IndexFile文件讲解
之前说了RocketMQ的物理日志文件CommitLog和逻辑日志文件ConsumeQueue。现在说的是对应的消息索引文件IndexFile。
概述
IndexFile（索引文件）提供了一种可以通过key或时间区间来查询消息的方法。Index文件的存储位置是：HOME\store\index{fileName}，文件名fileName是以创建时的时间戳命名的，固定的单个IndexFile文件大小约为400M，一个IndexFile可以保存 2000W个索引，IndexFile的底层存储设计为在文件系统中实现HashMap结构，故rocketmq的索引文件其底层实现为hash索引。
文件结构
文件的结构这里参考网上的一张图
在这里插入图片描述
这个图是整个IndexFile的文件结构，主要分为3部分。第一部分，文件头信息（大小为40 byte）；第二部分，hash槽位（单个槽位4byte，一共500w个）；第三部分，索引信息链表部分（单个index为20 byte，一共2000w个）。分三部分进行说明：
- 头信息Index Head部分：主要记录整个文件的相关信息
-
beginTimestamp：第一个索引消息落在Broker的时间戳； -
endTimestamp：最后一个索引消息落在Broker的时间戳； -
beginPhyOffset：第一个索引消息在commitlog的偏移量； -
endPhyOffset：最后一个索引消息在commitlog的偏移量； -
hashSlotCount：构建索引占用的槽位数； -
indexCount：构建的索引个数；
-
- Hash槽 Slot Table 部分：保存的是消息key在Index部分的位置，槽位的确定方式是消息的topic和key中间用#拼接起来（topic#key）然后对总槽树取模，计算槽位。
- Index链表部分：Index中存储的是消息相关的详细信息，和hash冲突时的处理方式
-
keyHash:topic#key结构的Hash值(key是消息的key) -
phyOffset:commitLog真实的物理位移 -
timeOffset：时间位移，消息的存储时间与Index Header中beginTimestamp的时间差 -
slotValue（解决hash槽冲突的值）：当topic-key(key是消息的key)的Hash值取500W的余之后得到的Slot Table的slot位置中已经有值了（即Hash值取余后在Slot Table中有hash冲突时），则会用最新的Index值覆盖，并且将上一个值写入最新Index的slotValue中，从而形成了一个链表的结构。
-
IndexFile文件相关的类
IndexFile头文件相关的IndexHead类
IndexHead类关联的其实就是IndexFile文件的头文件相关的信息，没有复杂的方法，都是一些字段的get和set方法
//IndexFile的头大小
public static final int INDEX_HEADER_SIZE = 40;
//beginTimestamp：第一个索引消息落在Broker的时间戳
private static int beginTimestampIndex = 0;
//endTimestamp：最后一个索引消息落在Broker的时间戳
private static int endTimestampIndex = 8;
//beginPhyOffset：第一个索引消息在commitlog的偏移量；
private static int beginPhyoffsetIndex = 16;
//endPhyOffset：最后一个索引消息在commitlog的偏移量；
private static int endPhyoffsetIndex = 24;
//hashSlotCount：构建索引占用的槽位数
private static int hashSlotcountIndex = 32;
//indexCount：构建的索引个数
private static int indexCountIndex = 36;
//记录对应信息用的原子类
private AtomicLong beginTimestamp = new AtomicLong(0);
private AtomicLong endTimestamp = new AtomicLong(0);
private AtomicLong beginPhyOffset = new AtomicLong(0);
private AtomicLong endPhyOffset = new AtomicLong(0);
private AtomicInteger hashSlotCount = new AtomicInteger(0);
private AtomicInteger indexCount = new AtomicInteger(1);
可以看到这里通过6个字段来表示对应的6个字段的偏移量，其中6个字段的值都是用原子类来记录表示的。
IndexFile读写相关的IndexFile类
IndexFile文件相关操作对应的就是IndexFile类，提供对IndexFile文件的插入信息和对应的查询操作。
字段属性
//hash曹的大小
private static int hashSlotSize = 4;
//一个index结构的大小
private static int indexSize = 20;
//无效的index
private static int invalidIndex = 0;
//hash槽总数
private final int hashSlotNum;
//index的数量
private final int indexNum;
//IndexFile文件的映射文件对象
private final MappedFile mappedFile;
private final FileChannel fileChannel;
private final MappedByteBuffer mappedByteBuffer;
//IndexFile的头信息
private final IndexHeader indexHeader;
记录的主要是整个文件中相应的单元的单个大小，和对应hash槽和index链表的大小。和对应文件的映射对象等信息
内部方法分析
构造方法
构造方法主要就是对应的主要参数的设置，根据入参计算整个文件的大小（IndexFile的头大小 + hash槽的大小 x hash槽的数量 + index结构的大小 x index结构的数量），然后创建文件，设置文件头对象IndexHead
