Cassandra的存储机制

在2009年兴起的NoSQL运动中，Cassandra是其中重要的一个分布式key-value数据库产品，由Facebook在2008年开源，目前是Apache的顶级项目。最近twitter的一篇声明，表示将从MySQL迁移到Cassandra，更让其声名大振。Cassandra是结合了Google Bigtable的数据模型和Amazon Dynamo高可用框架的一个产品。其数据模型可以参考张瑞的blog。

值得说一下的是Cassandra的存储机制，也是借鉴了Bigtable的设计，采用Memtable和SSTable的方式。和关系数据库一样，Cassandra在写数据之前，也需要先记录日志，称之为commitlog，然后数据才会写入到Column Family对应的Memtable中，并且Memtable中的内容是按照key排序好的。Memtable是一种内存结构，满足一定条件后批量刷新到磁盘上，存储为SSTable。这种机制，相当于缓存写回机制(Write-back Cache)，优势在于将随机IO写变成顺序IO写，降低大量的写操作对于存储系统的压力。SSTable一旦完成写入，就不可变更，只能读取。下一次Memtable需要刷新到一个新的SSTable文件中。所以对于Cassandra来说，可以认为只有顺序写，没有随机写操作。

因为SSTable数据不可更新，可能导致同一个Column Family的数据存储在多个SSTable中，这时查询数据时，需要去合并读取Column Family所有的SSTable和Memtable，这样到一个Column Family的数量很大的时候，可能导致查询效率严重下降。因此需要有一种机制能快速定位查询的Key落在哪些SSTable中，而不需要去读取合并所有的SSTable。Cassandra采用的是Bloom Filter算法，通过多个hash函数将key映射到一个位图中，来快速判断这个key属于哪个SSTable。关于Bloom Filter，有兴趣的可以去看看参考文章4,5和6。

为了避免大量SSTable带来的性能影响，Cassandra也提供一种定期将多个SSTable合并成一个新的SSTable的机制，因为每个SSTable中的key都是已经排序好的，因此只需要做一次合并排序就可以完成该任务，代价还是可以接受的。所以在Cassandra的数据存储目录中，可以看到三种类型的文件，格式类似于：

• Column Family Name-序号-Data.db
• Column Family Name-序号-Filter.db
• Column Family Name-序号-index.db

其中Data.db文件是SSTable数据文件，SSTable是Sorted Strings Table的缩写，按照key排序后存储key/value键值字符串。index.db是索引文件，保存的是每个key在数据文件中的偏移位置，而Filter.db则是Bloom Filter算法生产的映射文件。

上面大致介绍了一下Cassandra的存储机制，通过将最新的写操作放在内存中的Memtable，然后定期刷新到磁盘持久化为SSTable，Cassandra将随机写操作转换成了顺序写操作，这可以提升IO性能。

最新写入的脏数据是在内存Memtable表中，因此必须有机制来确保异常情况下，能够将内存中的数据恢复出来。和关系型数据库系统一样，Cassandra也是采用的先写日志再写数据的方式，其日志称之为Commitlog。

和Memtable/SSTable不一样的是，Commitlog是server级别的，不是Column Family级别的。每个Commitlog文件的大小是固定的，称之为一个Commitlog Segment，目前版本(0.5.1)中，这个大小是128MB，这是硬编码在代码(src/java/org/apache/cassandra/db/Commitlog.java)中的。当一个Commitlog文件写满以后，会新建一个的文件。当旧的Commitlog文件不再需要时，会自动清除。

每个Commitlog文件(Segment)都有一个固定大小（大小根据Column Family的数目而定）的CommitlogHeader结构，其中有两个重要的数组，每一个Column Family在这两个数组中都存在一个对应的元素。其中一个是位图数组(BitSet dirty)，如果Column Family对应的Memtable中有脏数据，则置为1，否则为0，这在恢复的时候可以指出哪些Column Family是需要利用Commitlog进行恢复的。另外一个是整数数组(int[] lastFlushedAt)，保存的是Column Family在上一次Flush时日志的偏移位置，恢复时则可以从这个位置读取Commitlog记录。通过这两个数组结构，Cassandra可以在异常重启服务的时候根据持久化的SSTable和Commitlog重构内存中Memtable的内容，也就是类似Oracle等关系型数据库的实例恢复。

当Memtable flush到磁盘的SStable时，会将所有Commitlog文件的dirty数组对应的位清零，而在Commitlog达到大小限制创建新的文件时，dirty数组会从上一个文件中继承过来。如果一个Commitlog文件的dirty数组全部被清零，则表示这个Commitlog在恢复的时候不再需要，可以被清除。因此，在恢复的时候，所有的磁盘上存在的Commitlog文件都是需要的。

 

参考文章：
[1].http://wiki.apache.org/cassandra/MemtableSSTable
[2].http://wiki.apache.org/cassandra/ArchitectureSSTable
[3].http://blog.csdn.net/jiaomeng/archive/2007/01/27/1495500.aspx
[4].http://www.hellodba.net/2009/04/bloom_filter.html
[5].http://labs.google.com/papers/bigtable.html