mini-lsm通关笔记Week1Day2

在今天的任务中主要是实现下面一层一层的迭代器：

Task 1: Memtable Iterator

在本章中，我们将实现LSM scan接口，scan使用迭代器API按顺序返回一系列键值对。在上一章中，您已经实现了get API和创建不可变memtable的逻辑，您的LSM state现在应该有多个memtable。您需要首先在单个memtable上创建迭代器，然后在所有memtable上创建合并迭代器，最后实现迭代器的范围限制。

在此任务中，您需要修改：

src/mem_table.rs

所有的LSM迭代器都实现了StorageIterator特性。它有4个函数：key、value、next和is_valid。当迭代器被创建时，它的光标将停止在某个元素上，而key/value将返回memtable/block/SST中满足开始条件的第一个键（即开始键）。这两个接口会返回一个&[u8]，以避免复制。请注意，这个迭代器接口不同于Rust风格的迭代器。

next将光标移动到下一个位置。如果迭代器已经到达末尾或出错，则返回is_valid。你可以假设只有当is_valid返回true时才会调用next。Task3中将有一个用于迭代器的FusedIterator包装器，当迭代器无效时，它会阻止对next的调用，以避免用户误用迭代器。

回到memtable迭代器。你应该已经发现迭代器没有任何与之相关的生命周期。假设你创建了一个Vec<u64>并调用vec.iter()，迭代器类型将是类似于VecIterator<'a>的东西，其中'a是vec对象的生命周期。SkipMap也是如此，它的iter API返回一个具有生命周期的迭代器。然而，在我们的情况下，我们不希望在迭代器上有这样的生命周期，以避免使系统过于复杂（并且难以编译...）。

如果迭代器没有生命周期泛型参数，我们应该确保每当使用迭代器时，底层的skiplist对象都不会被释放。实现这一点的唯一方法是将Arc<SkipMap>对象放入迭代器本身。要定义这样的结构，

pub struct MemtableIterator {map: Arc<SkipMap<Bytes, Bytes>>,iter: SkipMapRangeIter<'???>,
}

好了，问题来了：我们想表达迭代器的生命周期和结构体中的map是一样的。我们怎么能做到呢？

这是你在本教程中遇到的第一个也是最棘手的Rust语言的东西——自引用结构。如果可以这样写：

pub struct MemtableIterator { // <- with lifetime 'thismap: Arc<SkipMap<Bytes, Bytes>>,iter: SkipMapRangeIter<'this>,
}

那么问题就解决了!你可以在一些第三方库的帮助下实现这一点，比如ouroboros。它提供了一种简单的方法来定义自引用结构。使用不安全的Rust也可以做到这一点（事实上，我们自己内部使用不安全的Rust...）

我们已经为您定义了自引用MemtableIterator字段，您需要实现MemtableIterator和Memtable::scan API。

进行本章的内容，需要先对ouroboros三方工具库有一定了解：https://docs.rs/ouroboros/latest/ouroboros/attr.self_referencing.html

对于以下定义的自引用结构体：

#[self_referencing]
struct MyStruct {tail_field: i32,int_data: i32,float_data: f32,#[borrows(int_data)]int_reference: &'this i32,#[borrows(mut float_data)]float_reference: &'this mut f32,
}

其中int_data有一个不可变的借用int_reference，float_data有一个可变的借用float_reference，tail_field是没有被借用的字段。

如果需要获取字段的值可以使用borrow_{field_name}()方法：

my_value.borrow_tail_field()my_value.borrow_int_reference()my_value.borrow_int_data()my_value.borrow_float_reference()

如果需要获取到字段的可变引用然后修改值，需要使用with_mut或者with_{field_name}_mut：

my_value.with_mut(|fields| {**fields.float_reference = (**fields.int_reference as f32) * 2.0;*fields.tail_field = 12;
});my_value.with_float_reference_mut(|float_ref| {**float_ref = 32.0
});

MemtableIterator

value方法：

结构体的属性不能直接访问，需要通过self.borrow_{field_name}访问。先通过self.borrow_item()获取到item这个元组，再通过self.borrow_item().1获取到第二个元素，因为返回的是字符串切片所以变成self.borrow_item().1[..]，为了不产生拷贝最终变成：

&self.borrow_item().1[..]

