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2023-07-16
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Tair

# 1 Tair介绍

# 1.1 Tair简介

Tair(Taobao Pair)是淘宝开发的分布式Key-Value存储引擎

服务器端自动负载均衡

分为持久化和非持久化两种方式存储

非持久化:分布式缓存使用 Memcached(mdb)、Redis(rdb)

持久化:SQL-DB使用FireBird(fdb)

NoSQL-DB:使用Kyoto Cabinet(kdb)、LevelDB(ldb)

Tair采用可插拔存储引擎设计，以上这些存储引擎可以很方便的替换，还可以引入新的存储引擎比如:

MySQL

# 1.2 使用场景

  • 分布式缓存

大多数使用场景

大访问少量临时数据的存储(kb左右)

用于缓存，降低对后端数据库的访问压力

  • session场景

高速访问某些数据结构的应用和计算(rdb)

  • 数据源存储

快速读取数据(fdb)

持续大数据量的存入读取(ldb)，交易快照

高频度的更新读取(ldb)，库存

# 2 Tair整体架构分析

Tair_Page2_01

一个Tair集群主要包括client、Config server和Dataserver 三个不同的应用。 Client在初始化时，从Config server处获取数据的分布信息，根据分布信息和相应的Data server交互完成用户的请求。

Config Server通过和Data Server的心跳(HeartBeat)维护集群中可用的节点，并根据可用的节点， 构建数据的在集群中的分布信息

Data server负责数据的存储，并按照Config server的指示完成数据的复制和迁移工作。

# 3 Config Server

Config Server是单点，采用一主一备的方式保证可靠性。

管理所有的data server, 维护data server的状态信息

用户配置的桶数量、副本数、机房信息

数据分布的对照表

协调数据迁移、管理进度，将数据迁移到负载较小的节点上

Client和ConfigServer的交互主要是为了获取数据分布的对照表，当client获取到对照表后，会cache这 张表，然后通过查这张表决定数据存储的节点，所以不需要和configserver交互，这使得Tair对外的服 务不依赖configserver，所以它不是传统意义上的中心节点

Config server维护的对照表有版本概念，由于集群变动或管理触发，构建新的对照表后，对照表的版本 号递增，并通过Data server的心跳，将新表同步给数据节点。

客户端和Data server交互时，Dataserver每次都把自己缓存的对照表版本号放入response结构中，返 回给客户端，客户端将Data server的对照表版本号和自己缓存的对照表版本号比较，如果不相同，会 主动和Config server通信，请求新的对照表。

Tair的Configserver使客户端使用时候，不需要配置数据节点列表，也不需要处理节点的的状态变化， 这使得Tair对最终用户来说使用和配置都很简单。

# 4 Data Server

Data server负责数据的物理存储，并根据Configserver构建的对照表完成数据的复制和迁移工作。 Data server具备抽象的存储引擎层，可以很方便地添加新存储引擎。Data server还有一个插件容器， 可以动态地加载/卸载插件。

Tair_Page3_01

Tair的存储引擎有一个抽象层，只要满足存储引擎需要的接口，便可以很方便地替换Tair底层的存储引 擎。比如你可以很方便地将bdb、tc甚至MySQL作为Tair的存储引擎，而同时使用Tair的分布方式、同步 等特性。

Tair默认包含两个存储引擎:mdb和fdb。

mdb是一个高效的缓存存储引擎，它有着和memcached类似的内存管理方式。mdb支持使用share memory(tmpfs)，这使得我们在重启Tair数据节点的进程时不会导致数据的丢失，从而使升级对应 用来说更平滑，不会导致命中率的较大波动。

fdb是一个简单高效的持久化存储引擎，使用树的方式根据数据key的hash值索引数据，加快查找速 度。索引文件和数据文件分离，尽量保持索引文件在内存中，以便减小IO开销。使用空闲空间池管理被 删除的空间。

# 5 Tair的安装与使用

# 5.1 环境准备

GIt

yum install git
yum update -y nss curl libcurl

svn

yum install subversion

Libtool

yum install libtool

boost-devel

yum install boost-devel

zlib

yum install zlib-devel

C++

yum install gcc-c++

# 5.2 项目源码下载和编译

tbsys库和tbnet库下载(tair底层依赖tbsys库和tbnet库)

