浅析下时序数据库QuestDB的存储机制

2022-03-22 15:47:20

0.前言

QuestDB是在2014年开源的一个面向列的关系型时序数据库，专为时间序列和事件数据而设计。开发语言为Java和C++, 外部依赖较少，源码仓库地址为：https://github.com/questdb/questdb。QuestDB在db-engines 上的排名目前在慢慢上升，目前（2021年10月）的排名为14，如下所示。本文结合QuestDB v6.0.9的源码和相关资料对QuestDB的存储机制进行浅析, 如有不对的地方，欢迎批评指正。

1.整体架构

QuestDB 是一个高性能、开源的 SQL 数据库，适用于金融服务、物联网、机器学习、DevOps 和可观测性应用，整体架构如下图所示。目前QuestDB是一个单机的基于本地磁盘的数据库，支持使用InfluxDB 行协议、PostgreSQL协议以及用于查询、批量导入和导出的 REST API。另外, QuestDB使用带有时间序列扩展的 SQL来协助实时分析, 易用性非常高。QuestDB采用的是面向列的存储模型，专为时间序列和事件数据而设计, 从存储模型上对于分析查询非常友好。

2.上手体验

这里为提高效率，直接使用QuestDB提供的docker镜像运行QuestDB实例，只需运行如下命令即可将QuestDB运行起来。其中，9000端口对应REST API，9009端口对应InfluxDB的行协议，8812端口对应Postgres协议。

docker run -d -p 9000:9000 -p 9009:9009 -p 8812:8812 questdb/questdb

结合docker ps和docker logs，即可看到QuestDB的启动日志，如下所示。

QuestDB提供给了可视化的UI，通过http://localhost:9000/即可访问，如下图所示，包含表视图区，SQL输入和执行区，绘图区等部分。QuestDB默认创建了telemetry和telemetry_config两张表。

对于InfluxDB行协议的支持，QuestDB使用的是TCP协议进行数据传输的，而非InfluxDB使用的HTTP协议。下面是采用netcat工具进行数据写入的示例，共计写入了4条数据，其中1条数据是重复的。QuestDB会自动创建InfluxDB行协议中写入的table，并自动推导数据类型。

从QuestDB的运行日志中，我们可以看出，QuestDB为新写入的readings表打开了一个新的TableWriter，并使用表名作为表数据的根目录，并且根据时间戳创建了分区目录。

写入数据后，就可以在QuestDB的WebUI上看到刚刚写入的readings表，并且可以查询到数据，如下所示。从查询结果中，可以看出QuestDB应该是Append的方式写入的数据，没有对写入的数据进行去重处理。

进入docker容器后，切换到/root/.questdb/db/readings目录下, 就可以看到QuestDB关于表的磁盘目录布局情况，如下所示。

另外，需要注意的是，QuestDB提供了一个带有时间序列扩展的 SQL实现，使得数据的读写变得简单，易于上手，这里就不再赘述了，详情参考官网SQL文档：https://questdb.io/docs/introduction/#sql

3.存储机制

QuestDB采用的是面向列的存储格式，每列各自存储在单独文件中，数据基于时间进行分区存储。数据写入方式采用的是内存映射文件（mmap）的追加方法，即新写入的数据佳在列文件的末尾。对于数据文件，QuestDB采用一写多读的方式读写文件，提供了多个不同类型的reader实现。另外QuestDB支持通过事务文件(tx file)原子地应用表更新来确保表级隔离和一致性, 保证未提交的数据不会在查询结果中显示。

3.1 磁盘目录

3.1.1 根目录

QuestDB的磁盘根目录下有配置文件目录conf、数据目录db、WebUI资源目录public、日志目log录等4个目录。

3.1.2 conf目录

conf目录下主要包含date.formats、mine.*、server.conf等3个文件。其中，date.formats是文本格式的日期格式列表；mime.*是HTTP服务器在用户下载文件时，映射对应文件的响应类型列表；server.conf服务器的配置文件。

