c++如何实现一个简单的KV存储引擎_c++ LevelDB与RocksDB原理

答案是基于LSM-Tree结构实现KV存储引擎，通过MemTable、WAL、SSTable和Compaction机制，将写入顺序化并分层存储，确保高效读写与持久性。

实现一个简单的KV存储引擎，核心目标是将键值对持久化到磁盘，并支持高效的插入、查询和删除操作。C++中，LevelDB 和 RocksDB 是这类系统的经典代表，理解它们的原理有助于我们从零构建一个简化版本。

1. 基本设计思路：LSM-Tree 结构

LevelDB 和 RocksDB 都基于 LSM-Tree（Log-Structured Merge-Tree）架构。这种结构通过将随机写转化为顺序写，显著提升写入性能。

一个最简化的 KV 存储可以包含以下组件：

• 内存表（MemTable）：接收所有写入操作，通常用跳表（SkipList）实现，保证有序。
• 日志文件（WAL）：每条写入先追加到日志，确保崩溃后可恢复。
• SSTable 文件 ：内存表满后冻结，刷入磁盘成为不可变的 SSTable（Sorted String Table）。
• 层级存储（Levels）：SSTable 按照大小分层，后台线程执行合并（Compaction），减少查询时需要检查的文件数量。

2. 写入流程

当用户调用 put(key, value) 时：

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• 将操作写入 WAL 文件，确保持久性。
• 插入 MemTable，保持 key 有序。
• 当 MemTable 达到阈值（如 4MB），转为只读，启动异步刷盘任务。
• 新的 MemTable 接管写入，旧的被写入 SSTable 并加入 Level-0。

3. 读取流程

get(key) 需要按优先级查找：

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• 先查内存中的 MemTable。
• 再查 Immutable MemTable（如果有）。
• 最后在 SSTable 中查找，从 Level-0 到更高层逐级搜索，使用二分查找定位 block，再在 block 内部查找 key。
• 每个 SSTable 有布隆过滤器（Bloom Filter），可快速判断 key 是否可能存在于该文件，避免不必要的磁盘读取。

4. Compaction 合并机制

随着写入增加，Level-0 会积累多个重叠的 SSTable，导致读取变慢。Compaction 就是将多个 SSTable 合并成一个，消除重复和已删除项。

RocksDB 支持多种策略：

• Level Compaction：类似 LevelDB，每一层总大小指数增长，文件不重叠。
• Universal Compaction：适合写多读少场景，将多个文件合并为一个大文件。

合并过程是后台进行的，不影响前台读写。

5. 简化实现示例（伪代码）

class SimpleKV {
  SkipList memtable;           // 当前活跃的内存表
  LogFile wal;                 // 日志文件
  vector<SSTable> levels[6];   // 分层 SSTable

  void put(string key, string value) {
    wal.append(key, value);
    memtable.insert(key, value);
    if (memtable.size() > 4_MB) {
      compact_memtable();
    }
  }

  string get(string key) {
    if (memtable.contains(key)) return memtable.get(key);

    for (int level = 0; level < 6; level++) {
      for (auto& table : levels[level]) {
        if (table.mayContain(key) && table.find(key)) {
          return table.value();
        }
      }
    }
    return "not found";
  }

  void compact_memtable() {
    SSTable new_table = SSTable::build_from(memtable);
    levels[0].push_back(new_table);
    trigger_background_compaction();
  }
};

基本上就这些。LevelDB 和 RocksDB 的复杂性在于细节优化：内存管理、并发控制、压缩调度、快照隔离等。但核心思想清晰：用 LSM-Tree 把写放大转化为读放大，再通过分层和合并来控制读成本。

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