AntDB-M 设计之内存结构

亚信科技专注通信行业多年，AntDB 数据库从诞生开始，就面对通信级的大数据量应用场景挑战，在性能、稳定性、规模化等方面获得了超过 10 年的通信核心业务系统验证，性能峰值达到每秒百万的通信核心交易量。AntDB-M（AntDB 内存引擎）具有如此卓越的性能，与其优良的内存结构设计密不可分。因此，本文主要阐述 AntDB-M 的内存结构设计。

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概    述

AntDB-M 是一款全内存态运行 OLTP 数据库，其数据的管理以表为单位，通过表空间进行管理。存储分为两种形态：1）内存态；2）文件态。文件态为内存态的序列化后导出文件，后文表空间均指内存态。

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表空间

表空间代表的是表的数据存放的内存空间。每个表都有自己独立的一个表空间。表空间在表创建时创建，或者在服务启动加载表时创建。表空间的结构为一个三层结构，内容分为两部分：1)表空间元数据；2）表空间数据块；

• 三层结构

表空间的内存结构是一个三层结构：1）一级地址；2）二级地址；3）数据块； 通过该结构，每个表空间可以存放的记录条数可以达到 20 万亿条之多。

记录条数 = 一级地址 * 二级地址 * 数据块记录数 = 32K * 32K * 2K =20 万亿条；

图 1：表空间三级结构

• 表空间元数据

表空间元数据描述了当前空间的大小信息，以及表数据记录在数据块的两级地址信息。它一般被用于表空间数据的管理，以及对表数据的高效访问。表空间的三层结构中，前两层都属于元数据，结构比较简单，存放的是下一层的地址信息。

• 表空间数据块

表空间数据块是用来存放表数据的地方。数据块的实现结构为一个双向链表。每个数据块分为两部分：1）元数据；2）数据空间；

1）元数据

元数据为当前数据块的管理信息，主要包括：当前数据块大小、可分配数据记录数、分配的记录对象 ID 范围等信息。需要注意的是数据块的大小、可分配数据记录数不是固定的。这是在创建表时，基于表记录实际大小，以及一些额外数据计算而来。

2）数据空间

数据空间为存放表数据实际分配的地址空间，每个数据空间为一个连续地址空间。数据空间根据行大小分为 9 档，依次为：256K,512K,1M,2M,4M,8M,16M,32M,64M。按照每个数据空间可以保存 2K~4K 记录来分配。当记录长度小于 128B 时，记录数可能可能超过 4K。数据空间大小 = 块元数据大小 + 数据块可容纳记录条数 * 表记录行大小(带扩展信息)

图 2：行记录格式

• 记录编号

每条记录都有自己的一个唯一编号，该编号由数据插入时分配。 数据的插入不是简单的追加，而是找到一个数据空间中的空闲位置插入。数据的查询、修改、删除也是根据记录编号来快速定位数据。每个空闲位置编号唯一。 每个数据块都都会记录当前的空闲位置，这些空闲位置不需要额外的空间进行记录，在数据块内的数据空间被分配给特定记录前，这些原本用于存放记录的空间被用来记录空闲记录位置信息。这些空闲位置信息为一个简单的双向链表，将所有空闲位置串联起来。这样表空间的每行记录都有一个唯一编号，通过该编号可以快速定位所在的数据块、以及块内地址。

​图 3：数据块结构图

• 记录编号与记录地址关系

记录编号通过简单计算即可得到记录实际存放地址。

​图 4：记录编号与记录地址关系

• 数据块的创建

数据块在插入数据、更新数据（记录 redo 记录）、服务启动加载数据到内存时按需创建。数据变更需要创建数据块时，每次只会申请一个数据块，数据加载时会根据当前需要的数据块个数批量申请创建（每次创建一个）。

• 数据块的释放

一个表空间被创建后，只有在表被 drop、truncate 时，表空间（包括元数据及数据块）才会被释放。rename 表时，仅修改表相关元数据，表空间保持不变。

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内存管理

表空间的内存管理分为两类：1）数据块，2）非数据块。 不同类型内存管理，可以根据内存大小提供更高效的管理方式。

内存分配分为两种：1）内存；2）内存映射；

-内存，即直接从 RAM 中分配内存。

-内存映射，即通过 pmap 方式映射到文件，只用于超大表（建表时设置了超大表选项）的数据块，其他都使用 “内存”方式。

“内存”方式的分配也分为两种策略：1）RAM；2）PMEM； 其中“PMEM”策略仅适用于安装了 Intel 傲腾持久内存设备的硬件环境。在建表选择表空间的分配时默认为“RAM”策略。

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溢出列

数据空间中的记录都为定长记录，对于变长类型列，数据不在记录内存放。记录内仅记录数据长度、数据实际位置。 对于溢出列数据，有单独的内存空间存放管理，这里不展开说明。

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索    引

表的索引分为 hash 索引、btree 索引。两种索引都有各自独立的内存空间。这里不展开说明。

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总    结

AntDB-M 通过简洁、高效的内存结构设计，为整体的高性能打下了坚实的基础。以少量的内存、支撑了更多的数据记录。让用户可以用更少的成本来支撑更多的业务。

关于 AntDB 数据库

​AntDB 数据库始于 2008 年，在运营商的核心系统上，为全国 24 个省份的 10 亿多用户提供在线服务，具备高性能、弹性扩展、高可靠等产品特性，峰值每秒可处理百万笔通信核心交易，保障系统持续稳定运行近十年，并在通信、金融、交通、能源、物联网等行业成功商用落地。