分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是大多數(shù)企業(yè)和絕大多數(shù)應(yīng)用程序不可或缺的一部分。這些應(yīng)用程序提供業(yè)務(wù)邏輯和用戶界面，而數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)則負(fù)責(zé)確保數(shù)據(jù)的完整性、一致性和冗余性。

回到2000年，那時(shí)如果你要選擇一個(gè)數(shù)據(jù)庫，則只有少數(shù)幾個(gè)選項(xiàng)，而且其中大部分都屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，因此它們之間的差異相對較小。當(dāng)然，這并不是說所有數(shù)據(jù)庫都是完全相同的，只是它們的功能和使用場景都非常相似。

其中一些數(shù)據(jù)庫專注于水平擴(kuò)展（scale out），即通過運(yùn)行多個(gè)數(shù)據(jù)庫實(shí)例（表現(xiàn)得像是一個(gè)單一邏輯單元）來提高性能并增加容量，例如：Gamma數(shù)據(jù)庫機(jī)器項(xiàng)目、Teradata、Greenplum、Parallel DB2等。如今，水平擴(kuò)展仍然是客戶期望的最重要的數(shù)據(jù)庫特性之一，云服務(wù)的日益普及詮釋了這一點(diǎn)。相較于將數(shù)據(jù)庫遷移至更大型、功能更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)進(jìn)行垂直擴(kuò)展（scale up），啟動(dòng)一個(gè)新實(shí)例并將其添加到集群中通常要容易得多。因?yàn)檫w移可能會(huì)耗時(shí)冗長且令人痛苦不堪，還可能會(huì)導(dǎo)致停機(jī)。

在2010年左右，一類新型的最終一致性數(shù)據(jù)庫開始逐步涌現(xiàn)，并且一些諸如NoSQL、大數(shù)據(jù)等術(shù)語也日益流行。在過去的15年間，開源社區(qū)、大型互聯(lián)網(wǎng)公司和數(shù)據(jù)庫供應(yīng)商構(gòu)建了眾多的數(shù)據(jù)庫和工具，以至于當(dāng)人們在試圖理解它們的使用場景、細(xì)節(jié)和規(guī)范時(shí)很容易迷失方向。

Amazon團(tuán)隊(duì)于2007年發(fā)布的Dynamo論文[DECANDIA07]對數(shù)據(jù)庫社區(qū)產(chǎn)生了相當(dāng)巨大的影響，在短時(shí)間內(nèi)它便激發(fā)出了許多變體和實(shí)現(xiàn)。其中最突出的是誕生于Facebook的Apache Cassandra、LinkedIn研發(fā)的Voldemort，以及由前Akamai工程師研發(fā)的Riak。

如今，該領(lǐng)域再次發(fā)生了變化：在鍵值存儲(chǔ)、NoSQL和最終一致性數(shù)據(jù)庫之后，我們開始看到一些可擴(kuò)展性更強(qiáng)、性能更高的數(shù)據(jù)庫，它們能夠在保證具有更強(qiáng)一致性的同時(shí)執(zhí)行復(fù)雜的查詢。

本書的受眾

在技術(shù)會(huì)議的交流中，我經(jīng)常聽到同樣的問題：“如何更多地了解有關(guān)數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的原理？我甚至不知道從哪里開始�！标P(guān)于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的大多數(shù)書籍都沒有詳細(xì)介紹存儲(chǔ)引擎的實(shí)現(xiàn)，并且只是在較高的層次上介紹了訪問方法，例如B樹。很少有書籍涵蓋較新的概念，例如不同的B樹變體和日志結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)（log-structured storage），因此我通常建議直接閱讀論文。

但是每個(gè)讀過論文的人都知道這并不容易：時(shí)常缺乏上下文，措辭可能含糊不清，論文之間甚至幾乎根本沒有聯(lián)系，論文本身也不容易找到。本書簡要總結(jié)了重要的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概念，并可以為希望深入研究的人們提供指南，也可以為已經(jīng)熟悉這些概念的人們提供備忘單。

并非每個(gè)人都希望成為數(shù)據(jù)庫開發(fā)者，但是本書也將為使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)構(gòu)建軟件的人員提供幫助，如：軟件開發(fā)者、運(yùn)維工程師、架構(gòu)師和工程技術(shù)經(jīng)理。

