《Go语言四十二章经》第四十章 LevelDB与BoltDB

《Go语言四十二章经》第四十章 LevelDB与BoltDB

作者：李骁

LevelDB 和 BoltDB 都是k/v数据库。

但LevelDB没有事务，LevelDB实现了一个日志结构化的merge tree。它将有序的key/value存储在不同文件的之中，通过db, _ := leveldb.OpenFile("db", nil)，在db目录下有很多数据文件，并通过“层级”把它们分开，并且周期性地将小的文件merge为更大的文件。这让其在随机写的时候会很快，但是读的时候却很慢。

这也让LevelDB的性能不可预知：但数据量很小的时候，它可能性能很好，但是当随着数据量的增加，性能只会越来越糟糕。而且做merge的线程也会在服务器上出现问题。

LSM树而且通过批量存储技术规避磁盘随机写入问题。 LSM树的设计思想非常朴素，它的原理是把一颗大树拆分成N棵小树， 它首先写入到内存中（内存没有寻道速度的问题，随机写的性能得到大幅提升），在内存中构建一颗有序小树，随着小树越来越大，内存的小树会flush到磁盘上。磁盘中的树定期可以做merge操作，合并成一棵大树，以优化读性能。

BoltDB会在数据文件上获得一个文件锁，所以多个进程不能同时打开同一个数据库。BoltDB使用一个单独的内存映射的文件(.db)，实现一个写入时拷贝的B+树，这能让读取更快。而且，BoltDB的载入时间很快，特别是在从crash恢复的时候，因为它不需要去通过读log去找到上次成功的事务，它仅仅从两个B+树的根节点读取ID。

BoltDB支持完全可序列化的ACID事务，让应用程序可以更简单的处理复杂操作。

BoltDB设计源于LMDB，具有以下特点：

• 直接使用API存取数据，没有查询语句；
• 支持完全可序列化的ACID事务，这个特性比LevelDB强；
• 数据保存在内存映射的文件里。没有wal、线程压缩和垃圾回收；
• 通过COW技术，可实现无锁的读写并发，但是无法实现无锁的写写并发，这就注定了读性能超高，但写性能一般，适合与读多写少的场景。
• 最后，BoltDB使用Golang开发，而且被应用于influxDB项目作为底层存储。

LMDB的全称是Lightning Memory-Mapped Database(快如闪电的内存映射数据库)，它的文件结构简单，包含一个数据文件和一个锁文件.

LMDB文件可以同时由多个进程打开，具有极高的数据存取速度，访问简单，不需要运行单独的数据库管理进程，只要在访问数据的代码里引用LMDB库，访问时给文件路径即可。

让系统访问大量小文件的开销很大，而LMDB使用内存映射的方式访问文件，使得文件内寻址的开销非常小，使用指针运算就能实现。数据库单文件还能减少数据集复制/传输过程的开销。

40.1 LevelDB

package kvdb

import (
    "fmt"

    "github.com/syndtr/goleveldb/leveldb"
    "github.com/syndtr/goleveldb/leveldb/util"
)

func Leveldb() {
    db, _ := leveldb.OpenFile("db", nil)

    defer db.Close()
    //读写数据库:
    _ = db.Put([]byte("key1"), []byte("好好检查"), nil)
    _ = db.Put([]byte("key2"), []byte("天天向上"), nil)
    _ = db.Put([]byte("key:3"), []byte("就会一个本事"), nil)

    data, _ := db.Get([]byte("key1"), nil)
    fmt.Println(string(data))

    //迭代数据库内容:
    iter := db.NewIterator(nil, nil)
    for iter.Next() {
        key := iter.Key()
        value := iter.Value()
        fmt.Println(string(key), string(value))

    }
    iter.Release()
    iter.Error()

    //Seek-then-Iterate:
    iter = db.NewIterator(nil, nil)
    for ok := iter.Seek([]byte("key:")); ok; ok = iter.Next() {
        // Use key/value.
        fmt.Println("Seek-then-Iterate:")
        fmt.Println(string(iter.Value()))
    }
    iter.Release()

