Pika键值对数据库

Hi，我是阿昌，今天学习的是关于代替Redis通过SSD大容量储存的Pika键值对数据库。

在应用 Redis 时，随着业务数据的增加（比如说电商业务中，随着用户规模和商品数量的增加），就需要 Redis 能保存更多的数据。

可能会想到使用 Redis 切片集群，把数据分散保存到多个实例上。但是这样做的话，会有一个问题，如果要保存的数据总量很大，但是每个实例保存的数据量较小的话，就会导致集群的实例规模增加，这会让集群的运维管理变得复杂，增加开销。

可能又会说，可以通过增加 Redis 单实例的内存容量，形成大内存实例，每个实例可以保存更多的数据，这样一来，在保存相同的数据总量时，所需要的大内存实例的个数就会减少，就可以节省开销。

这是一个好主意，但这也并不是完美的方案：

基于大内存的大容量实例在实例恢复、主从同步过程中会引起一系列潜在问题，例如恢复时间增长、主从切换开销大、缓冲区易溢出。

那怎么办呢？推荐你使用固态硬盘（Solid State Drive，SSD）。

它的成本很低（每 GB 的成本约是内存的十分之一），而且容量大，读写速度快，我们可以基于 SSD 来实现大容量的 Redis 实例。

360 公司 DBA 和基础架构组联合开发的 Pika键值数据库，正好实现了这一需求。

Pika 在刚开始设计的时候，就有两个目标：

一是，单实例可以保存大容量数据，同时避免了实例恢复和主从同步时的潜在问题；
二是，和 Redis 数据类型保持兼容，可以支持使用 Redis 的应用平滑地迁移到 Pika 上。

所以，如果一直在使用 Redis，并且想使用 SSD 来扩展单实例容量，Pika 就是一个很好的选择。

一、大内存 Redis 实例的潜在问题

Redis 使用内存保存数据，内存容量增加后，就会带来两方面的潜在问题，分别是，内存快照 RDB 生成和恢复效率低，以及主从节点全量同步时长增加、缓冲区易溢出。

先看内存快照 RDB 受到的影响。内存大小和内存快照 RDB 的关系是非常直接的：

实例内存容量大，RDB 文件也会相应增大，那么，RDB 文件生成时的 fork 时长就会增加，这就会导致 Redis 实例阻塞。
RDB 文件增大后，使用 RDB 进行恢复的时长也会增加，会导致 Redis 较长时间无法对外提供服务。

再来看下主从同步受到的影响，主从节点间的同步的第一步就是要做全量同步。

全量同步是主节点生成 RDB 文件，并传给从节点，从节点再进行加载。

试想一下，如果 RDB 文件很大，肯定会导致全量同步的时长增加，效率不高，而且还可能会导致复制缓冲区溢出。

一旦缓冲区溢出了，主从节点间就会又开始全量同步，影响业务应用的正常使用。如果我们增加复制缓冲区的容量，这又会消耗宝贵的内存资源。

此外，如果主库发生了故障，进行主从切换后，其他从库都需要和新主库进行一次全量同步。

如果 RDB 文件很大，也会导致主从切换的过程耗时增加，同样会影响业务的可用性。

二、Pika 的整体架构

Pika 键值数据库的整体架构中包括了五部分，分别是

网络框架
Pika 线程模块
Nemo 存储模块
RocksDB
binlog 机制

如下图所示：

网络框架主要负责底层网络请求的接收和发送。Pika 的网络框架是对操作系统底层的网络函数进行了封装。Pika 在进行网络通信时，可以直接调用网络框架封装好的函数。

Pika 线程模块采用了多线程模型来具体处理客户端请求，包括一个请求分发线程（DispatchThread）、一组工作线程（WorkerThread）以及一个线程池（ThreadPool）。请求分发线程专门监听网络端口，一旦接收到客户端的连接请求后，就和客户端建立连接，并把连接交由工作线程处理。工作线程负责接收客户端连接上发送的具体命令请求，并把命令请求封装成 Task，再交给线程池中的线程，由这些线程进行实际的数据存取处理，如下图所示：

