PART(Persistent Adaptive Radix Tree)的Java实现源码剖析

论文地址

Adaptive Radix Tree: https://db.in.tum.de/~leis/papers/ART.pdf

Persistent Adaptive Radix Tree: https://ankurdave.com/dl/part-tr.pdf

代码地址: https://github.com/ankurdave/part

数据结构

如图所示 为整颗树的大致结构 分为根节点root 普通节点node和叶节点leaf。整个查找过程从根节点开始找到叶节点，例如第一个叶节点的查找过程即为A-N-D，最后找到AND叶节点。有时叶节点也会指向另一个值，这样我们就构成了一个很方便查找的key-value键值对结构。Persistent Adaptive Radix Tree基本是基于Radix tree进行的改动，网上有很多文章阐述Radix Tree，本文不再赘述。

Node4

Node4是PART中最小的一种node结构，可以存储4个子节点指针，通常用于子节点数目为1-4个的node节点。这个结构由key数组和child pointer数组组成，且key的顺序和child pointer的顺序是相应的。查找具体节点的过程可以在key数组中顺序或二分查找，查找到的下标可在child pointer数组中找到查找到的节点的子节点，即

Node findChild(int value){
    for(int i=0;i<4;i++){
        if(key[i] == value) return childPointer[i];
    }
    return null;
}

Node16

Node16存储5-16个子节点，具体细节与Node4基本一致 不再赘述

Node48

Node48开始就有所不同了，可以存储17-48个子节点。其用到长度为256的子索引数组和48的child pointer数组。由于此时包含的子节点过多，线性查找效率低下，于是就采用直接映射的方式。例如当前的要查找的value是123，那么就在child index中取childIndex[123]，其值就是child pointer中的下标，childPointer[childIndex[123]]就是对应的子节点，即

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Node findChild(int value){
    return childPointer[childIndex[value]];
}

由于child index中最大值为48，因此6 bits就足够(有时出于方便使用1byte)相比直接使用256个child pointer(2568=2048)，两者结合(2561+48*8=640)的方式更加节省空间。

Node256

存储49-256个子节点，采用直接映射的方式

Node findChild(int value){
    return childPointer[value];
}

Path Compression和Lazy Expansion

lazy expansion是指内部节点node只有在用来区分两个指向不同叶节点的路径时才会被创建(通俗来讲，含有前缀时)。如图所示，当只有一条路径指向FOO时，那么仅有FOO一个叶节点而没有中间的两个OO；当另一个以F开头的叶节点插入时候，此时就需要拓展出OO来和另一个F开头的叶节点做区分。

path compression是指当只有一个子节点时，移除所有的内部节点node(通常是合并入子节点)。合并带来了前缀，前缀需要在查找叶节点时时进行比较，于是有两种方法解决这个问题：

1. 悲观方法：在每个内部节点上，都存储了一个可变长度（可能为空）的部分key的vector。 它包含所有先前已删除的单一节点的key。 在查找期间，将此vector与搜索关键字value进行比较，然后继续处理下一个子节点。
2. 乐观方法：仅存储先前的单一节点的数量（等于悲观方法中向量的长度）。 查找只是跳过此字节数，而不进行比较。 因此，当查找到达叶子时，必须将其关键字与搜索关键字进行比较，以确保未进行“错误的转弯”。

在 PART 的实现中结合了这两种方法，每个节点存放最多8个字节的前缀，下降会根据前缀长度进行动态切换。

其他特性

为了持久化 还是用了Path Copying 即更新时拷贝待更新节点至根节点之间的路径 返回一个新的变更后的节点。 对于非交集节点还可以使用直接更新的方式加快速度，如图5

为了解决碎片问题和分布过散的问题，本文还提出了池化和删除后压缩的方法。如图6

本文使用了检查点机制Incremental Checkingpointing保证错误恢复。如果一个子树当前时刻与上一个检查点完全一致，就直接refer到上一个检查点而不写出。具体做法是：对当前状态做一个快照，分隔为子树，将每一个子树存为一个不同的文件，将页间指针作为文件标识符。根节点指向每个子树的文件标识符，并且每次的直接更新都会删除文件描述符，这样每个子树都可以保证被更新到最新版本而不会被下一次checkingpointing重复。