借助ouroboros::self_referencing方法，能简单的实现返回引用。

is_valid方法：

判断元组第一个元素是否为空：

!self.borrow_item().0.is_empty()

key方法：

KeySlice::from_slice(&self.borrow_item().0[..])

next方法：

可以使用with_iter_mut方法获取到iter的可变引用，通过with_item_mut可以获取到item的可变引用。

let entry = self.with_iter_mut(|iter| {let entry = iter.next();match entry {None => { (Bytes::new(), Bytes::new()) }Some(entry) => {(entry.key().clone(), entry.value().clone())}}
});
self.with_item_mut(|item|{*item = entry;
});
Ok(())

scan

通过ouroboros::self_referencing的构造函数生成对象，注意iter字段的复制需要使用闭包的方式赋值给iter_builder。

let (lower, upper) = (map_bound(_lower), map_bound(_upper));
let mut iterator = MemTableIteratorBuilder {map: self.map.clone(),iter_builder: |map| map.range((lower, upper)),item: (Bytes::new(), Bytes::new()),
}
.build();
iterator.next().unwrap();
iterator

Task 2-Merge Iterator

在此任务中，您需要修改：

src/iterors/merge_iterator.rs

现在你有了多个memtable，你将创建拥有多个memtable的迭代器。您需要合并memtables中的结果，并将每个键的最新版本返回给用户。

MergeIterator在内部维护了一个二叉堆(BinaryHeap)。请注意，您需要处理错误（即当迭代器无效时），并确保键值对的最新版本。

例如，如果我们有以下数据：

iter1: b->del, c->4, d->5

iter2: a->1, b->2, c->3

iter3: e->4

合并迭代器输出的顺序应该是：

a->1、b->del、c->4、d->5、e->4

合并迭代器的构造函数接受迭代器的数组Vec。我们假设索引较小的那个（即第一个）拥有最新的数据。

一个常见的陷阱是错误处理。例如：

let Some(mut inner_iter) = self.iters.peek_mut() {inner_iter.next()?; // <- will cause problem
}

如果next返回错误（即，由于磁盘故障、网络故障、校验和错误等），则不再有效。但是，当我们走出if条件并将错误返回给调用者时，PeekMut的drop将尝试在堆中移动元素，这导致访问无效的迭代器。因此，您需要自己完成所有错误处理，而不是使用？在PeekMut的范围内。

我们希望尽量避免动态分派，因此我们在系统中不使用Box<dyn StorageIterator>。相反，我们更倾向于使用泛型进行静态分派。另请注意，StorageIterator使用泛型关联类型（GAT），因此它可以同时支持KeySlice和&[u8]作为键类型。我们将更改KeySlice以在第3周中包含时间戳，现在为它使用单独的类型可以使过渡更加平滑。

从本节开始，我们将使用Key<T>来表示LSM键类型，并将它们与类型系统中的值区分开来。你应该使用Key<T>提供的API，而不是直接访问内部值。在第3部分中，我们将为这个键类型添加时间戳，使用键抽象将使转换更加平滑。目前，KeySlice等价于&[u8], KeyVec等价于Vec<u8>,KeyBytes等价于Bytes。

二叉堆(BinaryHeap)其实就是一个优先队列，先查看其比较规则：

match self.1.key().cmp(&other.1.key()) {cmp::Ordering::Greater => Some(cmp::Ordering::Greater),cmp::Ordering::Less => Some(cmp::Ordering::Less),cmp::Ordering::Equal => self.0.partial_cmp(&other.0),
}

先比较其StorageIterator当前元素的key值，如果相同再比较Vec索引下标的值。再验证一下，修改BinaryHeap中的元素，BinaryHeap是否会重新排列：

use std::collections::BinaryHeap;#[derive(Debug, Eq, PartialOrd, PartialEq)]
#[derive(Ord)]
struct MyStruct {x: i32,y: String,
}fn main() {let mut heap = BinaryHeap::new();let xiaoming = MyStruct {x: 16,y: String::from("xiaoming"),};let xiaohong = MyStruct {x: 17,y: String::from("xiaohong"),};heap.push(xiaoming);heap.push(xiaohong);println!("{:?}", heap.peek());let xiaohong = heap.peek_mut();xiaohong.unwrap().x = 1;println!("{:?}", heap.peek());
}

输出：

Some(MyStruct { x: 17, y: "xiaohong" })
Some(MyStruct { x: 16, y: "xiaoming" })

可知BinaryHeap的堆顶元素永远是key值最小且最新的那个。

create

构造函数实现：

let mut iter = MergeIterator {iters: BinaryHeap::new(),current: None,
};
if iters.iter().all(|x| !x.is_valid()) && !iters.is_empty() {let mut iters = iters;iter.current = Some(HeapWrapper(0, iters.pop().unwrap()));return iter;
}
for (index, storage_iter) in iters.into_iter().enumerate() {if storage_iter.is_valid() {iter.iters.push(HeapWrapper(index, storage_iter));}
}
if !iter.iters.is_empty() {iter.current = Some(iter.iters.pop().unwrap())
}
iter

