TSDB 存储引擎

数据压缩

对数据进行压缩，可以在通讯场景下传输更多的数据，显著地提升数据传输吞吐量。TSDB 支持无损压缩，其按照 block 的方式去组装构建索引和压缩数据，在数据从 Cache Engine 写入磁盘时进行压缩。可选压缩算法：

• 默认采用 LZ4 压缩算法，适用于一般情况。LZ4主要针对重复字符进行压缩，压缩率与数据重复频率相关。如果同一列中有较多重复项，LZ4 算法可以获得较高的压缩速度。但相对于 Delta 压缩算法，压缩率提升可能不太明显。

• zstd 压缩算法：zstd 适用于几乎所有数据类型，其压缩比高于 LZ4，但解压缩速度较 LZ4 慢约1倍。

• 对于时间类型或者变化较小的整型数据，建议采用 Delta（delta-of-delta encoding） 压缩算法。Delta 是专门针对时间戳等连续且等间隔的数据提出的算法，能够极大降低时间戳的存储空间，因此特别适合时间列的压缩。

• 对于重复较高的字符串，可采用 SYMBOL 类型存储。系统对 SYMBOL 类型数据会使用字典编码，将字符串转化为整型，减少字符串的存储空间。

在现实场景下，金融数据存盘的压缩率一般可达到 20% 到 30% 左右。

Level File 文件

TSDB 引擎存储的数据文件在 DolphinDB 中被称为 Level File，即 LSMTree 架构中各层级的文件。Level File 内部采用了行列混存（Partition Attributes Across，简称 PAX），即数据先按照 sortKey 的属性切分数据，每个 sortKey 对应的数据仍然按列存储，其中每列的数据按照固定行数划分为多个 block，并在 Level File 的尾部记录这些 block 的地址及其对应的 sortKey 信息。block 是最小的查询单元，也是数据压缩的单元，其内部数据按照时间列的顺序排序。Level File 文件的结构如下：

其中：

• header：记录了一些保留字段、表结构以及事务相关的信息。

• sorted col data：按 sortKey 顺序排列，每个 sortKey 依次存储了每列的 block 数据块。

• zonemap：存储了数据的预聚合信息（每列每个 sortKey 对应数据的 min，max，sum，notnullcount）。

• indexes：sorted col data 的索引信息，记录了sortKey 个数，每个 sortKey 的记录数、每列 block 数据块在文件中的偏移量信息，checksum 等。

• footer：存储 zonemap 的起始位置，用来定位预聚合和索引区域。

Level File 的 zonemap 和 indexes 部分在查询时会加载到内存中，用于索引。

Level File 各层级间的组织形式如下：

磁盘的 Level File 共分为 4 个层级， 即 Level 0, 1, 2, 3层。层级越高，Level File 文件大小越大，每个 Level File 中数据划分的 block 大小也越大。

多次写入后，相同的 sortKey 的数据可能分散在不同的 Level File 里。为减少无效文件数量，TSDB 引擎设计了文件合并的机制，通过合并操作（compaction）可以提高磁盘空间利用率（压缩率提升）以及提升查询性能。

• 合并机制

  当较低层级的 Level File 的数量超过10个或该层所有 Level File 的大小超过更高一层单个 Level File 文件的大小时，系统会将这些 Level File 合并为更高一层的 Level File。每层 Level File 单个文件的大小参考上文的 Level File 分层组织。

  默认情况下，TSDB Level File 文件满足合并要求时，由系统自动触发合并，对用户透明。在某些特殊情况，可能出现文件过多，却没有合并，DolphinDB 也提供了函数实现手动触发合并。

• 数据去重

  TSDB 根据 sortColumns 进行去重，建表时通过参数指定去重模式。包含三种去重模式：保留所有数据，仅保留最新数据，仅保留第一条数据。去重发生在写入时数据排序阶段以及 Level File 合并阶段。不同去重机制会对更新操作产生影响：若采用保留所有数据或仅保留第一条数据，则每次更新时都需要将分区数据读取到内存更新后再写回磁盘；若采用仅保留最新数据，则更新数据将以追加的方式写入，真正的更新操作将会在 Level File 合并阶段进行。请注意：

  • TSDB 去重策略无法确保磁盘上无冗余，只保证查询时无冗余结果。查询时，读取各 Level File 中 sortKey 对应的数据块，在内存中去重后返回结果。

  • DolphinDB 不支持约束。不建议将数据中的主键或唯一约束设置为 sortColumns。

数据库部署

在使用 TSDB 引擎前，可以按需调整系统的配置项，以充分发挥系统的性能。本节主要介绍其中几个重点参数：

• TSDBRedoLogDir：为了提高写入效率，建议将 TSDB redo log 配置在 SSD 盘。

• TSDBCacheEngineSize：默认是 1G，写入压力较大的场景可以适当调大该值。

  • 若设置过小，可能导致 cache engine 频繁刷盘，影响系统性能；

  • 若设置过大，由于 cache engine 内缓存的数据量很大，但由于未达到 cache engine 的大小（且未达到十分钟），因此数据尚未刷盘，此时若发生了机器断电或关机，重启后就需要回放大量事务，导致系统启动过慢。