3.1.3 db目录

该目录包含与数据库表相关的所有文件，它的组织如下：

每张表在根目录下都有自己的表目录table_directory，即root_directory/db/table_name
在表目录table_directory下，每个分区都有自己的分区目录partition_directory
在分区目录partition directory中，每一列都有自己的列文件column_file，例如mycolumn.d
如果给定的列有一个索引，那么也会有一个index_file，例如mycolumn.k和mycolumb.v

另外，表还将元数据存储在_meta文件中。设置了分区的表磁盘目录结构如下所示。

如果表未分区，则数据存储在名为default的目录下，如下所示。

当使用InfluxDB行协议写入"readings,city=London,make=Omron temperature=23.5,humidity=0.343 1465839830100400000"后，表目录readings下的文件布局如下所示。

可以看到表名和列名都直接映射到了磁盘目录上面，如果列名为中文或者特殊字符，可能会出现意想不到的情况，比如写入"@&8&,城市=伦敦,make=Omron temperature=23.5,humidity=0.343 1465839830100400000" 后，磁盘目录布局如下所示，会出现无法进入目录和中文乱码等问题。

3.2 乱序数据提交

在现实时间中，写入的数据很难保证一直按照时间单调递增的方式到达服务端，因此QuestDB从6.0 版本开始，增加了对乱序 (O3) 数据摄取的支持。

大多数实时乱序数据模式是由传递机制和硬件抖动引起的，因此时间戳分布会被某些边界所包含，如下图所示。

针对这种情况，QuestDB提供了maxUncommittedRows和commitLag两个参数用于处理乱序到达的数据，其中commitLag表示允许数据到达的延迟窗口，在窗口内的数据将在内存中等待排序，当延迟窗口移动或者内存中暂存的行数到达大未提交的行数maxUncommittedRows, 内存中未提交的数据将提交写入磁盘。

需要注意的是，这个乱序提交目前仅用于influxDB行协议写入方式，详情参考官网文档：https://questdb.io/docs/guides/out-of-order-commit-lag/

3.3 数据分区

时序数据天然带时间戳，同时查询条件也通常带时间范围，因此在存储数据时按照时间范围对数据分区，将极大的提交数据的检索效率，同时使得按照时间范围进行文件保留策略实现变得容易。因此，QuestDB 提供了按时间间隔对表进行分区的选项，每个间隔的数据存储在单独的文件集中，如下图所示。

QuestDB的时间时间分区的可用分区间隔是NONE，DAY，MONTH和YEAR，默认行为是PARTITION BY NONE。

数据分区可以通过SQL语句进行删除，示例如下图所示，官方文档可以参考：https://questdb.io/docs/operations/>

3.4 文件格式

QuestDB的存储引擎实现在包io.questdb.cairo中，入口类为CairoEngine，其中文件格式相关的实现大部分可以在io.questdb.cairo.TableUtils#createTable方法中找到，下面就QuestDB的文件格式进行简单分析。

3.4.1 元数据文件

元数据文件_meta的文件格式如下所示，主要记录了表的参数和列名、版本等信息，按照内容整体上可以分成metaHeader和columnMeta两个部分（源码中没有metaHeader和columnMeta定义，这里只是方便画图和理解），如下图所示。

元数据头metaHeader中记录表的列数columnCount、时间分区粒度partitionBy、时间戳列在所有列中的位置timestampIndex、表的版本tableVersion、表的编号tableId、乱序写入相关的大不提交的行数maxUncommittedRows和时间窗口commitLag。虽然metaHeader部分目前只使用了32个字节，但是实际上QuestDB做了冗余处理，让metaHeader固定长度为128字节。

列元数据columnMeta包含列的数据类型column*和列名columnNames两个部分。其中对于列数据类型部分，标识flags记录了列是否支持索引和值是否是顺序的，即flags的第1个bit位表示是否被索引，第2个bit位表示值是否是顺序的，比特位为1表示支持，为0表示不支持，如下所示。索引块大小indexBlockCapacity表示创建索引时该分配多大的数据块。

元数据文件记录的数据基本在创建后就不会被修改，当然也可以使用SQL语句修改表的参数和列信息，具体可以参考官网文档：https://questdb.io/docs/reference/sql/create-table/

