在上一篇中，介绍了etcd底层存储的内容，包括wal、raft.MemoryStorage以及backend。在介绍backend时提到了backend只是etcd kv存储的一部分，负责持久化存储，backend加内存化treeIndex才构成etcd完整的支持mvcc的kv存储。所以这篇就来介绍etcd mvcc的实现。

整体架构

在看mvcc的具体实现之前，我们先从整体上介绍mvcc。

etcd维护了一个全局递增的版本号，每次变更都会产生新的版本号(版本号实际是main_sub的格式，会在kvstore部分详细介绍)。同时，etcd在内存中维护key => 版本号之间的映射关系，而持久化存储Backend中存储的是版本号 => value之间的映射关系。

查询时，首先根据key在查询到版本号，然后再根据版本号去backend中查询value；增加或者修改时，先在内存中增加key和版本号之间的映射，再将版本号和value存储至backend。

整体架构图如下。index模块在内存中维护了key => 版本号的映射。backend模块是kv存储，负责存储版本号 => value，前面已经详细介绍过。KV在index和backend上封装了支持mvcc的kv存储，其支持读写事务。

index

etcd使用了google开源的B树(btree package)在内存中维护了key和相应版本之间的关系。

treeIndex的结构如下，其使用泛型的B树来维护key和版本之间的关系。B树传入的类型为keyIndex，可以认为其是一个key为etcd key，value为key index的B树。

type treeIndex struct {
   sync.RWMutex
   tree *btree.BTreeG[*keyIndex] //泛型实现
   lg   *zap.Logger
}

keyIndex

key index是etcd中记录版本信息的数据结构，其结构如下。key是etcd的key，用来构建B树；modified表示最近一次修改的版本号；generations中记录着该key的修改历史。

type keyIndex struct {
   key         []byte
   modified    revision // the main rev of the last modification
   generations []generation
}

etcd使用revision表示版本，revision有两个字段。main表示事务操作的主版本号，同一事务中发生变更的key共享同一main版本号，sub表示同一事务中发生变更的次数。

// A revision indicates modification of the key-value space.
// The set of changes that share same main revision changes the key-value space atomically.
type revision struct {
   // main is the main revision of a set of changes that happen atomically.
   main int64

   // sub is the sub revision of a change in a set of changes that happen
   // atomically. Each change has different increasing sub revision in that
   // set.
   sub int64
}

etcd中使用generations来记录历史修改数据，其是由generation组成的数组。generation是代的意思，一个key从创建到删除是一个generation，generation记录key从创建到删除中间所有变更的版本信息。当key被删除后再次被操作，会创建新的generation来记录版本信息。

type generation struct {
   ver     int64
   created revision // when the generation is created (put in first revision).
   revs    []revision
}

在此基础上，keyIndex提供了一系列增删查的方法，包括追加版本、基于版本的压缩、基于版本的匹配查询等，都很简单，不一一描述。这里提一下tombstone方法，当etcd的删除key时，会显式调用相应keyIndex的tombstone方法，结束当前generation并开启新的空generation。

func (ki *keyIndex) tombstone(lg *zap.Logger, main int64, sub int64) error {
   if ki.isEmpty() {
      lg.Panic(
         "'tombstone' got an unexpected empty keyIndex",
         zap.String("key", string(ki.key)),
      )
   }
   if ki.generations[len(ki.generations)-1].isEmpty() {
      return ErrRevisionNotFound
   }
   ki.put(lg, main, sub)
   ki.generations = append(ki.generations, generation{})
   keysGauge.Dec()
   return nil
}

treeIndex

理解了keyIndex，再回过头来看index。index的接口定义如下，可以看到index提供了一系列基于key和rev的增删查方法。key的部分由B树来实现，rev的部分由keyIndex来实现。也就是说treeIndex就是在B树上面做了一层封装，封装的内容就是对B树的值keyIndex的操作。

type index interface {
   Get(key []byte, atRev int64) (rev, created revision, ver int64, err error)
   Range(key, end []byte, atRev int64) ([][]byte, []revision)
   Revisions(key, end []byte, atRev int64, limit int) ([]revision, int)
   CountRevisions(key, end []byte, atRev int64) int
   Put(key []byte, rev revision)
   Tombstone(key []byte, rev revision) error
   Compact(rev int64) map[revision]struct{}
   Keep(rev int64) map[revision]struct{}
   Equal(b index) bool

