armdb 0.1.14

sharded bitcask key-value storage optimized for NVMe
Documentation
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566
567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
577
578
579
580
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590
591
592
593
594
595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630
631
632
633
634
635
636
637
638
639
640
641
642
643
644
645
646
647
648
649
650
651
652
653
654
655
656
657
658
659
660
661
662
663
664
665
666
667
668
669
670
671
672
673
674
675
676
677
678
679
680
681
682
683
684
685
686
687
688
689
690
691
692
693
694
695
696
697
698
699
700
701
702
703
704
705
706
707
708
709
710
711
712
713
714
715
716
717
718
719
720
721
722
723
724
725
726
727
728
729
730
731
732
733
734
735
736
737
738
739
740
741
742
743
744
745
746
747
748
749
750
751
752
753
754
755
756
757
758
759
760
761
762
763
764
765
766
767
768
769
770
771
772
773
774
775
776
777
778
779
780
781
782
783
784
785
786
787
788
789
790
791
792
793
794
795
796
797
798
799
800
801
802
803
804
805
806
807
808
809
810
811
812
813
814
815
816
817
818
819
820
821
822
823
824
825
826
827
828
829
830
831
832
833
834
835
836
837
838
839
840
841
842
843
844
845
846
847
848
849
850
851
852
853
854
855
856
857
858
859
860
861
862
863
864
865
866
867
868
869
870
871
872
873
874
875
876
877
878
879
880
881
882
883
884
885
886
887
888
889
890
891
892
893
894
895
896
897
898
899
900
901
902
903
904
905
906
907
908
909
910
911
912
913
914
915
916
917
918
919
920
921
922
923
924
925
926
927
928
929
930
931
932
933
934
935
936
937
938
939
940
941
942
943
944
945
946
947
948
949
950
951
952
953
954
955
956
957
958
959
960
961
962
963
964
965
966
967
968
969
970
971
972
973
974
975
976
977
978
979
980
981
982
983
984
985
986
987
988
989
990
991
992
993
994
995
996
997
998
999
1000
1001
1002
1003
1004
1005
1006
1007
1008
1009
1010
1011
1012
1013
1014
1015
1016
1017
1018
1019
1020
1021
1022
1023
1024
1025
1026
1027
1028
1029
1030
1031
1032
1033
1034
1035
1036
1037
1038
1039
1040
1041
1042
1043
1044
1045
1046
1047
1048
1049
1050
1051
1052
1053
1054
1055
1056
1057
1058
1059
1060
1061
1062
1063
1064
1065
1066
1067
1068
1069
1070
1071
1072
1073
1074
1075
1076
1077
1078
1079
1080
1081
1082
1083
1084
1085
1086
1087
1088
1089
1090
1091
1092
1093
1094
1095
1096
1097
1098
1099
1100
1101
1102
1103
1104
1105
1106
1107
1108
1109
1110
1111
1112
1113
1114
1115
1116
1117
1118
1119
1120
1121
1122
1123
1124
1125
1126
1127
1128
1129
1130
1131
1132
1133
1134
1135
1136
1137
1138
1139
1140
1141
1142
1143
1144
1145
1146
1147
1148
1149
1150
1151
1152
1153
1154
1155
1156
1157
1158
1159
1160
1161
1162
1163
1164
1165
1166
1167
1168
1169
1170
1171
1172
1173
1174
1175
1176
1177
1178
1179
1180
1181
1182
1183
1184
1185
1186
1187
1188
1189
1190
1191
1192
1193
1194
1195
1196
1197
1198
1199
1200
1201
1202
1203
1204
1205
1206
1207
1208
1209
1210
1211
1212
1213
1214
1215
1216
1217
1218
1219
1220
1221
1222
1223
1224
1225
1226
1227
1228
1229
1230
1231
1232
1233
1234
1235
1236
1237
1238
1239
1240
1241
1242
1243
1244
1245
1246
1247
1248
1249
1250
1251
1252
1253
1254
1255
1256
1257
1258
1259
1260
1261
1262
1263
1264
1265
1266
1267
1268
1269
1270
1271
1272
1273
1274
1275
1276
1277
1278
1279
1280
1281
1282
1283
1284
1285
1286
1287
1288
1289
1290
1291
1292
1293
1294
1295
1296
1297
1298
1299
1300
1301
1302
1303
1304
1305
1306
1307
1308
1309
1310
1311
1312
1313
1314
1315
1316
1317
1318
1319
1320
1321
1322
1323
1324
1325
1326
1327
1328
1329
1330
1331
1332
1333
1334
1335
1336
1337
1338
1339
1340
1341
1342
1343
1344
1345
1346
1347
1348
1349
1350
1351
1352
1353
1354
1355
1356
1357
1358
1359
1360
1361
1362
1363
1364
1365
1366
1367
1368
1369
1370
1371
1372
1373
1374
1375
1376
1377
1378
1379
1380
1381
1382
1383
1384
1385
1386
1387
1388
1389
1390
1391
1392
1393
1394
1395
1396
1397
1398
1399
1400
1401
1402
1403
1404
1405
1406
1407
1408
1409
1410
1411
1412
1413
1414
1415
1416
1417
1418
1419
1420
1421
1422
1423
1424
1425
1426
1427
1428
1429
1430
1431
1432
1433
1434
1435
1436
1437
1438
1439
1440
1441
1442
1443
1444
1445
1446
1447
1448
1449
1450
1451
1452
1453
1454
1455
1456
1457
1458
1459
1460
1461
1462
1463
1464
1465
1466
1467
1468
1469
1470
1471
1472
1473
1474
1475
1476
1477
1478
1479
1480
1481
1482
1483
1484
1485
1486
1487
1488
1489
1490
1491
1492
1493
1494
1495
1496
1497
1498
1499
1500
1501
1502
1503
1504
1505
1506
1507
1508
1509
1510
1511
1512
1513
1514
1515
1516
1517
1518
1519
1520
1521
1522
1523
1524
1525
1526
1527
1528
1529
1530
1531
1532
1533
1534
# armdb — Design Document

Встраиваемое key-value хранилище на Rust, оптимизированное для NVMe.
Архитектура: **Sharded Bitcask** (Log-Structured, Append-Only).

---

## Цели и ограничения

### Цели
- Высокая производительность на NVMe (сотни тысяч IOPS)
- Sync API для чтения (`db.get(key) -> Option<Value>`)
- Sync API для записи (`db.put(key, value)`, `db.cas(key, expected, new)`)
- Prefix search по ключам
- Встроенная репликация (log shipping)
- Предсказуемая latency при смешанной нагрузке (read + write)

### Ограничения (by design)
- Single process (multi-thread внутри)
- Без WAL — допускается потеря последних незаписанных данных при аварии
- Без mmap
- Одна таблица (keyspace) на экземпляр

### Применение
- Индексы
- Пользовательские сессии
- Логи
- Read-реплики
- Кэши с персистентностью

---

## Зависимости

| Крейт | Назначение |
|-------|-----------|
| `rustix` | Системные вызовы (`pread`, `O_DIRECT`, fd management) |
| `rustix-uring` | io_uring: batch write, fsync, compaction I/O |
| `seize` | Epoch-based memory reclamation (Hyaline algorithm) — используется и для lock-free индекса, и для GC узлов |
| `crc32fast` | CRC32 чексуммы записей на диске |
| `xxhash-rust` | Хеширование ключей для маршрутизации по шардам |
| `zerocopy` | Zero-copy десериализация заголовков записей |
| `parking_lot` | `Mutex` per shard для write path |
| `quick_cache` | S3-FIFO value cache с weight-based eviction (настраиваемый лимит в байтах) |
| `ring` | *(optional, feature `encryption`)* AES-256-GCM шифрование данных на диске |

`scc` **не используется**. Индекс реализуется как собственный concurrent SkipList на `seize`, чтобы в проекте была одна система memory reclamation.

---

## Архитектура

### Общая схема

```
                        ┌──────────────────────────┐
                        │      Public API           │
                        │  get / put / cas / delete │
                        │  prefix_iter / range      │
                        └────────────┬─────────────┘
                                     │
              ┌──────────────────────┼──────────────────────┐
              │                      │                      │
              ▼                      ▼                      ▼
   ┌──────────────────┐  ┌──────────────────┐  ┌──────────────────┐
   │   ConstTree<K,V> │  │   VarTree<K>     │  │   VarTree<K>     │
   │   index: SkipList │  │   index: SkipList │  │   (другой)       │
   └────────┬─────────┘  └────────┬─────────┘  └────────┬─────────┘
            │                      │                      │
            └──────────┬───────────┘──────────────────────┘
                       │
              ┌────────▼──────────┐
              │   Block Cache     │  S3-FIFO (quick_cache)
              │   4096-byte blocks│  e.g. max 1GB
              └────────┬──────────┘
                       │
            hash(key) % N  маршрутизация
                       │
      ┌────────────────┼────────────────────────┐
      │                │                        │
┌─────▼──────┐  ┌──────▼─────┐          ┌──────▼─────┐
│  Shard #0  │  │  Shard #1  │   ...    │  Shard #N  │
│  Mutex     │  │  Mutex     │          │  Mutex     │
│  RingBuf   │  │  RingBuf   │          │  RingBuf   │
│  Files     │  │  Files     │          │  Files     │
└─────┬──────┘  └──────┬─────┘          └──────┬─────┘
      │ io_uring        │ io_uring              │ io_uring
      ▼                 ▼                       ▼
[ NVMe Files ]   [ NVMe Files ]         [ NVMe Files ]
      │                 │                       │
      └────────┬────────┘───────────────────────┘
               │
        Replication Stream
               │
               ▼
        [ Follower Node ]
```

### Компоненты

**1. SkipList Index** — собственный concurrent SkipList на `seize`. Lock-free чтение, поддержка prefix scan и range iteration. Один индекс на каждый Tree.

