influxdb基础（三）——influxdb按时间分片存储数据（shard和shard group）

深藏阁楼爱情的钟 2022-11-21 11:52 972阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  前言
 *  shard分片
 *   *  Cache缓存
     *  Wal存储预写日志
     *  Tsm file真正持久化存储数据
     *  Compactor 合并压缩线程
 *  shard group 分片逻辑分组
 *  shard duration
 *  influxdb客户端查看shard和shard group
 *   *  show shards
     *  show shard groups
 *  shard物理目录结构
 *   *  /var/lib/influxdb/data目录结构
     *  /var/lib/influxdb/wal目录结构
 *  shard相关配置
 *  总结

# 前言 #

influxdb的存储结构是怎样的？数据如何持有化，以什么形式存储？

`shard`是`influxdb`存储引擎`TSM`的具体实现。`TSM TREE`是专门为`influxdb`构建的数据存储格式。与现有的`B+ tree`或`LSM tree`实现相比，`TSM tree`具有更好的压缩和更高的读写吞吐量。

`shard group`是存储`shard`的逻辑容器，每一个`shard group`都有一个不重叠的时间跨度，可根据保留策略`retention policy`的`duration`换算而得。数据根据不同的时间跨度存储在不同的`shard group`中。

如图是本人根据自己的理解画的`influxdb`存储结构关系图：  
![influxdb存储结构图][influxdb]

# shard分片 #

> A shard contains the actual encoded and compressed data, and is represented by a TSM file on disk.  
> Every shard belongs to one and only one shard group. Multiple shards may exist in a single shard group.  
> Each shard contains a specific set of series.  
> All points falling on a given series in a given shard group will be stored in the same shard (TSM file) on disk.

`shard`主要由4部分组成`Cache`、`Wal`、`Tsm file`、`Compactor`。

## Cache缓存 ##

`cache`缓存，为提高读写效率必定会有缓存，在内存中`cache`是一个`key-value`的形式，`key`是`seriesKey + 分隔符 + filedName`，`value`是按时间排序存放的数据。在写数据时，同时向`cache`和`wal`写入，可以认为 `cache`是 `wal`文件中的数据在内存中的缓存。

`cache`默认大小是`25m`，可配置，如果数据到达阈值，会进行一次快照，清空`cache`，并将快照刷新到`TSM`文件中。

## Wal存储预写日志 ##

`wal`和`cache`的联系就是存储的文件内容一样，但是cache到达阈值后会创建快照并清除，而`wal`不会清除，它以文件的形式（.wal）存放预写日志，持久化在磁盘中。其主要作用如下：

1.  当系统崩溃后可以通过 `wal`文件恢复还没有写入 `tsm`文件的数据。
2.  当系统重启，遍历所有`wal`文件，构造`cache`。

## Tsm file真正持久化存储数据 ##

`Tsm file` （`.tsm`）真正用于数据持久化存储。文件格式主要由为4 部分组成： `Header`、`Blocks`、`Index`、`Footer`。

1.  `Header`由两部分组成`MagicNumber`和`Version`，`MagicNumber`用于描述文件存储引擎，`Version`记录引擎版本。
2.  `Blocks`内部是一些连续的 `Block`，`Block`是 `influxdb`中的最小读取对象，每次读取操作都会读取一个 `Block`。每一个 `Block`分为 `CRC32`值和 `Data`两部分，`CRC32` 值用于校验 `Data` 的内容是否有问题。
3.  `Index`存放的是`Blocks`里内容的索引。`influxdb`在做查询操作时，可以根据 `Index`的信息快速定位到`Tsm file` 中需要查询的 `block` 的位置。
4.  `Footer`位于`Tsm file` 的最后8字节，存放了 `Index`的起始位置在 `Tsm file` 中的偏移量，方便将索引信息加载到内存中。

## Compactor 合并压缩线程 ##

`Compactor`组件在后台持续运行，每隔 1 秒会检查一次是否有需要压缩合并的数据。其主要有两种操作：

1.  `cache`中的数据大小达到阀值后，进行快照，之后转存到一个新的 `Tsm`文件中。
2.  合并 `Tsm`文件。将多个小的 `Tsm`文件合并成一个，使每一个文件尽量达到单个文件的最大值，减少`Tsm`文件的数量，并且一些数据的删除操作也是在这个时候完成。

# shard group 分片逻辑分组 #

> Shard groups are logical containers for shards. Shard groups are organized by time and retention policy.  
> Every retention policy that contains data has at least one associated shard group.  
> A given shard group contains all shards with data for the interval covered by the shard group.  
> The interval spanned by each shard group is the shard duration.

