# go-kv 存储引擎设计文档

## 1. 项目定位

### 1.1 目标

构建一个高性能、功能完善的 KV 存储引擎，使用 Go 语言实现。

### 1.2 聚焦方向

- **写吞吐极致** — 写入路径优化到极致，这是核心竞争力
- **读性能不拖后腿** — 不追 B+Tree 的延迟，但不应比同类 LSM 引擎差超过 20%

### 1.3 具体数字目标

- 待引擎跑出 benchmark 后确定
- 方向：持久化写吞吐尽可能高，非持久化写 20 万 ops/s 量级

### 1.4 架构风格

- **架构简洁** — 以最少的代码实现最强的性能
- **可配置** — 关键参数可调，不同场景灵活适配

### 1.5 功能范围

#### 包含

- 有序 KV（LSM-Tree）
- 范围扫描（Range Scan）
- 可串行化事务，多写者并发（SSI）
- MVCC 内置在存储引擎
- KV 分离（小值内联，大值走 Value Log）
- 嵌入模式（Go 库）
- 网络层（自定义 TCP 二进制协议）— 后续

#### 不包含（后续扩展）

- Watch / 变更通知
- TTL / 过期机制
- 快照 / 备份
- Redis 数据类型（String/List/Hash/Set）
- 分布式

---

## 2. 整体架构

```
┌─────────────────────────────────────────────┐
│              嵌入式 API / 网络层（后续）       │
├─────────────────────────────────────────────┤
│           事务层（MVCC + SSI）                │
├─────────────────────────────────────────────┤
│               存储引擎核心                    │
│                                             │
│  写入路径：                                  │
│  Client → WAL → MemTable → Immutable        │
│                        MemTable → SSTable    │
│                                             │
│  读取路径：                                  │
│  Client → MemTable → Immutable → SSTable    │
│                                             │
│  后台任务：                                  │
│  Compaction + Value Log GC                  │
│                                             │
│  加速组件：                                  │
│  Bloom Filter + Block Cache                 │
├─────────────────────────────────────────────┤
│              Value Log（大值分离）            │
├─────────────────────────────────────────────┤
│            文件系统（SSTable / WAL / VLog）   │
└─────────────────────────────────────────────┘
```

---

## 3. 存储引擎核心

### 3.1 底层结构

**LSM-Tree（Log-Structured Merge Tree）**

选择理由：
- MVCC 多版本：追加写天然支持，B+Tree 需要在页面内维护版本链
- 多写者并发：写入路径简单（WAL → 内存），无需复杂的页面级锁协议
- KV 分离：SSTable 不可变，compaction 只搬 key 和指针，不搬大 value
- 高写吞吐：顺序写 WAL + 追加写 Value Log，避免随机写

---

### 3.2 WAL（预写日志）

**职责：** 崩溃恢复。写入数据前先追加到日志文件，确保数据不丢失。

#### 持久化策略

- 默认采用 **durable group commit**：多条写入合并为一个 WAL Batch，Batch 写入并 fsync 成功后，Batch 内每条写入才分别返回成功
- 默认语义下，`Put` 返回成功表示该写入所在 WAL Batch 已经持久化；进程崩溃或机器掉电后，可通过 WAL 恢复
- 提供配置项允许用户显式选择异步刷盘；异步模式追求吞吐，但允许丢失最近尚未 fsync 的写入

#### 写入流程

```
① 写请求进入 commit queue
② WAL writer 收集当前队列中的多条写入，组成 WAL Batch
③ 等待组提交触发（500µs 或 32KB，先到者触发）
④ 为 Batch 内每条写入分配递增的 sequence number
⑤ 编码 WAL Batch，并拆分为一个或多个 Physical Record 写入 WAL 文件
⑥ 写入 MemTable，但标记为 pending / unpublished
⑦ WAL Batch fsync 落盘
⑧ 发布 publishedSequence，使 Batch 内写入对普通读可见
⑨ 唤醒 Batch 内每个调用方，分别返回客户端"写入成功"
```

默认模式下，写入成功发生在 WAL fsync 之后；但 fsync 的粒度是 WAL Batch，不是单条 `Put`。因此多条写入共享一次 fsync 成本，同时每条写入仍然只有在自身所在 WAL Batch 持久化后才算成功。

