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KVstore :键值映射存储服务器

2024-06-19 121
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云解析 DNS，旗舰版 1个月
全局流量管理 GTM，标准版 1个月
公共DNS（含HTTPDNS解析），每月1000万次HTTP解析
简介： KVstore :键值映射存储服务器

概述：本文介绍kv存储服务，所谓kv即key-value映射，用户存储键值对，提供：1.根据键查找值 2.根据键修改值 3.根据键删除值

效果：kv存储是运行在服务器上的一个进程，客户端通过套接字与服务器上的kvstore进程进行通信，客户端发送由协议规定的请求例如 SET name01 wjq ，kvstore服务器接收到请求并解析，回复结果 SUCCESS； 又例如客户端发送 GET name01 ，接收到服务端的回复 wjq

实现思路：

1.首先我们需要做到kvstore与客户端通信，这里使用tcp，也就是说设计之初kvstore就是一个支持百万级并发连接的tcp服务器：这里使用一个reactor模型，直接附上代码，tcp服务器不在本文讲解范围内

#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/poll.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/time.h>
#include "kvstore.h"
// listenfd
// EPOLLIN --> 
int accept_cb(int fd);
// clientfd
// 
int recv_cb(int fd);
int send_cb(int fd);
// conn, fd, buffer, callback
int epfd = 0;
struct conn_item connlist[1048576] = {0}; // 1024  2G     2 * 512 * 1024 * 1024 
// list
struct timeval zvoice_king;
// 
// 1000000
#define TIME_SUB_MS(tv1, tv2)  ((tv1.tv_sec - tv2.tv_sec) * 1000 + (tv1.tv_usec - tv2.tv_usec) / 1000)
int set_event(int fd, int event, int flag) {
  if (flag) { // 1 add, 0 mod
    struct epoll_event ev;
    ev.events = event ;
    ev.data.fd = fd;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);
  } else {
  
    struct epoll_event ev;
    ev.events = event;
    ev.data.fd = fd;
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev);
  }
  
}
int accept_cb(int fd) {
  struct sockaddr_in clientaddr;
  socklen_t len = sizeof(clientaddr);
  
  int clientfd = accept(fd, (struct sockaddr*)&clientaddr, &len);
  if (clientfd < 0) {
    return -1;
  }
  set_event(clientfd, EPOLLIN, 1);
  connlist[clientfd].fd = clientfd;
  memset(connlist[clientfd].rbuffer, 0, BUFFER_LENGTH);
  connlist[clientfd].rlen = 0;
  memset(connlist[clientfd].wbuffer, 0, BUFFER_LENGTH);
  connlist[clientfd].wlen = 0;
  
  connlist[clientfd].recv_t.recv_callback = recv_cb;
  connlist[clientfd].send_callback = send_cb;
  if ((clientfd % 1000) == 999) {
    struct timeval tv_cur;
    gettimeofday(&tv_cur, NULL);
    int time_used = TIME_SUB_MS(tv_cur, zvoice_king);
    memcpy(&zvoice_king, &tv_cur, sizeof(struct timeval));
    
    printf("clientfd : %d, time_used: %d\n", clientfd, time_used);
  }
  return clientfd;
}
int recv_cb(int fd) { // fd --> EPOLLIN
  char *buffer = connlist[fd].rbuffer;
  int idx = connlist[fd].rlen;
  
  int count = recv(fd, buffer, BUFFER_LENGTH, 0);
  if (count == 0) {
    printf("disconnect\n");
    epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, fd, NULL);   
    close(fd);
    
    return -1;
  }
  
  connlist[fd].rlen = count;
  kvstore_request(&connlist[fd]); 
  connlist[fd].wlen = strlen(connlist[fd].wbuffer);
  set_event(fd, EPOLLOUT, 0);   
  
  return count;
}
int send_cb(int fd) {
  char *buffer = connlist[fd].wbuffer;
  int idx = connlist[fd].wlen;
  int count = send(fd, buffer, idx, 0);
  set_event(fd, EPOLLIN, 0);
  return count;
}
int init_server(unsigned short port) {
  int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  struct sockaddr_in serveraddr;
  memset(&serveraddr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
  serveraddr.sin_family = AF_INET;
  serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  serveraddr.sin_port = htons(port);
  if (-1 == bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serveraddr, sizeof(struct sockaddr))) {
    perror("bind");
    return -1;
  }
  listen(sockfd, 10);
  return sockfd;
}
int epoll_entry(void) {
  int port_count = 20;
  unsigned short port = 2048;
  int i = 0;
  