   Insert(ki *keyIndex)
   KeyIndex(ki *keyIndex) *keyIndex
}

kvstore

kvstore是真正意义的支持mvcc的kv存储。store的结构体如下。

ReadView及WriteView是抽象出的读写方法。mu读写锁，但该读写锁并非用来做读写事务的并发保护，而且是将事务操作和非事务操作隔离。

backend以及index构建kv存储的两大部分。currentRev是全局递增的版本号，已经保护该版本号的revMu。

另外还有一些压缩相关的内容，我们先略过，暂时只关心读写相关的内容。

type store struct {
   ReadView
   WriteView

   cfg StoreConfig

   // mu read locks for txns and write locks for non-txn store changes.
   mu sync.RWMutex

   b       backend.Backend
   kvindex index

   le lease.Lessor

   // revMuLock protects currentRev and compactMainRev.
   // Locked at end of write txn and released after write txn unlock lock.
   // Locked before locking read txn and released after locking.
   revMu sync.RWMutex
   // currentRev is the revision of the last completed transaction.
   currentRev int64
   // compactMainRev is the main revision of the last compaction.
   compactMainRev int64

   fifoSched schedule.Scheduler

   stopc chan struct{}

   lg     *zap.Logger
   hashes HashStorage
}

调用Read方法得到一个读事务storeTxnRead，其是在backend.ReadTx上的封装。创建时需要对store.mu和tx.rwmu分别加锁，解锁需要显式调用End方法。backend.ReadTx的提交是由backend在batchInterval是统一提交。

storeTxnRead同时还提供了读方法(range方法)，比较简单，先根据key查版本号，再根据版本号查value。其通过版本号保证不会读到更新的值。

type storeTxnRead struct {
   s  *store
   tx backend.ReadTx

   firstRev int64
   rev      int64

   trace *traceutil.Trace
}

func (s *store) Read(mode ReadTxMode, trace *traceutil.Trace) TxnRead {
   s.mu.RLock()
   s.revMu.RLock()
   // For read-only workloads, we use shared buffer by copying transaction read buffer
   // for higher concurrency with ongoing blocking writes.
   // For write/write-read transactions, we use the shared buffer
   // rather than duplicating transaction read buffer to avoid transaction overhead.
   var tx backend.ReadTx
   if mode == ConcurrentReadTxMode {
      tx = s.b.ConcurrentReadTx()
   } else {
      tx = s.b.ReadTx()
   }

   tx.RLock() // RLock is no-op. concurrentReadTx does not need to be locked after it is created.
   firstRev, rev := s.compactMainRev, s.currentRev
   s.revMu.RUnlock()
   return newMetricsTxnRead(&storeTxnRead{s, tx, firstRev, rev, trace})
}

func (tr *storeTxnRead) End() {
   tr.tx.RUnlock() // RUnlock signals the end of concurrentReadTx.
   tr.s.mu.RUnlock()
}

调用Write方法得到一个写事务storeTxnWrite，写事务是在读事务及backend.BatchTx的封装。在写事务的range方法中，会使用最新的版本号进行读，所以可以读到最新的修改。写事务结束时，会将全局的版本号递增。

type storeTxnWrite struct {
   storeTxnRead
   tx backend.BatchTx
   // beginRev is the revision where the txn begins; it will write to the next revision.
   beginRev int64
   changes  []mvccpb.KeyValue
}

func (s *store) Write(trace *traceutil.Trace) TxnWrite {
   s.mu.RLock()
   tx := s.b.BatchTx()
   tx.LockInsideApply()
   tw := &storeTxnWrite{
      storeTxnRead: storeTxnRead{s, tx, 0, 0, trace},
      tx:           tx,
      beginRev:     s.currentRev,
      changes:      make([]mvccpb.KeyValue, 0, 4),
   }
   return newMetricsTxnWrite(tw)
}

func (tw *storeTxnWrite) Range(ctx context.Context, key, end []byte, ro RangeOptions) (r *RangeResult, err error) {
   rev := tw.beginRev
   if len(tw.changes) > 0 {
      rev++
   }
   return tw.rangeKeys(ctx, key, end, rev, ro)
}

func (tw *storeTxnWrite) End() {
   // only update index if the txn modifies the mvcc state.
   if len(tw.changes) != 0 {
      // hold revMu lock to prevent new read txns from opening until writeback.
      tw.s.revMu.Lock()
      tw.s.currentRev++
   }
   tw.tx.Unlock()
   if len(tw.changes) != 0 {
      tw.s.revMu.Unlock()
   }
   tw.s.mu.RUnlock()
}

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以上就是etcd mvcc模块的介绍，后续会介绍etcd如何在mvcc的基础上实现事务。