源码剖析

项目结构

类图

以下内容请结合代码https://github.com/ankurdave/part看

Node.java

成员变量

static final int MAX_PREFIX_LEN = 8;// 上文提到的copy compression时的最长前缀长度
int refcount;// 被引用数 类比垃圾处理机制的引用计数器

方法

此类是一个抽象类 定义了一些节点应有的属性 具体实现参加具体的节点

Leaf.java

成员变量

public static int count;// 叶子节点数
Object value;// 值
final byte[] key;// 键 注意这里的键是下降查找过程中所有的键 即原始的(k,v)的k

方法

prefix_matches(final byte[] prefix)用于验证前缀是否和该叶节点的key匹配。注意prefix的长度一定不超过key的长度

public boolean prefix_matches(final byte[] prefix) { //prefix是指产生了节点压缩之后的前缀
    if (this.key.length < prefix.length) return false;
    for (int i = 0; i < prefix.length; i++) {
        if (this.key[i] != prefix[i]) {
            return false;
        }
    }
    return true;
}

longest_common_prefix(Leaf other, int depth)比较两个叶节点的最长公共前缀。这里的最长公共前缀并非是从key的0位置算起的，而是从depth(当前节点深度)开始算。该方法的用处是在insert方法中得到一个longest_prefix来将当前的节点分裂成一个ArtNode4，故而所需的前缀只是从当前节点深度对应的key开始算起的。

public int longest_common_prefix(Leaf other, int depth) { // 从depth开始算 最长公共前缀 这里的depth应该是当前下降的深度
    int max_cmp = Math.min(key.length, other.key.length) - depth;
    int idx;
    for (idx = 0; idx < max_cmp; idx++) {
        if (key[depth + idx] != other.key[depth + idx]) {
            return idx;
        }
    }
    return idx;
}

@Override public boolean insert()插入操作

如图，想要把(...FOA,2)插入到树中，插入结果如右边所示。插入有两种情况：

1. key已经存在，那么直接更新叶子节点即可。
2. key不存在。注意到我们实现的是Leaf类的insert 即从根节点下降查找的过程中 下降到最后遇到的是叶子节点。一旦出现这种情况，我们需要记起之前所提到的lazy expansion，因此我们需要获取待插入叶节点和当前叶节点的公共前缀，并将当前叶节点变成内部节点ArtNode4，并将ArtNode4指向当前节点和待插入节点。示例如图：

@Override public boolean insert(ChildPtr ref, final byte[] key, Object value,
                                int depth, boolean force_clone) throws UnsupportedOperationException {
    boolean clone = force_clone || this.refcount > 1;// 即论文中的是 path-copy or in-place update
    if (matches(key)) { // 匹配到存在叶子结点 即更新旧节点
        if (clone) { // path copy
            // Updating an existing value, but need to create a new leaf to
            // reflect the change
            ref.change(new Leaf(key, value));
        } else {// in-place update
            // Updating an existing value, and safe to make the change in
            // place
            this.value = value;
        }
        return false;
    } else { // 插入叶节点
        // New value
        // Create a new leaf
        Leaf l2 = new Leaf(key, value);
        // Determine longest prefix
        int longest_prefix = longest_common_prefix(l2, depth);
        if (depth + longest_prefix >= this.key.length ||
            depth + longest_prefix >= key.length) {
            throw new UnsupportedOperationException("keys cannot be prefixes of other keys");
        }
        // Split the current leaf into a node4
        ArtNode4 result = new ArtNode4();
        result.partial_len = longest_prefix;
        Node ref_old = ref.get(); //旧的指向该叶节点的内部节点
        ref.change_no_decrement(result);// 直接更新
        System.arraycopy(key, depth,
                         result.partial, 0,
                         Math.min(Node.MAX_PREFIX_LEN, longest_prefix));
        // Add the leafs to the new node4
        result.add_child(ref, this.key[depth + longest_prefix], this);
        result.add_child(ref, l2.key[depth + longest_prefix], l2);
        ref_old.decrement_refcount();// 原来的节点由叶节点变成了内部节点 因此原来节点
        // TODO: avoid the increment to self immediately followed by decrement
        return true;
    }
}