public IndexFile(final String fileName, final int hashSlotNum, final int indexNum,
final long endPhyOffset, final long endTimestamp) throws IOException {
//计算文件的大小 = IndexFile的头大小 + hash槽的大小*hash槽的数量 + index结构的大小*index结构的数量
int fileTotalSize =
IndexHeader.INDEX_HEADER_SIZE + (hashSlotNum * hashSlotSize) + (indexNum * indexSize);
//获取映射文件对象
this.mappedFile = new MappedFile(fileName, fileTotalSize);
//获取对应的channel
this.fileChannel = this.mappedFile.getFileChannel();
//获取对应文件的缓存
this.mappedByteBuffer = this.mappedFile.getMappedByteBuffer();
//设置hash槽数量
this.hashSlotNum = hashSlotNum;
//设置index结构的数量
this.indexNum = indexNum;
ByteBuffer byteBuffer = this.mappedByteBuffer.slice();
//创建文件对应的IndexHead对象
this.indexHeader = new IndexHeader(byteBuffer);
//初始化头文件的beginPhyOffset 和 endPhyOffset
if (endPhyOffset > 0) {
this.indexHeader.setBeginPhyOffset(endPhyOffset);
this.indexHeader.setEndPhyOffset(endPhyOffset);
}
//初始化头文件的beginTimestamp 和 endTimestamp
if (endTimestamp > 0) {
this.indexHeader.setBeginTimestamp(endTimestamp);
this.indexHeader.setEndTimestamp(endTimestamp);
}
}
保存key对应index的putKey方法
这个方法的调用，是在消息存入CommitLog之后，进行消息转存的时候会调用。这里简单贴一些调用链。
ReputMessageService#run
ReputMessageService#doReput
DefaultMessageStore#doDispatch
CommitLogDispatcherBuildIndex#dispatch
DefaultMessageStore#putMessagePositionInfo
IndexService#buildIndex
IndexService#putKey
IndexFile#putKey
这个方法根据传入的消息的key，消息在CommitLog的物理偏移量，消息的存储时间三个参数来进行构建索引。主要逻辑过程为：
- 检查
IndexHead类中记录的indexCount值和IndexFile类中记录的indexNum进行比较，检查文件是否已经满了，如果满了直接返回 - 计算传入key对应的hash槽的位置，并检查要插入的槽位是否已经存在值了，如果已经存在值了，检查是不是无效值，如果不是则需要记录。在插入index信息的时候保存
- 吧当前key的索引值，插入对应的hash槽中
- 计算对应的index链表的位置，然后插入index信息，如果之前hash槽分配存在hash冲突，则在把冲突的上一个key的index的值，保存在
slotValue中
源码如下
public boolean putKey(final String key, final long phyOffset, final long storeTimestamp) {
//如果已经构建的索引index数量 < 最大的index数量，则进行插入，否则直接返回 false
if (this.indexHeader.getIndexCount() < this.indexNum) {
//计算key 的 hash值，使用的是String自带的hashcode方法计算
int keyHash = indexKeyHashMethod(key);
// 计算key对应的hash槽的位置
int slotPos = keyHash % this.hashSlotNum;
//计算对应槽为的偏移量 IndexFile的头长度+hash槽的位置*hash槽大小 40+位置*4
int absSlotPos = IndexHeader.INDEX_HEADER_SIZE + slotPos * hashSlotSize;
FileLock fileLock = null;
try {
// fileLock = this.fileChannel.lock(absSlotPos, hashSlotSize,
// false);
//从对应的槽位的位置开始 获取4个字节的长度 得到对应topic的key对应索引的位置
int slotValue = this.mappedByteBuffer.getInt(absSlotPos);
//检查对应槽位的值 是不是无效的索引，如果不是说明这次插入的key跟之前的key冲突，则要取出之前的keu
if (slotValue <= invalidIndex || slotValue > this.indexHeader.getIndexCount()) {
slotValue = invalidIndex;
}
// 存储时间 - 头文件记录的开始时间得到 时间差
long timeDiff = storeTimestamp - this.indexHeader.getBeginTimestamp();
//转换时间
timeDiff = timeDiff / 1000;
//如果头文件记录的开始时间小于0，则时间差记为0 ， 如果大于int最大值，则为最大值，如果时间差小于0，也记录为0
if (this.indexHeader.getBeginTimestamp() <= 0) {
timeDiff = 0;
} else if (timeDiff > Integer.MAX_VALUE) {
timeDiff = Integer.MAX_VALUE;
} else if (timeDiff < 0) {
timeDiff = 0;
}
/**
