第2章　单机存储系统

单机存储引擎就是哈希表、B树等数据结构在机械磁盘、SSD等持久化介质上的实现。单机存储系统是单机存储引擎的一种封装，对外提供文件、键值、表格或者关系模型。单机存储系统的理论来源于关系数据库。数据库将一个或多个操作组成一组，称作事务，事务必须满足原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）以及持久性（Durability），简称为ACID特性。多个事务并发执行时，数据库的并发控制管理器必须能够保证多个事务的执行结果不能破坏某种约定，如不能出现事务执行到一半的情况，不能读取到未提交的事务，等等。为了保证持久性，对于数据库的每一个变化都要在磁盘上记录日志，当数据库系统突然发生故障，重启后能够恢复到之前一致的状态。

本章首先介绍CPU、IO、网络等硬件基础知识及性能参数，接着介绍主流的单机存储引擎。其中，哈希存储引擎是哈希表的持久化实现，B树存储引擎是B树的持久化实现，而LSM树（Log Structure Merge Tree）存储引擎采用批量转储技术来避免磁盘随机写入。最后，介绍关系数据库理论基础，包括事务、并发控制、故障恢复、数据压缩等。

2.1　硬件基础

硬件发展很快，摩尔定律告诉我们：每18个月计算机等IT产品的性能会翻一番；或者说相同性能的计算机等IT产品，每18个月价钱会降一半。但是，计算机的硬件体系架构保持相对稳定。架构设计很重要的一点就是合理选择并且能够最大限度地发挥底层硬件的价值。

2.1.1　CPU架构

早期的CPU为单核芯片，工程师们很快意识到，仅仅提高单核的速度会产生过多的热量且无法带来相应的性能改善。因此，现代服务器基本为多核或多个CPU。经典的多CPU架构为对称多处理结构（Symmetric Multi-Processing,SMP），即在一个计算机上汇集了一组处理器，它们之间对称工作，无主次或从属关系，共享相同的物理内存及总线，如图2-1所示。

图　2-1　SMP系统结构

图2-1中的SMP系统由两个CPU组成，每个CPU有两个核心（core），CPU与内存之间通过总线通信。每个核心有各自的L1d Cache（L1数据缓存）及L1i Cache（L1指令缓存），同一个CPU的多个核心共享L2以及L3缓存，另外，某些CPU还可以通过超线程技术（Hyper-Threading Technology）使得一个核心具有同时执行两个线程的能力。

SMP架构的主要特征是共享，系统中所有资源（CPU、内存、I/O等）都是共享的，由于多CPU对前端总线的竞争，SMP的扩展能力非常有限。为了提高可扩展性，现在的主流服务器架构一般为NUMA（Non-Uniform Memory Access，非一致存储访问）架构。它具有多个NUMA节点，每个NUMA节点是一个SMP结构，一般由多个CPU（如4个）组成，并且具有独立的本地内存、IO槽口等。

图2-2为包含4个NUMA节点的服务器架构图，NUMA节点可以直接快速访问本地内存，也可以通过NUMA互联互通模块访问其他NUMA节点的内存，访问本地内存的速度远远高于远程访问的速度。由于这个特点，为了更好地发挥系统性能，开发应用程序时需要尽量减少不同NUMA节点之间的信息交互。

图　2-2　NUMA架构示例