如果 WAL write 失败或 WAL bytes 未完整写入，该 WAL Batch 不发布；对应 pending entries 保留在 MemTable 中，但保持 unpublished / aborted 状态，不做原地删除，Batch 内调用方返回错误。由于 sequence 已经分配且不复用，引擎必须进入 write-stopped 状态，不再接受新写入，直到关闭并完成恢复；否则 `publishedSequence` 无法跳过失败 Batch 推进，后续成功 Batch 也会因为 sequence 空隙而不可见。这样避免在无锁读和 Arena / SkipList 分配模型下引入并发删除与内存回收复杂度，同时保持 `publishedSequence` 始终是连续 high-water mark。

如果 WAL bytes 已写入但 fsync 返回错误，该 WAL Batch 在当前运行期仍不发布、不确认成功，Batch 内调用方返回 `ErrCommitUnknown`，而不是普通失败错误；因为它的持久化状态是 unknown，而不是 definitely lost。sequence 一旦分配不复用；引擎进入 write-stopped 状态，不再接受新写入，直到关闭并完成恢复。因此 `publishedSequence` 始终保持连续 high-water mark，普通读仍可使用 `sequence <= publishedSequence` 判断可见性，失败 Batch 的 entries 在当前运行期永远不会对普通读可见。重启后，如果 recovery 在 WAL 中发现该 Batch 完整、CRC 合法且 sequence 连续，可以按正常 WAL 规则重放。

`ErrCommitUnknown` 表示提交结果不确定：调用方不能把它当作“写入一定失败”并盲目重试。恢复完成后，调用方必须通过读取 key 或后续事务层提供的事务 ID / commit record 查询提交状态，再决定是否重试。后续 MVCC / SSI 事务层必须为事务提交提供幂等标识，避免 fsync 不确定结果导致非幂等事务重复提交。

#### 可见性语义

- `publishedSequence` 表示普通读的逻辑可见 high-water mark；普通读可以读取 MemTable，但只返回 `sequence <= publishedSequence` 的 entry
- fsync 前，写入可以已经存在于 MemTable 中，但处于 pending / unpublished 状态，仅供内部提交流程使用，对普通读不可见
- `Always` 默认策略下，`publishedSequence` 也是 durable high-water mark；普通读能读到的数据，必须是崩溃恢复后仍可恢复的数据
- `Periodic` / `Never` 策略下，`publishedSequence` 可以领先于 durable high-water mark；普通读能读到当前进程内已发布的数据，但这些数据不保证机器掉电后仍可恢复
- 如果 WAL Entry 引用外部持久化对象（例如 Value Log record），发布 WAL Batch 前，被引用对象也必须满足当前落盘策略对应的持久化要求；在 `Always` 下这意味着被引用对象必须已持久化，避免恢复后出现悬空指针
- 该模型为后续 MVCC / 事务层提供统一的 read timestamp / commit sequence 基础
- `Always` 下该选择牺牲的是写入进入 MemTable 后到 fsync 发布前的短暂全局可见性延迟，不是已发布数据的读路径性能

#### WAL 落盘策略

| 策略             | 行为                                       | 语义                           |
| ---------------- | ------------------------------------------ | ------------------------------ |
| `Always`（默认） | WAL Batch fsync 后发布 sequence 并返回成功 | 不丢已确认写入                 |
| `Periodic`       | 按固定时间间隔 fsync，可提前发布 sequence  | 崩溃可能丢失最近一段已确认写入 |
| `Never`          | 不主动 fsync，仅依赖 OS page cache         | 吞吐最高，崩溃风险最大         |

非默认落盘策略必须由用户显式开启。内部仍使用同一套 sequence / publish 机制，区别只在于 `publishedSequence` 是在 fsync 后推进，还是在 WAL write 成功后提前推进。`Periodic` / `Never` 下，已经发布并返回成功的写入仍可能在机器掉电后丢失。

