關(guān)于SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)的工作原理介紹干貨分享！

數(shù)據(jù)庫(kù)是構(gòu)建軟件系統(tǒng)的重要組成部分，用于高效地存儲(chǔ)和讀取數(shù)據(jù)。在這里，我們將使用 SQLite 的早期版本來(lái)討論數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的一些架構(gòu)細(xì)節(jié)。

SQLite 是一個(gè)小型數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序，用于數(shù)百萬(wàn)個(gè)軟件和設(shè)備。SQLite 是由 D.Richard Hipp 于 2000 年 8 月發(fā)明的。SQLite 是一種高性能、輕量級(jí)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。如果您愿意在編碼級(jí)別學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，那么 SQLite 是最好的開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)，它具有高度可讀的源代碼和大量文檔。閱讀更高版本的 SQLite 變得有點(diǎn)困難，因?yàn)樗S多新功能。為了理解數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部的基本實(shí)現(xiàn)，你應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有很好的了解，一些關(guān)于計(jì)算理論的知識(shí)，以及操作系統(tǒng)是如何工作的。

在這里，我們將研究 SQLite 2.5.0 版本。您可以在GitHub上找到SQLite 后端的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。 另外，我發(fā)現(xiàn)這個(gè)存儲(chǔ)庫(kù) 包含用于代碼讀取的 SQLite 2.5.0 實(shí)現(xiàn)。

什么是數(shù)據(jù)庫(kù)？

將數(shù)據(jù)保存在平面文件中讀取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的效率不高。數(shù)據(jù)庫(kù)以適當(dāng)?shù)捻樞蚪M織數(shù)據(jù)，以便數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入速度更快。數(shù)據(jù)可以是結(jié)構(gòu)化的、半結(jié)構(gòu)化的或非結(jié)構(gòu)化的。數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。可以根據(jù)要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行如下挖掘。

1. 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)：常用的具有表結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)類(lèi)型。表可以與其他表有關(guān)系。SQL 語(yǔ)言用于操作此類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)上的數(shù)據(jù)。
2. 鍵值數(shù)據(jù)庫(kù)：與關(guān)聯(lián)的鍵一起存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)?？梢允褂媒o定的鍵檢索數(shù)據(jù)。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)通常是這種類(lèi)型的數(shù)據(jù)庫(kù)。
3. 對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更像是一個(gè)對(duì)象而不是一個(gè)表。
4. 圖數(shù)據(jù)庫(kù)：圖數(shù)據(jù)庫(kù)是節(jié)點(diǎn)和邊的集合，主要用于數(shù)據(jù)挖掘和社交媒體應(yīng)用程序。

SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)

SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)分為兩個(gè)不同的部分，分別命名為核心和后端。核心部分包含接口、分詞器、解析器、代碼生成器和虛擬機(jī)，它們?yōu)閿?shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)創(chuàng)建執(zhí)行順序。后端包含 B-tree、Pager 和 OS 接口來(lái)訪問(wèn)文件系統(tǒng)。Tokenizer、Parser 和代碼生成器統(tǒng)稱為編譯器，它生成一組運(yùn)行在虛擬機(jī)上的操作碼。

從哪里開(kāi)始？

要了解數(shù)據(jù)庫(kù)的架構(gòu)，您需要具備以下先決條件。

1. 對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法有很好的理解。尤其是 B 樹(shù)、鏈表、Hashmaps 等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
2. 對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)有一定的了解。如何讀寫(xiě)磁盤(pán)，分頁(yè)和緩存如何工作。
3. 有限自動(dòng)機(jī)、上下文無(wú)關(guān)語(yǔ)法等理論計(jì)算機(jī)和一些正則表達(dá)式知識(shí)。

SQLite 架構(gòu)

VFS（虛擬文件系統(tǒng)）

Unix 和 Windows 上的文件訪問(wèn)彼此不同。VFS 提供通用 API 來(lái)訪問(wèn)文件，而無(wú)需考慮其運(yùn)行的操作系統(tǒng)類(lèi)型。該 API 包括打開(kāi)、讀取、寫(xiě)入和關(guān)閉文件的函數(shù)。以下是 VFS 中用于讀取、寫(xiě)入數(shù)據(jù)到文件中的一些 API。

/* 
Create a connection to file to read write 
zFilename : file name 
id : file pointer 
pReadonly : read or write 
*/
int sqliteOsOpenReadWrite(const char *zFilename, OsFile *id,int *pReadonly);
/* 
Acqure the lock to read file. This function should be 
called before caling to any file read function. 
Return 0 if success
id : file pointer 
*/
int sqliteOsReadLock(OsFile *id);
/* 
Get the write lock to write into a file. This function should called before
doing any write operation into the file system.
Return 0 if success
id : file pointer
*/
int sqliteOsWriteLock(OsFile *id);
/* 
Move to the given number of offest to read or write into the file
*/
int sqliteOsSeek(OsFile *id, int offset);
/* 
Read amt bytes from the file with offset pointed by sqliteOsSeek
*/
int sqliteOsRead(OsFile *id, void *pBuf, int amt);
/* 
Write amt bytes from the pBuf into the file
*/
int sqliteOsWrite(OsFile *id, const void *pBuf, int amt);

在這里，您可以使用 sqliteOpenReadWrite 函數(shù)開(kāi)始使用文件。此函數(shù)為您提供一個(gè)指向文件的指針，該文件可用于讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。接下來(lái)，應(yīng)該在執(zhí)行任何讀寫(xiě)操作之前獲取鎖。如果它只是一個(gè)讀操作，那么應(yīng)該獲取讀鎖。應(yīng)該為讀和寫(xiě)事務(wù)獲取寫(xiě)鎖。 