    //Iterate over subset of database content:
    iter = db.NewIterator(&util.Range{Start: []byte("key:"), Limit: []byte("xoo")}, nil)
    for iter.Next() {
        // Use key/value.

        fmt.Println("Iterate over subset of database content:")
        fmt.Println(string(iter.Value()))
    }
    iter.Release()

    //Iterate over subset of database content with a particular prefix:
    iter = db.NewIterator(util.BytesPrefix([]byte("key")), nil)
    for iter.Next() {
        // Use key/value.

        fmt.Println("Iterate over subset of database content with a particular prefix:")
        fmt.Println(string(iter.Value()))
    }
    iter.Release()

    _ = iter.Error()

    //批量写:
    batch := new(leveldb.Batch)
    batch.Put([]byte("foo"), []byte("value"))
    batch.Put([]byte("bar"), []byte("another value"))
    batch.Delete([]byte("baz"))
    _ = db.Write(batch, nil)

    _ = db.Delete([]byte("key"), nil)
}

40.2 BoltDB

package kvdb

import (
    "fmt"
    "log"
    "time"

    "github.com/boltdb/bolt"
)

func Boltdb() error {
    // Bolt 会在数据文件上获得一个文件锁，所以多个进程不能同时打开同一个数据库。
    // 打开一个已经打开的 Bolt 数据库将导致它挂起，直到另一个进程关闭它。
    // 为防止无限期等待，您可以将超时选项传递给Open()函数：
    db, err := bolt.Open("my.db", 0600, &bolt.Options{Timeout: 1 * time.Second})
    defer db.Close()
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    //  两种处理方式：读-写和只读操作，读-写方式开始于db.Update方法：
    //  Bolt 一次只允许一个读写事务，但是一次允许多个只读事务。 
// 每个事务处理都有一个始终如一的数据视图
    err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {

         // 这里还有另外一层：k-v存储在bucket中，
// 可以将bucket当做一个key的集合或者是数据库中的表。
         //（顺便提一句，buckets中可以包含其他的buckets，这将会相当有用）
         // Buckets 是键值对在数据库中的集合.所有在bucket中的key必须唯一，
// 使用DB.CreateBucket() 函数建立buket
        //Tx.DeleteBucket() 删除bucket
        //b := tx.Bucket([]byte("MyBucket"))
        b, err := tx.CreateBucketIfNotExists([]byte("MyBucket"))


        //要将 key/value 对保存到 bucket，请使用 Bucket.Put() 函数：
        //这将在 MyBucket 的 bucket 中将 "answer" key的值设置为"42"。
        err = b.Put([]byte("answer")，[]byte("42"))
        return err
    })

    // 可以看到，传入db.update函数一个参数，在函数内部你可以get/set数据和处理error。
    // 如返回为nil，事务就会从数据库得到一个commit，但如果返回一个实际的错误，则会做回滚，
    // 你在函数中做的事情都不会commit。这很自然，因为你不需要人为地去关心事务的回滚，
    // 只需要返回一个错误，其他的由Bolt去帮你完成。
    // 只读事务 只读事务和读写事务不应该相互依赖，一般不应该在同一个例程中同时打开。
    // 这可能会导致死锁，因为读写事务需要定期重新映射数据文件，
// 但只有在只读事务处于打开状态时才能这样做。

    // 批量读写事务.每一次新的事物都需要等待上一次事物的结束，
// 可以通过DB.Batch()批处理来完
    err = db.Batch(func(tx *bolt.Tx) error {

        return nil
    })

    //只读事务在db.View函数之中：在函数中可以读取，但是不能做修改。
    db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
        //要检索这个value，我们可以使用 Bucket.Get() 函数：
        //由于Get是有安全保障的，所有不会返回错误，不存在的key返回nil
        b := tx.Bucket([]byte("MyBucket"))
//tx.Bucket([]byte("MyBucket")).Cursor() 可这样写
        v := b.Get([]byte("answer"))
        id, _ := b.NextSequence()
        fmt.Printf("The answer is: %s %d \n", v, id)