**2. Block Cache** — S3-FIFO кэш 4096-байтных блоков (естественная единица O_DIRECT) с настраиваемым лимитом памяти. Отделён от индекса. Для `ConstTree` не используется (значения всегда inline). При cache hit один блок содержит данные для десятков мелких записей (пространственная локальность append-only формата).

**3. Shards** — $N$ независимых партиций (по умолчанию `num_cpus * 2`). Каждый шард: свои файлы на диске, свой write buffer, свой `Mutex`. Шард определяется по `xxh3(key) % N`.

**4. io_uring Engine** — batch write и fsync через io_uring с `SQPOLL`, registered buffers и registered files.

**5. Compactor** — фоновый поток, чистит устаревшие записи в immutable файлах.

**6. Replicator** — стримит новые записи на follower-ноды (log shipping per shard).

---

## In-Memory Index: SkipList на `seize`

### Почему SkipList, а не B+Tree или ART

| Критерий | SkipList | B+Tree | ART |
|----------|----------|--------|-----|
| Lock-free реализация | Простая (академическая база) | Сложная (splits/merges) | Средняя |
| Prefix search | Да (узлы отсортированы) | Да | Лучший O(K) |
| Range scan | Натурально (linked list) | Да (leaf chain) | Требует доп. работы |
| `seize` совместимость | Идеальная (retire отдельных узлов) | Сложная (retire целых страниц) | Хорошая |
| Сложность реализации | Низкая | Высокая | Средняя |

**Решение:** SkipList на `seize`. При необходимости можно заменить на ART позже — API тот же.

### Структура узла SkipList

Для `ConstTree`, `VarTree` и `TypedTree` используются разные узлы. Все узлы используют VLA (variable-length array) для tower вместо `SmallVec` — tower размещается в той же аллокации сразу после struct. Поле `tower_ptr` указывает на начало VLA для корректности Stacked Borrows. Логическое удаление кодируется tag-битом в `tower[0]` (отдельного `marked: AtomicBool` нет).

```rust
/// ConstNode — SeqLock inline data, VLA tower
#[repr(C)]
struct ConstNode<K: Key, const V: usize> {
    key: K,
    seq: AtomicU64,                    // SeqLock counter
    disk: UnsafeCell<DiskLoc>,         // 12 bytes inline
    value: UnsafeCell<[u8; V]>,        // inline, no heap
    height: u8,
    tower_ptr: *const AtomicPtr<Self>, // pointer to VLA tower
    // tower[0..height] follows in same allocation
}

/// VarNode — RCU disk pointer, VLA tower
#[repr(C)]
struct VarNode<K: Key> {
    key: K,
    disk: AtomicPtr<DiskLoc>,          // RCU pointer
    height: u8,
    tower_ptr: *const AtomicPtr<Self>,
    // tower[0..height] follows in same allocation
}

/// TypedNode — RCU data pointer, VLA tower
#[repr(C)]
struct TypedNode<K: Key, T> {
    key: K,
    data: AtomicPtr<TypedData<T>>,     // RCU pointer (DiskLoc + T)
    height: u8,
    tower_ptr: *const AtomicPtr<Self>,
    // tower[0..height] follows in same allocation
}
```

`ConstNode` хранит значение и `DiskLoc` inline, защищая их SeqLock (поле `seq`). Отдельной структуры `ConstData` нет — heap-аллокация при обновлении не требуется.

`VarNode` и `TypedNode` используют RCU (AtomicPtr swap + seize retire) для обновления данных.

Для `VarTree` значения хранятся отдельно — в Block Cache (см. ниже).

### Операции

```rust
struct SkipList<N> {
    head: *mut N,
    collector: seize::Collector,
    len: AtomicUsize,
    write_lock: Mutex<()>,
}

impl<N> SkipList<N> {
    /// Lock-free чтение. Возвращает ссылку, защищённую guard.
    fn get<'g>(&self, key: &[u8], guard: &'g seize::Guard) -> Option<&'g N>;

    /// Вставка нового узла. Сериализуется через write_lock.
    fn insert(&self, node: *mut N);

    /// Обновление значения в узле. Для ConstTree — SeqLock write (inline).
    /// Для VarTree — AtomicPtr swap на DiskLoc (RCU).
    /// Для TypedTree — AtomicPtr swap на TypedData (RCU).
    /// Вызывается на существующем узле после insert вернул Exists.
    fn update(&self, key: &[u8], node: *mut N, guard: &seize::Guard);

    /// Удаление: логическое (mark) + retire через seize. Сериализуется через write_lock.
    fn remove(&self, key: &[u8], guard: &seize::Guard) -> bool;

    /// Итератор по диапазону [start, end). Lock-free.
    fn range<'g>(&self, start: &[u8], end: &[u8], guard: &'g seize::Guard) -> RangeIter<'g, N>;

    /// Итератор по префиксу. Lock-free.
    fn prefix<'g>(&self, prefix: &[u8], guard: &'g seize::Guard) -> PrefixIter<'g, N>;
}
```

> SkipList внутренне работает с `&[u8]` срезами. Вызывающий код передаёт `key.as_bytes()` (через `IntoBytes`).

### Concurrency: write_lock vs CAS-based linking

Текущая реализация линкует новые узлы в tower через plain `store` (не CAS). Это не thread-safe для concurrent insert: два потока с общим predecessor перезаписывают один tower slot, теряя узел.

Для корректности добавлен `write_lock: Mutex<()>` — сериализует `insert`/`remove`. Читатели (`get`, итераторы) остаются lock-free.

**Почему не CAS:** CAS-based linking (как в `crossbeam-skiplist`) требует retry loop при конфликте и значительно усложняет код. Текущий `write_lock` добавляет ~20ns overhead (uncontended) и ~100ns при контенции между шардами. Это <10% от disk I/O на write path.

**Идеальное решение (future):** заменить plain `store` на CAS loop для tower linking. Это уберёт `write_lock`, сделает insert полностью lock-free, и вернёт параллельность insert'ов из разных шардов.

### Референс реализации

- `crossbeam-skiplist` — архитектура, layout узлов, **CAS-based алгоритм вставки/удаления** (target для lock-free insert)
- Herlihy & Shavit "The Art of Multiprocessor Programming", Chapter 14 — lock-free SkipList
- Заменить `crossbeam-epoch` на `seize` (API похож: `Guard`, `retire`)

---

## Типы данных

### Ключ

Генерик `K` с zerocopy trait bounds:

```rust
K: FromBytes + IntoBytes + Immutable + Copy + 'static
```

Длина ключа известна на этапе компиляции через `size_of::<K>()`. Не нужно хранить `key_len` в заголовке записи.

`[u8; N]` работает как fallback — самый простой вариант ключа:

```rust
let tree = ConstTree::<[u8; 16], 64>::open(config)?;
```

Для составных ключей — любой `repr(C)` zerocopy struct:

```rust
#[derive(FromBytes, IntoBytes, Immutable, Copy, Clone)]
#[repr(C)]
struct PostKey {
    user_id: [u8; 8],  // big-endian u64
    post_id: [u8; 8],  // big-endian u64
}

let tree = VarTree::<PostKey>::open(config)?;
```

Для `ConstMap`/`VarMap` ключ дополнительно требует `+ Send + Sync + Hash + Eq`.

### Значение

Два типа деревьев с разными стратегиями хранения значений:

```rust
/// Значения фиксированной длины — всегда inline в узле индекса
pub struct ConstTree<K, const V: usize> { .. }  // K: FromBytes + IntoBytes + Immutable + Copy + 'static

/// Значения переменной длины — ByteView + Value Cache
pub struct VarTree<K> { .. }  // K: FromBytes + IntoBytes + Immutable + Copy + 'static
```

### DiskLoc — позиция записи на диске

```rust
#[derive(Copy, Clone, Eq, PartialEq, Hash)]
#[repr(C)]
struct DiskLoc {
    offset: u32,
    len: u32,
    file_id: u16,
    shard_id: u8,
    _pad: u8,
}
// size: 12 bytes, no padding
```

---

## ByteView — контейнер для значений переменной длины

Вдохновлено `byteview` из fjall. Immutable byte slice: до 20 байт inline, больше — на куче с reference counting.