3.4.2 事务数据文件

事务数据文件_txn的读写实现代码在io.questdb.cairo.TxWriter和TxReader类中。事务数据文件主要记录了表的数据的统计信息，以及事务编号等信息，文件内容整体上可以划分为事务元数据txnMeta、符号元数据symbolMeta、分区元数据partitionMeta等3个部分。

事务元数据txnMeta记录了整张表的统计信息，主要包括以下内容，这些内容在表进行commit时会持久到磁盘上，源码在io.questdb.cairo.TxWriter的171行到194行。

事务编号txn: 用于支持读写的隔离性，即保证不会读到未提交的写入数据；
瞬时行数transientRowCount：记录活跃时间分区partition已经写入的行数；当切换分区时，该字段会重置为0；
固定行数fixedRowCount: 记录表已经提交的行的总数；
小时间戳minTimestamp: 记录表已经写入数据的小时间；
大时间戳maxTimestamp: 记录表已经写入数据的大时间；
结构版本structureVersion: 表结构版本号，目前为0；
数据版本dataVersion: 数据结构版本号，目前为0；
分区版本partitionTableVersion: 分区表版本号，目前为0；
事务编号txnCheck: 使用磁盘双写机制保证事务在磁盘上原子提交；

符号元数symbolMeta，记录了表的符号列总数symbolMapCount, 以及每列已经写入的符号总数，其中，symCount表示写入已经提交的符号表总数，transientSymCount表示已经写入包括未提交的符号总数。

分区元数据partitionMeta，记录了已经创建的时间分区的总数partitionUpdateCount, 以及partitionUpdateCount个分区元数据partitionMetaEntry，每个partitonMetaEntry记录了分区的小时间戳partitionTimestampLo，已经写入的行数rowCount，名称事务编号nameTxn（当名称有变更时记录，默认值为-1），数据事务编号dataTxn，每当该partition有数据写入时记录表的事务编号txn；

QuestDB通过事务数据文件进行读写事务（隔离性）支持的示例如下图所示。

3.4.3 列数据文件

列数据文件格式比较简单，命名方式为: "column.d"，写入方式为直接在文件尾部通过mmp的方式追加数据，如下所示。

QuestDB目前支持的数据类型分成两类：定长数据类型（boolean、byte、int、double、geohash等）和变长数据类型（string、binary)，共计15种数据类型，详情参考官网文档：https://questdb.io/docs/reference/sql/data*/

对于定长数据类型，可以直接根据行号rowId计算出数据在文件中偏移offset，或者根据偏移offset计算出行号rowId，计算公式如下所示，其中dataTypeLen表示数据类型的长度，比如，double为8个字节、boolean为一个字节；

对于变长数据类型，是没有办法直接根据数据的offset计算出其对应的行号rowId，因此需要将变长类型数据的在文件中偏移量offset存储下来，然后增加一个对原始数据偏移量offset的二级索引，间接计算出原始数据的行号rowId。

QuestDB对于列数据的存储方式，是每列一个文件。若是变长数据类型，则增加了一个"column.i"文件作为二级索引，如下所示。

即对于定长数据类型，只要知道行号rowId，即可以计算出数据在文件中的偏移offset；对于变长数据类型，需要先根据行号rowId计算出数据偏移offset的偏移offsetOffset，然后根据offsetOffset到column.i文件中读出数据偏移offset，后到column.d文件中读取对应的数据，即变长数据类型的读取要比定长数据类型的读取多一次文件IO。

3.4.4 符号表文件

QuestDB 引入了一种名为symbol的数据类型, 用于存储重复字符串的数据结构，定义为symbol的列支持索引。比如对应InfluxDB行协议写入的数据，QuestDB就将标签tag映射为symbol类型，如下所示，city和make标签的数据类型为symbol。通过字典化的方式降低存储成本，并提高检索效率。

因为Symbol类型是变长类型的，因此通过冗余记录符号的偏移offset才能对文件中的符号进行索引，因此符号表文件包括偏移文件column.o和字符文件column.c，两个文件的结构和两者之间的关系，如下图所示。

