Berkeley DB 使用经验总结

作者：陈磊

NoSQL是现在互联网Web2.0时代备受关注的技术之一，被用来存储大量的非关系型的数据。Berkeley DB作为一款优秀的Key/Value存储引擎自然也在讨论之列。最近使用BDB来发一个KV系统，并将这段时间的BDB的学习和使用经验记录如下。（项目中使用了BDB的4.8.30版本，本文所有涉及的具体问题都基于该版本）。

 

1. Berkeley DB的简介

Berkeley DB（BDB）是一个高性能的嵌入式数据库编程库（引擎），它可以用来保存任意类型的键／值对 (Key/Value Pair)，而且可以为一个键保存多个数据。Berkeley DB可以支持数千的并发线程同时操作数据库，支持最大256TB的数据。

BDB提供诸如C语言，C++，Java，Perl，Python，Tcl等多种编程语言的API，并且广泛支持大多数类Unix操作系统和Windows操作系统以及实时操作系统（如 VxWorks）。

1991年，Berkeley DB的第一个版发行（Linux系统也在这一年诞生），其最初的开发目的是以新的HASH访问算法来代替旧的hsearch函数和大量的dbm实现，该版本还包含了B+树数据访问算法。

1992年，BSD UNIX第4.4发行版中包含了Berkeley DB1.85版。基本上认为这是Berkeley DB的第一个正式版。

1996年，Sleepycat软件公司成立，提供对Berkeley DB的商业支持。

2006年，Sleepycat被Oracle收购，当时最新版本是4.7.25。

 

2. 直观了解Berkeley DB软件包

Berkeley DB是一款开源软件，我们可以从Oracle的官方网站得到其源代码包。其源代码目录是由一系列子目录组成，从BDB的实现角度按照功能层次可将它们简单归类，划分如下：

a. DB核心模块（db）；

b. 各子系统模块（存储管理子系统：btree/hash/qam；内存池管理子系统：mp；事务子系统：txn；锁子系统：mutex；日志子系统：log）；

c. 操作系统抽象层（os_brew/os_s60/os_windows等）；

d. Build目录（build_brew/build_s60/build_windows等）；

e. 工具程序（db_archive/db_checkpoint等）；

f. 语言API支持；

g. 例子（examples_c/examples_csharp等）；

h. 其它；

 

通过源代码编译安装BDB很简单，代码如下：

    cd ./db-4.8.30/build_unix

    ../disk/configure --prefix=<dir>

    make && make install

 

安装目标目录（/usr/local/BerkeleyDB.4.8）包含四个子目录：

A. bin  一些实用工具

B. docs  文档

C. include 包含了使用BDB库开发程序时的头文件

D. lib  包含了使用BDB库开发程序时需要连接的库文件

 

3. 如何获得BDB的相关知识

BDB提供里非常详细的文档，可以官方网站获得html或pdf版本的文档。这里对pdf版本的一些文档简介如下：

BDB_Installation.pdf： BDB的安装文档，涵盖了不同操作系统，不同的编译工具，不同编程语言等多方面的详细信息；

BDB_Prog_Reference.pdf： 该文档是使用BDB的开发人员的参考手册，主要从BDB的各种功能和机制的原理进行阐述，供使用BDB作为存储引擎来编写程序的各类程序员（C、Java、C#、Perl）阅读；

BDB-Porting-Guide.pdf： 该文档是给需要将BDB移植到一个新的平台开发人员准备的；

InMemoryDBApplication.pdf： 基于内存的BDB应用的相关知识；

BDB-C_APIReference.pdf： C API参考手册，跟BDB_Prog_Reference.pdf结合使用；

BerkeleyDB-Core-C-GSG.pdf： 为C语言开发人员提供的BDB的入门手册；

BerkeleyDB-Core-C-Txn.pdf： 为C语言开发人员提供的BDB事务方面的手册；

Replication-C-GSG.pdf： 为C语言开发人员提供的BDB复制方面的手册；

 

4. 以上对源码目录的分类是从实现角度按照层次进行划分的，如果从BDB的功能模块，或者说是从系统结构角度进行划分，可将其分为几个子系统：

    存储管理子系统 (Storage Subsystem)

    内存池管理子系统 (Memory Pool Subsystem)

    事务子系统 (Transaction Subsystem)

    锁子系统 (Locking Subsystem)

日志子系统 (Logging Subsystem)

 

5. 以上的五个子系统完成了BDB作为一个Database所需要的大部分功能，如何驾驭以上子系统来完成我们需要的任务是关键。像MySQL这种独立的RDBMS，我们可以通过配置和SQL语句来控制和使用它的各种功能。由于BDB是一个嵌入式的数据库，最终还是需要程序员通过调用API来完成。所以要使用好BDB，需要先了解其原理，然后在合适的位置上调用合适的API。

 

写一个BDB程序的一般步骤：

a. 创建、设置和打开Environment；b. 创建、设置和打开Database；c. 访问Database；d.关闭Database；e. 关闭Environment。

此处的Database是从属于Environment，即db是在env这个环境上面建立起来的。为了便于快速把握重点，可以用BDB跟一般的RDBMS做个类比，这里的Database相当于数据表，Environment相当于数据库。

        DB_ENV *dbenv;

        DB *dbp;

        int ret;

        if ((ret = db_env_create(&dbenv, 0)) != 0) {

                fprintf(errfp, "%s: %s\n", progname, db_strerror(ret));

                return (1);