        //游标遍历key
        c := b.Cursor()

        for k, v := c.First(); k != nil; k, v = c.Next() {
            fmt.Printf("key=%s, value=%s\n", k, v)
        }

        //游标上有以下函数：
        //First()  移动到第一个健.
        //Last()   移动到最后一个健.
        //Seek()   移动到特定的一个健.
        //Next()   移动到下一个健.
        //Prev()   移动到上一个健.

        //Prefix 前缀扫描
        prefix := []byte("1234")
        for k, v := c.Seek(prefix); k != nil && bytes.HasPrefix(k, prefix); k, v = c.Next() {
            fmt.Printf("key=%s, value=%s\n", k, v)
        }
        return nil
    })

    //范围查找
    //另一个常见的用例是扫描范围，例如时间范围。如果你使用一个合适的时间编码，如rfc3339然后可以查询特定日期范围的数据：
    db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
        // Assume our events bucket exists and has RFC3339 encoded time keys.
        c := tx.Bucket([]byte("Events")).Cursor()

        // Our time range spans the 90's decade.
        min := []byte("1990-01-01T00:00:00Z")
        max := []byte("2000-01-01T00:00:00Z")

        // Iterate over the 90's.
        for k, v := c.Seek(min); k != nil && bytes.Compare(k, max) <= 0; k, v = c.Next() {
            fmt.Printf("%s: %s\n", k, v)
        }
        return nil
    })

    //如果你知道所在桶中拥有键，你也可以使用ForEach()来迭代：
    db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
        b := tx.Bucket([]byte("MyBucket"))

        b.ForEach(func(k, v []byte) error {
            fmt.Printf("key=%s, value=%s\n", k, v)
            return nil
        })
        return nil
    })

    //事务处理
    // 开始事务
    tx, err := db.Begin(true)
    if err != nil {
        return err
    }
    defer tx.Rollback()

    // 使用事务...
    _, err = tx.CreateBucket([]byte("MyBucket"))
    if err != nil {
        return err
    }

    // 事务提交
    if err = tx.Commit(); err != nil {
        return err
    }
    return err

    //还可以在一个键中存储一个桶，以创建嵌套的桶：
    //func (*Bucket) CreateBucket(key []byte) (*Bucket, error)
    //func (*Bucket) CreateBucketIfNotExists(key []byte) (*Bucket, error)
    //func (*Bucket) DeleteBucket(key []byte) error
}

//备份 curl http://localhost/backup > my.db
func BackupHandleFunc(w http.ResponseWriter, req *http.Request) {
    err := db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
        w.Header().Set("Content-Type", "application/octet-stream")
        w.Header().Set("Content-Disposition", `attachment; filename="my.db"`)
        w.Header().Set("Content-Length", strconv.Itoa(int(tx.Size())))
        _, err := tx.WriteTo(w)
        return err
    })
    if err != nil {
        http.Error(w, err.Error(), http.StatusInternalServerError)
    }
}

//桶的自增
//利用nextsequence()功能，你可以让boltdb生成序列作为你键值对的唯一标识。见下面的示例。
func (s *Store) CreateUser(u *User) error {
    return s.db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
        // 创建users桶
        b := tx.Bucket([]byte("users"))

        // 生成自增序列
        id, _ = b.NextSequence()
        u.ID = int(id)

        // Marshal user data into bytes.
        buf, err := Json.Marshal(u)
        if err != nil {
            return err
        }
        // Persist bytes to users bucket.
        return b.Put(itob(u.ID), buf)
    })
}

// itob returns an 8-byte big endian representation of v.
func itob(v int) []byte {
    b := make([]byte, 8)
    binary.BigEndian.PutUint64(b, uint64(v))
    return b
}

type User struct {
    ID int
}