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TDengine 存储引擎剖析：数据文件与索引设计（一）

news 来源：原创 2025/8/18 20:19:24

TDengine 存储引擎简介

在物联网、工业互联网等快速发展的今天，时间序列数据呈爆发式增长。这些数据具有产生频率高、依赖采集时间、测点多信息量大等特点，对数据存储和处理提出了极高要求。TDengine 作为一款高性能、分布式、支持 SQL 的时序数据库，应运而生，在众多领域得到了广泛应用。其卓越的性能很大程度上得益于精心设计的存储引擎，该存储引擎针对时序数据的特性进行了深度优化，能够高效地处理海量时间序列数据的存储与查询，为相关应用提供了强大的数据支持。

TDengine 数据文件设计

数据文件结构剖析

TDengine 的数据文件采用了独特的四位一体的文件组结构，这种设计是其高效存储和快速查询的关键。每个文件组包含 .data、.last（在 3.0 版本中已更名为 .stt 文件）、.head 和 .sma 这四类文件，它们各自承担着不同的职责，相互协作，共同完成数据的存储与管理。

.data 文件是核心的数据存储文件，它以列存储的方式存放实际的时序数据。这些数据被划分为多个数据块，每个数据块仅属于一张表，这使得数据的存储和读取更加高效。例如，在一个物联网场景中，众多传感器产生的数据会分别存储在各自对应的表的数据块中，这样在查询某个传感器的数据时，可以直接定位到相应的数据块，减少了数据扫描的范围。同时，每个数据块还记录着预计算中的行数数据，也就是预计算中的 count 函数计算结果，这为一些统计查询提供了便利。

.stt 文件（3.0 前为 .last 文件）主要用于保存每一张表从内存落盘到磁盘时的碎片数据，即小于 minrows 的数据。在 2.x 版本中，.last 文件存在一些局限性，比如当文件小于 32k 时，即便其中某表的碎片数据已满足行数要求可合并到 .data 文件，.last 文件也只是追加写入，不会清理这部分数据。而在 3.0 版本中，.stt 文件有了改进，属于同一个超级表的数据会存储在同一个数据块中，且数据块中的数据按照（uid（表的唯一标识）, timestamp, version）递增排列。每次落盘，数据文件组都会生成一个新的 stt 文件，用来存放本次落盘中的散碎数据。当 .stt 文件个数超过一定的阈值（由建库参数 stt_trigger 控制），则首先将多个 .stt 文件的碎片数据合并后，再根据实际情况决定写入 .data 文件，或写入新的 .stt 文件中。这一改进有效减少了文件碎片化对性能的影响。

.head 文件存储着 .data 文件中数据块的索引信息。在查询时，系统会先加载 .head 文件中的索引信息，通过这些索引可以快速定位到 .data 文件中对应的时序数据，从而返回给用户。BRIN 索引（Block Range Index）在其中发挥了重要作用，它适用于具有天然顺序的数据集，由于不需要再做排序，资源耗费少，非常契合时序数据的查询特点。例如，当查询某个时间段内的数据时，.head 文件中的索引可以帮助系统迅速确定包含该时间段数据的数据块在 .data 文件中的位置，大大提高了查询效率。但需要注意的是，.head 文件的大小会影响查询性能，maxrows 和 minrows 以及 duration 等参数都会对其大小产生影响。比如，同样 1000 行数据，maxrows = 200 需要 5 个数据块，maxrows 为 1000 时只需要 1 块，而每个数据块都需要一条索引信息存储在 .head 文件中；duration 越大，单个数据文件存储的数据量越大，数据块越多，.head 文件也会越大。在实际应用中，曾出现过因 duration 参数设置为 1000 多天，导致数据查询性能严重下降的情况。

.sma 文件存储着数据块中每列数据的预计算数据。预计算的目的是为了加速查询，尽可能避免从硬盘中读取原始数据。.sma 文件相当于 2.x 后期版本中的 smad 文件，而 smal 文件在 3.0 版本中被移除。通过预计算，在进行一些聚合查询时，如 sum、max、min 等操作，可以直接从 .sma 文件中获取结果，而无需读取大量的原始数据，从而提高了查询速度。

为了更直观地理解，以下是 TDengine 数据文件结构的示意图：

数据写入流程与分区策略

TDengine 的数据写入流程涉及从内存到硬盘的多个步骤，并且采用了基于建库参数 duration(days) 的数据分区策略，这对数据管理和查询有着重要影响。