* 计算 需要设置值的index偏移量 IndexFile头大小+hash槽数量*hash槽大小+IndexFile的indexCount*index大小
* 也就是 40+500w*4+20*indexCount
*/
int absIndexPos =
IndexHeader.INDEX_HEADER_SIZE + this.hashSlotNum * hashSlotSize
+ this.indexHeader.getIndexCount() * indexSize;
//设置 index中的 keyHash
this.mappedByteBuffer.putInt(absIndexPos, keyHash);
//设置 index中的 phyOffset
this.mappedByteBuffer.putLong(absIndexPos + 4, phyOffset);
//设置 index中的 timeDiff
this.mappedByteBuffer.putInt(absIndexPos + 4 + 8, (int) timeDiff);
//设置 index中的 slotValue
this.mappedByteBuffer.putInt(absIndexPos + 4 + 8 + 4, slotValue);
//设置 在hash槽中的 index
this.mappedByteBuffer.putInt(absSlotPos, this.indexHeader.getIndexCount());
//如果indexCount 小于1，则表示是第一个存入的消息信息 则设置对应的初始信息
if (this.indexHeader.getIndexCount() <= 1) {
this.indexHeader.setBeginPhyOffset(phyOffset);
this.indexHeader.setBeginTimestamp(storeTimestamp);
}
//如果对应的 key的索引是无效索引
if (invalidIndex == slotValue) {
this.indexHeader.incHashSlotCount();
}
//增加indexCount值
this.indexHeader.incIndexCount();
//设置对应的最后一个消息的偏移量
this.indexHeader.setEndPhyOffset(phyOffset);
//设置对应的最后一个消息的存储时间
this.indexHeader.setEndTimestamp(storeTimestamp);
return true;
} catch (Exception e) {
log.error("putKey exception, Key: " + key + " KeyHashCode: " + key.hashCode(), e);
} finally {
if (fileLock != null) {
try {
//释放文件锁
fileLock.release();
} catch (IOException e) {
log.error("Failed to release the lock", e);
}
}
}
} else {
log.warn("Over index file capacity: index count = " + this.indexHeader.getIndexCount()
+ "; index max num = " + this.indexNum);
}
return false;
}
根据时间区间查询和key来进行查询消息的selectPhyOffset方法
根据消息和落盘时间段来寻找消息在CommitLog上的偏移量。主要逻辑如下：
- 根据传入的key，计算hash槽的位置
- 获取hash槽记录的index链表的位置的值
- 获取index链表中的
slotValue值是否大于0，大于0表示存在hash冲突，也就是存在key相同的消息，需要进入步骤4进一步寻找，否则直接返回 - 根据
slotValue记录的值，寻找对应的index链表的index信息。同时校验，index记录的timeOffset和IndexHead记录的beginTimestamp的和是否在传入的时间区间内。在则继续获取slotValue重复步骤4，直到找到不符合的消息。
整个方法就是根据key计算消息的偏移量。源码如下
/**
* 根据偏移量和落盘时间段获取消息的物理偏移量集合
* @param phyOffsets 封装逻辑偏移量值的集合
* @param key 开始寻找的key 结构为消息的topic#key
* @param maxNum 寻找的数量
* @param begin 落盘时间段开始时间
* @param end 落盘时间段结束时间
* @param lock 是否加文件锁，现阶段是不加锁
*/
public void selectPhyOffset(final List<Long> phyOffsets, final String key, final int maxNum,
final long begin, final long end, boolean lock) {
if (this.mappedFile.hold()) {
//计算key的hash槽的位置
int keyHash = indexKeyHashMethod(key);
int slotPos = keyHash % this.hashSlotNum;
//计算槽位的偏移量信息
int absSlotPos = IndexHeader.INDEX_HEADER_SIZE + slotPos * hashSlotSize;
FileLock fileLock = null;
try {
if (lock) {
// fileLock = this.fileChannel.lock(absSlotPos,
// hashSlotSize, true);
}
//获取key对应的索引信息
int slotValue = this.mappedByteBuffer.getInt(absSlotPos);
// if (fileLock != null) {
// fileLock.release();
// fileLock = null;
// }
//如果是无效索引则不处理，意思就是没有hash冲突的情况下则不进一步处理，否则需要获取之前的冲突的key
if (slotValue <= invalidIndex || slotValue > this.indexHeader.getIndexCount()
|| this.indexHeader.getIndexCount() <= 1) {
} else {
//迭代获取冲突的消息直到没有冲突