如果你的公司依賴于任何基礎(chǔ)架構(gòu)組件，無論是數(shù)據(jù)庫、消息隊(duì)列、容器平臺(tái)還是任務(wù)調(diào)度器，你都必須通過閱讀項(xiàng)目變更日志（change-log）和郵件列表來與社區(qū)保持聯(lián)系、同步項(xiàng)目的最新進(jìn)展。理解術(shù)語并了解其中的工作原理將使你能夠從這些信息來源中獲取更多信息，并可以更高效地使用工具來進(jìn)行故障診斷，識(shí)別和避免潛在的風(fēng)險(xiǎn)與瓶頸。如果系統(tǒng)出現(xiàn)了某些問題，那么對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的工作原理有一個(gè)全面和基本的了解將會(huì)對你有所幫助。利用這些知識(shí)，在面對問題時(shí)，你將有能力提出假設(shè)、進(jìn)行驗(yàn)證、找到根本原因，并將其講解給其他項(xiàng)目成員。

本書也適合那些具備好奇心的人：喜歡學(xué)習(xí)一些不急用的知識(shí)的人，將空閑時(shí)間花在搗鼓一些有趣事情上的人。他們有的自己編寫編譯器，有的編寫自用的操作系統(tǒng)、文本編輯器、電腦游戲，有的學(xué)習(xí)編程語言—他們樂于獲取新知識(shí)。

本書假設(shè)讀者具有一些開發(fā)后端系統(tǒng)和以用戶身份使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，具備一些不同種類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識(shí)將有助于更快地吸收書中的知識(shí)。

為什么應(yīng)該閱讀本書

我們經(jīng)常聽到人們用他們實(shí)現(xiàn)的概念和算法來描述數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：“該數(shù)據(jù)庫使用Gossip來進(jìn)行成員資格的傳播”（參見第12章）、“他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了Dynamo”或“這就像他們在Spanner論文中描述的一樣”（參見第13章）。抑或，如果你正在討論算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么你會(huì)聽到類似于“ZAB和Raft有很多共同點(diǎn)”（參見第14章）、“Bw樹就像是在日志結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的B樹一樣”（參見第6章）或“它們使用的是類似于Blink樹中的同級(jí)指針”（參見第5章）的描述。

我們需要使用抽象來討論復(fù)雜的概念，但是我們不能在每次開啟一場對話時(shí)都討論抽象術(shù)語。以白話的形式來掌握這些抽象概念是一個(gè)捷徑，這能幫助我們將注意力轉(zhuǎn)移到其他更高層次的問題上。

學(xué)習(xí)基本概念、證明和算法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們永不過時(shí)。當(dāng)然，總會(huì)有新的東西出現(xiàn)，但是新算法往往是在發(fā)現(xiàn)經(jīng)典算法的缺陷或改進(jìn)空間之后才被創(chuàng)造出來的。了解歷史有助于更好地理解這些算法之間的差異和它們的發(fā)明動(dòng)機(jī)。

學(xué)習(xí)這些內(nèi)容是鼓舞人心的。你將看到各種各樣的算法，了解我們的工業(yè)界是如何一個(gè)接一個(gè)地解決問題的，并開始欣賞數(shù)據(jù)系統(tǒng)。同時(shí)，學(xué)習(xí)這些是有回報(bào)的：你幾乎可以感覺到多個(gè)拼圖碎片在腦海中移動(dòng)到一起，最終形成一幅完整的圖畫，并且你將總是能夠與他人分享這幅圖畫。

本書的范疇

本書既不是關(guān)于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的書，也不是關(guān)于NoSQL的書，而是關(guān)于在各種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中使用的算法和概念的書，且重點(diǎn)是存儲(chǔ)引擎和負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分布的組件。

諸如查詢計(jì)劃、查詢優(yōu)化、調(diào)度、關(guān)系模型等概念，在一些優(yōu)秀的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)教科書中已均有涉及。這些概念中的一部分通常是從用戶的角度進(jìn)行描述的，而本書則著重于內(nèi)部結(jié)構(gòu)。你可以在第二部分的總結(jié)和每章的小結(jié)中找到一些有用文獻(xiàn)的推薦。這些文獻(xiàn)應(yīng)該能回答很多與數(shù)據(jù)庫相關(guān)的問題。

由于本書中提到的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之間沒有一種通用的查詢語言，所以本書將不討論查詢語言。