#### 设计决策

| 决策     | 选择                               | 理由                                                                        |
| -------- | ---------------------------------- | --------------------------------------------------------------------------- |
| 批量窗口 | 时间 + 大小双触发（500µs 或 32KB） | 高负载靠大小触发效率最大化，低负载靠时间触发不会卡住                        |
| 日志格式 | 固定 Block（32KB）                 | 恢复时按 block 读取校验，比逐条快；和 SSTable block 设计一致                |
| 文件管理 | 分段日志                           | 精确删除已刷盘的旧 WAL 段；恢复可并行读多文件；CURRENT 文件指向当前活跃 WAL |

#### WAL Block 格式

WAL 使用分层格式：

```text
WAL Segment File
├── WAL File Header
└── Block (32KB)
    └── Physical Record
        └── WAL Batch
            └── Entry
```

术语定义：

| 名称 | 含义 |
|------|------|
| Entry | 一条用户写操作，例如 Put / Delete |
| WAL Batch | 一次 group commit 的逻辑提交单元，包含多条 Entry |
| Physical Record | WAL 文件中的物理片段，负责承载 WAL Batch 的完整或部分 bytes |
| Block | 固定 32KB 的顺序读写容器，Physical Record 必须完整位于单个 Block 内 |

除 varint 字段外，WAL 中固定宽度整数统一使用 little-endian 编码。Block 区域从 `headerSize` offset 开始，Block offset 相对于 Block 区域计算。

##### WAL File Header

每个 WAL segment 文件开头写入 32 bytes header：

```text
┌────────────────┬──────┐
│ magic          │ u32  │
│ formatVersion  │ u16  │
│ headerSize     │ u16  │
│ blockSize      │ u32  │
│ segmentID      │ u64  │
│ startSequence  │ u64  │
│ headerCRC      │ u32  │
└────────────────┴──────┘
```

字段说明：

| 字段 | 含义 |
|------|------|
| magic | 文件类型标识，用于确认这是 go-kv WAL segment |
| formatVersion | WAL 文件格式版本，第一版为 1 |
| headerSize | Header 长度，第一版为 32；后续扩展时可跳过新增字段 |
| blockSize | WAL Block 大小，第一版为 32KB |
| segmentID | WAL segment 编号，用于恢复时校验文件顺序 |
| startSequence | 当前 segment 理论上的起始全局 sequence |
| headerCRC | 校验 `magic` 到 `startSequence` 字段，不包含 `headerCRC` 自身，避免 header 损坏后误解析 |

##### Physical Record

Block 只是固定大小容器，CRC 放在每个 Physical Record 上，而不是放在 Block 尾部。

```
Physical Record
┌────────┬────────┬──────┬─────────┐
│ crc32c │ length │ type │ payload │
│ u32    │ u16    │ u8   │ bytes   │
└────────┴────────┴──────┴─────────┘
```

字段说明：

| 字段 | 含义 |
|------|------|
| crc32c | 校验 `length + type + payload`，用于识别 torn write、partial write 和数据损坏 |
| length | payload 长度；使用 u16，因为单个 Physical Record 不跨 32KB Block |
| type | fragment 类型 |
| payload | WAL Batch 的完整 bytes 或部分 fragment bytes |

fragment 类型（u8）：

| type | 名称 | 含义 |
|------|------|------|
| 0 | Invalid | 非法值，用于损坏检测 |
| 1 | Full | 一个完整 WAL Batch |
| 2 | First | 跨多个 Physical Record 的 WAL Batch 的第一个 fragment |
| 3 | Middle | 中间 fragment，可重复出现任意多次 |
| 4 | Last | 最后一个 fragment |

完整 WAL Batch 的 Physical Record 组合只有两种合法形式：

```text
Full
First + Middle* + Last
```

Physical Record 的顺序由 WAL 文件的顺序追加和顺序扫描保证，不额外存储 fragment index。

##### Block 边界处理

- Physical Record 必须完整位于单个 Block 内，不能跨 Block
- WAL Batch 可以拆成多个 Physical Record，从而跨多个 Block
- 如果当前 Block 剩余空间 `<= 7 bytes`，写入 zero padding 到 Block 末尾，并从下一个 Block 开始写新的 Physical Record
- 如果当前 Block 剩余空间 `> 7 bytes`，可以写入一个 Physical Record
- Physical Record 的 `length` 必须 `> 0`
- 读取时，Block 尾部 padding 必须全为 0；如果 padding 区出现非 0 bytes，视为 WAL 损坏