for (int nextIndexToRead = slotValue; ; ) {
//获取完毕，就结束
if (phyOffsets.size() >= maxNum) {
break;
}
//计算index结构的偏移量
int absIndexPos =
IndexHeader.INDEX_HEADER_SIZE + this.hashSlotNum * hashSlotSize
+ nextIndexToRead * indexSize;
//获取key的hash值
int keyHashRead = this.mappedByteBuffer.getInt(absIndexPos);
//获取消息的物理偏移量
long phyOffsetRead = this.mappedByteBuffer.getLong(absIndexPos + 4);
//获取时间位移
long timeDiff = (long) this.mappedByteBuffer.getInt(absIndexPos + 4 + 8);
//获取槽位冲突的上一个key的index信息
int prevIndexRead = this.mappedByteBuffer.getInt(absIndexPos + 4 + 8 + 4);
//如果时间偏移小于0，则进行处理
if (timeDiff < 0) {
break;
}
timeDiff *= 1000L;
//计算消息的存储时间
long timeRead = this.indexHeader.getBeginTimestamp() + timeDiff;
//检查消息是否符合
boolean timeMatched = (timeRead >= begin) && (timeRead <= end);
//符合条件的消息的 物理偏移量 添加到结果集中
if (keyHash == keyHashRead && timeMatched) {
phyOffsets.add(phyOffsetRead);
}
//如果槽位冲突的上一个key的index信息不合法，则直接跳过，否则处理冲突的key
if (prevIndexRead <= invalidIndex
|| prevIndexRead > this.indexHeader.getIndexCount()
|| prevIndexRead == nextIndexToRead || timeRead < begin) {
break;
}
nextIndexToRead = prevIndexRead;
}
}
} catch (Exception e) {
log.error("selectPhyOffset exception ", e);
} finally {
if (fileLock != null) {
try {
fileLock.release();
} catch (IOException e) {
log.error("Failed to release the lock", e);
}
}
this.mappedFile.release();
}
}
}
操作IndexFile文件集合的IndexService
IndexService是对多个IndexFile类的一种封装。也是IndexFile文件最外层的操作类。这个类的很多方法和CommitLog文件相关的CommitLog类以及ConsumeQueue文件相关的ConsumeQueue类相似。可以看看前面的两篇文章，分别分析这两个类：
这里对于文件的加载，创建和删除逻辑就不进行分析，主要看创建消息的索引的方法，和根据消息以及时间范围查询消息集合的方法
字段属性
IndexService中的字段，主要是设置单个IndexFile文件中的hash槽和index链表长度相关的
//尝试创建IndexFile的最大次数
private static final int MAX_TRY_IDX_CREATE = 3;
//消息存储的操作类
private final DefaultMessageStore defaultMessageStore;
//hash槽合数
private final int hashSlotNum;
//index索引链表个数
private final int indexNum;
//存储的路径
private final String storePath;
//IndexFile的集合
private final ArrayList<IndexFile> indexFileList = new ArrayList<IndexFile>();
//读写锁
private final ReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock();
内部方法
构造方法
public IndexService(final DefaultMessageStore store) {
this.defaultMessageStore = store;
//获取默认构建的索引个数 默认是的 500w个
this.hashSlotNum = store.getMessageStoreConfig().getMaxHashSlotNum();
//设置索引的个数 默认是 5000000 * 4 也就是2000w个
this.indexNum = store.getMessageStoreConfig().getMaxIndexNum();
//存储的路径
this.storePath =
StorePathConfigHelper.getStorePathIndex(store.getMessageStoreConfig().getStorePathRootDir());
}
这里两个参数都是可以通过配置来设置
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| maxHashSlotNum | IndexFile的hash槽数量，默认500w |
| maxIndexNum | IndexFile的index链长度，默认2000w |
创建消息索引和保存的buildIndex
buildIndex方法的逻辑比较简单。就是根据请求的中的消息的key和topic来构建存储的key结构。然后调用IndexFile类中的方法。其中对于事务消息的回滚类型的消息不进行记录。
public void buildIndex(DispatchRequest req) {
//尝试获取和创建 IndexFile 最大尝试次数为3 次
IndexFile indexFile = retryGetAndCreateIndexFile();
if (indexFile != null) {
