RocksDB 与 ZenFS：原理、特性及在科研与工程中的应用初步探索

1、RocksDB 是什么？

RocksDB 是一个高性能的嵌入式键值数据库引擎，由 Facebook 开发，基于 Google 的 LevelDB 改进而来，专为高吞吐量、低延迟的存储场景设计。

是 一个库（library），而不是独立的数据库服务（不像 MySQL）。
被广泛用于日志存储、消息队列、区块链、搜索引擎、分布式存储系统等。
使用 LSM-tree 结构优化写入，支持压缩、多个列族（column families）、事务等高级功能。

📌 总结一句话：

RocksDB 是一个嵌入式的数据库库，不依赖特定文件系统，数据会存储在你当前系统的 ext4、XFS 或 NTFS 等文件系统上；但要使用它，你需要自己安装并在代码中集成它。

2.、ZenFS 是什么？

🔷 ZenFS 是一个为 ZNS SSD 设计的用户态文件系统，专门服务于 RocksDB。

🌟 它的特点如下：

特性	描述
目标设备	只支持 ZNS SSD（Zoned Namespace）设备
部署方式	作为 RocksDB 的文件系统插件（通过 Env 接口）使用
写入模型	严格顺序写入，遵循 ZNS 的 zone 规则
区管理	管理 zone 的打开、关闭、reset、回收等操作
优势	减少写放大、提高顺序写入效率、延长 SSD 寿命

ZenFS 的唯一目标就是为 RocksDB 管理它的数据文件。不是一个通用文件系统！

✳️ 它只管理以下 RocksDB 文件：

SST 文件（主要的数据文件）
WAL 日志文件
Manifest 文件
临时文件 / 压缩中间文件

ZenFS 并不是一个能被操作系统 mount 上的文件系统，比如你不能用 ls /mnt/zenfs 去访问它。它只在 RocksDB 内部"私有使用"。

3、QA1：RocksDB 是一个库，库里自带 ZenFS 吗？

不是，RocksDB 默认不包含 ZenFS。

✳️ 更具体解释如下：

RocksDB 是一个数据库引擎，它是一个 C++ 编写的开源库。
默认情况下，RocksDB 使用的是 操作系统的普通文件系统接口（比如 ext4、XFS、NTFS）。
ZenFS 是一个额外的用户态文件系统插件 ，需要 你单独安装和集成 到 RocksDB 中，RocksDB 并不自带。

🔧 如果要使用 ZenFS：

你需要：

安装 RocksDB（从源码编译或库）
安装 ZenFS（Facebook 开源的插件，也在 GitHub）
把 ZenFS 通过 Env 接口注册到 RocksDB（比如运行时加参数 --env=zenfs）

4、QA2：什么是"嵌入式数据库"？RocksDB 是嵌入到哪里？

🔷 ✅ 不是嵌入到系统，而是嵌入到你的应用程序里！

"嵌入式数据库"指的是：

它不像 MySQL、PostgreSQL 那样是一个独立的服务进程（你要先运行它，然后连接）。
它是一个 库（library），像其他 C++/Java 库一样，你在你的代码中直接调用它的接口。
数据库的生命周期完全由你的应用程序控制，而不是由系统管理

🌰 举个现实例子（工程开发）：

假设你写一个搜索引擎模块：

cpp 复制代码

cpp复制编辑#include <rocksdb/db.h>

int main() {
    rocksdb::DB* db;
    rocksdb::Options options;
    options.create_if_missing = true;

    // 打开一个 RocksDB 数据库（这里路径是 ./mydata）
    rocksdb::Status s = rocksdb::DB::Open(options, "./mydata", &db);

    // 插入数据
    db->Put(rocksdb::WriteOptions(), "key1", "value1");

    // 查询数据
    std::string value;
    db->Get(rocksdb::ReadOptions(), "key1", &value);

    delete db;
    return 0;
}

你可以看到，RocksDB 是通过 #include 方式嵌入到程序里使用的。没有启动服务、没有连接数据库，一切都在你自己的程序里运行！

5、QA3：为什么嵌入式数据库还需要 ZenFS？

默认情况下：

RocksDB 把数据写到 ext4、XFS 这些标准系统文件。
但是这些文件系统不适合顺序写（比如 ZNS SSD 的 Zone Append 要求）。

这时候，ZenFS 就相当于帮 RocksDB 换了一个"文件写入后端"，专门为 ZNS SSD 优化。

6、QA4：现实科研/工程中 RocksDB + ZenFS 是怎么一起用的？

🧪 举个科研例子：你在研究一块新型压缩写 SSD（比如 CCZNS）

你写了一个 ZNS SSD 的压缩增强模型（可能在 QEMU 中模拟，或者用 real ZNS SSD）。
为了测试实际性能，你选用 RocksDB 作为真实工作负载生成器。
你部署 ZenFS 插件，让 RocksDB 可以顺利写入 ZNS SSD。
运行 db_bench，分析压缩写对：
- 写放大（write amplification）
- 吞吐（throughput）
- 延迟（latency）
- zone 使用率
  的影响。

这样你就有一整套上下贯通的实验平台。

✅ 小结：你现在应该清晰看到三层结构

层	角色	现实中是什么
应用层	你的系统模块 / benchmark	调用 RocksDB 接口（嵌入式用法）
存储引擎	RocksDB	嵌入到应用中，调用 ZenFS
文件后端	ZenFS	为 RocksDB 提供 ZNS SSD 顺序写接口
硬件	ZNS SSD / CCZNS SSD	模拟或真实设备

应用层就是你自己写的程序，或者系统中的其他模块，它需要用 RocksDB 来保存和查询数据。

📌 举几个具体的现实例子：

📍 工程场景：

搜索引擎子模块：用 RocksDB 存储索引或缓存（比如 Elasticsearch 中可能使用类似 KV 引擎）。

区块链节点程序：比特币核心（Bitcoin Core）就用 RocksDB 存储链数据。

推荐系统/广告服务：在线系统中用 RocksDB 存储用户画像、点击日志等。

嵌入式设备：比如 IoT 网关、边缘计算设备中使用 RocksDB 存储本地配置、历史数据。

你写的这些程序就叫"应用层"。

📍 科研场景：

你写一个用来评估 CCZNS 的实验驱动程序 ：

比如一个 workload replay 工具。

或者直接用 RocksDB 自带的 benchmark 工具 db_bench。

甚至你写个 Python → C++ 调用 RocksDB 的测试框架，也属于"应用层"。

这些实验程序，也都是应用层，它们负责调用 RocksDB 接口、触发实际存储行为。

✅ 总结一句：

RocksDB 是一个"写程序时直接用的数据库引擎"，你像用字符串库一样把它放到自己系统中，用来保存和读取数据。而 ZenFS 是它的"专属硬盘写入助手"，让 RocksDB 能在 ZNS SSD 上高效工作。

✅ 科研流程图：

复制代码

你写的应用层（比如 db_bench）
          ↓
调用 RocksDB 接口（嵌入式库）
          ↓
使用 ZenFS 作为文件系统插件
          ↓
ZenFS 接口调用 CCZNS 模拟器
（这里模拟 CW / DR）
          ↓
底层 ZNS SSD / 模拟器