##### WAL Batch

WAL Batch 是逻辑提交单元，对应一次 group commit batch。恢复时必须拼出完整 WAL Batch 后才能重放，不能重放半个 batch。

```text
WAL Batch
┌──────────────┬─────────┐
│ Batch Header │ Entries │
└──────────────┴─────────┘
```

Batch Header：

```text
┌────────┬──────────────┬────────────┬─────────────┐
│ flags  │ baseSequence │ entryCount │ entriesSize │
│ u16    │ u64          │ u32        │ u32         │
└────────┴──────────────┴────────────┴─────────────┘
```

字段说明：

| 字段 | 含义 |
|------|------|
| flags | batch 扩展标记，第一版为 0；后续可用于压缩、加密、事务标记、Value Log pointer 等 |
| baseSequence | 当前 batch 第一条 Entry 的全局 sequence |
| entryCount | 当前 batch 内 Entry 数量 |
| entriesSize | Entries 区域总字节数，不包含 Batch Header，用于解析边界校验 |

Entry 的 sequence 由 batch 内位置推导：

```text
entry[i].sequence = baseSequence + i
```

##### Entry

Entry 使用 row-based 编码，每条 Entry 自带自己的 key/value 长度。`opType` 表示操作语义，`valueKind` 表示 value 的存储形态。

```text
Entry
┌────────┬───────────┬────────┬────────┬─────┬───────┐
│ opType │ valueKind │ keyLen │ valLen │ key │ value │
│ u8     │ u8        │ varint │ varint │ ... │ ...   │
└────────┴───────────┴────────┴────────┴─────┴───────┘
```

第一版 OpType：

| opType | 含义 |
|--------|------|
| 0 | Invalid，非法值，用于损坏检测 |
| 1 | Put |
| 2 | Delete |

第一版 ValueKind：

| valueKind | 含义 |
|-----------|------|
| 0 | None，用于 Delete |
| 1 | Inline，value 字段存用户 value bytes |
| 2 | ValueLogPointer，value 字段存 encoded Value Log pointer |

合法性规则：

- `keyLen > 0`
- `Put` 要求 `valueKind ∈ {Inline, ValueLogPointer}`
- `Put + Inline` 允许 `valLen = 0`，表示 key 存在且 value 为空 bytes
- `Put + ValueLogPointer` 的 value 字段存 opaque encoded pointer bytes，具体格式由 Value Log 模块定义
- `Delete` 编码为 tombstone，要求 `valueKind = None`、`valLen = 0` 且 value 为空
- Delete 恢复到 MemTable 后写入 tombstone，而不是直接移除 key

##### WAL Recovery 规则

恢复目标是恢复到最后一个完整、CRC 校验通过、sequence 连续的 WAL Batch。恢复过程不能重放半个 batch；尾部半写可以截断，中间损坏必须报错。

###### Recovery 扫描流程

```text
1. 从 MANIFEST 指定的 recovery 起点开始，按 segmentID 从小到大打开 WAL segment
2. 校验 WAL File Header：magic、formatVersion、headerSize、blockSize、segmentID、headerCRC
3. 对 recovery 起点 segment，使用 segment.startSequence 初始化 expectedSequence
4. 对后续 segment，校验 segment.startSequence == expectedSequence
5. 从 File Header 之后开始按 Block 顺序扫描
6. 在每个 Block 内按 Physical Record 顺序解析
7. 将 Full 或 First/Middle/Last 拼成完整 WAL Batch
8. 校验并重放 WAL Batch 中的 Entries
9. 更新 expectedSequence，并继续扫描下一个 batch 或下一个 segment
```

###### Segment 连续性校验

从 MANIFEST 指定的 recovery 起点开始，多 segment 恢复必须同时校验 `segmentID` 和 `startSequence` 的连续性：

```text
expectedSegmentID = manifest.recoverySegmentID
expectedSequence = recoveryStartSegment.startSequence

for segment in segmentID ascending order:
    require segment.segmentID == expectedSegmentID
    require segment.startSequence == expectedSequence

    recover all complete batches in segment

    expectedSegmentID += 1
    expectedSequence = next sequence after last recovered batch
```