### Layout (24 байта на 64-bit)

```rust
const INLINE_SIZE: usize = 20; // на 64-bit системе

#[repr(C)]
union ByteViewRepr {
    short: ShortRepr,
    long: LongRepr,
}

#[repr(C)]
struct ShortRepr {
    len: u32,               // 4 байта
    data: [u8; INLINE_SIZE], // 20 байт
}

#[repr(C)]
struct LongRepr {
    len: u32,               // 4 байта
    prefix: [u8; 4],        // первые 4 байта значения (для быстрого сравнения)
    ptr: *const u8,         // 8 байт — указатель на heap
    ref_count: *mut AtomicU32, // 8 байт — shared ref count
}
```

### Семантика

```rust
impl ByteView {
    /// Создание из среза. <= 20 байт — inline, иначе heap alloc.
    fn new(data: &[u8]) -> Self;

    /// Clone без аллокации: инкремент ref_count для heap варианта.
    fn clone(&self) -> Self;  // O(1)

    /// Deref в &[u8].
    fn as_bytes(&self) -> &[u8];

    fn is_inline(&self) -> bool { self.len() <= INLINE_SIZE }
    fn len(&self) -> usize;
}

impl Drop for ByteView {
    fn drop(&mut self) {
        if self.is_inline() { return; }
        // decrement ref_count, free heap if last
    }
}
```

### Использование

- `VarTree::get()` возвращает `ByteView`
- Value Cache хранит `ByteView` (clone = инкремент ref_count, O(1))
- При eviction из кэша — `drop` декрементирует ref_count
- Клиент может держать `ByteView` сколько угодно — heap освободится когда последний владелец дропнет

---

## Block Cache (`quick_cache`)

### Назначение

Кэш 4096-байтных блоков для `VarTree`. Кешируется естественная единица чтения O_DIRECT — aligned disk block. Отделён от индекса, чтобы:
- Можно было evict блоки без изменения индекса
- Размер кэша настраивается в байтах (e.g. 1GB)
- `ConstTree` не нуждается в кэше (значения всегда inline в узлах)

### Почему Block Cache, а не Value Cache

| Критерий | Value Cache (DiskLoc → ByteView) | **Block Cache (BlockKey → AlignedBuf)** |
|----------|----------------------------------|-----------------------------------------|
| Гранулярность | Одно значение | 4096-байтный блок |
| Пространственная локальность | Нет | **Да** — один промах кеширует ~128 записей (key=8, value=8) |
| Double-alloc | `pread → Vec → ByteView::from_vec` (2 аллокации) | **Нет** — `ByteView::new(&block[start..end])` (slice из кешированного блока) |
| O_DIRECT alignment | pread читает aligned блок, выбрасывает лишнее | **Кеширует весь aligned блок** — ничего не выбрасывается |
| Большие значения | Эффективнее (кеш == размер value) | Waste (value 3KB в блоке 4KB) |

Append-only формат Bitcask обеспечивает высокую пространственную локальность: записи, сделанные рядом по времени, лежат рядом на диске. Block Cache использует это — один disk read кеширует данные для десятков ключей.

### Почему `quick_cache`

`quick_cache` реализует **S3-FIFO** — современный алгоритм (2023), который обгоняет LRU по hit rate и устойчив к scan-атакам (когда последовательный скан вытесняет горячие данные). 4-10x быстрее moka, ~21 байт overhead per entry.

### Caching policy

Не все блоки кэшируются. `Shard::read_block()` возвращает `(block, is_full_block)`:

- **Active file blocks** — НИКОГДА не кэшируются. `write_offset` включает данные в write buffer (ещё не на диске), поэтому `pread_block` может прочитать partial block с нулями в хвосте. После следующего flush те же байты заполнятся данными, но кэш будет содержать stale нули.
- **Immutable file blocks** — кэшируются только если блок полностью внутри файла: `block_offset + 4096 <= total_bytes`. Последний блок immutable файла (partial) не кэшируется.

Invalidation при compaction: `invalidate_file(file_id, total_bytes)` удаляет все блоки файла из кэша.

### Конфигурация

```rust
pub struct CacheConfig {
    /// Максимальный размер кэша в байтах. 0 = кэш отключён.
    pub max_size: u64,            // default: 0 (отключён)
    /// Примерное количество блоков (для преаллокации hash table).
    pub estimated_items: usize,   // default: 100_000
}
```

---

## Формат записи на диске

Каждая запись (entry) — это непрерывный блок байтов:

```
┌──────────────────── Entry ─────────────────────────────────────┐
│                                                                │
│  ┌─────────┬─────┬──────────┬───────┬─────────┬───────────┐   │
│  │ GSN     │ CRC32    │ ValueLen │ Key     │ Value     │     │
│  │ 8 bytes │ 4 bytes  │ 4 bytes  │ K bytes │ V bytes   │     │
│  └─────────┴──────────┴──────────┴─────────┴───────────┘     │
│                                                               │
│  Padding: 0-7 байт до выравнивания по 8                      │
└───────────────────────────────────────────────────────────────┘
```

### Поля

| Поле | Размер | Описание |
|------|--------|----------|
| `gsn` | 8 | Global Sequence Number. Bit 63 = tombstone flag, bits 0-62 = sequence |
| `crc32` | 4 | Чексумма от GSN + ValueLen + Key + Value |
| `value_len` | 4 | Длина значения в байтах (макс. ~4GB). Для tombstone = 0 |
| `key` | `size_of::<K>()` | Ключ фиксированной длины (`[u8; N]` или `repr(C)` zerocopy struct) |
| `value` | V | Значение (отсутствует для tombstone) |
| padding | 0-7 | До выравнивания по 8 байтам |

### Tombstone encoding в GSN

Отдельного поля `flags` нет. Признак удаления закодирован в старшем бите GSN:

```rust
const TOMBSTONE_BIT: u64 = 1 << 63;

fn is_tombstone(gsn: u64) -> bool { gsn & TOMBSTONE_BIT != 0 }
fn sequence(gsn: u64) -> u64     { gsn & !TOMBSTONE_BIT }
fn make_tombstone(gsn: u64) -> u64 { gsn | TOMBSTONE_BIT }
```

63 бита на sequence = 9.2 * 10^18 операций. Tombstone сохраняет порядковый номер — необходимо для репликации и compaction.

Тип значения (fixed/variable) — свойство дерева, хранится в `db.meta`. Для `ConstTree` поле `value_len` в header всегда равно `V` (для валидации при recovery).

Сжатие на уровне отдельных записей не применяется. Если потребуется — реализуется как block compression в immutable файлах на этапе compaction (см. раздел "Сжатие").

### Header (zerocopy)

```rust
#[derive(zerocopy::FromBytes, zerocopy::IntoBytes, zerocopy::KnownLayout)]
#[repr(C)]
struct EntryHeader {
    gsn: u64,         // bit 63 = tombstone, bits 0-62 = sequence number
    crc32: u32,
    value_len: u32,
}
```

Размер header: **16 байт**, alignment **8 байт**. Натуральное выравнивание, без `packed`.
Полный размер записи: `16 + size_of::<K>() + value_len + padding`.

---

## Read Path

### ConstTree — всегда из памяти

```
get(key)
  │
  ▼
SkipList.get(key, guard) → &ConstNode
  │
  ▼
return node.value  // [u8; V], всегда inline, zero disk I/O
```

`ConstTree` **никогда не читает с диска** при обычных операциях. Все значения хранятся inline в узлах SkipList. Диск используется только для persistence и recovery.

