Memtable 是一个内存中的数据结构，它用于存储和查找键值对。在 LSM（Log-Structured Merge-tree）存储引擎中，写入操作首先会写入到 Memtable 中。当 Memtable 的大小达到一定阈值时，它会被转换为 SSTable 并刷新到磁盘。

接下来结合 Leveldb 来讲解 Memtable 具体实现细节。

Leveldb 中 Memtable 的组成部分

在 LevelDB 中，Memtable 是一个内存中的数据结构，用于存储和查找键值对。它的主要组成部分包括：

  1. SkipList：SkipList 是 Memtable 的核心数据结构，用于存储键值对。SkipList 是一种可以进行快速查找的有序数据结构。在 LevelDB 中，SkipList 中的每个节点都包含一个键值对。

  2. 内存分配器：LevelDB 的 Memtable 使用一个简单的内存分配器来管理内存。这个分配器会预先分配一大块内存，然后逐渐使用这块内存来存储数据。

  3. 写缓冲区：所有的写操作（包括插入、删除和更新）首先会写入到 Memtable 的写缓冲区中。当写缓冲区满时，数据会被移动到 SkipList 中。

  4. 版本控制信息：LevelDB 的 Memtable 还存储了一些版本控制信息，如每个键的最新版本号。这些信息用于处理并发写入和读取。

  5. 删除标记（Tombstones）：当一个键被删除时，Memtable 会插入一个特殊的键值对，其中键是被删除的键，值是一个特殊的标记，表示该键已被删除。这种键值对被称为 Tombstone。

以上就是 LevelDB 中 Memtable 的主要组成部分。

MemTable 的写入过程

当进行写入操作时，会将键值对添加到 MemTable 中。具体来说，MemTable 的写入过程如下：

  1. 首先，会创建一个内部键，这个内部键由用户键、序列号和值类型组成。序列号是一个递增的整数，用于区分同一个用户键的不同版本。值类型可以是 kTypeValue 或 kTypeDeletion，表示这是一个插入操作还是删除操作。

  2. 然后，会将内部键和值编码为一个字符串。编码的格式是：内部键长度（varint32）、内部键（char[]）、值长度（varint32）、值（char[]）。这个编码后的字符串就是要插入到 MemTable 中的键值对。

  3. 接着，会从 MemTable 的内存池中分配一块内存，用于存储编码后的键值对。

  4. 最后，会将编码后的键值对插入到 MemTable 的跳表中。跳表是一个有序的数据结构，可以在对数时间内完成查找、插入和删除操作。

以上就是 LevelDB 中 MemTable 的写入过程。

在你选中的 MemTable::Add 函数中，实现了上述的写入过程。首先创建了一个内部键，然后将内部键和值编码为一个字符串，接着从内存池中分配了一块内存，最后将编码后的键值对插入到了跳表中。

MemTable 的读取过程

当进行读取操作时，首先会在 MemTable 中查找键。如果在 MemTable 中找到了键，那么就直接返回对应的值。

具体来说，MemTable 的读取过程如下：

  1. 创建一个 MemTable 的迭代器，并将其定位到要查找的键的位置。这是通过调用 Table::Iterator::Seek 方法实现的。

  2. 检查迭代器是否有效，即是否找到了键。如果迭代器有效，那么就获取当前的键值对。

  3. 解析键值对的格式，获取键和值。键值对的格式是：键长度（varint32）、键（char[]）、标签（uint64）、值长度（varint32）、值（char[]）。

  4. 检查解析出的键是否与要查找的键相同。如果相同，那么就根据标签的类型返回对应的值或者表示键已被删除的状态。

  5. 如果在 MemTable 中没有找到键，那么就返回 false，表示键不存在。

以上就是 LevelDB 中 MemTable 的读取过程。

为什么 MemTable 没有 delete ？

在LSM（Log-structured merge-tree）中，删除操作通常是通过插入一个特殊的键值对来实现的，这个键值对被称为“tombstone”。当我们想要删除一个键时，我们会在MemTable中插入一个带有该键和一个特殊值（如null或特殊标记）的键值对。然后，在读取数据时，如果遇到这个特殊的键值对，我们就知道这个键已经被删除了。

因此，MemTable本身不需要提供一个delete API，因为删除操作可以通过已有的put或add API来实现。这样做的好处是可以简化MemTable的设计，并且可以在读取数据时处理删除操作，这对于LSM的性能优化是有利的。

MemTable 的冻结过程

在 LevelDB 中，MemTable 是一个内存中的数据结构，用于存储写入操作的键值对。当 MemTable 达到一定大小（默认为 4MB）时，它会被转换为一个不可变的（即只读的）MemTable，并开始创建一个新的 MemTable 以接收新的写入操作。这个不可变的 MemTable 会被写入到磁盘，形成一个新的 SSTable 文件。

具体来说，MemTable 的冻结过程如下：

[新的写入] ---> [MemTable] ---> [不可变的 MemTable] ---> [SSTable 文件]

