时序数据库 Apache-IoTDB 源码解析之文件索引块（五）
上一章聊到 TsFile 的文件组成，以及数据块的详细介绍。详情请见：
时序数据库 Apache-IoTDB 源码解析之文件数据块（四）
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这一章主要想聊聊：
- TsFile索引块的组成
- 索引块的查询过程
- 索引块目前在做的改进项
索引块
索引块由两大部分组成，其写入的方式是从左到右写入，也就是从文件头向文件尾写入。但读出的方式是先读出TsFileMetaData 再读出 TsDeviceMetaDataList 中的具体一部分。我们按照读取数据的顺序介绍：
TsFileMetaData
TsFileMetaData属于文件的 1 级索引，用来索引 Device 是否存在、在哪里等信息，其中主要保存了：
- DeviceMetaDataIndexMap：Map结构，Key 是设备名，Value 是 TsDeviceMetaDataIndex ，保存了包含哪些 Device（逻辑概念上的一个集合一段时间内的数据，例如前几章我们讲到的：张三、李四、王五）以及他们的开始时间及结束时间、在左侧 TsDeviceMetaDataList 文件块中的偏移量等。
- MeasurementSchemaMap：Map结构，Key 是测点的一个全路径，Value 是 measurementSchema ，保存了包含的测点数据(逻辑概念上的某一类数据的集合,如体温数据)的原信息，如：压缩方式，数据类型，编码方式等。
- 最后是一个布隆过滤器，快速检测某一个
时间序列是不是存在于文件内(这里等聊到 server 模块写文件的策略时候再聊)。我们知道这个过滤器的特点就是：没有的一定没有，但有的不一定有。为了保证准确性和过滤器序列化后的大小均衡，这里提供了一个 1% - 10% 错误率的可配置，当为 1% 错误率时，保存 1 万个测点信息，大概是 11.7 K。
我们再回想 SQL ：SELECT 体温 FROM 王五 WHERE time = 1 。读文件的过程就应该是：
- 先用
布隆过滤器判断文件内是否有王五的体温列，如果没有，查找下一个文件。 - 从 DeviceMetaDataIndexMap 中找到
王五的 TsDeviceMetaDataIndex ，从而得到了王五的 TsDeviceMetadata 的 offset，接下来就寻道至这个 offset 把王五的 TsDeviceMetadata 读出来。 - MeasurementSchemaMap 不用关注，主要是给 Spark 使用的，ChunkHeader 中也保存了这些信息。
TsDeviceMetaDataList
TsDeviceMetaDataList 属于文件的 2 级索引，用来索引具体的测点数据是不是存在、在哪里等信息。其中主要保存了：
- ChunkGroupMetaData：ChunkGroup 的索引信息，主要包含了每个 ChunkGroup 数据块的起止位置以及包含的所有的测点元信息（ChunkMetaData）。
- ChunkMetaData ：Chunk 的索引信息，主要包含了每个设备的测点在文件中的起止位置、开始结束时间、数据类型和预聚合信息。
上面的例子中，从 TsFileMetadata 已经拿到了王五的 TsDeviceMetadataIndex，这里就可以直接读出王五的 TsDeviceMetadata，并且遍历里边的 ChunkGroupMetadata 中的 ChunkMetadata，找到体温对应的所有的 ChunkMetadata。通过预聚合信息对时间过滤，判断能否使用当前的 Chunk 或者能否直接使用预聚合信息直接返回数据(等介绍到 server 的查询引擎时候细聊)。
如果不能直接返回，因为 ChunkMetaData 包含了这个 Chunk 对应的文件的偏移量，只需要使用 seek(offSet) 就会跳转到数据块，使用上一章介绍的读取方法进行遍历就完成了整个读取。
预聚合信息（Statistics）
文中多次提到了预聚合在这里详细介绍一下它的数据结构。
// 所属文件块的开始时间
private long startTime;
// 所属文件块的结束时间
private long endTime;
// 所属文件块的数据类型
private TSDataType tsDataType;
// 所属文件块的最小值
private int minValue;
// 所属文件块的最大值
private int maxValue;
// 所属文件块的第一个值
private int firstValue;
// 所属文件块的最后一个值
private int lastValue;
// 所属文件块的所有值的和
private double sumValue;
这个结构主要保存在 ChunkMetaData 和 PageHeader 中，这样做的好处就是，你不必从硬盘中读取具体的Page 或者 Chunk 的文件内容就可以获得最终的结果，例如：SELECT SUM(体温) FROM 王五 ，当定位到 ChunkMetaData 时，判断能否直接使用这个 Statistics 信息（具体怎么判断，之后会在介绍 server 时具体介绍），如果能使用，那么直接返回 sumValue。这样返回的速度，无论存了多少数据，它的聚合结果响应时间简直就是 1 毫秒以内。
样例数据
我们继续使用上一章聊到的示例数据来展示。
| 时间戳 | 人名 | 体温 | 心率 |
|---|---|---|---|
| 1580950800 | 王五 | 36.7 | 100 |
| 1580950911 | 王五 | 36.6 | 90 |
完整的文件信息如下：
POSITION| CONTENT
-------- -------
0| [magic head] TsFile
6| [version number] 000002
// 数据块开始