  epfd = epoll_create(1); // int size
  for (i = 0;i < port_count;i ++) {
    int sockfd = init_server(port + i);  // 2048, 2049, 2050, 2051 ... 2057
    connlist[sockfd].fd = sockfd;
    connlist[sockfd].recv_t.accept_callback = accept_cb;
    set_event(sockfd, EPOLLIN, 1);
  }
  gettimeofday(&zvoice_king, NULL);
  struct epoll_event events[1024] = {0};
  
  while (1) { // mainloop();
    int nready = epoll_wait(epfd, events, 1024, -1); // 
    int i = 0;
    for (i = 0;i < nready;i ++) {
      int connfd = events[i].data.fd;
      if (events[i].events & EPOLLIN) { //
        int count = connlist[connfd].recv_t.recv_callback(connfd);
        //printf("recv count: %d <-- buffer: %s\n", count, connlist[connfd].rbuffer);
      } else if (events[i].events & EPOLLOUT) { 
        // printf("send --> buffer: %s\n",  connlist[connfd].wbuffer);
        
        int count = connlist[connfd].send_callback(connfd);
      }
    }
  }
  //getchar();
  //close(clientfd);
}
函数epoll_entry实现了与客户端之间的通信，并通过kvstore_request(&connlist[fd])这个函数实现了处理客户端请求，并将处理结果发送给客户端

2.kvstore存储引擎的实现

概要：由于服务器要将客户端请求存储的内容存储起来，有两种方式，一是存储到数据库，二是存储到服务端本地

为了简单实现业务，本文使用存储到本地进行讲解，采用的数据结构是哈希表

先介绍哈希表的实现以及为kvstore封装的接口：

/*
 * 单线程版本，没有做线程安全！
 *
 */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include "kvstore.h"
#define MAX_KEY_LEN 128
#define MAX_VALUE_LEN 512
#define MAX_TABLE_SIZE  102400
#define ENABLE_POINTER_KEY  1 
typedef struct hashnode_s { // hash node
#if ENABLE_POINTER_KEY
    char *key;
    char *value;
#else
    char key[MAX_KEY_LEN];
    char value[MAX_VALUE_LEN];
#endif
    struct hashnode_s *next;
} hashnode_t;
typedef struct hashtable_s { // hash table
    hashnode_t **nodes; // hashnode_t * 类型的 *nodes，也就是存放着hashnode_t类型的指针的数组nodes
    int max_slots;
    int count;
} hashtable_t;
hashtable_t Hash;
static int _hash(char *key, int size) { // hash函数，使用key确定hash值
    if (!key) return -1;
    int sum = 0;
    int i = 0;
    while (key[i] != 0) { // 使用ASCII计算hash值，由于key是字符数组，该方法通用
        sum += key[i];
        i ++;
    }
    return sum % size; // 返回hash值
}
hashnode_t *_create_node(char *key, char *value) {
    hashnode_t *node = (hashnode_t *)kvstore_malloc(sizeof(hashnode_t));
    if (!node) return NULL; // malloc filed
#if ENABLE_POINTER_KEY
    // 为节点的成员分配空间
    node->key = kvstore_malloc(strlen(key) + 1);
    if (!node->key) {
        kvstore_free(node); // node分配成功但key失败
        return NULL;
    }
    strcpy(node->key, key);
    node->value = kvstore_malloc(strlen(value) + 1);
    if (!node->value) {
        kvstore_free(node->key); // node和key分配成功但value失败
        kvstore_free(node);
        return NULL;
    }
    strcpy(node->value, value);
#else
  strncpy(node->key, key, MAX_KEY_LEN);
  strncpy(node->value, value, MAX_VALUE_LEN);
  