#git源码下载
git clone https://github.com/kayaklee/tb-common-util.git
#设置环境变量
mkdir /var/tblib
export TBLIB_ROOT="/var/tblib" 
#因为tbnet和tbsys在两个不同的目录，但它们的源码文件里头文件的互相引用却没有加绝对或相对路径， 将两个目录的源码加入到C++环境变量中即可。否则编译时会出现:“fatal error:tysys.h: No such file or directory”的错误。 
CPLUS_INCLUDE_PATH=/home/tair/tb-common-util/tbsys/src:/home/tair/tb-common- util/tbnet/src
export CPLUS_INCLUDE_PATH
#修改tbsys代码
cd ~/tb-common-util/trunk/tbsys/src 
#下载的代码有个错误:具体是tbsys/src/tblog.cpp中323行代码:需要将CLogger::CLogger& CLogger::getLogger()改为CLogger& CLogger::getLogger()
#编译tbsys和tbnet
cd tb-common-utils
./build.sh

注:安装成功后，TBLIB_ROOT所指示的目录下会有include和lib两个目录。

# 5.3 tair下载

#git源码下载
git clone https://github.com/alibaba/tair.git 
#安装依赖
yum install -y openssl-devel libcurl-devel 
#编译
./bootstrap.sh
#检测和生成 Makefile
./configure
#编译和安装到目标目录
make -j
make install
注:默认安装位置是 ~/tair_bin

# 5.4 Tair配置和启动

下面以MDB引擎为例配置一个最小化的Tair集群(1 * ConfigServer + 1 * DataServer)

#查看和设置系统tmpfs
#MDB 引擎默认使用共享内存，所以需要查看并设置系统的tmpfs的大小
# 这里根据实际机器内存情况配置，必须大于Tair使用内存的配置
vim /etc/fstab
tmpfs /dev/shm tmpfs defaults,size=1024M 0 0
#生效
mount -o remount /dev/shm
#查看tmpfs
cat /etc/fstab | grep /dev/shm
显示tmpfs /dev/shm tmpfs rw,size=1G 0 0 

# 定义配置文件 复制配置文件
cp etc/configserver.conf.default etc/configserver.conf cp etc/group.conf.default etc/group.conf etc/dataserver.conf.default etc/dataserver.conf
# configserver.conf
[public]
config_server=192.168.127.133:5198 
#config_server=192.168.1.2:5198 
#config_server=10.211.55.9:5198
#config_server=192.168.1.2:5198
dev_name=eno16777736
#group.conf

# data center A
_server_list=192.168.127.133:5191 
#_server_list=192.168.1.2:5191 
#_server_list=192.168.1.3:5191 
#_server_list=192.168.1.4:5191

# data center B
#_server_list=192.168.2.1:5191
#_server_list=192.168.2.2:5191
#_server_list=192.168.2.3:5191
#_server_list=192.168.2.4:5191
#dataserver.conf
[public]
config_server=192.168.127.133:5198
#config_server=192.168.1.2:5198

dev_name=eno16777736
mdb_inst_shift=0
process_thread_num=4
io_thread_num=4
#这里 slab_mem_size控制MDB内存池的总大小，mdb_inst_shift 控制实例的个数，注意这里一个实例 必须大于512MB且小于64GB。
slab_mem_size=512
#修改 tair.sh启动脚本
#在CentOS 7下，安装目录下的 tair.sh 启动脚本有一行代码需要修改 
tmpfs_size=`df -m |grep /dev/shm | awk '{print $2}'` 
#启动Tair实例
#启动dataserver
tair_bin $ ./tair.sh start_ds
#启动configserver
tair_bin $ ./tair.sh start_cs
#查看进程
ps -ef |grep tair 
注:执行后没有两行记录显示，说明启动失败，可查看logs中的log查看错误信息。

# 5.5 Tair测试

#客户端读写测试
tair_bin $ ./sbin/tairclient -c 192.168.127.133:5198 -g group_1 TAIR> health
TAIR> put key value
TAIR> get key
TAIR> remove key
TAIR> get key

# 5.6 Tair停止

#停止dataserver
tair_bin $ ./tair.sh stop_ds 
#停止configserver
tair_bin $ ./tair.sh stop_cs

