的 libterark-zbs-r.so 等动态库。在刚才的 make 过程中， topling-zip 已被克隆到 toplingdb/sideplugin 目录下，它编译得到的动态库位于 topling-zip/build/Linux-x86_64-g++-8.4-bmi2-1/lib_shared 。

打开文件 ~/.bashrc ，在文件的末尾增加下列两行：

1 2	export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib:$LD_LIBRARY_PATH export LD_LIBRARY_PATH=~/toplingdb/sideplugin/topling-zip/build/Linux-x86_64-g++-8.4-bmi2-1/lib_shared:$LD_LIBRARY_PATH

保存后，执行以下命令，更新我们的设置：

1	source ~/.bashrc

需要注意的是， Linux-x86_64-g++-8.4-bmi2-1 这一目录名称是根据编译环境而自动命名的。若您的编译环境与本文环境不同，您需要自行查看具体的目录，并调整之前设置的环境变量路径。

通过配置文件打开数据库

ToplingDB 是一个嵌入式数据库，数据库的库文件直接链接在应用程序中，应用程序通过调用 API 来进行数据库的读写操作。

在本文的所有示例中，我们将数据库放置在路径 /home/topling/db/ 下，也就是用户主目录下的 db 文件夹中。所有编写的代码和配置文件也放在用户主目录 /home/topling/ 下。

创建配置文件和数据库目录

执行下列命令建立存放数据库的文件夹。
1 2 3
cd ~ mkdir -p db mkdir -p db/db_mcf
在同一目录下创建配置文件 toplingconf.json ，然后找到我们的示例配置文件，将它里面的配置信息复制进来。

接下来，修改配置信息中的数据库路径信息 path ，它位于最末尾的 db_mcf 字段中。将它修改为你自己的用户主目录下的db文件夹下的 db_mcf 。
1
"path": "/home/topling/db/db_mcf"
更多关于配置文件的信息，请参阅配置系统介绍。

创建操作数据库的 .cc/.cpp/.cxx 文件

在用户主空间下，创建包含 main 函数的文件 sample.cpp ，加载我们会用到的头文件 topling/side_plugin_repo.h ，以及标准输入输出流的头文件 iostream 。

1 2	#include "topling/side_plugin_factory.h" #include <iostream>

在主函数中，创建一个 rocksdb::SidePluginRepo 类的实例 repo 。调用它的成员函数 ImportAutoFile ，从我们刚才写好的配置文件中加载配置信息。

1 2	rocksdb::SidePluginRepo repo; // Repo represents of ConfigRepository repo.ImportAutoFile("/home/topling/toplingconf.json");

在示例的配置信息中，打开的数据库是 db_mcf ，这是一个包含多个 ColumnFamily 的 DB ，对应类型 rocksdb::DB_MultiCF 。创建一个该类型的指针 dbm 来接收打开的数据库，并将返回的 rocksdb::Status 中的信息打印出来。如果返回的是 OK ，则表示打开成功。

#include "topling/side_plugin_factory.h"
#include <iostream>

int main()
{
    rocksdb::SidePluginRepo repo;
    repo.ImportAutoFile("/home/topling/toplingconf.json");

    rocksdb::DB_MultiCF *dbm;
    auto status = repo.OpenDB(&dbm);
    std::cout << status.ToString() << std::endl;

    return 0;
}

编译

使用以下指令进行编译，输出可执行文件 sample.out 。

g++ sample.cpp -I ~/toplingdb/sideplugin/rockside/src -I ~/toplingdb -I ~/toplingdb/sideplugin/topling-zip/src -I ~/toplingdb/sideplugin/topling-zip/boost-include -l:librocksdb.so -DSIDE_PLUGIN_WITH_YAML=1  -DROCKSDB_NO_DYNAMIC_EXTENSION=1 -o sample.out

使用命令 ./sample.out 执行生成的二进制文件。不出意外，我们将看到终端打印出 OK ，这表示我们正确地打开了数据库。

对数据库的简单读写操作

在打开数据库后， dbm 中有两个重要的成员变量：指向数据库实例的指针 db 和储存所有 ColumnFamilyHandle 的 vector 容器 cf_handles 。

1 2	auto db = dbm -> db; auto handles = dbm -> cf_handles;

通过它们就可以像操作 RocksDB 一般，对 ToplingDB 进行读写了。如果我们在此基础上增加对输入命令的解析，就成了一个简单的服务式的 KV数据库程序。