#endif
    // 初始化 next
    node->next = NULL;
    return node;
}
int init_hashtable(hashtable_t *hash) {
    if (!hash) return -1;
    hash->nodes = (hashnode_t**)kvstore_malloc(sizeof(hashnode_t *) * MAX_TABLE_SIZE);
    if (!hash->nodes) return -1;
    hash->max_slots = MAX_TABLE_SIZE;
    hash->count = 0;
    return 0;
}
void dest_hashtable(hashtable_t *hash) { // 销毁哈希表
    if (!hash) return;
    // 遍历释放数组中所有链表
    int i = 0;
    for (i = 0; i < hash->max_slots; i++) {
        hashnode_t *node = hash->nodes[i];
        while (node != NULL) {
            hashnode_t *tmp = node; // 保存当前节点
            node = node->next; // 移动到下一个节点
            hash->nodes[i] = node; // 更新头指针，在这段代码中没有作用
            kvstore_free(tmp); // 释放当前节点 
        }
    }
    kvstore_free(hash->nodes); // 释放哈希表的数组成员
}
int put_kv_hashtable(hashtable_t *hash, char *key, char *value) {
    if (!hash || !key || !value) return -1;
    int idx = _hash(key, MAX_TABLE_SIZE); // 哈希值作为数组下标
    hashnode_t *node = hash->nodes[idx]; // 获取正确数组位置的头指针
#if 1
    while (node != NULL) {    // 如果已经存在，直接退出，不重复插入
        if (strcmp(node->key, key) == 0) {
            return 1;
        }
        node = node->next;
    }
#endif
    hashnode_t *new_node = _create_node(key, value);
    // 头插法
    new_node->next = hash->nodes[idx];
    hash->nodes[idx] = new_node; // 更新头节点指针
    hash->count ++;
    return 0;
}
char *get_kv_hashtable(hashtable_t *hash, char *key) { // search
    if (!hash || !key) return NULL;
    int idx = _hash(key, MAX_TABLE_SIZE);
    hashnode_t *node = hash->nodes[idx]; // 确定数组索引
    while (node != NULL) { // 遍历查找
        if (strcmp(node->key, key) == 0) {
            return node->value;
        }
        node = node->next;
    }
    return NULL;
}
int count_kv_hashtable(hashtable_t *hash) {
  return hash->count;
}
int delete_kv_hashtable(hashtable_t *hash, char *key) { // 根据key删除节点
    if (!hash || !key) return -1;
    int idx = _hash(key, MAX_TABLE_SIZE); // 哈希值作为索引
    // 先判断头指针
    hashnode_t *head = hash->nodes[idx];
    if (head == NULL) return -1;
    // 遍历链表
    hashnode_t *cur = hash->nodes;
    hashnode_t *prev = NULL;
    while (cur != NULL) {
        if (strcmp(cur->key, key) == 0) break;
        prev = cur;
        cur = cur->next;
    }
    if (cur == NULL) return -1; // 没找到
    if (prev == NULL) { // 如果要删除的是头节点
        hash->nodes[idx] = cur->next; // 删除cur
    } else { // 不是头节点
        prev->next = cur->next; // 删除cur
    }
// 释放cur节点的空间
#if ENABLE_POINTER_KEY
  if (cur->key) {
    kvstore_free(cur->key);
  }
  if (cur->value) {
    kvstore_free(cur->value);
  }
  kvstore_free(cur);
#else
  free(cur);
#endif
  hash->count --; // 更新count
    return 0;
}
int exit_kv_hashtable(hashtable_t *hash, char *key) { // 判断是否存在该key的映射value
    char *value = get_kv_hashtable(hash, key);
    if (value) return 1;
    else return 0;
}
int kvs_hash_modify(hashtable_t *hash, char *key, char *value) { // 先查找key再修改value
    if (!hash || !key || !value) return -1;
    int idx = _hash(key, MAX_TABLE_SIZE);
    hashnode_t *node = hash->nodes[idx];
    while (node != NULL) {
        if (strcmp(node->key, key) == 0) {
            // 先释放原空间，避免内存泄漏
            kvstore_free(node->value); // 释放原value指向的空间
            node->value = NULL; // 避免使用悬空指针
            // 新分配空间
            node->value = kvstore_malloc(strlen(value) + 1); 
            if (node->value) { // 分配成功
                strcpy(node->value, value);
                return 0;
            } else 
                assert(0);
        }
        node = node->next;
    }
    return -1;
}
int kvs_hash_count(hashtable_t *hash) {
  return hash->count;
}
// 再封装一层接口：使用第三方库时，对库函数进行一层封装，适配自己的代码，
// 排查问题或更新迭代时只需要修改这一层接口的内容就行，不需要在源代码主体上修改，相当于做了一层隔离
int kvstore_hash_craete(hashtable_t *hash) {
    return init_hashtable(hash);
}
void kvstore_hash_destory(hashtable_t *hash) {
  return dest_hashtable(hash);
}
int kvs_hash_set(hashtable_t *hash, char *key, char *value) {
  return put_kv_hashtable(hash, key, value);
}
char *kvs_hash_get(hashtable_t *hash, char *key) {
  return get_kv_hashtable(hash, key);
}
int kvs_hash_delete(hashtable_t *hash, char *key) {
  return delete_kv_hashtable(hash, key);
}

