MongoDB Wiredtiger存储引擎实现原理

Mongodb-3.2已经WiredTiger设置为了默认的存储引擎，最近通过阅读wiredtiger源代码（在不了解其内部实现的情况下，读代码难度相当大，代码量太大，强烈建议官方多出些介绍文章），理清了wiredtiger的大致原理，并简单总结，不保证内容都是正确的，如有问题请指出，欢迎讨论交流。

按照Mongodb默认的配置，WiredTiger的写操作会先写入Cache，并持久化到WAL(Write ahead log)，每60s或log文件达到2GB时会做一次Checkpoint，将当前的数据持久化，产生一个新的快照。Wiredtiger连接初始化时，首先将数据恢复至最新的快照状态，然后根据WAL恢复数据，以保证存储可靠性。

Wiredtiger的Cache采用Btree的方式组织，每个Btree节点为一个page，root page是btree的根节点，internal page是btree的中间索引节点，leaf page是真正存储数据的叶子节点；btree的数据以page为单位按需从磁盘加载或写入磁盘。

Wiredtiger采用Copy on write的方式管理修改操作（insert、update、delete），修改操作会先缓存在cache里，持久化时，修改操作不会在原来的leaf page上进行，而是写入新分配的page，每次checkpoint都会产生一个新的root page。

Checkpoint时，wiredtiger需要将btree修改过的PAGE都进行持久化存储，每个btree对应磁盘上一个物理文件，btree的每个PAGE以文件里的extent形式（由文件offset + size标识）存储，一个Checkpoit包含如下元数据：

• root page地址，地址由文件offset，size及内容的checksum组成
• alloc extent list地址，存储从上次checkpoint起新分配的extent列表
• discard extent list地址，存储从上次checkpoint起丢弃的extent列表
• available extent list地址，存储可分配的extent列表，只有最新的checkpoint包含该列表
• file size 如需恢复到该checkpoint的状态，将文件truncate到file size即可

Mongodb里一个典型的Wiredtiger数据库存储布局大致如下：

$tree

.

├── journal

│   ├── WiredTigerLog.0000000003

│   └── WiredTigerPreplog.0000000001

├── WiredTiger

├── WiredTiger.basecfg

├── WiredTiger.lock

├── WiredTiger.turtle

├── admin

│   ├── table1.wt

│   └── table2.wt

├── local

│   ├── table1.wt

│   └── table2.wt

└── WiredTiger.wt

• WiredTiger.basecfg存储基本配置信息
• WiredTiger.lock用于防止多个进程连接同一个Wiredtiger数据库
• table*.wt存储各个tale（数据库中的表）的数据
• WiredTiger.wt是特殊的table，用于存储所有其他table的元数据信息
• WiredTiger.turtle存储WiredTiger.wt的元数据信息
• journal存储Write ahead log

一次Checkpoint的大致流程如下

对所有的table进行一次Checkpoint，每个table的Checkpoint的元数据更新至WiredTiger.wt
对WiredTiger.wt进行Checkpoint，将该table Checkpoint的元数据更新至临时文件WiredTiger.turtle.set
将WiredTiger.turtle.set重命名为WiredTiger.turtle
上述过程如中间失败，Wiredtiger在下次连接初始化时，首先将数据恢复至最新的快照状态，然后根据WAL恢复数据，以保证存储可靠性。

参考资料

1. Wiredtiger官方文档
2. Mongodb internal
3. Wiredtiger Block Manager Overview

作者简介

张友东，就职于阿里云飞天技术部，主要关注分布式存储、Nosql等技术领域，参与TFS（淘宝分布式文件系统）、AliCloudDB for Redis等项目的开发工作，欢迎交流。