面试题：缓存设计之LSM树基础原理

Question

请简要阐述持久化缓存中日志结构合并树（LSM）的基本工作原理，包括写入和读取操作流程。

Answer 1

写入操作流程

1. 内存写入：新的数据首先被写入到内存中的一个数据结构，通常是跳跃表（Skip List），这个结构称为 MemTable。MemTable 设计为便于快速插入和查找，能高效支持写入操作。
2. MemTable 满溢处理：当 MemTable 达到一定大小（阈值）时，它会被冻结（Frozen），阻止新的写入，并将其转换为不可变的 MemTable。同时，一个新的可写 MemTable 被创建，继续接收新的写入。
3. SSTable生成：不可变的 MemTable 会被刷写到磁盘，形成一个排序字符串表（Sorted String Table，SSTable）。SSTable 是按键有序存储的，这种有序性有助于后续的合并操作和快速查找。

读取操作流程

1. 内存查找：首先在当前可写的 MemTable 中查找数据。如果在 MemTable 中找到数据，则直接返回，因为 MemTable 中的数据是最新的。
2. SSTable查找：如果在 MemTable 中未找到，则按照层级顺序在磁盘上的 SSTable 中查找。由于 SSTable 是按键有序的，可以使用二分查找等高效算法进行查找。
3. 合并结果：在不同层级的 SSTable 中可能存在相同键的不同版本数据，LSM 树需要合并这些结果，返回最新版本的数据。

LSM 树整体原理

LSM 树通过将写入操作先集中在内存中处理，然后批量刷写到磁盘，减少磁盘随机 I/O 的开销，从而提高写入性能。读取时虽然可能需要在多个层级的数据结构中查找，但通过 SSTable 的有序性和层级合并策略，仍然能保持相对高效的查找性能。这种结构特别适用于写入密集型的应用场景，如数据库系统中的持久化缓存。