对于哈希表的设计与实现，注释说的很清楚了，最后封装的接口是用在接下来的kvstore主程序中的：

3.kvstore主体

概要：这份代码集成了前面的tcp服务epoll_entry、存储组件哈希表以及最后要介绍的：对客户端请求进行解析处理的组件

先介绍kvstore主程序：

int init_kvengine(void) {
  kvstore_hash_create(&Hash);
}
int exit_kvengine(void) {
    
  kvstore_hash_destory(&Hash);
}
int main() {
  init_kvengine(); // 创建存储引擎，这里是哈希表
  
  epoll_entry();  // 启动tcp服务器，处理并回复客户端请求
  exit_kvengine(); // 销毁哈希表
}

而这里调用的init_kvengine();实际上就是前面的哈希表代码中的：

int init_hashtable(hashtable_t *hash) {
    if (!hash) return -1;
    hash->nodes = (hashnode_t**)kvstore_malloc(sizeof(hashnode_t *) * MAX_TABLE_SIZE);
    if (!hash->nodes) return -1;
    hash->max_slots = MAX_TABLE_SIZE;
    hash->count = 0;
    return 0;
}

4.请求解析

我们对于kvstore主程序中的存储引擎、tcp服务都介绍完了，接下来介绍最核心的请求解析函数：

这两个函数位于epoll_entry的kvstore_request(&connlist[fd])函数中：

int kvstore_request(struct conn_item *item) {
    char *msg = item->rbuffer;
    char *tokens[KVSTORE_MAX_TOKENS];
    int count = kvstore_split_token(msg, tokens); // 解析请求
    kvstore_parser_protocol(item, tokens, count); // 生成回复内容
    return 0;
}

这个函数做到了对用户请求的解析以及回复，而依赖的是以下两个函数：

解析请求：

int kvstore_split_token(char *msg, char **tokens) { // 将msg字符串进行分割，结果保存在tokens字符串数字里
    if (msg == NULL || tokens == NULL) return -1; // 参数检查
    int idx = 0;
    char *token = strtok(msg, " "); // 对msg按空格“ ”进行分割，返回第一个子字符串
    while (token != NULL) { // 获取剩余的子字符串
        tokens[idx++] = token; // 将子字符串保存在字符串数组里
        token = strtok(NULL, " "); // 固定写法，依次获取除第一个外，剩余的子字符串
    }
    return idx; // 返回子字符串的个数
}

我们能对用户请求按空格进行分割的原因是，kvstore规定了应用层协议，只有按协议规定发送的请求才能被正确处理，就像linux shell 中的命令的名称以及使用方法一样

处理并回复：

int kvstore_parser_protocol(struct conn_item *item, char **tokens, int count) {
    if (item == NULL || tokens[0] == NULL || count == 0) return -1; // 检查参数
    char *msg = item->wbuffer; // 获取写缓冲区
  memset(msg, 0, BUFFER_LENGTH);
    // 对用户的命令的解析结果， 例如 SET name wjq 解析结果如下：
    char *command = tokens[0];  // SET
  char *key = tokens[1];      // name
  char *value = tokens[2];    // wjq
    
    int cmd = KVS_CMD_START;
    
    for (cmd = KVS_CMD_START; cmd < KVS_CMD_SIZE; cmd++) { // 查找比对tokens里的命令
        if (strcmp(commands[cmd], command) == 0) {
            break; // 找到了或者不存在
        }
    }
    // 匹配命令并回复结果
    switch (cmd) {
       
        case KVS_CMD_HSET: {    // SET :添加
      int res = kvstore_hash_set(key, value); // 调用哈希表的函数
      if (!res) {
        snprintf(msg, BUFFER_LENGTH, "SUCCESS");
      } else {
        snprintf(msg, BUFFER_LENGTH, "FAILED");
      }
      break;
    }
    
    case KVS_CMD_HGET: {   // GET ：查询
      char *val = kvstore_hash_get(key); // 调用哈希表提供的接口
      if (val) {
        snprintf(msg, BUFFER_LENGTH, "%s", val);
      } else {
        snprintf(msg, BUFFER_LENGTH, "NO EXIST");
      }
      