ArtNode.java

成员变量

int num_children = 0;
int partial_len = 0;// path compression时的前缀长度
final byte[] partial = new byte[Node.MAX_PREFIX_LEN]; // path compression时的前缀

方法

prefix_mismatch()查找key和当前ArtNode最先不匹配的位置。由于在path compression时候 我们使用了乐观+悲观的方式，因此前缀长度大于我们规定的上限8时，多出来的前缀溢出存储到其子节点中。

public int prefix_mismatch(final byte[] key, int depth) {
    int max_cmp = Math.min(Math.min(Node.MAX_PREFIX_LEN, partial_len), key.length - depth);
    int idx;
    for (idx = 0; idx < max_cmp; idx++) {
        if (partial[idx] != key[depth + idx])
            return idx;
    }
    // If the prefix is short we can avoid finding a leaf
    if (partial_len > Node.MAX_PREFIX_LEN) {
        // Prefix is longer than what we've checked, find a leaf
        final Leaf l = this.minimum();
        max_cmp = Math.min(l.key.length, key.length) - depth;
        for (; idx < max_cmp; idx++) {
            if (l.key[idx + depth] != key[depth + idx])
                return idx;
        }
    }
    return idx;
}

insert(),即下降查找到最后是一个ArtNode时，插入一个叶子节点。

• 如果该ArtNode有前缀，即进行过path compression
  • if不一致发生在前缀长度之后 那么depth增加partial_len，去找叶子节点
  • else 分裂当前节点 生成新节点，令公共前缀为其前缀，公共前缀后一字节作为区分两个 key 的字节，然后将叶子节点和截断公共前缀后的老节点插入到这个新节点中
• 没有前缀或不一致发生在前缀长度之后 如果能获取到子节点 则在子节点中插入；否则 在本节点插入

@Override public boolean insert(ChildPtr ref, final byte[] key, Object value,
                                int depth, boolean force_clone) {
    boolean do_clone = force_clone || this.refcount > 1;
    // Check if given node has a prefix
    if (partial_len > 0) {
        // Determine if the prefixes differ, since we need to split
        int prefix_diff = prefix_mismatch(key, depth);
        if (prefix_diff >= partial_len) {
            depth += partial_len; // 如果不一致的地方在partial后 那么则partial中的全都被匹配上了 去找叶子 depth增加partial_len
        } else {
            // Create a new node
            ArtNode4 result = new ArtNode4();
            Node ref_old = ref.get();
            // ref被一个新节点result共享
            ref.change_no_decrement(result); // don't decrement yet, because doing so might destroy self
            result.partial_len = prefix_diff;
            System.arraycopy(partial, 0,
                             result.partial, 0,
                             Math.min(Node.MAX_PREFIX_LEN, prefix_diff));
            // Adjust the prefix of the old node
            ArtNode this_writable = do_clone ? (ArtNode)this.n_clone() : this;
            if (partial_len <= Node.MAX_PREFIX_LEN) {
                result.add_child(ref, this_writable.partial[prefix_diff], this_writable);
                this_writable.partial_len -= (prefix_diff + 1);
                System.arraycopy(this_writable.partial, prefix_diff + 1,
                                 this_writable.partial, 0,
                                 Math.min(Node.MAX_PREFIX_LEN, this_writable.partial_len));
            } else {
                this_writable.partial_len -= (prefix_diff+1);
                final Leaf l = this.minimum();
                result.add_child(ref, l.key[depth + prefix_diff], this_writable);
                System.arraycopy(l.key, depth + prefix_diff + 1,
                                 this_writable.partial, 0,
                                 Math.min(Node.MAX_PREFIX_LEN, this_writable.partial_len));
            }
            // Insert the new leaf
            Leaf l = new Leaf(key, value);
            result.add_child(ref, key[depth + prefix_diff], l);
            ref_old.decrement_refcount();
            return true;
        }
    }

delete()删除操作

• 如果key在当前node没有匹配 那么不存在节点 退出
  • 深度增加一个前缀长度
• 查找子节点
  • 没找到 错误 退出
  • 删除叶子节点本身 并 remove child