### VarTree — трёхуровневый read path

```
get(key)
  │
  ▼
SkipList.get(key, guard) → &VarNode { disk }
  │
  ▼
block_key = (disk.file_id, disk.offset & !4095)
  │
  ▼
1. Block Cache (lock-free)
cache.get(block_key) ──── hit? ──→ extract value → ByteView::new(...)
  │
  miss
  │
  ▼
2. Write Buffer (brief shard lock)
shard.lock() → write_buf.read(offset, len) ──── hit? ──→ ByteView::new(bytes)
  │
  miss (данные уже flushed на диск)
  │
  ▼
3. Disk Read + cache
pread_block(fd, block_offset) → if is_full_block { cache.insert }
  │
  ▼
extract value → ByteView::new(&block[start..start+len])
```

**Ключевые решения:**
- Кешируем 4096-байтные блоки — естественную единицу O_DIRECT
- Step 1 (cache hit): `Arc::clone()` = O(1), extract value как slice → `ByteView::new()` (inline для ≤20 байт)
- Step 2 (write buffer): данные ещё не на диске — brief shard lock, memcpy из буфера
- Step 3 (cache miss): один `pread` читает весь блок, кеширует (если полный), извлекает value
- Пространственная локальность: один miss кеширует данные для десятков соседних записей
- Value spanning: если value пересекает границу блока — читаем два блока, склеиваем
- `O_DIRECT` — обходим page cache ОС, данные идут напрямую в userspace buffer

```rust
impl<K: FromBytes + IntoBytes + Immutable + Copy + 'static> VarTree<K> {
    pub fn get(&self, key: &K) -> Option<ByteView> {
        let guard = self.collector.enter();
        let node = self.index.get(key, &guard)?;
        let disk = *node.load_disk();

        let block_offset = disk.offset & !4095;
        let start = (disk.offset & 4095) as usize;
        let len = disk.len as usize;

        // Получить блок из кэша или прочитать с диска
        let block = self.get_or_read_block(disk.shard_id, disk.file_id, block_offset)?;

        // Извлечь value из блока
        if start + len <= 4096 {
            Some(ByteView::new(&block[start..start + len]))
        } else {
            // Spanning: value пересекает границу блока
            let next = self.get_or_read_block(disk.shard_id, disk.file_id, block_offset + 4096)?;
            let mut combined = Vec::with_capacity(len);
            combined.extend_from_slice(&block[start..]);
            combined.extend_from_slice(&next[..len - (4096 - start)]);
            Some(ByteView::from_vec(combined))
        }
    }
}
```

---

## Write Path

```
put(key, value) вызывается из любого потока
         │
         ▼
  shard_id = xxh3(key) % N
         │
         ▼
  ┌──────────────────┐
  │ shard.lock()     │  Mutex — захватываем конкретный шард
  └────────┬─────────┘
           │
  ┌────────▼─────────────────┐
  │ gsn = GLOBAL_SEQ.inc()   │  атомарный инкремент
  └────────┬─────────────────┘
           │
  ┌────────▼─────────────────┐
  │ serialize entry           │  Header + Key + Value + Padding
  │ copy to ring buffer       │  memcpy — наносекунды
  │ offset = buffer.position  │
  └────────┬─────────────────┘
           │
  ┌────────▼───────────────────────────────┐
  │ update SkipList Index                   │
  │   ConstTree: memcpy value into node     │
  │   VarTree: update node.disk = new loc   │
  └────────┬───────────────────────────────┘
           │
  ┌────────▼─────────────────┐
  │ shard.unlock()            │  клиент может читать новое значение
  └────────┬─────────────────┘
           │
           ▼
  (данные в WriteBuffer, ещё не на диске)
```

**Реализация:** `WriteBuffer` в `shard.rs` — `AlignedBuf` (4096-aligned, default 1MB) per shard. `append_entry()` копирует serialized entry в буфер (memcpy). DiskLoc предвычисляется из `base_offset + buffer_position`. VarTree чтение проверяет write buffer при Block Cache miss (для unflushed данных).

**Flush:**

```
Условие: buffer полон OR tree.flush_buffers() OR tree.close() OR rotation
         │
         ▼
  ┌───────────────────────────┐
  │ Linux: uring.write_at()   │  весь буфер одним вызовом
  │ macOS: pwrite_at()        │
  │ (опционально fsync)       │
  └───────────────────────────┘
```

**Клиент не ждёт записи на диск.** Latency определяется только memcpy в буфер + обновление индекса (~100ns). При аварии теряются данные из незаписанного буфера (до `write_buffer_size` на шард). Для контроля durability: `tree.flush_buffers()` с `Compactor::start()` в качестве периодического таймера.

---

## CAS (Compare-And-Swap)

```rust
impl<K: FromBytes + IntoBytes + Immutable + Copy + 'static> VarTree<K> {
    pub fn cas(
        &self,
        key: &K,
        expected: &[u8],
        new_value: &[u8],
    ) -> Result<(), CasError> {
        let shard_id = self.shard_for(key);
        let shard = &self.shards[shard_id];

        let _lock = shard.write_lock.lock(); // блокируем только этот шард

        // 1. Читаем текущее значение
        let current = self.get_under_lock(key, shard)?;

        // 2. Сравниваем
        match current {
            Some(val) if val.as_bytes() == expected => { /* OK, продолжаем */ }
            Some(_) => return Err(CasError::ValueMismatch),
            None => return Err(CasError::KeyNotFound),
        }

        // 3. Пишем новое значение (под тем же lock)
        self.put_under_lock(key, new_value, shard)?;

        Ok(())
    }
}
```

CAS безопасен, потому что все операции над одним ключом маршрутизируются в один шард, а запись в шард сериализована через `Mutex`.

---

## Шардирование

### Маршрутизация

По умолчанию — хеш полного ключа. С prefix-based sharding — хеш первых N бит:

```rust
fn shard_for(&self, key: &K) -> usize {
    let key_bytes = key.as_bytes();
    let key_bits = size_of::<K>() * 8;

    if self.shard_prefix_bits == 0 || self.shard_prefix_bits >= key_bits {
        let hash = xxhash_rust::xxh3::xxh3_64(key_bytes);
        return (hash as usize) % self.shard_count;
    }

    let full_bytes = self.shard_prefix_bits / 8;
    let extra_bits = self.shard_prefix_bits % 8;

    let hash = if extra_bits == 0 {
        xxhash_rust::xxh3::xxh3_64(&key_bytes[..full_bytes])
    } else {
        let mut buf = vec![0u8; full_bytes + 1];
        buf[..full_bytes].copy_from_slice(&key_bytes[..full_bytes]);
        let mask = !((1u8 << (8 - extra_bits)) - 1);
        buf[full_bytes] = key_bytes[full_bytes] & mask;
        xxhash_rust::xxh3::xxh3_64(&buf)
    };

    (hash as usize) % self.shard_count
}
```

`shard_prefix_bits` задаётся в `Config` (по умолчанию 0 = полный ключ). Работает с `key.as_bytes()` срезом. Для составных ключей (например `PostKey { user_id, post_id }`) задать 64 — все посты одного пользователя в одном шарде.

### Параметры

- Количество шардов: `num_cpus * 2` по умолчанию (конфигурируемо)
- Фиксируется при создании базы (изменение требует пересоздания)
- Хранится в метаданных базы
- `shard_prefix_bits`: задаётся в `Config`, не влияет на recovery/compaction

### Структура шарда

```rust
struct Shard {
    id: u8,
    write_lock: parking_lot::Mutex<()>,
    active_file: ActiveFile,
    immutable_files: Vec<Arc<ImmutableFile>>,
    write_buffer: RingBuffer,
    dead_bytes: HashMap<u32, u64>,  // file_id -> dead bytes (для compaction)
}

struct ActiveFile {
    fd: OwnedFd,
    file_id: u32,
    write_offset: u64,
    size_limit: u64,  // при достижении — ротация
}

struct ImmutableFile {
    fd: OwnedFd,
    file_id: u32,
    total_bytes: u64,
    bloom: BloomFilter,  // для быстрого negative lookup
}
```

---

## Файловая структура на диске

```
{db_path}/
├── db.meta                       # метаданные (4 bytes): shard_count, shard_prefix_bits, flags
├── shard_00/
│   ├── 000001.data               # immutable data file
│   ├── 000001.hint               # hint file (опционально, если hints=true)
│   ├── 000002.data               # immutable data file
│   ├── 000002.hint
│   └── 000003.data               # active file (текущий для записи)
├── shard_01/
│   ├── ...
└── shard_NN/
    ├── ...
```

### db.meta — проверка иммутабельных параметров

Формат: 4 байта, фиксированный размер.

```
[0] shard_count        (u8, 1..=255)
[1] shard_prefix_bits  (u8)
[2] flags              (u8, bit 0 = encrypted)
[3] reserved           (0)
```

Создаётся при первом открытии базы. При повторном открытии — валидация:
- `shard_count` из конфига совпадает с сохранённым
- `shard_prefix_bits` из конфига совпадает с сохранённым
- Наличие/отсутствие `encryption_key` совпадает с флагом

При несовпадении — `DbError::FormatMismatch`. Размер файла строго 4 байта, иначе ошибка.

### Ротация файлов

Когда active file достигает `max_file_size` (по умолчанию 256MB):
1. Закрыть active file
2. Переименовать в immutable
3. Если `hints=true` — записать hint file для закрытого файла
4. Открыть новый active file с инкрементированным `file_id`

---

## Hint Files — быстрый старт

Hint file содержит только метаданные записей без значений:

```
┌──────────────── Hint Entry ────────────────┐
│ GSN (8) │ Key (size_of::<K>()) │ Offset (8) │ Len (4)  │
└────────────────────────────────────────────┘
```

### Config: `hints: bool` (tunable, default: true)

Управляет генерацией и использованием hint файлов:
- `true` — hint файлы генерируются при ротации, close, drop. При recovery используются для быстрого старта.
- `false` — hint файлы не генерируются и не читаются. Recovery всегда через полный скан data файлов.