  1. 当有新的写入请求时，会检查当前的 MemTable 是否已经达到了阈值。这是通过调用 MemTable::ApproximateMemoryUsage 方法实现的，该方法会返回 MemTable 当前使用的内存大小。

  2. 如果当前的 MemTable 已经达到了阈值，那么就会将当前的 MemTable 标记为只读，并创建一个新的 MemTable。这是通过调用 DBImpl::MakeRoomForWrite 方法实现的。

  3. 将只读的 MemTable 添加到待写入磁盘的队列中，并唤醒后台线程，将只读的 MemTable 写入到磁盘，形成 SSTable。这是通过调用 DBImpl::WriteLevel0Table 方法实现的。

冻结 MemTable 的好处是可以将写入操作和磁盘 I/O 操作分离，提高写入性能。同时，由于 MemTable 是有序的，所以生成的 SSTable 也是有序的，这对于后续的合并和压缩操作非常有利。

为什么 MemTable 使用跳表？

可以使用其他数据结构作为LSM（Log-Structured Merge-tree）中的MemTable。常见的选择包括哈希表、平衡树（如红黑树）和跳表。

使用跳表作为MemTable的优点包括：

  1. 跳表的插入、删除和查找操作的时间复杂度都是O(log n)，这使得跳表在处理大量数据时具有良好的性能。
  2. 跳表的结构简单，易于实现。它不需要复杂的旋转操作，这使得跳表在实现上比平衡树更简单。
  3. 跳表支持范围查询，这对于某些应用（如数据库）来说是非常重要的。

使用跳表作为MemTable的缺点包括：

  1. 跳表的空间效率较低。每个节点需要存储多个指针，这会占用更多的内存。
  2. 跳表的性能受到随机数生成器的影响。在跳表中，节点的级别是由随机数生成器决定的，如果随机数生成器的性能不佳，可能会影响跳表的性能。

其他的数据结构，如哈希表和平衡树，也有其各自的优点和缺点。例如，哈希表的插入和查找操作的时间复杂度是O(1)，但它不支持范围查询。平衡树支持范围查询，并且空间效率较高，但它的实现比跳表复杂。

如果一个键出现在多个MemTables中应该返回哪个版本？

当我们向LSM中写入数据时，新的数据会被写入最新的MemTable中。当这个MemTable满了，它会被转换为不可变的，并且会创建一个新的MemTable来存储新的写入。这意味着，对于同一个键，它的最新版本总是在最新的MemTable中。

当我们从LSM中读取数据时，我们需要从最新的MemTable开始探测，然后按照从新到旧的顺序探测其他的MemTable。这是因为我们总是想要获取键的最新版本。如果一个键出现在多个MemTables中，我们应该返回在最新的MemTable中找到的版本，因为这是最新的数据。

因此，存储和探测MemTables的顺序对于保证数据的一致性和正确性是非常重要的。

MemTable的内存布局是否高效/是否具有良好的数据局部性？

在 MemTable 中，所有的键值对数据和跳表节点都是通过 Arena 内存分配器来分配内存的。Arena 内存分配器的工作原理是预先分配一大块内存，然后在需要分配内存时，直接从这个预先分配的内存块中切割出所需大小的内存给使用者。这种方式的优点是分配和释放内存的速度非常快，因为实际上并没有进行系统级别的内存分配和释放操作。

另外，由于 Arena 分配器是连续分配内存的，因此在 MemTable 中的数据在内存中的布局也是连续的。这种连续的内存布局可以提高 CPU 缓存的命中率，因为连续的内存区域有更大的可能性被一次性加载到 CPU 缓存中，这被称为空间局部性。因此，MemTable 的内存布局是高效的，并且具有良好的数据局部性。

然而，需要注意的是，虽然 Arena 分配器可以提供快速的内存分配和良好的数据局部性，但是它也有一些缺点。例如，一旦内存被分配出去，就不能再被回收和重新分配给其他对象。因此，Arena 分配器更适合于生命周期明确，且不需要动态增长或缩小的内存分配场景。

冻结MemTable后，是否可能有一些线程仍然持有旧的LSM状态并写入这些不可变的MemTables？

在 LevelDB 中，当 MemTable 被冻结（转变为不可变状态）后，新的写入操作将不会再被添加到这个 MemTable 中，而是会被添加到一个新的 MemTable 中。这是通过在写入操作时获取写入锁来实现的，这样可以确保在转变 MemTable 状态的过程中不会有新的写入操作。

然而，可能会有一些线程在 MemTable 被冻结之前已经开始了写入操作，并且这些写入操作可能会在 MemTable 被冻结后才完成。为了处理这种情况，LevelDB 使用了引用计数机制。每当一个线程开始写入操作时，它会增加 MemTable 的引用计数。当写入操作完成后，线程会减少 MemTable 的引用计数。只有当 MemTable 的引用计数降至零时，MemTable 才会被真正地删除。

因此，即使 MemTable 被冻结，只要还有线程持有对它的引用，它就不会被删除。这样可以确保所有已经开始的写入操作都能正确地完成。