// write
db -> Put(rocksdb::WriteOptions(), handles[0], rocksdb::Slice("test"), rocksdb::Slice("default_cf");
db -> Put(rocksdb::WriteOptions(), handles[1], rocksdb::Slice("test"), rocksdb::Slice("custom_cf");

//read
std::string value1 , value2;
db -> Get(rocksdb::ReadOptions(), handles[0], rocksdb::Slice("test"), &value1);
db -> Get(rocksdb::ReadOptions(), handles[1], rocksdb::Slice("test"), &value2);
std::cout << value1 << std::endl;
std::cout << value2 << std::endl;

//delete
status = db -> Delete(rocksdb::WriteOptions(), handles[0], rocksdb::Slice("test"));
std::cout << status.ToString() << std::endl;
status = db -> Delete(rocksdb::WriteOptions(), handles[0], rocksdb::Slice("not exist"));
std::cout << status.ToString() << std::endl;

更换 SST Table

ToplingDB 支持旁路插件化，只通过更改配置文件就可以更换 SST 文件的 TableFactory ，无需修改代码。

使用 RocksDB 内置的 SST

修改配置文件中 TableFactory 的部分，增加不同 Table 类型的配置。

"TableFactory": {
    "block_based": {
        "class": "BlockBasedTable",
        "params": {
    
        }
    },
    "cuckoo": {
        "class": "CuckooTable",
        "params": {
            
        }
    },
    "plain": {
        "class": "PlainTable",
        "params": {
            
        }
    }
},

然后在 database 的部分中，使用我们新设置的 table ：

"SliceTransform": {
    "default": {
        "class" : "FixedPrefixTransform",
        "params" :{
            "prefix_len" : 10
        }
    }
},
"database": {
    ...
    
    "column_families": {
        "default": "$default",
        "custom_cf" : {
            "max_write_buffer_number": 4,
            "target_file_size_base": "16M",
            "target_file_size_multiplier": 2,
            "table_factory": "block_based",
            "ttl": 0
        },
        "cuckoo_cf" : {
            "table_factory": "cuckoo"
        },
        "plain_cf" : {
            "table_factory": "plain",
            "prefix_extractor" : "$default"
        }
    },
}

直接运行我们之前的程序，现在打开的数据库中， cuckoo_cf 和 plain_cf 这两个 ColumnFamily 就已经使用了新的 Table 而不是默认的 BlockBasedTable 。

如果您在这一步遇到了问题，也可以参考 2-1-toplingconf.json 。

使用第三方 SST 文件

只需要通过 ROCKSDB_FACTORY_REG 宏注册第三方的 Factory ，就可以像使用 RocksDB 内置类型一样使用第三方 SST 文件。

为了进行一个简单的示范，我们稍微包装一下 BlockBasedTable ，拿它当作一个第三方 SST 文件。

创建 mysst.h

// mysst.h

#define ROCKSDB_PLATFORM_POSIX
#include "table/block_based/block_based_table_factory.h"
namespace rocksdb
{
struct MyBlockBasedTableOptions : public BlockBasedTableOptions {};
    
class MyBlockBasedTableFactory : public BlockBasedTableFactory
{
public:
explicit MyBlockBasedTableFactory(
      const MyBlockBasedTableOptions& table_options = MyBlockBasedTableOptions());
      const char* Name() const;
~MyBlockBasedTableFactory() {};
};

}

创建 mysst.cpp

// mysst.cpp

#include "mysst.h"
#include <iostream>

namespace rocksdb
{

MyBlockBasedTableFactory::MyBlockBasedTableFactory(const MyBlockBasedTableOptions& _table_options)
     : BlockBasedTableFactory(_table_options) 
     {
         std::cout << "Using MyBlockBasedTableFactory" << std::endl;
     }

const char* MyBlockBasedTableFactory::Name() const
{
    return "MyBlockBasedTableFactory";
};

}

可以看到 MyBlockBasedTable 只是继承了 BlockBasedTable 而已，没有其它的改动。只不过当我们使用 MyBlockBasedTable 时，执行它的构造函数会打印出 “Using MyBlockBasedTableFactory” 。

在 mysst.cpp 文件中，增加以下部分：

#include "topling/side_plugin_factory.h"
namespace rocksdb
{

std::shared_ptr<TableFactory> ThirdSSTExample(const json& js , const SidePluginRepo& repo)
{
    return std::make_shared<MyBlockBasedTableFactory>(MyBlockBasedTableOptions());
}
ROCKSDB_FACTORY_REG("MyBlockBased", ThirdSSTExample);
}