• TSDBLevelFileIndexCacheSize：默认是 5% * maxMemSize，该配置项确定了索引数据（Level File indexes 和 zonemap）的上限，若配置过小，会造成索引频繁置换。在索引部分，较占内存空间的是 zonemap 部分，用户可以根据 “分区数量 × sortKey 数量 × （4 × 各字段字节数的和）” 估算 zonemap 所占内存大小。其中， 4 表示 4 种预聚合指标 min，max，sum，notnullcount）。

• TSDBAsyncSortingWorkerNum：非负整数，默认值为1，用于指定 TSDB cache engine 异步排序的工作线程数。在 CPU 资源充足的情况下，可以适当增大该值，以提高写入性能。

• TSDBCacheFlushWorkNum：TSDB cache engine 刷盘的工作线程数，默认值是 volumes 指定的磁盘卷数。若配置值小于磁盘卷数，则仍取默认值。通常无需修改此配置。

创建数据库

下述脚本以创建一个组合分区的数据库为例，和 OLAP 引擎创库时的区别仅在于 engine 设置不同：

dbName="dfs://test_tsdb"
db1 = database(, VALUE, 2020.01.01..2021.01.01)
db2 = database(, HASH, [SYMBOL, 100])
db = database(directory=dbName, partitionType=COMPO, partitionScheme=[db1, db2], engine="TSDB")

• 库表对应关系：设计分布式数据库时，若存储的是分布式表，推荐一库一表，因为对于不同的表按照同一分区方案进行分区，可能造成每个分区的数据量不合理；若存储的是维度表，推荐一库多表，集中管理，因为维度表只有一个分区，且一次加载常驻内存。

• 分区设计：

  • TSDB 引擎单个分区推荐大小： 400MB - 1GB（压缩前）

    分布式查询按照分区加载数据进行并行计算（包括查询、删除、修改等操作），若分区粒度过大，可能会造成内存不足、查询并行度降低、更新删除效率降低等问题；若分区粒度过小，可能会产生大量子任务增加节点负荷、大量小文件独写增加系统负荷、控制节点元数据爆炸等问题。

  • 分区设计步骤：

    1. 以推荐大小作为参照，先根据表中的记录数和每个字段的大小估算数据量，再根据分区方案计算的分区数（如天+股票HASH10 的组合分区，可以按天数 * 10），通过数据量/分区数计算得到每个分区的大小。

    2. 若分区粒度不合理，调整分区粒度可以参考以下方案：

       • 粒度过小：若采用了值分区可以考虑改成范围分区，例如按天改成按月；若采用了 HASH 分区，可以考虑改小 HASH 分区数。

       • 粒度过大：若采用了范围分区可以考虑改成值分区，例如按年改成按月；若采用了 HASH 分区，可以考虑改大 HASH 分区数；若是一级分区，可以考虑用组合分区，此时新增一级通常是 HASH 分区，例按天单分区，粒度过大，考虑二级按股票代码 HASH 分区。

合理设置分区至关重要，如需了解详细的分区机制和如何设计合理的分区，可参见数据库分区。

• 是否允许并发写入同一分区：　

  此外，为了支持用户多线程能够并发写数据且不会因写入分区冲突而失败，DolphinDB 在创建数据库时支持了一个特殊的配置参数 atomic（该参数是 OLAP 和 TSDB 引擎共有参数）：

  • 默认为 ‘TRANS'，即不允许并发写入同一个 CHUNK 分区；

  • 设置为 ‘CHUNK'，则允许多线程并发写入同一分区。系统内部仍会串行执行写入任务，当一个线程正在写入某个分区时，其他写入该分区的线程检测到冲突会不断尝试重新写入。尝试 250 次（每次尝试间隔时间会随着尝试次数增加而增加，上限是 1s，整个尝试过程约持续 5 分钟）后仍然无法写入，则会写入失败。atomic='CHUNK' 配置可能会破坏事务的原子性，因为若某线程冲突重试达到上限后仍失败，则该部分数据将会丢失，需要谨慎设置。

实际场景下，若设置为 'CHUNK' 发生数据丢失，用户可能难以定位到具体的分区，针对该场景有几个较推荐的方案：

1. 使用 tableInsert 写入，该函数会返回写入数据的记录数，根据记录数可以定位到写入失败的线程任务，若线程涉及的分区没有重叠，可以删除相关分区数据后重新写入。

2. 若使用 TSDB 引擎，且去重策略设置为了 FIRST 或者 LAST，则直接重复提交写入失败的线程任务，系统会进行去重，查询时不会读出重复数据。不适用于去重策略为 ALL 的场景，若为 ALL，则参照方案 1。