在实际应用 Pika 的时候，我们可以通过增加工作线程数和线程池中的线程数，来提升 Pika 的请求处理吞吐率，进而满足业务层对数据处理性能的需求。

Nemo 模块很容易理解，它实现了 Pika 和 Redis 的数据类型兼容。这样一来，当我们把 Redis 服务迁移到 Pika 时，不用修改业务应用中操作 Redis 的代码，而且还可以继续应用运维 Redis 的经验，这使得 Pika 的学习成本就较低。

RocksDB 提供的基于 SSD 保存数据的功能。它使得 Pika 可以不用大容量的内存，就能保存更多数据，还避免了使用内存快照。

binlog 机制记录写命令，用于主从节点的命令同步，避免了刚刚所说的大内存实例在主从同步过程中的潜在问题。

三、Pika 如何基于 SSD 保存更多数据？

为了把数据保存到 SSD，Pika 使用了业界广泛应用的持久化键值数据库RocksDB。

RocksDB 本身的实现机制较为复杂，不需要全部弄明白，只要记住 RocksDB 的基本数据读写机制，对于学习了解 Pika 来说，就已经足够了。

这个基本读写机制。

结合一张图片，介绍下 RocksDB 写入数据的基本流程。

当 Pika 需要保存数据时，RocksDB 会使用两小块内存空间（Memtable1 和 Memtable2）来交替缓存写入的数据。

Memtable 的大小可以设置，一个 Memtable 的大小一般为几 MB 或几十 MB。

当有数据要写入 RocksDB 时，RocksDB 会先把数据写入到 Memtable1。

等到 Memtable1 写满后，RocksDB 再把数据以文件的形式，快速写入底层的 SSD。

同时，RocksDB 会使用 Memtable2 来代替 Memtable1，缓存新写入的数据。

等到 Memtable1 的数据都写入 SSD 了，RocksDB 会在 Memtable2 写满后，再用 Memtable1 缓存新写入的数据。

这么一分析你就知道了，RocksDB 会先用 Memtable 缓存数据，再将数据快速写入 SSD，即使数据量再大，所有数据也都能保存到 SSD 中。

而且，Memtable 本身容量不大，即使 RocksDB 使用了两个 Memtable，也不会占用过多的内存，这样一来，Pika 在保存大容量数据时，也不用占据太大的内存空间了。

当 Pika 需要读取数据的时候，RocksDB 会先在 Memtable 中查询是否有要读取的数据。

这是因为，最新的数据都是先写入到 Memtable 中的。

如果 Memtable 中没有要读取的数据，RocksDB 会再查询保存在 SSD 上的数据文件，如下图所示：

当使用了 RocksDB 保存数据后，Pika 就可以把大量数据保存到大容量的 SSD 上了，实现了大容量实例。

当使用大内存实例保存大量数据时，Redis 会面临 RDB 生成和恢复的效率问题，以及主从同步时的效率和缓冲区溢出问题。

那么，当 Pika 保存大量数据时，还会面临相同的问题吗？

一方面，Pika 基于 RocksDB 保存了数据文件，直接读取数据文件就能恢复，不需要再通过内存快照进行恢复了。Pika 从库在进行全量同步时，可以直接从主库拷贝数据文件，不需要使用内存快照，这样一来，Pika 就避免了大内存快照生成效率低的问题。
另一方面，Pika 使用了 binlog 机制实现增量命令同步，既节省了内存，还避免了缓冲区溢出的问题。binlog 是保存在 SSD 上的文件，Pika 接收到写命令后，在把数据写入 Memtable 时，也会把命令操作写到 binlog 文件中。和 Redis 类似，当全量同步结束后，从库会从 binlog 中把尚未同步的命令读取过来，这样就可以和主库的数据保持一致。当进行增量同步时，从库也是把自己已经复制的偏移量发给主库，主库把尚未同步的命令发给从库，来保持主从库的数据一致。

不过，和 Redis 使用缓冲区相比，使用 binlog 好处是非常明显的：

binlog 是保存在 SSD 上的文件，文件大小不像缓冲区，会受到内存容量的较多限制。而且，当 binlog 文件增大后，还可以通过轮替操作，生成新的 binlog 文件，再把旧的 binlog 文件独立保存。

这样一来，即使 Pika 实例保存了大量的数据，在同步过程中也不会出现缓冲区溢出的问题了。

Pika 使用 RocksDB 把大量数据保存到了 SSD，同时避免了内存快照的生成和恢复问题。
Pika 使用 binlog 机制进行主从同步，避免大内存时的影响，Pika 的第一个设计目标就实现了。