# 6 Tair高可用和负载均衡

Tair的高可用和负载均衡，主要通过对照表和数据迁移两大功能进行支撑。

对照表将数据分为若干个桶，并根据机器数量、机器位置进行负载均衡和副本放置，确保数据分布均匀，并且在多机房有数据副本。

在集群发生变化时，会重新计算对照表，并进行数据迁移。

# 6.1 对照表

在Tair系统中，采用对照表将数据均衡的分布在DataServer上

还能动态适应节点的扩容和缩容

Tair基于一致性Hash算法存储数据，根据配置建立固定数量的桶(bucket)

桶为Hash环节点，hash(key) 顺时针 设置桶

桶是负载均衡和数据迁移的基本单位

config server 根据一定的策略把每个桶指派到不同的data server上，

因为数据按照key做hash算法，所以可以认为每个桶中的数据基本是平衡的，

保证了桶分布的均衡性, 就保证了数据分布的均衡性。

比如:

bucket   data server
0       192.168.127.132   192.168.127.134
1       192.168.127.133   192.168.127.135
2       192.168.127.132   192.168.127.134
3       192.168.127.133   192.168.127.135
4       192.168.127.132   192.168.127.134
5       192.168.127.133   192.168.127.135

Tair支持自定义的备份数，比如你可以设置数据备份为2，以提高数据的可靠性。对照表可以很方便地支 持这个特性。

第二列为主节点的信息，第三列为辅节点信息。在Tair中，客户端的读写请求都是和主节点交互。

当有节点不可用时，如果是辅节点，那么configserver会重新为其指定一个辅节点，如果是持久化存 储，还将复制数据到新的辅节点上。如果是主节点，那么configserver首先将辅节点提升为主节点，对 外提供服务，并指定一个新的辅节点，确保数据的备份数。

对照表的初始化

第一次启动ConfigServer会根据在线的DataServer生成对照表 ConfigServer会启动一个线程(table_builder_thread),该线程会每秒检查一次是否需要重新构造对照表

Tair 提供了两种生成对照表的策略:

负载均衡优先

config server会尽量的把桶均匀的分布到各个data server上 一个桶的备份数据不能在同一台主机上

位置安全优先

一般我们通过控制 _pos_mask(Tair的一个配置项) 来使得不同的机房具有不同的位置信息 一个桶的备份数据不能都位于相同的一个位置(不在同一个机房)

# 6.2 数据迁移

当DataServer增加时，config server负责重新计算一张新的桶在data server上的分布表

将桶较为平均的分配到各个DataServer上

当DataServer发生故障时， config server负责重新计算一张新的桶在data server上的分布表,

将原来由故障机器服务的桶的访问重新指派到其它的data server中

这时需要做数据迁移，具体流程如下:

1、设置当前正在迁移的桶ID

2、DataServer写入桶数据时，会写入redolog

3、migrate_manager迁移内存中的桶数据

4、migrate_manager迁移redolog数据

5、redolog数据迁移完成后，将桶标记为迁移完成

6、将信息发送给ConfigServer用于同步对照表

Tair_Page8_01

# 7 Tair存储引擎

Tair的存储引擎有一个抽象层(storage_manager),只要实现存储引擎接口，便可以替换Tair的底层存储引擎。

可插拔存储引擎---类似MySQL

Tair默认包含四种存储引擎:mdb、fdb、kdb和ldb

# 7.1 mdb

数据存储:Memcached

高效缓存存储

使用share memory ，重启不会数据丢失

支持K-V存储、prefix操作

适用于:String缓存使用 (json)、大访问少量的临时数据存储、Session分离

# 7.2 fdb

数据存储:FireBird

高效的持久化SQL存储

索引文件和数据文件分离------>mysql MyISam

使用Tree的方式根据key的hash值索引数据 B tree

索引文件在内存中

适用于:快速访问较小的数据

# 7.3 kdb

数据存储:Kyoto Cabinet

Cabinet开发的KV的持久化存储

简单的包含记录的数据文件

存储形式为hash表或B+Tree

适用于:简单临时存储

# 7.4 ldb

数据存储:LevelDB

是Google开发的高性能持久化KV存储

可内嵌mdb缓存 mdb+ldb

支持kv、prefix

支持批量操作

适用于:大数据量的存取(交易快照)、高频度的更新(库存)、离线大批量数据导入

# 7.5 rdb

数据存储:Redis

高效缓存存储

多种数据结构和计算

适用于:复杂数据结构存储、商品属性、粉丝列表、商品评论、消息队列

image-20230716130242823

阿里使用:mdb、rdb、ldb

# 7.6 mdb的存储结构(Memcached)

Tair_Page10_01

mem_pool

用于共享内存管理，将内存分为若干个page

page个数根据slab_mem_size设置，单位为MB

单个DataServer最多使用64G内存

**mem_cache **

用于管理slab，存放slab_manager列表

slab_manager管理item(数据块)

slab个数为100，一个slab可存储800kb

**cache_hash_map **

用于存储hash表，根据key进行hash对应item数据

hash冲突，产生链表

mdb_area_stat

用于维护area(namespace)状态，记录了该area的数据链表和数据量限制(tablespace)