為了收集本書的材料，我研究了15本書、300多篇論文、無數(shù)的博客文章、源代碼以及幾個(gè)開源數(shù)據(jù)庫的文檔。對于是否要在書中包含某個(gè)特定概念的原則，我常常會(huì)問自己這樣一個(gè)問題：“數(shù)據(jù)庫工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的人都在談?wù)撨@個(gè)概念嗎？”如果答案是“是”，我便會(huì)將該概念添加到一個(gè)長長的討論清單里。

本書的結(jié)構(gòu)

市面上有一些支持可插拔組件的可擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫的例子（例如[SCHWARZ86]），但它們較為少見。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)庫使用可插拔存儲(chǔ)的例子卻頗多。類似地，我們很少聽到數(shù)據(jù)庫供應(yīng)商談?wù)摬樵兊膱?zhí)行，但他們卻非常熱衷于討論其數(shù)據(jù)庫是如何保證一致性的。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之間最顯著的區(qū)別集中在兩個(gè)方面：如何存儲(chǔ)和分布數(shù)據(jù)（其他子系統(tǒng)有時(shí)也很重要，但這里不作介紹）。本書分為兩部分，討論了負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（第一部分）和數(shù)據(jù)分布（第二部分）的子系統(tǒng)和組件。

第一部分討論節(jié)點(diǎn)本地的進(jìn)程，并關(guān)注存儲(chǔ)引擎，它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心組件以及最重要的一個(gè)特有元素。首先，我們從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的架構(gòu)開始介紹，并提出幾種基于主存介質(zhì)和布局來對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行分類的方法。隨后，我們將介紹存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，并學(xué)習(xí)基于磁盤的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與基于內(nèi)存的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別。然后介紹B樹以及在磁盤上高效維護(hù)B樹結(jié)構(gòu)的算法，包括序列化、頁布局以及磁盤存儲(chǔ)形式。再之后，我們會(huì)討論B樹的一些變體，以說明上述概念的作用以及受B樹所影響和啟發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的多樣性。最后，我們將討論日志結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的幾種變體（它們通常用于實(shí)現(xiàn)文件和存儲(chǔ)系統(tǒng)），并介紹日志結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的起源以及使用它們的原因。

第二部分介紹如何將多個(gè)節(jié)點(diǎn)組織到一個(gè)數(shù)據(jù)庫集群中。我們從構(gòu)建具備容錯(cuò)性的分布式系統(tǒng)理論開始，進(jìn)而討論分布式系統(tǒng)與單節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序有何不同，以及我們在分布式環(huán)境中面臨的問題、約束和復(fù)雜性。之后，我們將深入研究分布式算法。其中，我們從故障檢測算法入手，這些算法通過檢測和報(bào)告故障并排除故障節(jié)點(diǎn)的方式來提高系統(tǒng)整體的性能和穩(wěn)定性。由于本書稍后討論的許多算法都依賴于集群領(lǐng)導(dǎo)權(quán)這個(gè)概念，所以我們將介紹幾種領(lǐng)導(dǎo)者選舉算法，并討論它們的使用范圍。分布式系統(tǒng)中最困難的事情之一就是要保證數(shù)據(jù)一致性，因此我們將討論復(fù)制的概念，緊接著討論一致性模型、副本之間可能存在的差異以及最終一致性。由于最終一致性系統(tǒng)有時(shí)會(huì)依賴于反熵進(jìn)行收斂，并依靠Gossip來進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)，所以我們會(huì)討論幾種反熵和Gossip方法。最后，我們討論數(shù)據(jù)庫事務(wù)上下文中的邏輯一致性，并以共識(shí)算法結(jié)尾。

如果沒有書中提到的這些研究和出版物，我是不可能完成本書的。在本書中，方括號(hào)代表參考文獻(xiàn)的索引，例如[DECANDIA07]。你可以使用這些參考資料來更詳細(xì)地了解有關(guān)概念。

在每章最后的小結(jié)中都包含與該章內(nèi)容相關(guān)的進(jìn)一步研究的材料。

本書約定

本書使用了下述約定。

楷體

表示新術(shù)語。

斜體（Italic）

表示URL、電子郵件地址、文件名和文件擴(kuò)展名。

等寬字體（Constant width）

用于程序清單，以及段落中引用的程序元素，例如變量或函數(shù)名、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)類型、環(huán)境變量、語句和關(guān)鍵詞。

