200 行 C 代碼實現插件式 NOSQL 存儲服務器(一)

初一看，你肯定會覺得作者在忽悠人吧，200 行 C 代碼居然可以實現插件式 NOSQL 存儲服務器？是的，200 行 C 代碼確實可以做到，但只能是一個極其簡單的代碼框架而已，不過感興趣的同鞋可以在此基礎上進行擴展。

引言

好了不多說，究竟什么才是插件式( Pluggable )的存儲服務器呢，想必大家都用過 MySQL吧，它就是一款典型的插件式關系型數據服務器，MySQL 下面比較有名的存儲引擎有 MyISAM, InnoDB, MEMORY 等。另外大名鼎鼎的 Memcached 的開發版(1.6版，即官方代碼倉庫中的 engine-pu 分支)也開始支持插件式存儲引擎，這意味着以后你可以使用 Memcached 的其他存儲引擎了，而不是僅僅將數據緩存在內存中。

首先插件式存儲服務器的一種可能的設計架構圖如下：

按照典型的分層設計模式，最上層是網絡連接層(Connectin Layer)，其次是中間處理層，包括 Cache 和 各種 Buffers、協議分析器、以及其他工具，再是公共存儲抽象服務層，然后最下層是各種存儲引擎，上圖中列舉了內存式，sqlite，leveldb等存儲引擎，當然你也可以實現自己的存儲引擎。

1、網絡連接層（Connection Layer）：負責處理網絡連接，該層主要考慮如何高效地處理大量並發網絡連接，讀者可以閱讀 Memcached 1.6 的源碼來了解更多相關的技術。

2、中間處理層（Median Handle Layer）：該層的功能包括 Cache 和各種 Buffers 的管理，協議解析，可能的查詢優化，以及其他的工具。

3、公共存儲抽象服務層（Common Storage Abstract Service Layer）：該層主要和下層的存儲引擎進行交互。

4、存儲引擎層（Storage Layer）：各種存儲引擎的實現。

不過，為了保持本文簡介和直觀，我們在此只關注第3、4層，即公共存儲抽象服務層（Common Storage Abstract Service Layer）和 存儲引擎層（Storage Layer），

本文以下部分將用簡短的 C 代碼解釋如何實現公共存儲抽象服務層（Common Storage Abstract Service Layer）和存儲引擎層（Storage Layer），同時為了簡單起見，我們沒有實現自己的存儲引擎，而是借助 sqlite 和 leveldb 作為持久化的存儲引擎，另外 in-memory 使用 uthash 作為存儲后端。

實現細節

文件描述

├── csas.c
├── csas.h
├── example-engine.c
├── example-engine.h
├── inmemory-engine.c
├── inmemory-engine.h
├── leveldb-engine.c
├── leveldb-engine.h
├── main.c
├── Makefile
├── sqlite-engine.c
└── sqlite-engine.h

本文涉及的代碼一共 12 個文件（c文件、h文件、Makefile），其中各個文件功能如下：

• csas.h, csas.c：Common Storage Abstract Service（CSAS）實現文件。
• example-engine.c, example-engine.h：如何實現自己的存儲引擎，即自定義存儲引擎需要實現的接口。
  
• inmemory-engine.c, inmemory-engine.h：內存式存儲引擎，基於 uthash。
• leveldb-engine.c, leveldb-engine.h：持久化存儲引擎，基於 google 的 Leveldb。
• sqlite-engine.c, sqlite-engine.h：持久化存儲引擎，基於 sqlite。
• main.c：測試文件。
• Makefile：Makefile 文件。

/*
 * =============================================================================
 *
 *       Filename:  csas.h
 *
 *    Description:  common storage abstract service.
 *
 *        Created:  11/24/2012 03:16:19 PM
 *
 *         Author:  Fu Haiping (forhappy), [e-mail]
 *        Company:  ICT ( Institute Of Computing Technology, CAS )
 *
 * =============================================================================
 */
#ifndef CSAS_H
#define CSAS_H

typedef struct engine_s_ engine_t;
typedef struct csas_context_s_ csas_context_t;
typedef struct engine_operation_s_ engine_operation_t;

struct csas_context_s_ {
    csas_context_t *next;
    engine_t *engine;
    /* other stuff here... */
};

struct engine_s_ {
    char *engine_name;
    unsigned int version;
    engine_operation_t *engine_ops;

    /* more stuff about storage engine here... */
};

struct engine_operation_s_ {
    int (*put)(engine_t *engine,
            const char *key, unsigned int key_len,
            const char *value, unsigned int value_len);

    char * (*get)(engine_t *engine,
            const char *key, unsigned int key_len,
            unsigned int *value_len);

    int (*delete)(engine_t *engine,
            const char *key, unsigned int key_len);

    int (*unsupported_operation)(engine_t *engine);
};

csas_context_t * csas_init(engine_t *engine);

void csas_destory(csas_context_t *context);

int csas_put(csas_context_t *context,
        const char *key, unsigned int key_len,
        const char *value, unsigned int value_len);

char * csas_get(csas_context_t *context,
        const char *key, unsigned int key_len,
        unsigned int *value_len);

int csas_delete(csas_context_t *context,
        const char *key, unsigned int key_len);