当数据到达 TDengine 时，首先会被写入内存中的 Vnode Buffer。在这个阶段，数据会按照表进行组织，并在内存中以跳表（skiplist）结构进行索引，以便快速定位和处理。同时，为了保证数据的持久性和一致性，数据也会被写入预写式日志（WAL，Write-Ahead Log）中。WAL 记录了数据到达数据库的顺序，在系统出现故障时，可以通过 WAL 进行数据恢复，确保数据不丢失。

当内存中的数据量达到一定阈值或者满足特定的时间条件时，数据会触发落盘操作，从内存写入硬盘的数据文件中。在落盘过程中，数据会根据建库时设置的 duration(days) 参数进行分区。假设某库 duration 设置为 10 日，那么从 1970 年 1 月 1 日 0 时起，每隔 10 天就会划分一个数据文件组。写入的数据时间戳归属于哪个时间范围，便会写入哪个数据文件组中，即每个数据文件组中都包含了固定时间范围内的数据。例如，2024 年 1 月 1 日到 1 月 10 日的数据会被写入一个数据文件组，1 月 11 日到 1 月 20 日的数据会被写入另一个数据文件组。这种分区策略使得数据的管理更加有序，在进行数据查询和删除时，可以快速定位到相应的数据文件组，提高了操作效率。比如，当需要查询 2024 年 1 月 5 日的数据时，系统可以直接定位到包含 1 月 1 日到 1 月 10 日数据的数据文件组，而无需遍历整个数据库。

在数据写入硬盘的数据文件时，会按照 .data 文件的结构要求，将数据划分为数据块进行存储。每个数据块只属于一张表，并且会记录相关的预计算信息。同时，如果存在小于 minrows 的碎片数据，会被写入 .stt 文件中，等待后续的合并和处理。

乱序数据处理机制

在时序数据库场景下，乱序数据是指时间戳不按照递增顺序到达数据库的数据。虽然在理想情况下，数据应该按照时间顺序依次到达，但在实际应用中，由于各种原因，如设备损坏断电、网络异常、数据补录等，乱序数据的出现是不可避免的。TDengine 针对乱序数据进行了专门的处理，以保证数据存储时的顺序性和查询性能。

TDengine 将乱序数据分为两类：内存乱序数据和硬盘乱序数据。内存乱序数据是指在同一张表的范畴内，时间戳与内存数据的时间范围相交的数据。对于这类乱序数据，TDengine 会在内存中通过为每张表建立一个跳表结构做好排序。例如，创建某表后，先写入了从 1970 年到 2023 年的一小批数据（由于数据量较少不足以触发落盘），当再写入一条 1998 年时间戳的乱序数据时，跳表会对其进行排序，使得数据在内存中以 “1970 - 1998 - 2023” 的顺序有序存在。该排序操作的成本由写入操作承担，但由于内存中保留的只是极少数数据，因此对整体性能影响极小。

硬盘乱序数据是指在同一张表的范畴内，时间戳与硬盘数据的时间范围相交的数据。在硬盘数据写入时，由于 TDengine 通过建库参数 duration(days) 做数据分区，每个数据文件组包含固定时间范围内的数据。当数据落盘时，会根据其时间戳判断所属的数据文件组，并与该数据文件组中已有的数据块的时间范围进行比较，来判断数据是否乱序。例如，假设某表的数据文件组按照 10 天进行分区，当一条数据落盘时，如果其时间戳与当前数据文件组中已有数据块的时间范围没有交集，那么它就是正常数据；如果有交集，则可能是乱序数据。

在 2.0 版本中，如果落盘时的数据和已有数据块时间戳相交，乱序数据会形成一个子块追加在数据文件中，查询时需要把子块的数据读到内存中再做排序。当子块比较多的时候，会影响查询性能。而在 3.0 版本中，经过重新设计，乱序数据和原有数据将会合并重写为新的数据块，以追加的方式写入数据文件中并且重写索引，而旧的数据块则被视为碎片文件。这样一来，处理数据的成本就被转嫁给了落盘操作，对后续的查询基本没有影响。考虑到乱序数据通常是业务上的偶发场景，这种处理方式基本不会造成性能负担。即便是产生了少部分由于乱序带来的碎片数据、无效数据块，也都可以由企业版功能 compact 清除或者重组。

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TDengine 数据文件设计

数据文件结构剖析

数据写入流程与分区策略

乱序数据处理机制

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