对于offset文件，主要分成两个部分：

个部分：64字节固定大小的头部，目前只记录了符号容量symbolCapacity和符号缓存标识symbolCacheFlag两个字段，剩余字节填充0；
第二个部分：存储的是symbol在符号文件中偏移charOffset；需要注意的是，charOffset是符号插入char文件后的文件偏移offset，第N个charOffset指向的是第N +1个字符在char文件中开始偏移Offset；

对于char文件，比较简单，使用append的方式不断追加新出现的字符。

对于写入文件中符号，需要支持按照符号内容进行检索的能力，因此QuestDB还针对符号构建了位图索引（关于位图索引的实现，在3.3.5小节会简要介绍）。因为符号的长度是不固定的，且数量不确定，因此QuestDB为了简化索引时间，对符号本身进行了有界hash处理生成一个索引的key，即key = boundHash(symbol, 127)，取值范围为[0, 127]。因此，对于符号文件本身的索引，终是将（key, offsetOffset）添加到位图索引中，其中offsetOffset为charOffset在offset文件中的起始位置。这样通过有界hash的方式，将key的范围从不确定压缩到确定的范围内，虽然当hash出现冲突时，会有额外的IO开销，但会大大降低symbol索引的实现负责度和存储开销。

另外，对于symbol类型，也会在数据分区目录下创建一个列数据文件，该文件存储的是符号索引symIndex, 其中symIndex = (offset - 64) / 8, 其中，offset为charOffset在offset文件中的offset，64为offset文件的头部的大小。symbol类型的列数据文件因为offset是定长，且数量相对较少，因此其天然适合用来间接构建行号索引，加速数据过滤。对于列数据文件，是将（symIndex, offset）添加到位图索引中的，这里的offset是指每次新添加的symIndex在列数据文件中的偏移。

3.4.5 列索引文件

QuestDB的列索引为位图索引，位图中记录是行号，索引示例如下图所示。

当通过"INSERT INTO Table values(B, 1)"插入一条数据时，将触发两个更新，一个Table的更新，一个在Index中的更新，如下图所示。

QuestDB的位图索引实现，包括key文件（column.k)和value文件（column.v)两个文件，这两个文件的结构如下所示。位图索引的输入key是int类型，value为long类型的。

对于key文件，整体上分成两个部分，部分为固定的大小的头部，主要记录索引的摘要信息，其中，signature为魔法数，相当于文件版本号，sequence记录了已经写入key的总数，valueMemSize记录了value文件已经分配的大小，blockValueCount表示每个valueBlock能够写入的value总数，keyCount表示的是已经写入的key的大值，sequenceCheck是sequence的双写保证，maxRow记录了已经添加到索引中的行数；第二部分为多个keyEntry集合，每个keyEntry记录了这个key下面的存储的value总数valueCount、个valueBlock的偏移firstValueBlockOffset、后一个valueBlock的偏移lastValueBlockOffset、value总数的双写检查valueCountCheck，因为key的类型为int，且keyEntry的大小固定，因此在key文件中没有物理存储key的值，而是将key作为偏移量隐式存储下来的，即keyEntry在文件的偏移量offset = 64 + key * 4 * 8。

对于value文件，存储文件内容比较简单，就是一系列的valueBlock，valueBlock的大小是固定的，即valueBlockSize = blocValueCount * 8 + 16，每个valueBlock存储文件偏移offset集合，以及前后valueBlock地址的偏移previousValueOffset和nextValueBlockOffset（这两个偏移将每个key的valueBlock串起来，形成双向链表）。

3.4.6 数据检索

假设给定查询 "SELECT sum(Value) FROM Table WHERE Symbol='A'", 在QuestDB内部是如何检索数据的呢？下图是这个查询对于的大致的数据检索过程，整体上可以分成7个步骤，会经过两次索引查找，次为符号表的索引查找，得到符号"A"的编号symIndex, 第二次为列数据的索引文件查找, 得到符号"A"关联的行号集合。