Рекомендации:
- **VarTree/VarMap**: `hints: true` — recovery без hints требует чтения всех значений с диска.
- **ConstTree/TypedTree/ZeroTree и Map-аналоги**: `hints: false` допустим — значения малы или уже в памяти, полный скан быстр.

Параметр tunable — можно менять между запусками без миграции. Старые hint файлы при `hints: false` просто игнорируются.

### Recovery (при старте)

```
1. Прочитать db.meta → валидировать shard_count, shard_prefix_bits, encryption
2. Для каждого шарда параллельно (std::thread::scope):
   a. Найти все .data файлы, отсортировать по file_id
   b. Если hints=true — найти .hint файлы
   c. Для файлов с .hint — загрузить hint file в Index (SkipList)
   d. Для файлов без .hint (или если hints=false) — полный скан записей
   e. При скане: проверить CRC32, вставить в Index
   f. Битые записи в конце файла — обрезать (truncate)
3. Для ConstTree: прочитать значения с диска и вставить inline в узлы
4. Index готов к работе
```

Параллельное восстановление — каждый шард независим.

---

## Compaction

### Триггер

Для каждого immutable файла отслеживается `dead_bytes`. Когда `dead_bytes / total_bytes > 0.3` (30% мусора) — файл кандидат на compaction.

При каждом обновлении/удалении ключа:
```rust
// старая запись была в файле old_file_id
shard.dead_bytes[old_file_id] += old_entry_size;
```

### Алгоритм

```
Фоновый поток (один на базу или один на N шардов):

1. ВЫБОР: найти шард с файлами, где garbage ratio > threshold
2. ВЫБОР ФАЙЛОВ: взять 2-4 immutable файла с наибольшим garbage ratio
3. СОЗДАНИЕ: открыть новый файл (merge_{file_id}.data.tmp)
4. ИТЕРАЦИЯ: для каждой записи в выбранных файлах:
   a. Проверить в SkipList Index: запись всё ещё актуальна?
      - Актуальна = Index указывает на этот файл и offset
      - Устаревшая = Index указывает на другой файл/offset → пропустить
   b. Если актуальна → записать в новый файл
   c. Запомнить новый offset
5. ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ: для каждого перенесённого ключа:
   - CAS в Index: (old_file, old_offset) → (new_file, new_offset)
   - Если CAS fail — ключ был обновлён во время компакции, помечаем dead в новом файле
6. ГЕНЕРАЦИЯ: hint file строится из записей где CAS успешен (live entries).
   Мёртвые записи (удалённые/перезаписанные во время компакции) исключаются.
   Это предотвращает воскрешение удалённых ключей при recovery.
7. ОЧИСТКА: удалить старые файлы (когда Arc<ImmutableFile> refcount = 0)
8. ПЕРЕИМЕНОВАНИЕ: merge_{file_id}.data.tmp → {file_id}.data
```

### Безопасность

- Compaction не блокирует ни чтение, ни запись
- Старые файлы удаляются только когда нет активных читателей (`Arc` refcount)
- Если процесс упал во время compaction — `.tmp` файлы удаляются при следующем старте

---

## Сжатие (Compression)

### Per-entry compression — нет

Сжатие отдельных записей **не используется**. Причины:
- Плохой compression ratio на маленьких значениях (< 1KB)
- CPU overhead на каждый read/write
- Усложняет inline-оптимизации

### Per-file compression — нет

Сжатие целого файла **невозможно** в текущей архитектуре:
- Random access `pread(offset)` требует несжатых данных
- Append-only запись несовместима с потоковым сжатием (нужно пересжать весь файл)

### Block compression в immutable файлах — future

Если сжатие понадобится, реализуется **поблочное** (4KB-64KB блоки) в immutable файлах при compaction:
- Active file всегда несжатый (append-only)
- При compaction: записи группируются в блоки, каждый блок сжимается отдельно (zstd)
- Random access: прочитать блок целиком, распаковать, извлечь запись
- Addressing меняется: `DiskLoc { block_offset, entry_offset_in_block }`
- Это не ломает текущую архитектуру, но усложняет read path

**Решение:** отложить до реальной необходимости. NVMe достаточно быстры, чтобы не сжимать.

---

## Итераторы и Reversed Ordering

### Один тип итератора на дерево

Каждое дерево предоставляет один тип итератора (`ConstIter`, `VarIter`), который возвращается из `iter()`, `range()` и `prefix_iter()`. Итератор реализует `Iterator` + `DoubleEndedIterator` и владеет `seize::LocalGuard` — гарантирует корректность при concurrent доступе.

```rust
// Все три метода возвращают один тип:
let all = tree.iter();                        // все записи
let range = tree.range(&start, &end);         // [start, end) по натуральному порядку ключей
let prefix = tree.prefix_iter(&user_id);      // по префиксу

// DoubleEndedIterator — обратная итерация и .rev()
let last_20 = tree.prefix_iter(&user_id).rev().take(20);
let oldest = tree.iter().next_back();
```

Для `VarTree` каждый `next()` / `next_back()` может читать с диска (через Block Cache). Записи с I/O ошибками пропускаются.

### Обратная итерация (DoubleEndedIterator)

`next_back()` реализован через reverse search от head — O(log N) per вызов, без `prev` pointer'ов в узлах SkipList. Структура узлов не изменена, 0 extra memory.

При `reversed=true` основной кейс (newest-first) — forward iteration через `next()`, O(1) per item. `next_back()` нужен редко (oldest-first в reversed tree).

### Consistency: weakly-consistent (не snapshot)

Итераторы **не делают snapshot**. Семантика — weakly-consistent (как в `java.util.concurrent` или `crossbeam-skiplist`):

- **Concurrent insert** — если `next()` ещё не прошёл эту позицию, новый узел будет виден. Если уже прошёл — нет.
- **Concurrent update (put на существующий ключ)** — итератор может увидеть как старое, так и новое значение (RCU swap).
- **Concurrent delete** — marked узлы пропускаются. Если `next()` уже вернул узел до delete — он уже отдан пользователю.
- **Memory safety** — `seize::LocalGuard` гарантирует что узлы не будут освобождены пока итератор жив. Use-after-free невозможен.

### Reversed ordering (`Config.reversed`)

Параметр `reversed: bool` в `Config` включает reverse comparator в SkipList. Forward iteration (`next()`) возвращает ключи по **убыванию** — "newest first".

```rust
let mut config = Config::new("data/posts");
config.reversed = true;  // forward = descending
let tree = VarTree::<[u8; 16]>::open(config)?;

// prefix_iter возвращает последние посты пользователя первыми
let latest_20 = tree.prefix_iter(&user_id).take(20);
```

**Свойства:**
- Ключи на диске хранятся **как есть** (без трансформации)
- `reversed` можно менять между запусками без миграции — влияет только на in-memory index
- Reverse comparator: один `if` per comparison, ~0ns после branch prediction warmup
- Для пагинации "последние N записей" — просто `prefix_iter().take(N)`, без обратной итерации

**Внутренняя реализация:**
- `SkipList::key_cmp()` — `if reversed { b.cmp(a) } else { a.cmp(b) }`
- `prefix_bounds()` — вычисляет search key и end `Bound<K>` с учётом `reversed`
- `range()` — при `reversed` меняет местами start/end для корректного обхода
- `find_last_lt(key)` — O(log N) reverse search для `next_back()`
- `find_last()` — O(log N) поиск последнего узла для back cursor в `iter()`

---

## ~~Bloom Filters~~ (не применимо)

В Bitcask архитектуре полный in-memory index (SkipList) содержит все ключи. При `get()` для несуществующего ключа `index.get()` возвращает None мгновенно без disk I/O. Bloom filters были бы полезны в LSM-tree архитектуре или при partial index, но в текущей реализации не нужны.

---

## Репликация (Log Shipping) — feature `replication`

### Архитектура

```
Leader                                         Follower
┌──────────────────────┐                      ┌──────────────────┐
│ Db (read-write)       │                      │ Db (read-only)    │
│                       │                      │                   │
│ append_entry()        │                      │ ReplicationClient │
│  └ write_buf.append() │                      │  └ append_raw     │
│  └ spsc.push(entry)  ─┼── per-shard SPSC ──▶│  └ apply to index │
│                       │    (streaming mode)  │                   │
│ ReplicationServer     │                      │                   │
│  └ ShardLogReader    ─┼── per-shard TCP ────▶│  (catch-up mode)  │
│    (file scan)        │                      │                   │
│                       │                      │                   │
│ CompactionGuard       │                      │ Independent       │
│ (protect unread)      │                      │ compaction        │
└──────────────────────┘                      └──────────────────┘
```

- **Leader**: принимает записи, стримит на followers
- **Follower**: обычный `Tree::open()` с теми же параметрами, записи из репликации
- **Per-shard**: каждый шард — независимый поток репликации (один TCP + один SPSC канал)

### Dual-mode streaming

| Режим | Источник | Когда | Latency |
|-------|----------|-------|---------|
| **Streaming** | SPSC ring buffer (`rtrb`) | Нормальная работа | ~10µs |
| **Catch-up** | `ShardLogReader` (file scan) | Reconnect, overflow, initial sync | Зависит от I/O |

Write-path hook в `append_entry()` — push `Vec<u8>` (moved, zero extra alloc) + `key_len` в lock-free SPSC канал (`rtrb`, capacity 8192). Overhead: ~10ns per write.