||||||||||||||||||||| [Chunk Group] of wangwu begins at pos 12, ends at pos 253, version:0, num of Chunks:2
12| [Chunk] of xinlv, numOfPoints:1, time range:[1580950800,1580950800], tsDataType:INT32,
[minValue:100,maxValue:100,firstValue:100,lastValue:100,sumValue:100.0]
| [marker] 1
| [ChunkHeader]
| 1 pages
121| [Chunk] of tiwen, numOfPoints:1, time range:[1580950800,1580950800], tsDataType:FLOAT,
[minValue:36.7,maxValue:36.7,firstValue:36.7,lastValue:36.7,sumValue:36.70000076293945]
| [marker] 1
| [ChunkHeader]
| 1 pages
230| [Chunk Group Footer]
| [marker] 0
| [deviceID] wangwu
| [dataSize] 218
| [num of chunks] 2
||||||||||||||||||||| [Chunk Group] of wangwu ends
// 索引块开始
253| [marker] 2
254| [TsDeviceMetadata] of wangwu, startTime:1580950800, endTime:1580950800
| [startTime] 1580950800
| [endTime] 1580950800
| [ChunkGroupMetaData] of wangwu, startOffset12, endOffset253, version:0, numberOfChunks:2
| [ChunkMetaData] of xinlv, startTime:1580950800, endTime:1580950800, offsetOfChunkHeader:12, dataType:INT32, statistics:[minValue:100,maxValue:100,firstValue:100,lastValue:100,sumValue:100.0]
| [ChunkMetaData] of tiwen, startTime:1580950800, endTime:1580950800, offsetOfChunkHeader:121, dataType:FLOAT, statistics:[minValue:36.7,maxValue:36.7,firstValue:36.7,lastValue:36.7,sumValue:36.70000076293945]
446| [TsFileMetaData]
| [num of devices] 1
| [TsDeviceMetadataIndex] of wangwu, startTime:1580950800, endTime:1580950800, offSet:254, len:192
| [num of measurements] 2
| 2 key&measurementSchema
| [createBy isNotNull] false
| [totalChunkNum] 2
| [invalidChunkNum] 0
//布隆过滤器
| [bloom filter bit vector byte array length] 30
| [bloom filter bit vector byte array]
| [bloom filter number of bits] 256
| [bloom filter number of hash functions] 5
599| [TsFileMetaDataSize] 153
603| [magic tail] TsFile
609| END of TsFile
当执行： SELECT 体温 FROM 王五 时：
- 从
599开始读，1 级索引长度为 153. 599 - 153 = 446就是 1 级索引读开始位置，并读出 TsDeviceMetadataIndex of 王五，其中记录了，王五设备的 2 级索引的 offset 为 254.- 跳到
254开始读 2 级索引，找到 ChunkMetaData of 体温， 其中记录了体温数据的 Chunk 的offset 为121 - 跳到
121，这里进入了数据块，从121读取到230，读出的数据就全部是体温数据。
改进项
1. 只读投影列
前面第 3 步中，读取 2 级索引时候，会将这个设备下的所有测点数据全部读出来，这依然不太符合只读投影列的设计，所以在新的 TsFile 中，修改了 1级索引和 2 级索引的部分结构，使得读出的数据更少，更高效。有兴趣的同学可以关注 PR： Refactor TsFile #736
2. 文件级 Statistics
在物联网场景中经常会涉及到查询某个设备的最后状态，比如：车联网中，查询车辆的末次位置( SELECT LAST(lat,lon) FROM VechicleID )，或者当前的点火、熄火状态等 SELECT LAST(accStatus) FROM VechicleID 。
或者当某些分页查询等情况时候，经常会使用到 COUNT(*) 等操作，这些都非常符合 Statistics 结构，这些场景涉及到的索引设计也都会体现到新的 TsFile 索引改动中。
到此已经介绍完了文件的整体结构，了解了大体的写入和读取过程，但是 TsFile 的 API 是如何设计的，怎样在代码里做一些特殊的功课，来绕过 Java 装箱、GC 等问题呢？欢迎持续关注。。。。