每一个`retention policy`至少有一个`shard group`，每一个`shard group`至少有一个`shard`。数据都会带一个`time`时间戳，当写入数据时，先通过时间判断（`Range Sharding`）应该写入哪个`shard group`，然后根据`series`进行`hash`计算（`Hash Sharding`），决定写入当前`shard group`下的哪个`shard`。其如此设计的目的主要有3个：

1.  一定程度上缓解数据写入热点问题。
2.  批量清理过期数据变得简单高效。`Compactor`通过判断每一个`shard group`是否过期，过期的就按`shard group`批量删除数据。
3.  提高数据按时间维度查找的性能。一般情况查询都会带一个时间范围条件，但是如果这个时间范围很大，跨度了几个`shard group` ，查询性能也会有所下降。

# shard duration #

`shard duration`和`shardGroupDuration`基本是一致的。`shardGroupDuration`是根据`retention policy`的`duration`计算得来，不过也可以在创建`retention policy`指定。

> The shard duration determines how much time each shard group spans.  
> The specific interval is determined by the SHARD DURATION of the retention policy.  
> See Retention Policy management for more information.  
> For example, given a retention policy with SHARD DURATION set to 1w, each shard group will span a single week and contain all points with timestamps in that week.

`retention policy's duration`和`shardGroupDuration`的计算关系如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>retention policy’s duration</th> 
   <th>shardGroupDuration</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>&lt; 2 days</td> 
   <td>1 h</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&gt;= 2 days and &lt;= 6 months</td> 
   <td>1 day</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&gt; 6 months</td> 
   <td>7 days</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# influxdb客户端查看shard和shard group #

## show shards ##

`show shards` 可查看所有`database`的`shards`分布情况：

![show shards][]

## show shard groups ##

`show shard groups` 查看所有`database`的`shard group`。

![show shard groups][]

# shard物理目录结构 #

默认情况下，`influxdb`数据存储在`/var/lib/influxdb/`下：

![/var/lib/influxdb/][var_lib_influxdb]

*  `/var/lib/influxdb/data`存储`tsm`文件。
 *  `/var/lib/influxdb/wal`存储`wal`文件。
 *  `/var/lib/influxdb/meta`存放元数据（`meta.db`），包含系统状态的内部信息，用户信息、数据库/分片元数据、CQs、RPs和订阅等。

## /var/lib/influxdb/data目录结构 ##

第一层是`database`目录，第二层是`retention policy`目录以及`_series`，`rp`目录下`shard group id`目录，`shard group id`目录下是`.tsm`文件和`fields.idx`。

[root@xfyLinux ~]# tree /var/lib/influxdb/data
    /var/lib/influxdb/data
    ├── _internal
    │   ├── monitor
    │   │   ├── 11
    │   │   │   ├── 000000003-000000002.tsm
    │   │   │   └── fields.idx
    │   │   ├── 12
    │   │   │   ├── 000000004-000000002.tsm
    │   │   │   └── fields.idx
    │   └── _series
    │       ├── 00
    │       │   └── 0000
    │       ├── 01
    │       │   └── 0000
    │       ├── 02
    │       │   └── 0000
    │       ├── 03
    │       │   └── 0000
    │       ├── 04
    │       │   └── 0000
    │       ├── 05
    │       │   └── 0000
    │       ├── 06
    │       │   └── 0000
    │       └── 07
    │           └── 0000
    └── mytest
        ├── 30d
        │   ├── 15
        │   │   ├── 000000003-000000001.tsm
        │   │   └── fields.idx
        │   ├── 17
        │   │   ├── 000000003-000000002.tsm
        │   │   └── fields.idx
        │   └── 19
        │       ├── 000000004-000000004.tsm
        │       └── fields.idx
        ├── autogen
        │   └── 3
        └── _series
            ├── 00
            │   └── 0000
            ├── 01
            │   └── 0000
            ├── 02
            │   └── 0000
            ├── 03
            │   └── 0000
            ├── 04
            │   └── 0000
            ├── 05
            │   └── 0000
            ├── 06
            │   └── 0000
            └── 07
                └── 0000

## /var/lib/influxdb/wal目录结构 ##

第一层是`database`目录，第二层是`retention policy`目录，`rp`目录下是`shard group id`目录，`shard group id`目录下是`.wal`文件。

[root@xfyLinux 00]# tree /var/lib/influxdb/wal
    /var/lib/influxdb/wal
    ├── _internal
    │   └── monitor
    │       ├── 11
    │       ├── 12
    │       │   └── _00013.wal
    │       ├── 14
    │       │   └── _00014.wal
    │       ├── 16
    │       │   └── _00015.wal
    │       ├── 18
    │       │   └── _00016.wal
    │       ├── 20
    │       │   └── _00016.wal
    │       ├── 22
    │       │   └── _00016.wal
    │       └── 24
    │           ├── _00005.wal
    │           └── _00006.wal
    └── mytest
        ├── 30d
        │   ├── 15
        │   │   └── _00004.wal
        │   ├── 17
        │   │   └── _00004.wal
        │   └── 19
        │       └── _00005.wal
        └── autogen
            └── 3

# shard相关配置 #

`influxdb`中数据存储位置、文件大小等一些配置可在`/etc/influxdb/influxdb.conf`中配置。如下摘取部分配置：

[meta]
      # 存储meta数据
      # Where the metadata/raft database is stored
      dir = "/var/lib/influxdb/meta"
    
