Lightweight In-Memory Key-Value Store (C++)

📖 Project Overview

Lightweight In-Memory Key-Value Store는 리눅스 환경에서 대용량 데이터를 메모리상에서 빠르게 처리할 수 있도록 설계된 경량 데이터베이스 엔진입니다.

Redis의 아키텍처를 모티브로 하여 C++로 직접 구현하였으며, PUT, GET, DELETE 등 핵심 기능을 자료구조 레벨에서 최적화했습니다. 단순한 기능 구현을 넘어, 디스크 지속성(Persistence) 기능을 통해 프로그램 종료 후에도 데이터가 유실되지 않도록 설계하여 시스템 안정성과 데이터 무결성을 확보했습니다.

---

🚀 Key Features

• High Performance: 해시 테이블(Hash Table) 기반의 $O(1)$ 시간 복잡도를 가지는 빠른 데이터 검색 및 저장.
• Data Persistence: 메모리(RAM)에 있는 데이터를 디스크(File)로 저장(Flush)하고, 재시작 시 복구(Load)하는 기능 구현.
• Collision Handling: Chaining 기법을 적용하여 해시 충돌(Hash Collision) 발생 시에도 데이터 유실 없이 안정적으로 저장.
• Command Interface: 사용자가 직관적으로 명령어를 입력할 수 있는 CLI(Command Line Interface) 환경 제공.
• Memory Management: RAII 패턴 및 소멸자(Destructor)를 활용한 철저한 메모리 누수(Memory Leak) 방지.

---

🛠 Architecture

graph LR
    A["User / Client"] -->|"Command (PUT/GET)"| B("Query Processor")
    B -->|Operation| C{"KV Engine (Hash Map)"}
    C -->|"Read/Write"| D["RAM (Memory)"]
    C -->|"Flush/Load"| E["Disk (File System)"]

Loading

1. Query Processor: 사용자의 입력 명령어를 파싱하여 엔진에 전달합니다.
2. KV Engine: 해시 함수를 통해 데이터가 저장될 버킷(Bucket)의 인덱스를 계산합니다.
3. Persistence Layer: 프로그램 종료 시 메모리 상의 데이터를 파일(data.db)로 직렬화(Serialization)하여 저장합니다.

---

💻 Tech Stack

• Language: C++ (C++14 Standard)
• OS: Linux (Ubuntu 20.04+)
• Data Structure: Custom Hash Map (Linked List for Chaining)
• Build Tool: GNU Make (Makefile)

---

📂 Directory Structure

KVStore_Engine/
├── include/
│   └── KVStore.h      # 클래스 선언 및 자료구조 정의
├── src/
│   ├── main.cpp       # 메인 엔트리 (CLI 인터페이스)
│   └── KVStore.cpp    # PUT/GET/DELETE 및 파일 입출력 로직   
├── obj/               # 빌드된 오브젝트 파일 (.o)
├── data/              # 데이터 저장소 (persistence file)
├── Makefile           # 빌드 자동화 스크립트
└── README.md          # 프로젝트 문서

---

🔧 How to Build & Run

1. Build

make 명령어를 통해 소스 코드를 컴파일합니다.

$ make
# 빌드 완료! ./kv_engine 으로 실행하세요.

2. Run

빌드된 엔진을 실행하면 CLI 모드로 진입합니다.

$ ./kv_engine

3. Usage Example

[CMD] GET banana -> 결과: 바나나
[Info] 삭제 완료: apple
[CMD] REMOVE apple
[CMD] GET apple -> 결과: (없음)
---모든 작업 완료---

=== [최종 저장소 상태 Dump] ===
Bucket [9] : {banana : 바나나}
Bucket [79] : {computer : 컴퓨터}
=====================================

[System] 메모리 해제 완료

---

🔍 Implementation Details (For Interview)

1. Hash Collision Resolution (Chaining)

해시 테이블의 충돌 문제를 해결하기 위해 Chaining(연결 리스트) 방식을 채택했습니다.

• 충돌 발생 시, 해당 버킷의 Linked List 뒤에 노드를 추가하는 방식으로 구현하여 데이터 유실을 원천 차단했습니다.
• 이를 통해 최악의 경우(Worst Case) $O(N)$이지만, 평균적으로 $O(1)$의 조회 성능을 유지하도록 설계했습니다.

2. Custom File Persistence

C++의 fstream을 활용하여 메모리 데이터를 디스크로 덤프(Dump)하는 기능을 구현했습니다.

• 직렬화(Serialization): Key_Length + Key + Value_Length + Value 형태의 바이너리 포맷으로 저장하여, 저장 용량을 최적화하고 파싱 속도를 높였습니다.

3. Memory Safety

C++ 프로젝트의 핵심인 메모리 관리를 위해, 프로그램 종료 시 해시 테이블의 모든 노드를 순회하며 delete 하는 소멸자를 명시적으로 구현하여 **Valgrind 테스트 시 메모리 누수 0(Zero)**를 달성했습니다.

---

👤 Author

• Name: Jeong Gwan-il
• Role: Backend & System Software Developer
• Contact: jeonggwanil@gmail.com