@Override public boolean delete(ChildPtr ref, final byte[] key, int depth,
                                boolean force_clone) {
    // Bail if the prefix does not match
    if (partial_len > 0) {
        int prefix_len = check_prefix(key, depth);
        if (prefix_len != Math.min(MAX_PREFIX_LEN, partial_len)) {
            return false;
        }
        depth += partial_len;
    }
    boolean do_clone = force_clone || this.refcount > 1;
    // Clone self if necessary. Note: this allocation will be wasted if the
    // key does not exist in the child's subtree
    ArtNode this_writable = do_clone ? (ArtNode)this.n_clone() : this;
    // Find child node
    ChildPtr child = this_writable.find_child(key[depth]);
    if (child == null) return false; // when translating to C++, make sure to delete this_writable
    if (do_clone) {
        ref.change(this_writable);
    }
    boolean child_is_leaf = child.get() instanceof Leaf;
    boolean do_delete = child.get().delete(child, key, depth + 1, do_clone);
    if (do_delete && child_is_leaf) {
        // The leaf to delete is our child, so we must remove it
        this_writable.remove_child(ref, key[depth]);
    }
    return do_delete;
}

ArtNode4.java

成员变量

public static int count;// ArtNode4节点数目
byte[] keys = new byte[4];
Node[] children = new Node[4];

方法

add_child()增加一个子节点

• 首先检查子节点数是若没超过4个 则找到key待拆入位置(key是增序的) 然后插入
• 否则变更为ArtNode16再在增加

@Override public void add_child(ChildPtr ref, byte c, Node child) {
    assert(refcount <= 1);
    if (this.num_children < 4) {
        int idx;
        for (idx = 0; idx < this.num_children; idx++) {
            if (to_uint(c) < to_uint(keys[idx])) break;
        }
        // Shift to make room
        System.arraycopy(this.keys, idx, this.keys, idx + 1, this.num_children - idx);
        System.arraycopy(this.children, idx, this.children, idx + 1, this.num_children - idx);
        // Insert element
        this.keys[idx] = c;
        this.children[idx] = child;
        child.refcount++;
        this.num_children++;
    } else {
        // Copy the node4 into a new node16
        ArtNode16 result = new ArtNode16(this);
        // Update the parent pointer to the node16
        ref.change(result);
        // Insert the element into the node16 instead
        result.add_child(ref, c, child);
    }
}

remove_child()移除一个子节点

这里需要注意的时如果移除后，仅剩一个子节点且不为叶子节点，那么就会发生path compression。这里将本节点的唯一一个key移入partial，然后合并到子节点。

@Override public void remove_child(ChildPtr ref, byte c) {
    assert(refcount <= 1);
    int idx;
    for (idx = 0; idx < this.num_children; idx++) {
        if (c == keys[idx]) break;
    }
    if (idx == this.num_children) return;
    assert(children[idx] instanceof Leaf);
    children[idx].decrement_refcount();
    // Shift to fill the hole
    System.arraycopy(this.keys, idx + 1, this.keys, idx, this.num_children - idx - 1);
    System.arraycopy(this.children, idx + 1, this.children, idx, this.num_children - idx - 1);
    this.num_children--;
    // Remove nodes with only a single child
    if (num_children == 1) {
        Node child = children[0];
        if (!(child instanceof Leaf)) {
            if (((ArtNode)child).refcount > 1) {
                child = child.n_clone();
            }
            ArtNode an_child = (ArtNode)child;
            // Concatenate the prefixes
            int prefix = partial_len;
            if (prefix < MAX_PREFIX_LEN) {
                partial[prefix] = keys[0];
                prefix++;
            }
            if (prefix < MAX_PREFIX_LEN) {
                int sub_prefix = Math.min(an_child.partial_len, MAX_PREFIX_LEN - prefix);
                System.arraycopy(an_child.partial, 0, partial, prefix, sub_prefix);
                prefix += sub_prefix;
            }
            // Store the prefix in the child
            System.arraycopy(partial, 0, an_child.partial, 0, Math.min(prefix, MAX_PREFIX_LEN));
            an_child.partial_len += partial_len + 1;
        }
        ref.change(child);
    }
}

对于ArtNode16.java ArtNode48.java和ArtNode256.java，实现方式与ArtNode4.java大致相似，具体差异课参考上一节的数据结构部分来理解。其余文件，均为一些基础性代码，例如迭代器等，非常好理解，此处不再赘述。