        }

        dbenv->set_errfile(dbenv, errfp);

        dbenv->set_errpfx(dbenv, progname);

        if ((ret = dbenv->set_cachesize(dbenv, 0, 64 * 1024, 0)) != 0) {

                dbenv->err(dbenv, ret, "set_cachesize");

                dbenv->close(dbenv, 0);

                return (1);

        }

        (void)dbenv->set_data_dir(dbenv, data_dir);

        if ((ret = dbenv->open(dbenv, home, DB_CREATE | DB_INIT_LOCK | DB_INIT_LOG | DB_INIT_MPOOL | DB_INIT_TXN, 0644)) != 0) {

                dbenv->err(dbenv, ret, "environment open: %s", home);

                dbenv->close(dbenv, 0);

                return (1);

        }

        if ((ret = db_create(&dbp, dbenv, 0)) != 0){

                fprintf(errfp, "%s: %s\n", progname, db_strerror(ret));

                return (1);

        }

        if ((ret = dbp->open(dbp, NULL, "exenv_db1.db", NULL, DB_BTREE, DB_CREATE,0644)) != 0){

                fprintf(stderr, "database open: %s\n", db_strerror(ret));

                return (1);

        }

        if ((ret = dbp->close(dbp, 0)) != 0) {

                fprintf(stderr, "database close: %s\n", db_strerror(ret));

                return (1);

        }

        if ((ret = dbenv->close(dbenv, 0)) != 0) {

                fprintf(stderr, "DB_ENV->close: %s\n", db_strerror(ret));

                return (1);

        }

        return (0);

 

数据文件：

一个BDB的实例会产生数据存储文件，数据文件的目录由dbenv->set_data_dir(dbenv, data_dir);这条语句来指定。涉及的文件类型有：Data Files，Log Files，Region Files，Temporary Files。

Data Files：数据文件，存储实际的数据；

Log Files：日志文件；

Region Files：是各个子系统保存信息的文件，如果在Env中设置了DB_PRIVATE选项，这些信息是被一个进程私有，即它们保存在内存中，这些文件在此种情况下不产生；

Temporary Files： 临时文件，特使情况会被创建；

 

数据的存数格式：

Berkeley DB提供了以下四种文件存储方法：哈希文件、B树、定长记录（队列）和变长记录（基于记录号的简单存储方式），应用程序可以从中选择最适合的文件组织结构。以上代码通过db->open函数中设置了DB_BTREE这个选项指定其使用B树方式存储。其它的三种存储格式对应的类型为：DB_HASH，DB_QUEUE，DB_RECNO。

 

事务提交：

BDB中的事务提交有两种方式：DB_AUTO_COMMIT和显式提交事务。如果设置为DB_AUTO_COMMIT，则每步操作多作为单独的事务自动提交；如果需要显示提交，则需要显示调用具体事务相关的begin/end API（相见文档BerkeleyDB-Core-C-Txn.pdf）。

BDB在事务提交时也是遵循先写日志并刷新到磁盘的方式，但是为了提高性能，其又引入了两个选项：DB_TXN_NOSYNC和DB_TXN_WRITE_NOSYNC。DB_TXN_NOSYNC的作用是使BDB在事务提交的时候不严格要求日志到磁盘，刷新与否取决于日志缓冲；DB_TXN_WRITE_NOSYNC会比DB_TXN_NOSYNC稍显严格，其含义是要求事务提交刷新日志，但只是刷到操作系统文件缓存当中。

BDB的事务隔离性级别有三个：READ UNCOMMITED、READ COMMITED、SERIALIZABLE

 

CheckPoint：

执行一个检查点会完成的工作有：Flushes all dirty pages from the in-memory cache to database files；Writes a checkpoint record；Flushes the log to log files；Writes a list of open databases.

调用API DB_ENV->txn_checkpoint(); 即可完成，如果是非DB_PRIVATE的Env，也可以使用BDB自带的工具db_checkpoint。为了避免出现一个检查点提交大量数据的情况，BDB还提供了轻量级刷新脏页的API：DB_ENV->memp_trickle();

 

Replication：

    BDB中提供了两种方式来支持复制技术：Replication Base API和Replication Manager。可以说Replication Base API是最基础的API，实现方式灵活，功能强大，但是编码量大；Replication Manager相当于框架，使用方式简单，编码量小。Replication Manager可能能够满足大部分用户的需求，但不是所有需求，所以灵活性不足。如果您的需要是Replication Manager不能满足的，请使用Replication Base API自己实现复制策略。Replication Manager的主从策略有两种：指定主从、自动推举主从。

 

分区：

BDB的分区机制是从db-4.8.x之后刚引入的新功能，涉及到的API有两个：

DB->set_partition() 设置分区方式，包含了一个分区方式的回调函数，用户可以通过编写代码来自己实现分区方式，非常灵活。（详见API手册BDB-C_APIReference.pdf）

DB->set_partition_dirs() 设置分区目录。（详见API手册BDB-C_APIReference.pdf）

 

备份：

BDB有三种备份方式：

Offline Backups：离线备份，停服务拷贝数据目录；

Hot Backups：使用API或者BDB自带工具db_backup在DB在使用情况做备份；

Incremental Backups：增量备份；

具体细节详见BerkeleyDB-Core-C-Txn.pdf。

 

6. 以下是可能获取到Berkeley DB资源的链接：

官方主页：

  http://www.oracle.com/database/berkeley-db/db/index.html

产品下载：

  http://www.oracle.com/technology/software/products/berkeley-db/index.html

官方开发者文档中心：

  http://www.oracle.com/technology/documentation/berkeley-db/db/index.html