      break;
    }
    case KVS_CMD_HDEL: { // DEL ： 删除
      int res = kvstore_hash_delete(key);
      if (res < 0) {  // server
        snprintf(msg, BUFFER_LENGTH, "%s", "ERROR");
      } else if (res == 0) {
        snprintf(msg, BUFFER_LENGTH, "%s", "SUCCESS");
      } else {
        snprintf(msg, BUFFER_LENGTH, "NO EXIST");
      }
      
      break;
    }
        case KVS_CMD_HMOD: { // MOD : 修改
      int res = kvstore_hash_modify(key, value);
      if (res < 0) {  // server
        snprintf(msg, BUFFER_LENGTH, "%s", "ERROR");
      } else if (res == 0) {
        snprintf(msg, BUFFER_LENGTH, "%s", "SUCCESS");
      } else {
        snprintf(msg, BUFFER_LENGTH, "NO EXIST");
      }
      
      break;
    }
    case KVS_CMD_HCOUNT: { // COUNT ： 查询数量
      int count = kvstore_hash_count();
      if (count < 0) {  // server
        snprintf(msg, BUFFER_LENGTH, "%s", "ERROR");
      } else {
        snprintf(msg, BUFFER_LENGTH, "%d", count);
      }
      break;
    }
    
    default: {
      printf("cmd: %s\n", commands[cmd]);
      assert(0);
    }
    
    }
}

可以看到解析查询的过程就是将用户按我们指定协议输入的请求，分成几段，为每一条请求进行一次解析、处理

增删改查用到了哈希表这个数据结构提供的函数，而只有按空格将字符串分割这个函数是我们自行设计的，难度并不大

至此，kvstore的设计实现已经全部完成

推荐学习https://xxetb.xetslk.com/s/p5Ibb

文章标签：
云解析DNS
存储
网络协议
Shell
Linux
数据库
关键词：
云服务器 ECS存储
云服务器 ECS映射
云服务器 ECS键值
wjq++
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存储 Unix 数据挖掘
服务器数据恢复—DS4800存储lvm信息丢失数据恢复案例
DS4800服务器存储lvm信息丢失，基于DS4800的aix小机卷丢失。
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服务器数据恢复—DS4800存储lvm信息丢失数据恢复案例
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19天前
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存储 Oracle 关系型数据库
服务器数据恢复—EVA存储硬盘读写性能不稳定掉线的数据恢复案例
服务器存储数据恢复环境： 一台EVA某型号控制器+EVA扩展柜+FC磁盘。 服务器存储故障&检测： 磁盘故障导致该EVA存储中LUN不可用，导致上层应用无法正常使用。
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11天前
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存储 运维 数据挖掘
服务器数据恢复—华为OceanStor存储数据恢复案例
服务器存储数据恢复环境： 华为品牌型号为OceanStor S2600T的存储设备，存储上有一组由24块4T容量的机械硬盘组建的RAID5阵列，作为存储池使用。 图1 服务器存储故障&检测： 存储设备中raid5阵列上多块硬盘出现故障离线，raid5阵列失效，数据无法正常访问。 关机后将存储中所有硬盘标记&取出，硬件工程师对所有硬盘进行硬件故障检测。经过检测，没有发现存在物理故障的磁盘，都可以正常读取。
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21天前
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存储 数据挖掘
服务器数据恢复—EqualLogic存储raid5阵列多块硬盘掉线的数据恢复案例
服务器存储数据恢复环境： 一台EqualLogic存储中有一组由16块SAS硬盘组建的RAID5阵列。上层划分了4个卷，采用VMFS文件系统，存放虚拟机文件。 服务器存储故障： 存储RAID5阵列中磁盘出现故障，有2块硬盘对应的指示灯亮黄灯，存储不可用，且存储设备已经过保。
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20天前
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存储 运维 数据挖掘
服务器数据恢复—EVA存储删除VDISK的数据恢复案例
服务器存储数据恢复环境： 某单位有一台EVA某型号存储主机+2个扩展柜，共12个FATA磁盘+10个FC磁盘，LUN数量不确定，操作系统为WINDOWS SERVER。该存储用来存放单位的历史案例审理材料。 服务器存储故障&检测： 该EVA存储出现故障，无法正常使用。而且经过几家数据恢复服务商的操作，具体故障原因已经无法确定。
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存储 Unix Linux
服务器数据恢复—DELL EqualLogic PS6100系列存储简介及发生故障后的处理方案
DELL EqualLogic PS6100系列存储采用虚拟ISCSI SAN阵列，支持VMware、Solaris、Linux、Mac、HP-UX、AIX操作系统，提供全套企业级数据保护和管理功能，具有可扩展性和容错功能。
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