四、Pika 如何实现 Redis 数据类型兼容？

Pika 的底层存储使用了 RocksDB 来保存数据，但是，RocksDB 只提供了单值的键值对类型，RocksDB 键值对中的值就是单个值，而 Redis 键值对中的值还可以是集合类型。

对于 Redis 的 String 类型来说，它本身就是单值的键值对，直接用 RocksDB 保存就行。

但是，对于集合类型来说，就无法直接把集合保存为单值的键值对，而是需要进行转换操作。

为了保持和 Redis 的兼容性，Pika 的 Nemo 模块就负责把 Redis 的集合类型转换成单值的键值对。

简单来说，我们可以把 Redis 的集合类型分成两类：

一类是 List 和 Set 类型，它们的集合中也只有单值；
另一类是 Hash 和 Sorted Set 类型，它们的集合中的元素是成对的，其中，Hash 集合元素是 field-value 类型，而 Sorted Set 集合元素是 member-score 类型。

Nemo 模块通过转换操作，把这 4 种集合类型的元素表示为单值的键值对。

具体怎么转换呢？

List 类型。在 Pika 中，List 集合的 key 被嵌入到了单值键值对的键当中，用 key 字段表示；而 List 集合的元素值，则被嵌入到单值键值对的值当中，用 value 字段表示。因为 List 集合中的元素是有序的，所以，Nemo 模块还在单值键值对的 key 后面增加了 sequence 字段，表示当前元素在 List 中的顺序，同时，还在 value 的前面增加了 previous sequence 和 next sequence 这两个字段，分别表示当前元素的前一个元素和后一个元素。此外，在单值键值对的 key 前面，Nemo 模块还增加了一个值“l”，表示当前数据是 List 类型，以及增加了一个 1 字节的 size 字段，表示 List 集合 key 的大小。
在单值键值对的 value 后面，Nemo 模块还增加了 version 和 ttl 字段，分别表示当前数据的版本号和剩余存活时间（用来支持过期 key 功能），如下图所示：

Set 集合。Set 集合的 key 和元素 member 值，都被嵌入到了 Pika 单值键值对的键当中，分别用 key 和 member 字段表示。同时，和 List 集合类似，单值键值对的 key 前面有值“s”，用来表示数据是 Set 类型，同时还有 size 字段，用来表示 key 的大小。Pika 单值键值对的值只保存了数据的版本信息和剩余存活时间，如下图所示：

Hash 类型来说，Hash 集合的 key 被嵌入到单值键值对的键当中，用 key 字段表示，而 Hash 集合元素的 field 也被嵌入到单值键值对的键当中，紧接着 key 字段，用 field 字段表示。Hash 集合元素的 value 则是嵌入到单值键值对的值当中，并且也带有版本信息和剩余存活时间，如下图所示：

Sorted Set 类型来说，该类型是需要能够按照集合元素的 score 值排序的，而 RocksDB 只支持按照单值键值对的键来排序。所以，Nemo 模块在转换数据时，就把 Sorted Set 集合 key、元素的 score 和 member 值都嵌入到了单值键值对的键当中，此时，单值键值对中的值只保存了数据的版本信息和剩余存活时间，如下图所示：

采用了上面的转换方式之后，Pika 不仅能兼容支持 Redis 的数据类型，而且还保留了这些数据类型的特征，例如 List 的元素保序、Sorted Set 的元素按 score 排序。

了解了 Pika 的转换机制后，如果有业务应用计划从使用 Redis 切换到使用 Pika，就不用担心面临因为操作接口不兼容而要修改业务应用的问题了。

经过刚刚的分析，Pika 能够基于 SSD 保存大容量数据，而且和 Redis 兼容，这是它的两个优势。

五、Pika 的其他优势与不足

跟 Redis 相比，Pika 最大的特点就是使用了 SSD 来保存数据，这个特点能带来的最直接好处就是，Pika 单实例能保存更多的数据了，实现了实例数据扩容。