如果 segmentID 不连续、文件名与 header 中的 segmentID 不匹配，或后续 segment 的 `startSequence` 不等于上一 segment 恢复后的 `expectedSequence`，说明 WAL segment 缺失、乱序或损坏，默认报错。

已被 MANIFEST 证明不再需要的旧 WAL segment 可以删除，不参与连续性校验；连续性要求只适用于 recovery 起点之后仍需恢复的 WAL segment。

###### Physical Record 解析规则

解析器在 Block 内顺序读取 Physical Record：

```text
while blockRemaining >= 7:
    read crc32c, length, type
    if header 全 0:
        要求当前 Block 剩余 bytes 全 0
        跳到下一个 Block

    require length > 0
    require length <= blockRemaining - 7
    read payload
    verify crc32c(length + type + payload)
```

当 `blockRemaining < 7` 时，剩余 bytes 必须全为 0，然后进入下一个 Block。

错误分类：

这里的 “WAL 尾部” 有严格定义：只指最后一个需要恢复的 WAL segment 的物理 EOF 附近。非最后恢复 segment 中的 header 半写、`length` 越界、CRC 错误、incomplete batch 或非法 padding，即使发生在该 segment 文件尾，也视为 WAL 中间损坏。

| 情况 | 位于 WAL 尾部 | 位于 WAL 中间 |
|------|---------------|---------------|
| header 半写 | 丢弃尾部并截断 | 报错 |
| `length` 越界 | 丢弃尾部并截断 | 报错 |
| CRC 校验失败 | 丢弃尾部并截断 | 报错 |
| padding 区出现非 0 bytes | 丢弃尾部并截断 | 报错 |

尾部损坏通常来自进程崩溃或机器掉电时最后一次写入的 partial write。若后面还有需要恢复的 segment，前一个 segment 的尾部异常不能按尾部损坏截断，否则可能跳过已经持久化历史并破坏 sequence 连续性。中间损坏说明已持久化 WAL 文件被破坏，默认不静默跳过，不默认 repair。

###### Fragment 状态机

恢复器维护两个状态：

```text
Idle
CollectingFragments
```

状态转移：

| 当前状态 | 输入 type | 行为 |
|----------|-----------|------|
| Idle | Full | 解析并重放该完整 WAL Batch |
| Idle | First | 开始收集 fragment，进入 CollectingFragments |
| Idle | Middle | 非法 fragment 顺序 |
| Idle | Last | 非法 fragment 顺序 |
| CollectingFragments | Middle | 追加 payload 到当前 fragment buffer |
| CollectingFragments | Last | 追加 payload，拼出完整 WAL Batch，解析重放后回到 Idle |
| CollectingFragments | Full | 非法 fragment 顺序 |
| CollectingFragments | First | 非法 fragment 顺序 |

如果扫描到 WAL 尾部时仍处于 `CollectingFragments` 状态，说明最后一个 WAL Batch 未写完整，丢弃该 incomplete batch，并截断到最后一个完整 WAL Batch 结束位置。

###### WAL Batch 校验与重放

拼出完整 WAL Batch 后，先校验 Batch Header：

```text
require flags 合法
require entryCount > 0
require entriesSize > 0
require entriesSize == 实际 Entries bytes 长度
require batch.baseSequence == expectedSequence
```

然后顺序解析 Entries：

```text
for i in 0..entryCount:
    sequence = batch.baseSequence + i
    parse opType, valueKind, keyLen, valLen, key, value
    require opType ∈ {Put, Delete}
    require keyLen > 0
    require Entry 不越界

    if opType == Put:
        require valueKind ∈ {Inline, ValueLogPointer}
        if valueKind == Inline:
            valLen 可以为 0
            replay PutInline(key, value, sequence)
        if valueKind == ValueLogPointer:
            require valLen > 0
            require value 可由 Value Log 模块解析为 encoded pointer
            replay PutPointer(key, value, sequence)

    if opType == Delete:
        require valueKind == None
        require valLen == 0
        replay Tombstone(key, sequence)
```