#endif /* CSAS_H */

/*
 * =============================================================================
 *
 *       Filename:  csas.c
 *
 *    Description:  common storage abstract service.
 *
 *        Created:  11/24/2012 03:16:38 PM
 *
 *         Author:  Fu Haiping (forhappy), [e-mail]
 *        Company:  ICT ( Institute Of Computing Technology, CAS )
 *
 * =============================================================================
 */
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include "csas.h"

csas_context_t * csas_init(engine_t *engine)
{
    csas_context_t *context =
        (csas_context_t *)malloc(sizeof(csas_context_t));
    context->engine = engine;
    context->next = NULL;
    return context;

}

void csas_destory(csas_context_t *context)
{
    assert(context != NULL);

    if (context->engine != NULL) {
        free(context->engine);
    }
    free(context);

}

int csas_put(csas_context_t *context,
        const char *key, unsigned int key_len,
        const char *value, unsigned int value_len)
{
    int ret = -1;
    ret = context->engine->engine_ops->put(context->engine,
            key, key_len, value, value_len);
    return ret;
}

char * csas_get(csas_context_t *context,
        const char *key, unsigned int key_len,
        unsigned int *value_len)
{
    char *retstr = NULL;
    retstr = context->engine->engine_ops->get(context->engine,
            key, key_len, value_len); 
    return retstr;
}

int csas_delete(csas_context_t *context,
        const char *key, unsigned int key_len)
{
    int ret = -1;
    ret = context->engine->engine_ops->delete(context->engine,
            key, key_len);
}

那么如何實現自己的存儲引擎呢，你只要按照以下示例代碼實現存儲引擎相關的接口即可，目前只需要實現如下接口：

#ifndef EXAMPLE_ENGINE_H
#define EXAMPLE_ENGINE_H
#include "csas.h"

extern engine_t * engine_example_init();

#endif /* EXAMPLE_ENGINE_H */

/*
 * =============================================================================
 *
 *       Filename:  example-engine.c
 *
 *    Description:  example storage engine.
 *
 *        Created:  11/24/2012 03:49:34 PM
 *
 *         Author:  Fu Haiping (forhappy), [e-mail]
 *        Company:  ICT ( Institute Of Computing Technology, CAS )
 *
 * =============================================================================
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#include "example-engine.h"

static int put(engine_t *engine,
        const char *key, unsigned int key_len,
        const char *value, unsigned int value_len)
{
    printf("hook call to example put.\n");
    return 0;
}

static char * get(engine_t *engine,
        const char *key, unsigned int key_len,
        unsigned int *value_len)
{
    printf("hook call to example engine get.\n");
    return NULL;
}

static int delete(engine_t *engine,
        const char *key, unsigned int key_len)
{
    printf("hook call to example engine delete.\n");
}

engine_t * engine_example_init(void)
{
    engine_t *engine = (engine_t *) malloc(sizeof(engine_t));
    engine_operation_t *engine_ops = (engine_operation_t *)
        malloc(sizeof(engine_operation_t));

    const char *engine_name = "example engine v0.1";
    unsigned int engine_name_len = strlen(engine_name);
    unsigned int version = 0x1;

    engine->engine_name = malloc(sizeof(char) * (engine_name_len + 1));
    memset(engine->engine_name, 0, (engine_name_len + 1));
    strncpy(engine->engine_name, engine_name, engine_name_len);
    engine->version = version;

    engine_ops->put = put;
    engine_ops->get = get;
    engine_ops->delete = delete;

    engine->engine_ops = engine_ops;
}

測試代碼如下：

/*
 * =============================================================================
 *
 *       Filename:  main.c
 *
 *    Description:  main routine.
 *
 *        Created:  11/24/2012 05:58:22 PM
 *
 *         Author:  Fu Haiping (forhappy), [e-mail]
 *        Company:  ICT ( Institute Of Computing Technology, CAS )
 *
 * =============================================================================
 */
#include <stdio.h>

#include "leveldb-engine.h"
#include "sqlite-engine.h"

int main(int args, const char *argv[])
{
    engine_t *engine_leveldb = engine_leveldb_init();
    engine_t *engine_sqlite = engine_sqlite_init();

    csas_context_t *context_leveldb = csas_init(engine_leveldb);
    csas_context_t *context_sqlite = csas_init(engine_sqlite);

    csas_put(context_leveldb, "hello", 5, "world", 5);

    csas_put(context_sqlite, "hello", 5, "world", 5);

}

(待續) 以上是本文前一部分內容，接下來會慢慢完善的，這個小項目的代碼整理后會放到 github 上，感興趣的同學可以一起討論討論。:-)