• 创建一个默认对象

• 判断Vec数组里面的元素是否都为非法值，如果都是非法值则将current随便赋值一个。因为在使用MergeIterator也会先调用is_valid方法

• 将Vec数组里面有合法元素的迭代器都加到堆中

• 取堆顶的元素赋值给current

key/value

current元素中迭代器的key/value方法：self.current.as_ref().unwrap().1.key()、self.current.as_ref().unwrap().1.value()。

is_valid

先判断是否为None，再调用current中迭代器的is_valid方法：

if let None = self.current {return false;
}
self.current.as_ref().unwrap().1.is_valid()

next

let current = self.current.as_mut().unwrap();
while let Some(mut inner_iter) = self.iters.peek_mut() {if inner_iter.1.key() != current.1.key() {break;}if let e @ Err(_) = inner_iter.1.next() {PeekMut::pop(inner_iter);return e;}if !inner_iter.1.is_valid() {PeekMut::pop(inner_iter);}
}current.1.next()?;if !current.1.is_valid() {if let Some(iter) = self.iters.pop() {*current = iter;}return Ok(());
}if let Some(mut inner_iter) = self.iters.peek_mut() {if *current < *inner_iter {std::mem::swap(&mut *inner_iter, current);}
}Ok(())

• 先把和当前current迭代器key相同的迭代器移除。

• 当前current迭代器取下一个元素

• 当前current迭代器非法，从堆顶pop出一个迭代器

• 当前current迭代器合法，和堆顶迭代器比较，若小于则交换

Task 3-LSM Iterator + Fused Iterator

在此任务中，您需要修改：

src/lsm_iterator.rs

我们使用LsmIterator结构来表示内部的LSM迭代器。当系统中添加了更多的迭代器时，您将需要在整个教程中多次修改此结构。目前，因为我们只有多个memtable，所以它应该定义为：

类型LsmIteratorInner=MergeIterator<MemTableIterator>；

您可以继续实现LsmIterator结构，它调用相应的内部迭代器，并且也跳过删除的键。

我们不在此任务中测试LsmIterator。在任务4中，将有一个集成测试。

然后，我们希望在迭代器上提供额外的安全性，以避免用户误用它们。当迭代器无效时，不应调用key、value或next。同时，如果next返回错误，则不应该再使用迭代器。FusedIterator是一个围绕迭代器的包装器，用于规范化所有迭代器的行为。你可以自己去实现它。

LsmIterator

主要还是直接调用inner，就是在空value的时候需要跳到下一个键值对：

impl LsmIterator {pub(crate) fn new(iter: LsmIteratorInner) -> Result<Self> {let mut lsm = Self { inner: iter };if lsm.is_valid() && lsm.value().is_empty() {lsm.next();}Ok(lsm)}
}impl StorageIterator for LsmIterator {type KeyType<'a> = &'a [u8];fn is_valid(&self) -> bool {self.inner.is_valid()}fn key(&self) -> &[u8] {self.inner.key().raw_ref()}fn value(&self) -> &[u8] {self.inner.value()}fn next(&mut self) -> Result<()> {self.inner.next();if self.inner.is_valid() && self.inner.value().is_empty() {return self.next();}Ok(())}
}

FusedIterator

判断是否有异常、是否合法，否则报错

impl<I: StorageIterator> StorageIterator for FusedIterator<I> {type KeyType<'a> = I::KeyType<'a> where Self: 'a;fn is_valid(&self) -> bool {!self.has_errored && self.iter.is_valid()}fn key(&self) -> Self::KeyType<'_> {if !self.is_valid() {panic!("invalid access to the underlying iterator");}self.iter.key()}fn value(&self) -> &[u8] {if !self.is_valid() {panic!("invalid access to the underlying iterator");}self.iter.value()}fn next(&mut self) -> Result<()> {if self.has_errored {bail!("the iterator is tainted");}if self.iter.is_valid() {if let Err(e) = self.iter.next() {self.has_errored = true;return Err(e);}}Ok(())}
}

Task 4-Read Path - Scan

在此任务中，您需要修改：

src/lsm_storage.rs

我们终于实现了——有了所有已经实现的迭代器，您终于可以实现LSM引擎的扫描接口了。你可以简单地用memtable迭代器构造一个LSM迭代器（记得把最新的memtable放在merge迭代器的前面），然后你的存储引擎就可以处理扫描请求了。

将此前写的迭代器用于scan接口：

let snapshot = {let guard = self.state.read();Arc::clone(&guard)
};
let mut memtable_iters = Vec::with_capacity(snapshot.imm_memtables.len() + 1);
memtable_iters.push(Box::new(snapshot.memtable.scan(_lower, _upper)));
for memtable in snapshot.imm_memtables.iter() {memtable_iters.push(Box::new(memtable.scan(_lower, _upper)));
}
Ok(FusedIterator::new(LsmIterator::new(MergeIterator::create(memtable_iters),
)?))