07 | NoSQL检索：为什么日志系统主要用LSM树而非B+树？
你好，我是陈东。
B+树作为检索引擎中的核心技术得到了广泛的使用，尤其是在关系型数据库中。
但是，在关系型数据库之外，还有许多常见的大数据应用场景，比如，日志系统、监控系统。这些应用场景有一个共同的特点，那就是数据会持续地大量生成，而且相比于检索操作，它们的写入操作会非常频繁。另外，即使是检索操作，往往也不是全范围的随机检索，更多的是针对近期数据的检索。
那对于这些应用场景来说，使用关系型数据库中的B+树是否合适呢？
我们知道，B+树的数据都存储在叶子节点中，而叶子节点一般都存储在磁盘中。因此，每次插入的新数据都需要随机写入磁盘，而随机写入的性能非常慢。如果是一个日志系统，每秒钟要写入上千条甚至上万条数据，这样的磁盘操作代价会使得系统性能急剧下降，甚至无法使用。
那么，针对这种频繁写入的场景，是否有更合适的存储结构和检索技术呢？今天，我们就来聊一聊另一种常见的设计思路和检索技术：LSM树（Log Structured Merge Trees）。LSM树也是近年来许多火热的NoSQL数据库中使用的检索技术。
如何利用批量写入代替多次随机写入？
刚才我们提到B+树随机写入慢的问题，对于这个问题，我们现在来思考一下优化想法。操作系统对磁盘的读写是以块为单位的，我们能否以块为单位写入，而不是每次插入一个数据都要随机写入磁盘呢？这样是不是就可以大幅度减少写入操作了呢？
LSM树就是根据这个思路设计了这样一个机制：当数据写入时，延迟写磁盘，将数据先存放在内存中的树里，进行常规的存储和查询。当内存中的树持续变大达到阈值时，再批量地以块为单位写入磁盘的树中。因此，LSM树至少需要由两棵树组成，一棵是存储在内存中较小的C0树，另一棵是存储在磁盘中较大的C1树。简单起见，接下来我们就假设只有C0树和C1树。
LSM树由至少2部分组成：内存的C0树和磁盘的C1树
C1树存储在磁盘中，因此我们可以直接使用B+树来生成。那对于全部存储在内存中的C0树，我们该如何生成呢？在上一讲的重点回顾中我们分析过，在数据都能加载在内存中的时候，B+树并不是最合适的选择，它的效率并不会更高。因此，C0树我们可以选择其他的数据结构来实现，比如平衡二叉树甚至跳表等。但是为了让你更简单、清晰地理解LSM树的核心理念，我们可以假设C0树也是一棵B+树。
那现在C0树和C1树就都是B+树生成的了，但是相比于普通B+树生成的C0树，C1树有一个特点：所有的叶子节点都是满的。为什么会这样呢？原因就是，C1树不需要支持随机写入了，我们完全可以等内存中的数据写满一个叶子节点之后，再批量写入磁盘。因此，每个叶子节点都是满的，不需要预留空位来支持新数据的随机写入。
如何保证批量写之前系统崩溃可以恢复？
B+树随机写入慢的问题，我们已经知道解决的方案了。现在第二个问题来了：如果机器断电或系统崩溃了，那内存中还未写入磁盘的数据岂不就永远丢失了？这种情况我们该如何解决呢？
为了保证内存中的数据在系统崩溃后能恢复，工业界会使用WAL技术（Write Ahead Log，预写日志技术）将数据第一时间高效写入磁盘进行备份。WAL技术保存和恢复数据的具体步骤，我这里总结了一下。
- 内存中的程序在处理数据时，会先将对数据的修改作为一条记录，顺序写入磁盘的log文件作为备份。由于磁盘文件的顺序追加写入效率很高，因此许多应用场景都可以接受这种备份处理。
- 在数据写入log文件后，备份就成功了。接下来，该数据就可以长期驻留在内存中了。
- 系统会周期性地检查内存中的数据是否都被处理完了（比如，被删除或者写入磁盘），并且生成对应的检查点（Check Point）记录在磁盘中。然后，我们就可以随时删除被处理完的数据了。这样一来，log文件就不会无限增长了。
- 系统崩溃重启，我们只需要从磁盘中读取检查点，就能知道最后一次成功处理的数据在log文件中的位置。接下来，我们就可以把这个位置之后未被处理的数据，从log文件中读出，然后重新加载到内存中。
通过这种预先将数据写入log文件备份，并在处理完成后生成检查点的机制，我们就可以安心地使用内存来存储和检索数据了。
如何将内存数据与磁盘数据合并？
解决了内存中数据备份的问题，我们就可以接着写入数据了。内存中C0树的大小是有上限的，那当C0树被写满之后，我们要怎么把它转换到磁盘中的C1树上呢？这就涉及滚动合并（Rolling Merge）的过程了。
我们可以参考两个有序链表归并排序的过程，将C0树和C1树的所有叶子节点中存储的数据，看作是两个有序链表，那滚动合并问题就变成了我们熟悉的两个有序链表的归并问题。不过由于涉及磁盘操作，那为了提高写入效率和检索效率，我们还需要针对磁盘的特性，在一些归并细节上进行优化。