При переполнении SPSC (follower отстал): entry всё равно на диске → catch-up подберёт через `ShardLogReader`. Переключение обратно в streaming после наверстывания.

### Протокол

Binary framing: `[type:u8][len:u32 LE][payload]`

| Message | Direction | Payload |
|---------|-----------|---------|
| SyncRequest | F→L | shard_id, from_gsn, key_lens |
| ShardInfo | L→F | shard_count, max_file_size |
| EntryBatch | L→F | shard_id, entries:[entry_len + key_len + gsn + raw_data] |
| CaughtUp | L→F | shard_id, leader_gsn |
| Ack | F→L | shard_id, last_gsn |
| Heartbeat | both | — |
| Error | both | message |

`key_len` на wire → follower O(1) routing к дереву (без CRC-guessing).

### Routing записей к деревьям

Entries от разных деревьев интерливятся в одних shard файлах. Без `tree_id` в entry header — CRC32 служит дискриминатором.

**Streaming mode**: `key_len` известен из SPSC entry → O(1) lookup в `ReplicationRegistry.by_key_len`.

**Catch-up mode**: `ShardLogReader` пробует каждый K из `key_lens`:
1. Читает header (16B) → `value_len`
2. Пробует `last_matched_k` первым (cache hit ~90% — entries кластеризуются)
3. При miss: для каждого K — `entry_size(K, value_len)`, read, CRC check
4. Read-ahead buffer 64KB для минимизации syscalls

`ReplicationTarget` trait на каждом дереве:
- `apply_entry(key, value)` — streaming mode, O(1)
- `try_apply_entry(raw_bytes)` — catch-up mode, CRC match

### Compaction coordination

`CompactionGuard` trait — leader отслеживает `min_replicated_gsn` per shard (обновляется из Ack сообщений). `compact_shard_guarded()` пропускает файлы где max_gsn ≥ min_replicated_gsn. Max GSN определяется из hint files.

Unix file semantics: если follower читает файл через открытый fd, а leader удаляет (compaction), inode живёт пока fd открыт.

### Cursor

`ReplicationCursor` — per-shard, персистентный (`shard_NNN/repl.cursor`, 24 байта). Содержит `last_gsn`, `file_id`, `file_offset`. Сохраняется каждые 1000 entries. При рестарте follower продолжает с последнего cursor.

### GLOBAL_GSN на follower

После каждого apply: `GLOBAL_GSN.fetch_max(seq + 1, Relaxed)`. При promotion follower → leader новые записи получают корректные GSN. Никакого специального API для promotion не нужно.

### Инварианты

- `shard_count` follower == leader (валидируется через ShardInfo)
- Деревья одинаковые (те же K, V) — CRC routing гарантирует корректность
- Entries от неизвестных деревьев записываются на диск, не индексируются (recovery подберёт при создании дерева)
- CRC32 false positive: ~1/2^32 per entry — приемлемый риск
- Без WAL: потеря unflushed записей при crash leader = потеря на follower

### Overhead

| | Replication ON | Replication OFF |
|---|---|---|
| Leader write | +10ns (SPSC push) | 0ns |
| Follower apply | ~300-500ns/entry (index update bottleneck) | — |
| Network | ~1-5µs/entry (batched) | — |
| Sustained rate | ~500K entries/sec/shard | — |

### Реализация

| Файл | Назначение |
|------|-----------|
| `replication/mod.rs` | `ReplicationEntry`, `ReplicationRegistry` (dual-mode apply) |
| `replication/protocol.rs` | Wire format, frame I/O, message types |
| `replication/server.rs` | `ReplicationServer` (accept, dual-mode stream, CompactionGuard) |
| `replication/client.rs` | `ReplicationClient` (per-shard threads, reconnect, cursor) |
| `replication/cursor.rs` | `ReplicationCursor` (persist/load) |
| `replication/log_reader.rs` | `ShardLogReader` (catch-up, CRC boundary detection) |
| `replication/apply.rs` | `ReplicationTarget` trait |

---

## io_uring конфигурация

### Инициализация

```rust
let ring = IoUring::builder()
    .setup_sqpoll(2000)           // kernel polling, idle timeout 2s
    .setup_sqpoll_cpu(cpu_id)     // привязка к ядру
    .build(256)?;                 // 256 entries в SQ

// Регистрация буферов (zero-copy writes)
let buffers: Vec<Vec<u8>> = (0..64)
    .map(|_| vec![0u8; BUFFER_SIZE])
    .collect();
ring.register_buffers(&buffers)?;

// Регистрация файлов (избежать fd lookup)
let fds: Vec<RawFd> = shard_files.iter().map(|f| f.as_raw_fd()).collect();
ring.register_files(&fds)?;
```

### Использование

- **Write path**: batch submit нескольких write операций из ring buffer
- **Compaction**: параллельное чтение старых файлов + запись нового
- **Read path**: НЕ используем io_uring, используем `pread` (меньше overhead для единичных операций)

---

## Публичное API

Каждое дерево — самостоятельная точка входа. `Db` struct удалён.
Одно дерево = одна директория на диске.

```rust
/// Конфигурация базы данных
pub struct Config {
    pub path: PathBuf,
    pub shard_count: usize,        // default: num_cpus * 2
    pub max_file_size: u64,        // default: 256MB
    pub compaction_threshold: f64,  // default: 0.3 (30%)
    pub enable_fsync: bool,        // default: false
    pub write_buffer_size: usize,  // default: 1MB
    pub cache: CacheConfig,        // настройки Block Cache
    pub shard_prefix_bits: usize,  // default: 0 (hash full key via key.as_bytes())
    pub reversed: bool,            // default: false (descending iteration when true)
}

pub struct CacheConfig {
    /// Максимальный размер кэша в байтах. 0 = отключён.
    pub max_size: u64,             // default: 0
    /// Примерное количество блоков (для преаллокации hash table).
    pub estimated_items: usize,    // default: 100_000
}

/// Дерево с фиксированной длиной значений — всегда в памяти
/// K: FromBytes + IntoBytes + Immutable + Copy + 'static
pub struct ConstTree<K, const V: usize, H: WriteHook<K> = NoHook> { .. }

impl<K: FromBytes + IntoBytes + Immutable + Copy + 'static, const V: usize> ConstTree<K, V> {
    pub fn open(config: Config) -> DbResult<Self>;
}

impl<K: FromBytes + IntoBytes + Immutable + Copy + 'static, const V: usize, H: WriteHook<K>> ConstTree<K, V, H> {
    pub fn open_hooked(config: Config, hook: H) -> DbResult<Self>;
    pub fn close(self) -> DbResult<()>;     // hint files + flush + fsync
    pub fn flush_buffers(&self) -> DbResult<()>;
    pub fn config(&self) -> &Config;

    pub fn get(&self, key: &K) -> Option<[u8; V]>;
    pub fn put(&self, key: &K, value: &[u8; V]) -> DbResult<Option<[u8; V]>>;
    pub fn delete(&self, key: &K) -> DbResult<Option<[u8; V]>>;
    pub fn cas(&self, key: &K, expected: &[u8; V], new: &[u8; V]) -> DbResult<()>;
    pub fn contains(&self, key: &K) -> bool;
    pub fn iter(&self) -> ConstIter<K, V>;
    pub fn range(&self, start: &K, end: &K) -> ConstIter<K, V>;
    pub fn prefix_iter(&self, prefix: &[u8]) -> ConstIter<K, V>;
    pub fn len(&self) -> usize;
}

/// Итератор по записям ConstTree. impl Iterator<Item = (K, [u8; V])>.
/// Возвращается методами iter(), range(), prefix_iter().
pub struct ConstIter<K, const V: usize> { .. }

/// Дерево с переменной длиной значений — ByteView + Cache
/// K: FromBytes + IntoBytes + Immutable + Copy + 'static
pub struct VarTree<K, H: WriteHook<K> = NoHook> { .. }

impl<K: FromBytes + IntoBytes + Immutable + Copy + 'static> VarTree<K> {
    pub fn open(config: Config) -> DbResult<Self>;
}

impl<K: FromBytes + IntoBytes + Immutable + Copy + 'static, H: WriteHook<K>> VarTree<K, H> {
    pub fn open_hooked(config: Config, hook: H) -> DbResult<Self>;
    pub fn close(self) -> DbResult<()>;
    pub fn flush_buffers(&self) -> DbResult<()>;
    pub fn config(&self) -> &Config;

    pub fn get(&self, key: &K) -> Option<ByteView>;
    pub fn put(&self, key: &K, value: &[u8]) -> DbResult<()>;
    pub fn delete(&self, key: &K) -> DbResult<bool>;
    pub fn cas(&self, key: &K, expected: &[u8], new: &[u8]) -> DbResult<()>;
    pub fn contains(&self, key: &K) -> bool;
    pub fn iter(&self) -> VarIter<K, H>;
    pub fn range(&self, start: &K, end: &K) -> VarIter<K, H>;
    pub fn prefix_iter(&self, prefix: &[u8]) -> VarIter<K, H>;
    pub fn len(&self) -> usize;
}

/// Итератор по записям VarTree. impl Iterator<Item = (K, ByteView)>.
/// Lazy — каждый next() может читать с диска (через Block Cache).
pub struct VarIter<K, H: WriteHook<K> = NoHook> { .. }

/// Immutable byte view — inline до 20 байт, иначе heap с ref counting
pub struct ByteView { .. }
```