long endPhyOffset = indexFile.getEndPhyOffset();
DispatchRequest msg = req;
//获取消息转存请求中消息的 topic 和 key
String topic = msg.getTopic();
String keys = msg.getKeys();
//如果消息的CommitLog的物理偏移量 < IndexFile记录的最后一个消息物理结束偏移量，则表示消息已经记录了
if (msg.getCommitLogOffset() < endPhyOffset) {
return;
}
//获取消息的类型，如果是事务消息的回滚类型的消息，则直接返回，不进行记录
final int tranType = MessageSysFlag.getTransactionValue(msg.getSysFlag());
switch (tranType) {
case MessageSysFlag.TRANSACTION_NOT_TYPE:
case MessageSysFlag.TRANSACTION_PREPARED_TYPE:
case MessageSysFlag.TRANSACTION_COMMIT_TYPE:
break;
case MessageSysFlag.TRANSACTION_ROLLBACK_TYPE:
return;
}
if (req.getUniqKey() != null) {
//保存对应的key的 ， key的格式为 topic + "#" + key
indexFile = putKey(indexFile, msg, buildKey(topic, req.getUniqKey()));
if (indexFile == null) {
log.error("putKey error commitlog {} uniqkey {}", req.getCommitLogOffset(), req.getUniqKey());
return;
}
}
if (keys != null && keys.length() > 0) {
String[] keyset = keys.split(MessageConst.KEY_SEPARATOR);
for (int i = 0; i < keyset.length; i++) {
String key = keyset[i];
if (key.length() > 0) {
indexFile = putKey(indexFile, msg, buildKey(topic, key));
if (indexFile == null) {
log.error("putKey error commitlog {} uniqkey {}", req.getCommitLogOffset(), req.getUniqKey());
return;
}
}
}
}
} else {
log.error("build index error, stop building index");
}
}
根据消息以及时间范围查询消息集合的queryOffset
queryOffset方法也比较简单，先根据传入的落盘时间区间段，获取合适的IndexFile文件，然后调用IndexFile类从文件中根据消息的key和topic获取消息的物理偏移量集合
public QueryOffsetResult queryOffset(String topic, String key, int maxNum, long begin, long end) {
List<Long> phyOffsets = new ArrayList<Long>(maxNum);
long indexLastUpdateTimestamp = 0;
long indexLastUpdatePhyoffset = 0;
//比较此次要获取的 最大数量 和 配置的 maxMsgsNumBatch 参数。 取最大值
maxNum = Math.min(maxNum, this.defaultMessageStore.getMessageStoreConfig().getMaxMsgsNumBatch());
try {
this.readWriteLock.readLock().lock();
//indexFile 不为空 则迭代indexFile 集合
if (!this.indexFileList.isEmpty()) {
for (int i = this.indexFileList.size(); i > 0; i--) {
// 获取IndexFile
IndexFile f = this.indexFileList.get(i - 1);
boolean lastFile = i == this.indexFileList.size();
//如果是最后一个IndexFile，则记录对应的 最后记录时间 和 最大偏移量
if (lastFile) {
indexLastUpdateTimestamp = f.getEndTimestamp();
indexLastUpdatePhyoffset = f.getEndPhyOffset();
}
/**
* 检查时间是不是符合 ，
* 1. 开始时间和结束 时间在 IndexFile 头文件记录的beginTimestamp 和endTimestamp 中
* 2. 开始时间 在 beginTimestamp 和endTimestamp 中
* 3. 结束时间 在 beginTimestamp 和endTimestamp 中
*/
if (f.isTimeMatched(begin, end)) {
//获取符合条件的key的物理偏移量
f.selectPhyOffset(phyOffsets, buildKey(topic, key), maxNum, begin, end, lastFile);
}
if (f.getBeginTimestamp() < begin) {
break;
}
if (phyOffsets.size() >= maxNum) {
break;
}
}
}
} catch (Exception e) {
log.error("queryMsg exception", e);
} finally {
this.readWriteLock.readLock().unlock();
}
return new QueryOffsetResult(phyOffsets, indexLastUpdateTimestamp, indexLastUpdatePhyoffset);
}
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