C0树和C1树滚动合并可以视为有序链表归并
由于磁盘具有顺序读写效率高的特性，因此，为了提高C1树中节点的读写性能，除了根节点以外的节点都要尽可能地存放到连续的块中，让它们能作为一个整体单位来读写。这种包含多个节点的块就叫作多页块（Multi-Pages Block）。
下面，我们来讲一下滚动归并的过程。在进行滚动归并的时候，系统会遵循以下几个步骤。
第一步，以多页块为单位，将C1树的当前叶子节点从前往后读入内存。读入内存的多页块，叫作清空块（Emptying Block），意思是处理完以后会被清空。
第二步，将C0树的叶子节点和清空块中的数据进行归并排序，把归并的结果写入内存的一个新块中，叫作填充块（Filling Block）。
第三步，如果填充块写满了，我们就要将填充块作为新的叶节点集合顺序写入磁盘。这个时候，如果C0树的叶子节点和清空块都没有遍历完，我们就继续遍历归并，将数据写入新的填充块。如果清空块遍历完了，我们就去C1树中顺序读取新的多页块，加载到清空块中。
第四步，重复第三步，直到遍历完C0树和C1树的所有叶子节点，并将所有的归并结果写入到磁盘。这个时候，我们就可以同时删除C0树和C1树中被处理过的叶子节点。这样就完成了滚动归并的过程。
使用清空块和填充块进行滚动归并
在C0树到C1树的滚动归并过程中，你会看到，几乎所有的读写操作都是以多页块为单位，将多个叶子节点进行顺序读写的。而且，因为磁盘的顺序读写性能和内存是一个数量级的，这使得LSM树的性能得到了大幅的提升。
LSM树是如何检索的？
现在你已经知道LSM树的组织过程了，我们可以来看，LSM树是如何完成检索的。
因为同时存在C0和C1树，所以要查询一个key时，我们会先到C0树中查询。如果查询到了则直接返回，不用再去查询C1树了。
而且，C0树会存储最新的一批数据，所以C0树中的数据一定会比C1树中的新。因此，如果一个系统的检索主要是针对近期数据的，那么大部分数据我们都能在内存中查到，检索效率就会非常高。
那如果我们在C0树中没有查询到key呢？这个时候，系统就会去磁盘中的C1树查询。在C1树中查到了，我们能直接返回吗？如果没有特殊处理的话，其实并不能。你可以先想想，这是为什么。
我们先来考虑一种情况：一个数据已经被写入系统了，并且我们也把它写入C1树了。但是，在最新的操作中，这个数据被删除了，那我们自然不会在C0树中查询到这个数据。可是它依然存在于C1树之中。
这种情况下，我们在C1树中检索到的就是过期的数据。既然是过期的数据，那为了不影响检索结果，我们能否从C1树中将这个数据删除呢？删除的思路没有错，但是不要忘了，我们不希望对C1树进行随机访问。这个时候，我们又该怎么处理呢？
我们依然可以采取延迟写入和批量操作的思路。对于被删除的数据，我们会将这些数据的key插入到C0树中，并且存入删除标志。如果C0树中已经存有这些数据，我们就将C0树中这些数据对应的key都加上删除标志。
这样一来，当我们在C0树中查询时，如果查到了一个带着删除标志的key，就直接返回查询失败，我们也就不用去查询C1树了。在滚动归并的时候，我们会查看数据在C0树中是否带有删除标志。如果有，滚动归并时就将它放弃。这样C1树就能批量完成“数据删除”的动作。
重点回顾
好了，今天的内容就先讲到这里。我们一起来回顾一下，你要掌握的重点内容。
在写大于读的应用场景下，尤其是在日志系统和监控系统这类应用中，我们可以选用基于LSM树的NoSQL数据库，这是比B+树更合适的技术方案。
LSM树具有以下3个特点：
- 将索引分为内存和磁盘两部分，并在内存达到阈值时启动树合并（Merge Trees）；
- 用批量写入代替随机写入，并且用预写日志WAL技术保证内存数据，在系统崩溃后可以被恢复；
- 数据采取类似日志追加写的方式写入（Log Structured）磁盘，以顺序写的方式提高写入效率。
LSM树的这些特点，使得它相对于B+树，在写入性能上有大幅提升。所以，许多NoSQL系统都使用LSM树作为检索引擎，而且还对LSM树进行了优化以提升检索性能。在后面的章节中我们会介绍，工业界中实际使用的LSM树是如何实现的，帮助你对LSM树有更深入的认识。
课堂讨论
为了方便你理解，文章中我直接用B+树实现的C0树。但是，对于纯内存操作，其他的类树结构会更合适。如果让你来设计的话，你会采用怎么样的结构作为C0树呢？
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