---

## Структура модулей

```
armdb/src/
├── lib.rs                 // pub API: exports, MigrateAction
├── engine.rs              // Engine: pub(crate), owns Config + shards + cipher
├── config.rs              // Config, CacheConfig, валидация, defaults
├── entry.rs               // EntryHeader, GSN/tombstone helpers, сериализация/десериализация
├── byte_view.rs           // ByteView: inline/heap union, ref counting, Deref
├── skiplist/
│   ├── mod.rs             // SkipList<N>, итераторы
│   ├── node.rs            // ConstNode, VarNode, tower allocation
│   └── iter.rs            // Iter (lock-free через seize::Guard, Bound-based)
├── cache.rs               // BlockCache: кэш 4096-байтных блоков (quick_cache, S3-FIFO)
├── shard.rs               // Shard, ActiveFile, ImmutableFile, WriteBuffer
├── io/
│   ├── mod.rs
│   ├── uring.rs           // UringWriter: batch write, fsync
│   ├── direct.rs          // aligned_read: O_DIRECT pread
│   └── aligned_buf.rs     // AlignedBuf: буферы выровненные по 4096
├── compaction.rs           // Compactor: фоновый поток, merge файлов
├── recovery.rs             // Recovery: загрузка hint files, скан active files
├── hint.rs                 // Hint file generation
├── hook.rs                 // WriteHook trait, NoHook
├── sync.rs                 // Mutex wrapper (parking_lot)
├── disk_loc.rs             // DiskLoc struct
├── replication/            // (feature: replication) Leader/Follower, log shipping per shard
│   ├── mod.rs             // ReplicationEntry, ReplicationRegistry
│   ├── server.rs          // ReplicationServer
│   ├── client.rs          // ReplicationClient
│   ├── protocol.rs        // Wire format
│   ├── apply.rs           // ReplicationTarget trait
│   ├── log_reader.rs      // ShardLogReader (catch-up)
│   └── cursor.rs          // ReplicationCursor
├── crypto.rs               // (feature: encryption) PageCipher: AES-256-GCM
├── error.rs                // DbError, DbResult
├── const_tree.rs           // ConstTree<K,V,H> — open/close, inline values (K: zerocopy bounds)
├── var_tree.rs             // VarTree<K,H> — open/close, ByteView + cache (K: zerocopy bounds)
├── const_map.rs            // ConstMap<K,V,H> — open/close, HashMap + inline values (K: + Send + Sync + Hash + Eq)
└── var_map.rs              // VarMap<K,H> — open/close, HashMap + ByteView + cache (K: + Send + Sync + Hash + Eq)
```

---

## Порядок реализации

### Фаза 1 — Основа
1. `byte_view.rs` — ByteView: inline/heap, ref counting, Deref, Drop, Clone
2. `entry.rs` — формат записи, сериализация, CRC32
3. `skiplist/node.rs` — ConstNode, VarNode
4. `skiplist/mod.rs` — concurrent SkipList на `seize`: insert, get, remove
5. `skiplist/iter.rs` — RangeIter, PrefixIter

### Фаза 2 — Storage
6. `io/aligned_buf.rs` — выровненные буферы
7. `io/direct.rs` — `pread` с `O_DIRECT`
8. `config.rs` — конфигурация
9. `shard.rs` — шард: active file, write buffer, `Mutex`
10. `const_tree.rs` — ConstTree: open, get (inline), put, delete
11. `var_tree.rs` — VarTree: open, get (disk), put, delete
12. `engine.rs` — Engine: open shards, маршрутизация
13. `recovery.rs` — полный скан файлов при старте

### Фаза 3 — Производительность
14. `cache.rs` — BlockCache: S3-FIFO кэш 4096-байтных блоков
15. `io/uring.rs` — batch write через io_uring
16. `shard.rs` — ring buffer + async flush
17. CAS операции в const_tree и var_tree
18. Hint files (в `recovery.rs` + `shard.rs`)
19. Prefix-based sharding — `shard_prefix_bits` в Config, побитовая точность
20. ~~`bloom.rs`~~ — не применимо (полный in-memory index делает negative lookup мгновенным)

### Фаза 4 — Compaction
21. `compaction.rs` — фоновый merge
22. `shard.rs` — garbage ratio tracking
23. File rotation

### Фаза 5 — Репликация
24. `replication.rs` — leader/follower, log shipping
25. GSN-based sync протокол

---

## Примечания

- **Тестирование на Linux**: `io_uring` и `O_DIRECT` — Linux-only. Для разработки на macOS использовать fallback на обычный `pread`/`write` без `O_DIRECT`.
- **Выравнивание**: все write буферы и read буферы выровнены по 4096 байт. Value в записи выровнен по 8 байт.
- **Concurrency**: `parking_lot::Mutex` per shard для write path. SkipList — lock-free на `seize` для read path.
- **Сериализация значений**: armdb работает с сырыми байтами. Типизированная обёртка через `rapira`/`zerocopy` — в `armour` crate.
- **Memory reclamation**: единственная система — `seize` (Hyaline algorithm). Используется и для SkipList узлов, и для любых lock-free структур. `scc`/`sdd` не используются.

---

## Encryption at Rest (feature `encryption`)

Шифрование данных на диске за feature flag `encryption` с использованием `ring` crate.

### Принцип

Plaintext в памяти (WriteBuffer, BlockCache, индексы). Шифрование только на границе память ↔ диск.

```
 In-Memory (plaintext)                  On-Disk (encrypted)
┌─────────────────────┐                ┌────────────────────┐
│  WriteBuffer        │──encrypt───→   │  .data files       │
│  (append entries)   │   (page-level  │  (4096B pages,     │
│                     │    AES-256-GCM)│   AES-256-GCM)     │
│  BlockCache         │◀──decrypt────  │                    │
│  (4096B plaintext)  │                │  .tags files       │
│                     │                │  (16B GCM tags     │
│  SkipList / HashMap │                │   per page)        │
│  (index, inline     │                │                    │
│   values for Const) │                │  .hint files       │
└─────────────────────┘                │  (plaintext)       │
                                       └────────────────────┘
```

### Алгоритм

- **AES-256-GCM** — authenticated encryption (AEAD)
- **Гранулярность**: 4096-байтная страница в `.data` файлах
- **Nonce**: `file_id(4 bytes LE) || page_number(8 bytes LE)` = 12 байт. Уникален: файлы append-only, file_id монотонно растёт
- **Tag**: 16 байт GCM authentication tag на страницу, хранится в отдельном `.tags` файле
- **CRC**: остаётся над plaintext (encrypt после CRC на записи, decrypt перед CRC на чтении)

### Overhead

**Без feature flag `encryption`**: zero overhead. Весь encryption код исключён компилятором (`#[cfg(feature = "encryption")]`).

**С флагом, без ключа** (`encryption_key: None`): минимальный overhead — одна проверка `Option::is_some()` на flush/read.

**С флагом и ключом** (`encryption_key: Some([u8; 32])`):

| Операция | Overhead | Детали |
|----------|----------|--------|
| Write (flush) | ~160ns/page | AES-256-GCM encrypt 4096B (~120ns с AES-NI) + tag file write (~40ns) |
| Read (block cache miss) | ~160ns/page | Tag file read (~40ns) + AES-256-GCM decrypt 4096B (~120ns) |
| Read (block cache hit) | 0 | BlockCache хранит plaintext — без decrypt |
| Read (ConstTree/ConstMap) | 0 | Значения inline в памяти — без disk I/O |
| Compaction | ~320ns/page | Decrypt old page + encrypt new page |
| Recovery | ~160ns/page | Decrypt при full scan / hint-based recovery |
| Storage | +0.4% | `.tags` файл: 16B на 4096B страницу |

Для типичного entry (key 16B + value 100B = ~132B entry): ~31 entry на страницу → ~5ns overhead per entry на write, ~5ns per entry на read (cache miss).