然后可以通過(guò)將文件的偏移量提供給 sqliteOsSeek 函數(shù)來(lái)查找位置來(lái)完成讀寫(xiě)。偏移量是從文件的起點(diǎn)到數(shù)據(jù)應(yīng)該寫(xiě)入或讀取的位置的字節(jié)數(shù)。

Pager

頁(yè)是文件系統(tǒng)上數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)的最小單位。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)需要從文件中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)將它作為一個(gè)頁(yè)面來(lái)請(qǐng)求。一旦頁(yè)面被加載到數(shù)據(jù)庫(kù)引擎中，如果它經(jīng)常訪問(wèn)它的緩存，它就可以存儲(chǔ)該頁(yè)面。頁(yè)數(shù)從一頁(yè)開(kāi)始編號(hào)。第一個(gè)頁(yè)面稱為根頁(yè)面。頁(yè)的大小是恒定的。

/*
Open pager with the given file name
*/
int sqlitepager_open(Pager **ppPager,const char *zFilename,int nPage,int nEx);
/*
Get page specified by the page number
*/
int sqlitepager_get(Pager *pPager, Pgno pgno, void **ppPage);
/*
Start to write data into a page specified in pData
*/
int sqlitepager_write(void *pData);
/*
Commit page changes into the file
*/
int sqlitepager_commit(Pager*);
/*
Close the connection to the file
*/
int sqlitepager_close(Pager *pPager);

Btree

Btree 是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于根據(jù)數(shù)據(jù)的值將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為樹(shù)。BTree 最簡(jiǎn)單的形式是二叉樹(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)使用 Btree 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)索引以提高數(shù)據(jù)庫(kù)的性能。Btree 的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含一個(gè)用于索引的鍵列表?？梢詾楸碇械拿恳涣袆?chuàng)建 Btree 索引。每個(gè) Btree 都有根頁(yè)面，這是任何 Btree 搜索的起點(diǎn)。

為了指向 Btree 上的一行，使用了稱為“Cursor”的特殊指針。游標(biāo)用于指向一個(gè)記錄，該記錄由頁(yè)面 id 和偏移量指定，稱為 idx。SQLite 將數(shù)據(jù)庫(kù)模式存儲(chǔ)在稱為“master_table”的表上。master_table 總是存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)的第一頁(yè)上。 

了解更多關(guān)于SQLite的B樹(shù)的設(shè)計(jì)在這個(gè)文章。

/*
Open file connection to a page file name specified by zFileName with 
nCache size cache
*/
int sqliteBtreeOpen(const char *zFilename, int mode, int nCache, Btree **ppBtree)
/*
Start transaction. This function should called before any btree modification 
operations
*/
int sqliteBtreeBeginTrans(Btree *pBt)
/*
Insert key pKey with nKey byte and value pData with nData byte put 
into the Btree
*/
int sqliteBtreeInsert(BtCursor *pCur, const void *pKey, int nKey, 
                      const void *pData, int nData)
/*
Write data into the file
*/
int sqliteBtreeCommit(Btree *pBt)
/*
Move cursor to the matching pKey with nKey bytes
*/
int sqliteBtreeMoveto(BtCursor *pCur, const void *pKey, int nKey, int *pRes)

VDBE（虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)引擎）

VDBE 是運(yùn)行一組操作的虛擬機(jī)，由代碼生成器生成。包括插入、刪除、更新、選擇在內(nèi)的所有 SQL 命令都轉(zhuǎn)換成一組操作碼，然后在虛擬機(jī)上運(yùn)行。每個(gè)操作碼包含三個(gè)名為 p1、p2 和 p3 的輸入。您可以將此輸入視為函數(shù)的輸入。

下面我為以下 SQL 選擇語(yǔ)句添加了示例執(zhí)行操作碼堆棧。PC 是程序計(jì)數(shù)器的指令 ID。 對(duì)我來(lái)說(shuō)，SQLite 中最有趣的事情是我可以通過(guò)在 SQL 查詢的開(kāi)頭附加“explain”關(guān)鍵字來(lái)查看給定 SQL 代碼的一組 VBDE 操作碼指令。

explain select * from foo;

編譯器

Tokenizer、Parser 和 Code Generator 統(tǒng)稱為編譯器，可生成在 VBDE 上運(yùn)行的操作碼集。Tokenizer 通過(guò)掃描 SQL 代碼生成一組令牌。然后，它驗(yàn)證語(yǔ)法并生成解析樹(shù)。Lemon 解析器用于通過(guò)預(yù)定義的上下文無(wú)關(guān)語(yǔ)法來(lái)解析給定的 SQL 代碼。代碼生成器將這個(gè)解析樹(shù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)用 SQLite 操作碼編寫(xiě)的小程序。

結(jié)論

SQLite 是一種簡(jiǎn)單、輕量級(jí)、高性能的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，廣泛用于軟件設(shè)計(jì)。SQLite 的早期版本是用簡(jiǎn)單的架構(gòu)和高度可讀的代碼編寫(xiě)的。Pager 提供了一個(gè)抽象層，將數(shù)據(jù)作為固定大小的塊讀寫(xiě)到文件系統(tǒng)中。而 Btree 提供了一種在內(nèi)存中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的高效方式，以更快地訪問(wèn)數(shù)據(jù)。當(dāng) SQL 進(jìn)入 SQLite 時(shí)，它??會(huì)將 SQL 轉(zhuǎn)換為 SQLite 機(jī)器碼并在 VBDE 上運(yùn)行。結(jié)果通過(guò) API 返回給用戶。