一个 WAL Batch 内所有 Entry 都校验通过后，才算该 batch 可重放。重放成功后：

```text
expectedSequence += entryCount
lastCompleteBatchEnd = 当前 WAL offset
```

如果 Batch Header 或 Entry 解析错误发生在 WAL 尾部，可以丢弃该 incomplete batch；如果发生在 WAL 中间，默认报错。

###### 恢复完成状态

恢复完成后：

```text
recoveredSequence = expectedSequence - 1
nextSequence = expectedSequence
publishedSequence = recoveredSequence
```

因为 WAL 中恢复出来的数据都来自已经持久化的完整 batch，所以恢复后可以全部视为 published。

---

### 3.3 MemTable（内存表）

**职责：** 内存中的有序索引，支持快速读写。

#### 设计决策

| 决策       | 选择              | 理由                                                                                  |
| ---------- | ----------------- | ------------------------------------------------------------------------------------- |
| 数据结构   | 跳表（Skip List） | 实现简单（~200 行核心代码）；节点大小固定，Arena 分配天然适配；BadgerDB/Pebble 已验证 |
| 最大层数   | 20 层             | 容量 ~10 亿条，额外内存开销极小                                                       |
| Arena 大小 | 可配置，默认 64MB | 不同场景灵活调整；64MB 是 BadgerDB 验证过的安全值                                     |
| 并发策略   | Mutex 写 + 无锁读 | 写入已被 WAL 组提交串行化，无锁写优势用不上；读是并发的，无锁读有价值                 |

#### MemTable 生命周期

```
MemTable (可写, 64MB)
    ↓ 写满
冻结为 Immutable MemTable (只读)
    ↓ 后台线程
刷盘为 SSTable 文件
    ↓ 刷盘完成
释放 Immutable MemTable
```

#### Flush 过滤规则

MemTable 可能包含已写入内存但尚未发布的 pending entry，也可能包含 WAL write / fsync 失败后保留的 aborted entry。Flush 到 SSTable 时必须过滤这些 entry：

- 只刷 `sequence <= publishedSequence` 且非 aborted 的 entry
- pending / unpublished entry 不进入 SSTable
- aborted entry 不进入 SSTable
- 失败 WAL Batch 中遗留在 MemTable 的 entry 只作为运行期内部状态存在，关闭后不会从 WAL 恢复

该规则保证失败写入不会因为 MemTable flush 进入持久化 SSTable，也保持无锁读场景下无需原地删除 skiplist / arena 节点。

#### 多 Immutable MemTable 策略

- 上限 2 个 Immutable MemTable 排队等刷盘
- 超过上限时阻塞新写入
- 大部分情况不阻塞，极端情况兜底

---

### 3.4 读路径

读取时按优先级查，从新到旧，找到第一个就返回：

```
读请求
  ↓
1. 查 MemTable（最新的数据）
  ↓ 没找到
2. 查 Immutable MemTable #1
  ↓ 没找到
3. 查 Immutable MemTable #2
  ↓ 没找到
4. 查 SSTable（L0 → L1 → L2 → ...）
```

SSTable 层级的读取通过布隆过滤器加速，避免无谓的磁盘 I/O。

---

### 3.5 SSTable（Sorted String Table）

**职责：** 磁盘上的有序不可变文件，存储 MemTable 刷盘后的数据。

#### 文件格式

```
┌──────────────┐
│ Data Block 0 │ ← key+value 有序排列，块内前缀压缩
├──────────────┤
│ Data Block 1 │
├──────────────┤
│ ...          │
├──────────────┤
│ Index Block  │ ← 每个 Data Block 的最小 key 和文件偏移量
├──────────────┤
│ Filter Block │ ← 布隆过滤器
├──────────────┤
│ Footer       │ ← 指向 Index Block 和 Filter Block 的指针
└──────────────┘
```

#### 设计决策

| 决策       | 选择                            | 理由                                   |
| ---------- | ------------------------------- | -------------------------------------- |
| Block 大小 | 16KB                            | 读取粒度适中；压缩效率好；缓存命中率高 |
| 刷盘策略   | 不阻塞写入，上限 2 个 Immutable | 大部分情况不阻塞，极端情况兜底         |