Tair_Page11_01

# 8 Tair相应API

# 8.1 key/value常见操作API

操作 说明
get get key [area] 获得key的值
put put key data [area]
[expired]		 设置key和value
incr incr key [count]
[initValue] [area]		 对key的值自增
decr decr key [count]
[area]		 对key的值自减
batcheGet mget key1 ... keyn
area		 批量获得
expire expire key time 设置key的过期时间
prefixPut pput [area] pkey
skey value		 根据前缀设置，按照prefix计算hash，同一个prefix会存
prefixGet pget [area] pkey
skey		 储在同一个hash表，形成链表根据前缀读取

# 8.2 version

Tair中的每个数据都包含版本号，版本号在每次更新后都会递增。这个特性有助于防止由于数据的并发 更新导致的问题，类似于乐观锁

比如，系统有一个value为“a”，A和B同时get到这个value。

A执行操作改为"b"

B执行操作改为"c"

如果不控制，无论A和B谁先更新成功，它的更新都会被后到的更新覆盖。

使用version解决

第一次put version为1

get version为1

A修改成功后 version增加1

B修改时本身version为1，小于服务器版本2

所以B修改不成功

在put时，version传0 可强制修改

struct mdb_item{
    uint64_t item_id;
    .....
    uint16_t version
}

# 8.2.1 Tair实现乐观锁

trylock(获取版本)–> transaction –> unlock(版本检查) — 正常—> version+1 commit— 异常—> rollback

  • 只要能获取版本，就认为trylock成功
  • 版本检查则更新version，一般是加1;否则，异常处理，version不变，并开启回滚
  • 多事务同时获得乐观锁时，unlock只能有一个成功，其余的都应该失败

version 初始化要大于1

# 8.2.2 Tair实现分布式锁

利用 Tair 的 version 特性可以实现分布式锁，由于 LDB 具有持久化功能，当服务有出现宕机的情况， 也不会因此出现锁丢失或者锁不可释放的情况。

如果KEY不存在的话，传入一个固定的初始化VERSION(需要大于1)，Tair会在保存这个缓存的同时设 置这个缓存的VERSION为你传入的 VERSION+1

KEY如果已经存在，Tair会校验你传入的VERSION是否等于现在这个缓存的VERSION，如果相等则允许 修改，否则将失败。

示例代码如下:

//获得锁
public boolean lock(String lockKey) {
//10 :version expiretime : 过期时间 秒
        ResultCode code = defaultTairManager.put(lockKey, defaultVlaue, 5, expiretime);
        if (ResultCode.SUCCESS.equals(code))
            return true;
        else
            return false;
}

//释放锁
public Boolean unlock(String lockKey){
  ResultCode code = defaultTairManager.delete(lockKey);
	return ResultCode.SUCCESS.equals(code);
}

# 8.3 Java Client

pom.xml

<!-- https://mvnrepository.com/artifact/com.taobao.tair/tair-client -->
<dependency>
   <groupId>com.taobao.tair</groupId>
   <artifactId>tair-client</artifactId>
   <version>2.3.5</version>
</dependency>

demo

DefaultTairManager defaultTairManager = new DefaultTairManager();
List<String> cs = new ArrayList<String>();
cs.add("192.168.127.132:5198");
defaultTairManager.setConfigServerList(cs);
defaultTairManager.setGroupName("group_1");
defaultTairManager.init();
defaultTairManager.put(0,"name:001","zhangfei");
Result<DataEntry> value= defaultTairManager.get(0,"name:001");
System.out.println(value);
//设置版本0 强制更新 过期时间2秒 
defaultTairManager.put(0,"name:002","zhaoy",0,2); 
Result<DataEntry> value2= defaultTairManager.get(0,"name:002"); System.out.println(value2);

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上次更新: 2023/09/08, 23:19:29
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