修改完成后的代码可以参考 2-2-3-mysst.cpp 。

这里为了方便起见，我们总是使用默认的配置项来构造 MyBlockBasedTable 。在实际使用中，您应该通过 js 中保存的 json 信息来构造您使用的 TableFactory ，它类似这样：

std::shared_ptr<TableFactory> ThirdSSTExample(const json& js , const SidePluginRepo& repo)
{
	ThirdTableOptions table_options;
	
    // some code for modifying table_options by json
    ...
    ...
    
    return std::make_shared<ThirdTableFactory>(table_options);
}
ROCKSDB_FACTORY_REG("MyBlockBased", ThirdSSTExample);

编译生成 libmysst.so

执行以下指令进行编译，生成自定义插件 MyBlockBasedTable 的动态库 libmysst.so ：

g++ mysst.cpp -I ~/toplingdb -I ~/toplingdb/sideplugin/rockside/src -I ~/toplingdb/sideplugin/topling-zip/src -I ~/toplingdb/sideplugin/topling-zip/boost-include -l:librocksdb.so -fPIC -shared -o libmysst.so

动态加载 libmysst.so ：

设置环境变量 LD_PRELOAD 后，直接运行我们之前的可执行程序 sample.out :

1	LD_PRELOAD=./libmysst.so ./sample.out

此时 MyBlockBasedTable 已经注册进 ToplingDB ，现在就可以像之前使用 RocksDB 内置的 PlainTable 、 CuckooTable 一般，直接在配置项中启用 MyBlockBasedTable 了。

在配置文件中进行如下修改，将内置类型 BlockBasedTable 改为第 3 步中，我们用 ROCKSDB_FACTORY_REG 宏注册的名称 “MyBlockBased” 。

"TableFactory": {
    "block_based": {
        "class": "MyBlockBased",
        "params": {
            
        }
    },
    
    ...
}

再次运行 sample.out （不要忘记设置 LD_PRELOAD ！），就能看到 MyBlockBasedTable 在构造函数中打印的提示信息了。

使用 AnyPlugin 进行 HTML 展示

为了方便，本示例在 sample.cpp 的基础上直接进行修改，没有单独将 HTML 展示插件编译为动态库。

在 rocksdb 命名空间内，定义 AnyPlugin 的派生类 HtmlShowExample ，并修改它的 ToString 函数和 Name 函数。

namespace rocksdb {
class HtmlShowExample : public AnyPlugin 
{
public:
    void Update(const json&, const SidePluginRepo&) {}
    std::string ToString(const json& dump_options, const SidePluginRepo&) const 
    {
        return "This is an example of HTML show.";
    }
    const char* Name() const
    {
        return "HtmlShowExample";
    }
};
}

ToString 函数的返回值是 std::string 类型，其返回的 string 字符串，会被无差别地打印在浏览器中。若返回值是一个序列化的 json 对象， AnyPlugin 还能够以表格的形式展示数据。

定义派生类 HtmlShowExample 之后，仍然在 rocksdb 命名空间中，使用下列的宏将其注册。

1 2	ROCKSDB_REG_DEFAULT_CONS(HtmlShowExample, AnyPlugin); ROCKSDB_REG_AnyPluginManip("HtmlShowExample");

开启 http 服务

在加载配置文件后，调用 repo 的成员函数 StartHttpServer 开启 http 服务。与打开 DB 相似，我们也可以打印出返回的 rocksdb::Status 的相关信息作为参考。
1 2
auto http_status = repo.StartHttpServer(); std::cout << http_status.ToString() << std::endl;
修改后的源程序为 3-2-sample.cpp 。

修改配置文件

在配置文件的最外层中，增加我们的展示插件信息。

{
    "AnyPlugin": {
        "html-show-example": "HtmlShowExample"
    },
    
    ...
}

编译并运行项目

使用我们之前的编译指令编译修改后的 sample.cpp ，并执行程序。

我们在示例配置文件中设置的监听端口为 8081 ，访问 127.0.0.1:8081/AnyPlugin/html-show-example ，即可看到展示信息。

如果您不是在本地上执行程序，将 127.0.0.1 更改为您机器的访问ip。如果执行程序打印的信息均为OK，但无法打开页面，请检查防火墙设置。
其他信息展示

ToplingDB 内部集成了一个 WebService 用于对外展示内部信息，例如目前配置的参数选项，LSM树的状态，或者是分布式 compact 的执行情况等等。另外，在 Statistic 下展示的监控指标，还可以导入到 Prometheus + Grafana 中进行监控。

若您还使用了第三方插件，在实现并注册对应的 PluginManipFunc 模板类后，即可在对应的 web 页面下看到 ToString 成员函数返回的序列化信息。