创建数据表

创建分布式表/维度表时，与 OLAP 引擎不同， TSDB 需要额外设置 sortColumns 这个必选参数，以及 keepDuplicates, sortKeyMappingFunction 这两个可选参数。

// 通过函数创建
createPartitionedTable(dbHandle, table, tableName, [partitionColumns],
          [compressMethods], [sortColumns], [keepDuplicates=ALL], [sortKeyMappingFunction])
 // 通过标准 SQL 创建
create table dbPath.tableName (
     schema[columnDescription] 
) 
[partitioned by partitionColumns],
[sortColumns], [keepDuplicates=ALL],
[sortKeyMappingFunction]

这里以通过函数创建一个 TSDB 下的分布式表为例：

tbName="pt1"
colName = "SecurityID""TradeDate""TradeTime""TradePrice""TradeQty""TradeAmount""BuyNo""SellNo"
colType = "SYMBOL""DATE""TIME""DOUBLE""INT""DOUBLE""INT""INT" 
tbSchema = table(1:0, colName, colType) 
db.createPartitionedTable(table=tbSchema, tableName=tbName,
partitionColumns="TradeDate""SecurityID", compressMethods={TradeTime:"delta"}, sortColumns="SecurityID""TradeDate""TradeTime", keepDuplicates=ALL)

• 根据字段选择恰当的压缩算法（compressMethods）：

  • 对重复较高的字符串，使用 SYMBOL 类型存储。需要注意单个分区下 SYMBOL 字段的唯一值数不能超过 2²¹(2097152) 个，否则会抛异常，见S00003。

  • 对时序数据或顺序数据（整型）可以使用 delta （即 delta-of-delta encoding）算法存储，压缩性能测试可以参考物联网应用范例。

  • 其余默认 lz4 压缩算法。

• 合理设置排序字段（sortColumns）：

  • sortColumns 指定的列数不超过 4，同时确保一个分区的 sortKey 的组合数小于 2000。

    通常金融场景下会以 SecurityID+时间戳的组合、物联网场景下会以 deviceID+时间戳的组合来作为 sortColumns。

    在 Level File 文件 中提及，Level File 的每个 sortKey 都对应存储了许多索引信息，因此在数据量固定的情况下，如果 sortKey 的数量过多，元数据也会变多。极端场景下，数据库可能会膨胀 50 倍！因此不推荐把主键或唯一约束设置为 sortColumns。

  • 建议把查询频率高的字段作为 sortColumns中的前置列。

    索引键值是 sortKey 的组合值，查询时，如果过滤条件中包含 sortKey 字段，即可以快速定位索引，从而快速定位到数据块 block 加速查询。

    因为索引键在内存中是按照其组合值排序的，如果将频繁查询的字段前置，则若查询语句中包含前置的字段，则定位索引时可以通过二分查找进行加速，否则系统会对内存中的索引进行遍历。

  • 如果 sortColumns 只有一列，该列将作为 sortKey，块内数据是无序的。因此，对于每个 sortKey 需要遍历内部的每一个 block；如果 sortColumns 有多列，则除最后一列外的作为索引列 sortKey ，最后一列必须是时间列，block 内部按时间排序，如果查询条件指定了时间列，可以无需对每个 sortKey 下的 block 进行遍历。

  • 类型限制：sortColumns 只支持 integer, temporal, string 或 symbol 类型；sortKey 不能为为 TIME, TIMESTAMP, NANOTIME, NANOTIMESTAMP 类型。

• 索引降维（sortKeyMappingFunction）：

  如果单纯的依靠合理配置 sortColumns 仍然不能降低每个分区的 sortKey 数量，则可以通过指定该参数进行降维。

  例如： 5000 只股票，按照日期分区，设置股票代码和时间戳为 sortColumns，每个分区 sortKey 组合数约为 5000，不满足每个分区 sortKey 组合数不超过 1000 的原则，则可以通过指定 sortKeyMappingFunction=[hashBucket{, 500}] 进行降维，使每个分区的 sortKey 组合数降为 500。

  • 降维是对每个 sortKey 的字段进行的，因此有几个 sortKey 字段就需要指定几个降维函数。

  • 常用的降维函数是 hashBucket，即进行哈希映射。

  • 降维后可以通过 getTSDBSortKeyEntry 查询每个分区的 sortKey 信息。

• 数据去重（keepDuplicates）：

  • 对同一个时间点产生多条数据，需要去重的场景，可以根据业务需要设置 keepDuplicates=FIRST/LAST，分别对应每个 sortColumns 保留第一条还是最后一条数据。

  • 若对去重策略没有要求，则可以根据以下需求进行评估，以设置去重策略：

    • 高频更新：建议指定 keepDuplicates=LAST，因为 LAST 采用追加更新的方式效率更高，见数据更新。

    • 查询性能：较推荐使用 keepDuplicates=ALL，因为其他去重策略查询时有额外的去重开销。

    • atomic=CHUNK：推荐使用 keepDuplicates=FIRST/LAST，若并发写入失败，直接重复写入即可，无需删除数据再写。