Mongo进阶 - WT引擎：checkpoint原理
Mongo进阶 - WT引擎：checkpoint原理
Checkpoint主要有两个目的: 一是将内存里面发生修改的数据写到数据文件进行持久化保存，确保数据一致性；二是实现数据库在某个时刻意外发生故障，再次启动时，缩短数据库的恢复时间，WiredTiger存储引擎中的Checkpoint模块就是来实现这个功能的。@pdai
为什么要理解Checkpoint
总的来说，Checkpoint主要有两个目的：
- 一是将内存里面发生修改的数据写到数据文件进行持久化保存，确保数据一致性；
- 二是实现数据库在某个时刻意外发生故障，再次启动时，缩短数据库的恢复时间，WiredTiger存储引擎中的Checkpoint模块就是来实现这个功能的。
Checkpoint包含的关键信息
本质上来说，Checkpoint相当于一个日志，记录了上次Checkpoint后相关数据文件的变化。
一个Checkpoint包含关键信息如下图所示：
每个checkpoint包含一个root page、三个指向磁盘具体位置上pages的列表以及磁盘上文件的大小。
我们可以通过WiredTiger提供的wt命令工具（工具需要单独编译，下一篇会讲解如何编译安装wt工具）查看每个checkpoints具体信息。
例如，在dbPath指定的data目录下执行如下命令：
wt list -c
输出集合对应数据文件和索引文件的checkpoints信息：
如数据文件file:collection-7-16963667508695721.wt的checkpoint信息：
WiredTigerCheckpoint.1:Sat Apr 11 08:35:59 2020 (size 8 KB)
file-size: 16 KB, checkpoint-size: 4 KB
offset, size, checksum
root : 8192, 4096, 3824871989 (0xe3faea35)
alloc : 12288, 4096, 4074814944 (0xf2e0bde0)
discard : 0, 0, 0 (0)
avail : 0, 0, 0 (0)
如索引文件file:index-8-16963667508695721.wt的checkpoint信息：
WiredTigerCheckpoint.1:Sat Apr 11 08:35:59 2020 (size 8 KB)
file-size: 16 KB, checkpoint-size: 4 KB
offset, size, checksum
root : 8192, 4096, 997122142 (0x3b6ee05e)
alloc : 12288, 4096, 4074814944 (0xf2e0bde0)
discard : 0, 0, 0 (0)
avail : 0, 0, 0 (0)
详细字段信息描述如下：
- root page：
包含rootpage的大小（size），在文件中的位置（offset），校验和（checksum），创建一个checkpoint时，会生成一个新root page。
- allocated list pages：
用于记录最后一次checkpoint之后，在这次checkpoint执行时，由WiredTiger块管理器新分配的pages，会记录每个新分配page的size，offset和checksum。
- discarded list pages：
用于记录最后一次checkpoint之后，在这次checkpoint执行时，丢弃的不在使用的pages，会记录每个丢弃page的size，offset和checksum。
- available list pages：
在这次checkpoint执行时，所有由WiredTiger块管理器分配但还没有被使用的pages；当删除一个之前创建的checkpoint时，它所附带的可用pages将合并到最新的这个checkpoint的可用列表上，也会记录每个可用page的size，offset和checksum。
- file size： 在这次checkpoint执行后，磁盘上数据文件的大小。
Checkpoint执行的完整流程
Checkpoint是数据库中一个比较耗资源的操作，何时触发执行以及以什么样的流程执行是本节要研究的内容，如下所述：
执行流程：
一个checkpoint典型执行流程如下图所述：
流程描述如下：
查询集合数据时，会打开集合对应的数据文件并读取其最新checkpoint数据；
集合文件会按checkponit信息指定的大小（file size）被truncate掉，所以系统发生意外故障，恢复时可能会丢失checkponit之后的数据（如果没有开启Journal）；
在内存构造一棵包含root page的live tree，表示这是当前可以修改的checkpoint结构，用来跟踪后面写操作引起的文件变化；其它历史的checkpoint信息只能读，可以被删除；
内存里面的page随着增删改查被修改后，写入并需分配新的磁盘page时，将会从livetree中的available列表中选取可用的page供其使用。随后，这个新的page被加入到checkpoint的allocated列表中；
如果一个checkpoint被删除时，它所包含的allocated和discarded两个列表信息将被合并到最新checkpoint的对应列表上；任何不再需要的磁盘pages，也会将其引用添加到live tree的available列表中；
当新的checkpoint生成时，会重新刷新其allocated、available、discard三个列表中的信息，并计算此时集合文件的大小以及rootpage的位置、大小、checksum等信息，将这些信息作checkpoint元信息写入文件；
生成的checkpoint默认名称为WiredTigerCheckpoint，如果不明确指定其它名称，则新check point将自动取代上一次生成的checkpoint。
Checkpoint执行的触发时机
触发checkpoint执行，通常有如下几种情况：
- 按一定时间周期：默认60s，执行一次checkpoint；
- 按一定日志文件大小：当Journal日志文件大小达到2GB（如果已开启），执行一次checkpoint；
- 任何打开的数据文件被修改，关闭时将自动执行一次checkpoint。
注意：checkpoint是一个相当重量级的操作，当对集合文件执行checkpoint时，会在文件上获得一个排它锁，其它需要等待此锁的操作，可能会出现EBUSY的错误。
参考文章
作者：郭远威
MongoDB中文社区委员，长沙分会主席;《大数据存储MongoDB实战指南》作者资深大数据架构师，通信行业业务架构与数据迁移专家