      # Automatically create a default retention policy when creating a database.
      # 用于控制默认存储策略，数据库创建时，会自动生成存储策略。
      # retention-autocreate = true
    
      # If log messages are printed for the meta service
      # mete服务日志记录
      # logging-enabled = true
    
    ###
    ### [data]
    
    [data]
      # The directory where the TSM storage engine stores TSM files.
      # TSM文件存储路径
      dir = "/var/lib/influxdb/data"
    
      # The directory where the TSM storage engine stores WAL files.
      # wal文件存储路径
      wal-dir = "/var/lib/influxdb/wal"
    
      # The amount of time that a write will wait before fsyncing. A duration
      # 一般设置为0 同步写入wal文件和cache文件
      # wal-fsync-delay = "0s"
    
      # The type of shard index to use for new shards. The default is an in-memory index that is
      # recreated at startup. A value of "tsi1" will use a disk based index that supports higher
      # cardinality datasets.
      # index-version = "inmem"
    
      # Whether queries should be logged before execution. Very useful for troubleshooting, but will
      # log any sensitive data contained within a query.
      # 是否开启 请求日志,debug 环境开启,线上环境关闭
      # query-log-enabled = true
      
      # CacheMaxMemorySize is the maximum size a shard's cache can
      # reach before it starts rejecting writes.
      # Valid size suffixes are k, m, or g (case insensitive, 1024 = 1k).
      # Values without a size suffix are in bytes.
      # shard的最大内存 1g，超过1g后拒绝写入
      # cache-max-memory-size = "1g"
    
      # CacheSnapshotMemorySize is the size at which the engine will
      # snapshot the cache and write it to a TSM file, freeing up memory
      # Valid size suffixes are k, m, or g (case insensitive, 1024 = 1k).
      # Values without a size suffix are in bytes.
      # 设置cache最大阈值，达到阈值就生成快照 并刷新数据到tsm文件
      # cache-snapshot-memory-size = "25m"
    
      # CacheSnapshotWriteColdDuration is the length of time at
      # which the engine will snapshot the cache and write it to
      # a new TSM file if the shard hasn't received writes or deletes
      # cache 快照 刷新到tsm文件的延迟 10分钟
      # cache-snapshot-write-cold-duration = "10m"
    
      # CompactFullWriteColdDuration is the duration at which the engine
      # will compact all TSM files in a shard if it hasn't received a
      # write or delete
      # 单个tsm文件存在的时间4h,时间后合并为一个大的TSM文件
      # compact-full-write-cold-duration = "4h"

# 总结 #

1.  `TSM`树是专门为`influxdb`构建的数据存储格式。与现有的`B+ tree`或`LSM tree`实现相比，`TSM tree`具有更好的压缩和更高的读写吞吐量。
2.  `shard`是`TSM`存储引擎的具体实现。
3.  `shard`有一个逻辑容器`shard group`，其按时间段分组，使得查询性能和批量清理数据变得简单高效。

注：`influxdb`的存储结构知识点还是比较偏底层的，如要深入了解，需要阅读大量的[源码][Link 1]，学习成本就陡然增加了。前期就粗浅的了解下，对以后保留策略的学习和简单运维有一定的帮助。

PS: **如若文章中有错误理解，欢迎批评指正，同时非常期待你的评论、点赞和收藏。我是徐同学，愿与你共同进步！**

参考：

*  [http://blog.fatedier.com/2016/08/05/detailed-in-influxdb-tsm-storage-engine-one/][http_blog.fatedier.com_2016_08_05_detailed-in-influxdb-tsm-storage-engine-one]
 *  [https://www.cnblogs.com/zouhao/p/10997984.html][https_www.cnblogs.com_zouhao_p_10997984.html]
 *  [https://docs.influxdata.com/influxdb/v1.8/concepts/glossary/\#shard-duration][https_docs.influxdata.com_influxdb_v1.8_concepts_glossary_shard-duration]
 *  [http://www.linuxdaxue.com/influxdb-principle.html][http_www.linuxdaxue.com_influxdb-principle.html]

[influxdb]: /images/20221120/7fb3661a498644d6b4cac74f688da30c.png
[show shards]: /images/20221120/d0409ac53d8c4ff6abf141b9acad5195.png
[show shard groups]: /images/20221120/d2329d0588a647a1b3f4b05521f4d9df.png
[var_lib_influxdb]: /images/20221120/4fd14608be934529879a47fdf875f8e6.png
[Link 1]: https://github.com/influxdata/influxdb
[http_blog.fatedier.com_2016_08_05_detailed-in-influxdb-tsm-storage-engine-one]: http://blog.fatedier.com/2016/08/05/detailed-in-influxdb-tsm-storage-engine-one/
[https_www.cnblogs.com_zouhao_p_10997984.html]: https://www.cnblogs.com/zouhao/p/10997984.html
[https_docs.influxdata.com_influxdb_v1.8_concepts_glossary_shard-duration]: https://docs.influxdata.com/influxdb/v1.8/concepts/glossary/#shard-duration
[http_www.linuxdaxue.com_influxdb-principle.html]: http://www.linuxdaxue.com/influxdb-principle.html