### Файлы на диске

```
shard_000/
├── 000001.data      # encrypted 4096-byte pages
├── 000001.tags      # 16-byte GCM tags (один на страницу)
├── 000001.hint      # plaintext (ключи + смещения, без значений)
├── 000002.data
├── 000002.tags
└── 000002.hint
```

Hint-файлы **не шифруются** — содержат ключи и смещения, но не значения.

### Ключ

32-байтный AES-256 ключ задаётся в `Config::encryption_key`. Key derivation — ответственность вызывающего кода. Хелпер `PageCipher::key_from_env("ARMDB_KEY")` читает hex-encoded ключ из переменной окружения.

### db.meta

Файл `db.meta` (1 байт) в корне БД хранит флаг `encrypted: bool`. При открытии:
- Есть флаг `encrypted=true`, но нет ключа → `DbError::Config`
- Нет флага, но есть ключ → `DbError::Config`
- Первое открытие → создаётся `db.meta` с текущим состоянием

### Реализация

| Файл | Назначение |
|------|-----------|
| `crypto.rs` | `PageCipher`: encrypt_page, decrypt_page, key_from_env |
| `io/tags.rs` | `TagFile`: read/write GCM tags по page_number |
| `io/direct.rs` | `pread_value_encrypted`: decrypt при чтении |
| `shard.rs` | Encrypted flush, decrypt on read_block, tag file management |
| `hint.rs` | `generate_hint_data_dyn_encrypted`: чтение из encrypted data files |
| `recovery.rs` | `make_reader` / `encrypted_reader`: decrypt при recovery |
| `compaction.rs` | Decrypt old → encrypt new, tag file lifecycle |
| `engine.rs` | Cipher threading, db.meta validation |

---

## Migrate API

Метод `migrate(callback)` на каждом дереве — обход всех записей при старте с возможностью мутации. Применение: миграции (изменение/удаление структуры записей), построение пользовательских in-memory индексов.

### API

```rust
pub enum MigrateAction<V> {
    Keep,       // оставить без изменений
    Update(V),  // заменить значение (запись в active file)
    Delete,     // удалить (tombstone в active file)
}

// ConstTree / ConstMap — type-safe [u8; V], zero allocation
tree.migrate(|key: &K, value: &[u8; V]| -> MigrateAction<[u8; V]>)

// VarTree / VarMap — ByteView (inline ≤20 bytes, heap для больших)
tree.migrate(|key: &K, value: &[u8]| -> MigrateAction<ByteView>)
```

Возвращает `DbResult<usize>` — количество мутированных записей.

### Алгоритм

**SkipList-деревья (ConstTree, VarTree) — O(1) доп. память:**

Inline apply во время обхода level 0. Безопасно потому что:
- `current = node.tower(0).load(Acquire)` — указатель на следующий узел сохраняется ДО обработки
- `put` на существующий ключ → RCU swap данных, узел остаётся в списке
- `delete` → узел помечен (marked), итератор его пропустит
- `put`/`delete` берут свой seize guard + write_lock внутри, не конфликтуют с read-only обходом

**HashMap-деревья (ConstMap, VarMap) — O(K × N/shards) доп. память:**

Per-shard: собрать только ключи под lock, drop lock, затем для каждого ключа: `get()` → callback → `put()`/`delete()`. Значения не буферизуются.

### Потребление памяти (50M записей × 128 байт, K=16, 8 шардов)

| Дерево | Доп. память |
|--------|-------------|
| ConstTree | 0 |
| VarTree | 0 |
| ConstMap | ~100 MB (ключи одного шарда) |
| VarMap | ~100 MB (ключи одного шарда) |

### Особенности

- ConstTree/ConstMap: zero I/O для чтения значений (всё в памяти)
- VarTree/VarMap: disk I/O через block cache. `migrate()` заполняет кеш автоматически — отдельный `warmup()` не нужен
- Мутации через `put`/`delete` — RCU, dead_bytes, encryption обрабатываются автоматически
- `Fn` callback (не `FnMut`) — для мутабельного состояния использовать `Cell`/`RefCell`

---

## WriteHook — generic parameter для write notifications

Нативная поддержка secondary indexes на уровне storage engine. Hook получает key, old value, new value синхронно при каждой мутации.

### Дизайн

Generic parameter `H: WriteHook<K>` с default `NoHook` — compile-time monomorphization, zero overhead при отсутствии hook.

```rust
pub trait WriteHook<K: FromBytes + IntoBytes + Immutable + Copy + 'static>: Send + Sync {
    /// true → дерево читает old value перед записью.
    /// false → old = None всегда (нет disk read для VarTree/VarMap).
    const NEEDS_OLD_VALUE: bool;

    fn on_write(&self, key: &K, old: Option<&[u8]>, new: Option<&[u8]>);
}

pub struct NoHook; // пустая inline fn → вырезается полностью
```

### Типы с hook parameter

```
ConstTree<K, V, H = NoHook>    ConstMap<K, V, H = NoHook>
VarTree<K, H = NoHook>         VarMap<K, H = NoHook>
```

Ассоциированные типы (`ConstShard`, `VarShard`, `ConstMapShard`, `VarMapShard`, `*PrefixIter`) также параметризованы `H`.

### Zero overhead при NoHook

- `NoHook::NEEDS_OLD_VALUE = false` → ветка чтения old value вырезается компилятором
- `NoHook::on_write()` = пустая `#[inline(always)]` fn → вырезается полностью
- Существующий код (`ConstTree<[u8; 16], 64>` = `ConstTree<[u8; 16], 64, NoHook>`) не меняется

### Hook call sites

| Метод | old value | new value | Hook |
|-------|-----------|-----------|------|
| `put(key, value)` | Если `NEEDS_OLD_VALUE` | `Some(value)` | Да |
| `insert(key, value)` | `None` (ключа не было) | `Some(value)` | Да |
| `delete(key)` | Если `NEEDS_OLD_VALUE` | `None` | Да, если ключ существовал |
| `cas(key, expected, new)` | `Some(expected)` | `Some(new)` | Да |
| `update(key, fn)` | Да (уже читается) | `Some(new)` | Да |
| `atomic(...)` | — | — | Нет (пользователь решает сам) |

Для **ConstTree/ConstMap** old value бесплатен — значения inline в памяти.
Для **VarTree/VarMap** old value = disk read, выполняется только при `H::NEEDS_OLD_VALUE == true`.

### Open methods

```rust
// Без hook (H = NoHook):
ConstTree::<[u8; 16], 64>::open(config)
VarTree::<[u8; 16]>::open(config)
ConstMap::<[u8; 16], 64>::open(config)
VarMap::<[u8; 16]>::open(config)

// С hook:
ConstTree::<[u8; 16], 64, H>::open_hooked(config, hook)
VarTree::<[u8; 16], H>::open_hooked(config, hook)
ConstMap::<[u8; 16], 64, H>::open_hooked(config, hook)
VarMap::<[u8; 16], H>::open_hooked(config, hook)

// С typed key:
VarTree::<PostKey>::open(config)
ConstTree::<PostKey, 64>::open(config)
```

`shard_prefix_bits` задаётся в `Config`. Recovery происходит внутри `open_inner()` — recovery не знает о `H`.

### Пример: secondary index по email

```rust
// Пример с [u8; 16] ключом:
struct EmailIndex {
    by_email: Mutex<HashMap<String, [u8; 16]>>,
}

impl WriteHook<[u8; 16]> for EmailIndex {
    const NEEDS_OLD_VALUE: bool = true;

    fn on_write(&self, key: &[u8; 16], old: Option<&[u8]>, new: Option<&[u8]>) {
        let mut idx = self.by_email.lock();
        if let Some(old_val) = old {
            if let Ok(email) = std::str::from_utf8(&old_val[0..32]) {
                idx.remove(email.trim_end());
            }
        }
        if let Some(new_val) = new {
            if let Ok(email) = std::str::from_utf8(&new_val[0..32]) {
                idx.insert(email.trim_end().to_string(), *key);
            }
        }
    }
}

let index = EmailIndex { by_email: Mutex::new(HashMap::new()) };
let tree = ConstTree::<[u8; 16], 64, EmailIndex>::open_hooked(config, index)?;
```

```rust
// Пример с typed key:
#[derive(FromBytes, IntoBytes, Immutable, Copy, Clone)]
#[repr(C)]
struct UserId([u8; 16]);

struct UserActivityIndex {
    active_users: Mutex<HashSet<UserId>>,
}

impl WriteHook<UserId> for UserActivityIndex {
    const NEEDS_OLD_VALUE: bool = false;

    fn on_write(&self, key: &UserId, _old: Option<&[u8]>, new: Option<&[u8]>) {
        if new.is_some() {
            self.active_users.lock().insert(*key);
        }
    }
}

let hook = UserActivityIndex { active_users: Mutex::new(HashSet::new()) };
let tree = VarTree::<UserId, UserActivityIndex>::open_hooked(config, hook)?;
```