這個(gè)圖標(biāo)表示提示或建議。

這個(gè)圖標(biāo)表示一般性說明。

這個(gè)圖標(biāo)表示警告或提醒。

示例代碼

寫作本書的目的是幫助你完成工作，而書中的示例代碼則是為了幫助你更好地理解本書的內(nèi)容。通常，可以在程序或文檔中使用本書中的代碼，而不需要聯(lián)系O扲eilly獲得許可，除非需要大段地復(fù)制代碼。例如，使用本書中所提供的幾個(gè)代碼片段來編寫一個(gè)程序不需要得到我們的許可，但銷售或發(fā)布O扲eilly的配套CD-ROM則需要獲得許可。引用本書的示例代碼來回答一個(gè)問題也不需要許可，將本書中的示例代碼的很大一部分放到自己的產(chǎn)品文檔中則需要獲得許可。

我們希望（但不強(qiáng)制）讀者在使用本書代碼時(shí)注明出處。出處的形式包含標(biāo)題、作者、出版社和ISBN，例如：

Database Internals，作者Alex Petrov，由O扲eilly出版，書號(hào)978-1-492-04034-7

如果讀者覺得對示例代碼的使用超出了上面所給出的許可范圍，歡迎通過permission@oreilly.com聯(lián)系我們。

O'Reilly在線學(xué)習(xí)平臺(tái)（O'Reilly Online Learning）

近40年來，O'Reilly Media致力于提供技術(shù)和商業(yè)培訓(xùn)、知識(shí)和卓越見解，來幫助眾多公司取得成功。

我們擁有獨(dú)一無二的專家和革新者組成的龐大網(wǎng)絡(luò)，他們通過圖書、文章、會(huì)議和我們的在線學(xué)習(xí)平臺(tái)分享他們的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。O扲eilly的在線學(xué)習(xí)平臺(tái)允許你按需訪問現(xiàn)場培訓(xùn)課程、深入的學(xué)習(xí)路徑、交互式編程環(huán)境，以及O扲eilly和200多家其他出版商提供的大量文本和視頻資源。有關(guān)的更多信息，請?jiān)L問http://oreilly.com。

聯(lián)系方式

對于本書，如果有任何意見或疑問，請按照以下地址聯(lián)系本書出版商。

美國：

O'Reilly Media，Inc.

1005 Gravenstein Highway North

Sebastopol，CA 95472

中國：

北京市西城區(qū)西直門南大街2號(hào)成銘大廈C座807室（100035）

奧萊利技術(shù)咨詢（北京）有限公司

本書配套網(wǎng)站（http://bit.ly/database-internals）列出了勘誤表、示例以及其他信息。

要詢問技術(shù)問題或?qū)Ρ緯�提出建議，請發(fā)送電子郵件至bookquestions@oreilly.com。

關(guān)于書籍、課程、會(huì)議和新聞的更多信息，請?jiān)L問我們的網(wǎng)站：

http://www.oreilly.com

http://www.oreilly.com.cn

我們在Facebook上的地址：http://facebook.com/oreilly

我們在Twitter上的地址：http://twitter.com/oreillymedia

我們在YouTube上的地址：http://www.youtube.com/oreillymedia

致謝

如果沒有數(shù)以百計(jì)的人辛勤撰寫相關(guān)研究論文和書籍，本書就不可能出版。這些論文和書籍是分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)思想的源泉，亦是這些思想的參考物，更是本書的參考來源。

我想對所有審閱本書手稿并提供反饋的人表示謝意，是你們確保了書中內(nèi)容與措辭的正確性：Dmitry Alimov、Peter Alvaro、Carlos Baquero、Jason Brown、Blake Eggleston、Marcus Eriksson、Francisco Fernández Casta、Joel Knighton、Eugene Lazin、Nate McCall、Christopher Meiklejohn、Tyler Neely、Maxim Neverov、Marina Petrova、Stefan Podkowinski、Edward Ribiero、Denis Rytsov、Kir Shatrov、Alex Sorokoumov、Massimiliano Tomassi及Ariel Weisberg。

當(dāng)然，如果沒有家人的支持，本書是不可能完成的，感謝我的妻子Marina和我的女兒Alexandra。這一路走來的每一步，她們都一直在支持我。