---

### 3.6 Compaction（压实合并）

**职责：** 后台合并多个 SSTable，去除重复 key、删除废弃值、整理成有序的新文件。

#### 层级结构

```
L0: 刚刷下来的 SSTable，key 范围可能重叠，最多 8 个文件
L1: Compaction 后，key 范围不重叠，总大小上限约 64MB
L2: 比 L1 大 10 倍，约 640MB
L3: 比 L2 大 10 倍，约 6.4GB
...
每层大小上限 = 上一层的 10 倍
```

#### 触发条件

| 条件               | 阈值            | 行为                  |
| ------------------ | --------------- | --------------------- |
| L0 文件数 ≥ 4      | 触发 Compaction | 后台开始 L0 → L1 合并 |
| L0 文件数 ≥ 8      | 阻塞写入        | 等待 Compaction 赶上  |
| 某层总大小超过上限 | 触发 Compaction | 该层 → 下一层合并     |

#### 限速

- 默认限制 Compaction 使用 50% 磁盘带宽
- 可配置
- 保护前台读写延迟不受 Compaction 影响

---

### 3.7 布隆过滤器（Bloom Filter）

**职责：** 快速判断 key 是否"肯定不在"某个 SSTable 里，跳过不必要的磁盘读取。

#### 设计决策

| 决策     | 选择        | 理由                                           |
| -------- | ----------- | ---------------------------------------------- |
| 哈希函数 | xxhash      | 速度最快（~2 bytes/ns）；RocksDB/Pebble 已验证 |
| 精度     | 10 bits/key | 误判率 ~0.8%，1000 次查询约误判 8 次，可接受   |
| 层级区分 | 所有层统一  | 保持简洁，后续如有需要再分                     |

---

### 3.8 Block Cache（块缓存）

**职责：** 将热点 SSTable 数据块缓存在内存，避免重复磁盘读取。

#### 设计决策

| 决策     | 选择                                    | 理由                                                   |
| -------- | --------------------------------------- | ------------------------------------------------------ |
| 缓存内容 | Data Block + Index Block + Filter Block | 缓存索引和过滤器后，点查可能完全不需要磁盘 I/O         |
| 淘汰策略 | S3FIFO                                  | 抗扫描污染（范围扫描不会挤掉热点数据）；实现复杂度适中 |
| 分片     | 256 个分片                              | 每个分片独立锁，并发度高 256 倍                        |
| 大小     | 可配置，用户必须显式指定                | 根据可用内存灵活分配                                   |

#### S3FIFO 队列结构

```
小队列 (Small, ~10%)
  → 新数据先进这里
  → 短时间被再次访问 → 晋升到主队列
  → 自然被淘汰 → 进入幽灵队列

主队列 (Main, ~80%)
  → 存放经过验证的热点数据
  → 被淘汰时检查幽灵队列历史决定是否保留

幽灵队列 (Ghost, ~10%)
  → 不存数据，只记录被淘汰 key 的指纹
  → 防止被扫描数据反复进入主队列
```

---

### 3.9 Value Log（KV 分离）

**职责：** 大值存储在独立的追加写文件中，SSTable 只存指针，降低 compaction 写放大。

#### 写入流程

```
写入请求（key, value）
      ↓
value > 4KB?
  ├── 是 → value 追加写入 Value Log，得到指针 [文件ID, 偏移, 长度]
  │        默认 Always 策略下，Value Log record 必须先 fsync
  │        WAL Batch 记录 Put + ValueLogPointer，value 字段存 encoded pointer
  │        MemTable 存：key → [vlog指针]（pending / unpublished）
  │
  └── 否 → WAL Batch 记录 Put + Inline，value 字段存用户 value bytes
           MemTable 存：key → value（pending / unpublished）
      ↓
WAL Batch fsync 成功后发布 sequence，写入对普通读可见并返回成功
```

#### 与 WAL 的崩溃一致性

Value Log 指针只有在被引用的 Value Log record 已满足当前落盘策略后，才能随 WAL Batch 发布。

默认 `Always` 策略下，顺序为：

```text
1. append Value Log record
2. fsync Value Log record 所在文件
3. 写入 WAL Batch（记录 key + vlog 指针）
4. fsync WAL Batch
5. 发布 sequence
6. 返回写入成功
```