除此之外，Pika 使用 SSD 来保存数据，还有额外的两个优势：

实例重启快。Pika 的数据在写入数据库时，是会保存到 SSD 上的。当 Pika 实例重启时，可以直接从 SSD 上的数据文件中读取数据，不需要像 Redis 一样，从 RDB 文件全部重新加载数据或是从 AOF 文件中全部回放操作，这极大地提高了 Pika 实例的重启速度，可以快速处理业务应用请求。
主从库重新执行全量同步的风险低。Pika 通过 binlog 机制实现写命令的增量同步，不再受内存缓冲区大小的限制，所以，即使在数据量很大导致主从库同步耗时很长的情况下，Pika 也不用担心缓冲区溢出而触发的主从库重新全量同步。

劣势：
当把数据保存到 SSD 上后，会降低数据的访问性能。这是因为，数据操作毕竟不能在内存中直接执行了，而是要在底层的 SSD 中进行存取，这肯定会影响，Pika 的性能。把 binlog 机制记录的写命令同步到 SSD 上，这会降低 Pika 的写性能。

不过，Pika 的多线程模型，可以同时使用多个线程进行数据读写，这在一定程度上弥补了从 SSD 存取数据造成的性能损失。

当然，你也可以使用高配的 SSD 来提升访问性能，进而减少读写 SSD 对 Pika 性能的影响。

一张表，这是 Pika官网上提供的测试数据。

这些数据是在 Pika 3.2 版本中，String 和 Hash 类型在多线程情况下的基本操作性能结果。

从表中可以看到，在不写 binlog 时，Pika 的 SET/GET、HSET/HGET 的性能都能达到 200K OPS 以上，而一旦增加了写 binlog 操作，SET 和 HSET 操作性能大约下降了 41%，只有约 120K OPS。

所以，在使用 Pika 时，需要在单实例扩容的必要性和可能的性能损失间做个权衡。

如果保存大容量数据是我们的首要需求，那么，Pika 是一个不错的解决方案。

六、总结

跟 Redis 相比，Pika 的好处非常明显：既支持 Redis 操作接口，又能支持保存大容量的数据。如果你原来就在应用 Redis，现在想进行扩容，那么，Pika 无疑是一个很好的选择，无论是代码迁移还是运维管理，Pika 基本不需要额外的工作量。

不过，Pika 毕竟是把数据保存到了 SSD 上，数据访问要读写 SSD，所以，读写性能要弱于 Redis。

针对这一点，提供两个降低读写 SSD 对 Pika 的性能影响的小建议：

利用 Pika 的多线程模型，增加线程数量，提升 Pika 的并发请求处理能力；
为 Pika 配置高配的 SSD，提升 SSD 自身的访问性能。

小提示。Pika 本身提供了很多工具，可以帮助我们把 Redis 数据迁移到 Pika，或者是把 Redis 请求转发给 Pika。

比如说，我们使用 aof_to_pika 命令，并且指定 Redis 的 AOF 文件以及 Pika 的连接信息，就可以把 Redis 数据迁移到 Pika 中了，如下所示：

aof_to_pika -i [Redis AOF文件] -h [Pika IP] -p [Pika port] -a [认证信息]

关于这些工具的信息，你都可以直接在 Pika 的GitHub上找到。而且，Pika 本身也还在迭代开发中，建议你多去看看 GitHub，进一步地了解它。

是否可以使用机械硬盘作为Redis的内存容量的扩展？

也是可以的。机械硬盘相较于固态硬盘的优点是：

成本：机械硬盘是电磁存储，固态硬盘是半导体电容颗粒组成，相同容量下机械硬盘成本是固态硬盘的1/3。成本更低
容量：相同成本下，机械硬盘可使用的容量更大。容量更大
寿命：固态硬盘的电容颗粒擦写次数有限，超过一定次数后会不可用。相同ops情况下，机械硬盘的寿命要比固态硬盘的寿命更长。寿命更长

但机械硬盘相较于固态硬盘的缺点也很明显，就是速度慢。

机械硬盘在读写数据时，需要通过转动磁盘和磁头等机械方式完成，而固态硬盘是直接通过电信号保存和控制数据的读写，速度非常快。

如果对于访问延迟要求不高，对容量和成本比较关注的场景，可以把Pika部署在机械硬盘上使用。

另外，关于Pika的使用场景，它并不能代替Redis，而是作为Redis的补充，在需要大容量存储（50G数据量以上）、访问延迟要求不苛刻的业务场景下使用。

在使用之前，最好是根据自己的业务情况，先做好调研和性能测试，评估后决定是否使用。

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