### 高性能消息数据存储引擎的设计解析
#### 一、背景与需求分析
在现代互联网技术背景下，即时通讯（Instant Messaging, IM）已成为人们日常沟通不可或缺的一部分。随着用户数量的不断增长，对消息数据处理的需求也越来越高。融云作为一家在即时通讯领域处于领先地位的企业，其首席架构师李淼分享了关于高性能消息数据存储引擎的设计思路，以及在不同发展阶段所采用的技术方案。
#### 二、即时通讯消息存储的特点
即时通讯消息存储与其他类型的数据存储相比，具有以下显著特点：
1. **时间顺序排序**：消息通常按照发送的时间顺序进行排序，以便于用户的阅读体验。
2. **时效性与定期淘汰**：消息数据往往具有一定的生命周期，超过一定期限后将被删除或归档，以释放存储空间。
3. **高并发写入**：由于大量用户同时在线发送消息，导致写入操作的并发量非常高。
4. **写读比**：在即时通讯场景下，写入操作远多于读取操作，一般比例为5:1左右。
#### 三、融云消息存储发展历程
1. **原型验证阶段 - MySQL**：最初阶段采用MySQL作为消息存储方案，主要用于验证基础功能和技术可行性。
2. **正式阶段一 - Redis**：随着用户规模的增长，MySQL逐渐显现出性能瓶颈，因此转向使用Redis来提高性能。
3. **正式阶段二 - LevelDB**：为了解决Redis在某些特定场景下的不足，尝试使用LevelDB作为替代方案。
4. **正式阶段三 - Redis**：经过一系列实验和评估之后，最终还是选择了Redis作为主要的消息存储引擎，并针对其进行了深度定制和优化。
#### 四、自研存储的原因
融云选择自研消息数据存储引擎的主要原因包括：
1. **满足复杂业务逻辑**：现有的商业或开源存储系统难以完全满足即时通讯领域的特殊需求，特别是对于复杂的数据处理逻辑。
2. **降低成本**：通过自主研发可以更有效地控制硬件资源，从而降低整体运营成本。
3. **简化部署模型**：自研方案能够更好地适应企业内部的技术架构，简化部署流程。
4. **源码可控**：自研存储引擎可以确保核心代码的安全性和可维护性，这对于一个通信云服务提供商至关重要。
#### 五、存储设计要求
高性能消息数据存储引擎的设计需满足以下几点要求：
1. **快速数据淘汰机制**：为了应对消息的时效性问题，需要实现高效的数据淘汰策略。
2. **避免数据合并**：减少不必要的数据合并操作，以提高读写性能。
3. **高性能读写**：保证在高并发环境下仍然能提供稳定的读写速度。
4. **灵活性**：存储引擎应具备良好的扩展性和易用性，便于根据业务需求进行调整。
#### 六、存储逻辑与文件规划
1. **Table**：包括`.data`数据存储文件、`.index`数据索引文件和`.info`table信息文件。
2. **Log**：`.log`日志信息文件用于记录关键的操作信息，便于后续的审计和故障排查。
#### 七、数据写入与查询逻辑
1. **数据写入逻辑**：采用WAL（Write-Ahead Logging）方式，先将数据写入日志文件，再同步到数据存储文件，确保数据的一致性和可靠性。
2. **数据查询逻辑**：通过索引文件快速定位到所需数据的位置，提高查询效率。
#### 八、性能优化措施
1. **内存优化**：
- 重写SkipList算法，减少内存占用。
- 实现内存对象分配器，提高内存利用率。
- LIRS（Least Recently Used with Random Sample）缓存机制，提升缓存命中率。
2. **存储优化**：
- 索引数据前缀压缩。
- 数值数据采用VarInt编码。
- 业务数据采用quicklz压缩算法。
- 数据写入采用双循环Buffer机制。
- 重复数据引用写入，减少实际存储的数据量。
#### 九、性能测试结果
根据测试结果，在配备Intel i7 8550U处理器、16GB内存、4GB JVM、PCIe SSD硬盘的环境下，该存储引擎表现出了优异的性能指标。例如，在写入1亿条数据时，平均耗时约为152秒，平均写入速率达到每秒657,778条；在读取1亿条数据时，平均耗时约32秒，平均读取速率达到每秒311,187条。
#### 十、服务端架构特点
1. **无数据迁移扩容**：支持水平扩展而无需进行数据迁移。
2. **自动主从切换**：保障系统的高可用性。
3. **异步长连接客户端**：提高与客户端之间的交互效率。
4. **多协议适配**：支持MQTT、Websocket、HTTP2等多种通信协议，满足不同应用场景的需求。
#### 十一、总结与展望
通过对高性能消息数据存储引擎的设计解析，我们可以看到融云在即时通讯领域所做的深入探索和技术积累。未来两个月内，该存储引擎计划进行开源，这将有助于整个行业的发展和技术进步。对于其他即时通讯服务商来说，这些经验和成果也将提供宝贵的参考价值。