如果 WAL 已持久化但 Value Log record 未持久化，恢复时会得到指向不存在或半写 value 的悬空指针，因此默认模式必须禁止这种状态。`Periodic` / `Never` 策略可以放宽 fsync 时机，但必须同时放宽 WAL 和 Value Log 的崩溃保证，并明确可能丢失最近已发布写入。

WAL Entry 通过 `valueKind` 区分内联值和 Value Log 指针：

```text
Put + Inline:
  value = 用户 value bytes

Put + ValueLogPointer:
  value = opaque encoded ValueLogPointer bytes
```

第一版 ValueLogPointer 编码：

```text
ValueLogPointer v1
┌────────┬────────┬────────┬──────────┐
│ fileID │ offset │ length │ valueCRC │
│ u64    │ u64    │ u32    │ u32      │
└────────┴────────┴────────┴──────────┘
```

字段说明：

| 字段 | 含义 |
|------|------|
| fileID | Value Log 文件编号 |
| offset | value record 在文件中的起始偏移 |
| length | value bytes 长度 |
| valueCRC | value bytes 校验值，用于读取时发现悬空、半写或损坏 value |

ValueLogPointer v1 使用 little-endian 固定宽度编码，长度为 24 bytes。WAL 层只把它当作 opaque bytes 承载，具体解析和校验由 Value Log 模块负责。

#### 读取流程

```
读请求
  ↓
MemTable 找到 entry
  ├── 内联 value → 直接返回
  └── vlog 指针 → 去 Value Log 文件读取实际 value
```

#### 设计决策

| 决策     | 选择                            | 理由                                               |
| -------- | ------------------------------- | -------------------------------------------------- |
| 分离阈值 | 4KB                             | 小值内联保范围扫描性能，大值分离保 compaction 效率 |
| 文件格式 | 带校验的追加写                  | CRC 校验防止磁盘损坏返回错误数据                   |
| 文件大小 | 固定 128MB                      | GC 粒度固定可预期，足够大不频繁切换                |
| GC 策略  | 按文件存活率，低于 50% 触发重写 | 精准回收，只处理需要的文件                         |

#### Value Log 记录格式

```
┌────────┬────────┬────────┬─────┬─────────┬────────┐
│ CRC(4) │key_len │val_len │ key │  value  │ CRC(4) │
│  bytes │  varint│  varint│     │         │  bytes │
└────────┴────────┴────────┴─────┴─────────┴────────┘
```

#### Value Log GC 流程

```
1. 统计每个 Value Log 文件的存活率
   存活率 = 有效 value 数量 / 总 value 数量
      ↓
2. 存活率 < 50% 的文件触发 GC
      ↓
3. 读取该文件中的有效 value，重写到新文件
       ↓
4. 向 LSM 写入新的 pointer 版本
       ↓
5. 等旧 pointer 被 compaction 淘汰后删除旧文件
```

注意：SSTable 不可变，GC 不能原地更新 SSTable 中的旧指针。Value Log GC 通过写入新的 pointer 版本来更新引用，旧 pointer 由 compaction 按 MVCC / snapshot 规则淘汰。

Value Log GC 计算存活率时，只能把已发布且非 aborted 的 LSM entry 视为可达引用：

- `sequence > publishedSequence` 的 pending / unpublished pointer 不计入存活 value
- aborted pointer 不计入存活 value
- 失败 WAL Batch 遗留在 MemTable 中的 pointer 永不进入 SSTable，也不参与 Value Log GC 可达性计算
- GC 判断 value 是否有效时，必须以 LSM 当前已发布版本和后续 MVCC / snapshot 规则为准

---

## 4. 待设计模块

以下模块尚未讨论，将在后续补充：

- **MVCC + 事务（SSI）** — 多版本并发控制，可串行化隔离级别
- **范围扫描** — 多层 Merge Iterator
- **网络层** — 自定义 TCP 二进制协议
- **嵌入式 API** — Go 库接口设计
- **崩溃恢复** — WAL 重放 + MANIFEST 恢复
- **文件管理** — MANIFEST、CURRENT、文件生命周期