SQLite入门与分析(三)---内核概述(2)

写在前面:本节是前一节内容的后续部分，这两节都是从全局的角度SQLite内核各个模块的设计和功能。只有从全局上把握SQLite，才会更容易的理解SQLite的实现。SQLite采用了层次化，模块化的设计，而这些使得它的可扩展性和可移植性非常强。而且SQLite的架构与通用DBMS的结构差别不是很大，所以它对于理解通用DBMS具有重要意义。好了，下面我们开始讨论SQLite剩余的两部分：Back-end(后端)和compiler(编译器)。

2、B-tree和Pager
B-Tree使得VDBE可以在O(logN)下查询，插入和删除数据，以及O(1)下双向遍历结果集。B-Tree不会直接读写磁盘，它仅仅维护着页面(pages)之间的关系。当B-TREE需要页面或者修改页面时，它就会调用Pager。当修改页面时，pager保证原始页面首先写入日志文件，当它完成写操作时，pager根据事务状态决定如何做。B-tree不直接读写文件，而是通过page cache这个缓冲模块读写文件对于性能是有重要意义的（注：这和操作系统读写文件类似，在Linux中,操作系统的上层模块并不直接调用设备驱动读写设备，而是通过一个高速缓冲模块调用设备驱动读写文件,并将结果存到高速缓冲区）。

2.1、数据库文件格式（Database File Format）
数据库中所有的页面都按从1开始顺序标记。一个数据库由许多B-tree构成——每一个表和索引都有一个B-tree（注：索引采用B-tree，而表采用B+tree，这主要是表和索引的需求不同以及B-tree和B+tree的结构不同决定的：B+tree的所有叶子节点包含了全部关键字信息，而且可以有两种顺序查找——具体参见《数据结构》，严蔚敏。而B-tree更适合用来作索引）。所有表和索引的根页面都存储在sqlite_master表中。
数据库中第一个页面（page 1）有点特殊，page 1的前100个字节包含一个描述数据库文件的特殊的文件头。它包括库的版本，模式的版本，页面大小，编码等所有创建数据库时设置的参数。这个特殊的文件头的内容在btree.c中定义，page 1也是sqlite_master表的根页面。

2.1、页面重用及回收(Page Reuse and Vacuum )
SQLite利用一个空闲列表(free list)进行页面回收。当一个页面的所有记录都被删除时，就被插入到该列表。当运行VACUUM命令时，会清除free list，所以数据库会缩小，本质上它是在新的文件重新建立数据库，而所有使用的页在都被拷贝过去，而free list却不会，结果就是一个新的，变小的数据库。当数据库的autovacuum开启时，SQLite不会使用free list，而且在每一次commit时自动压缩数据库。

2.2、B-Tree记录
B-tree中页面由B-tree记录组成，也叫做payloads。每一个B-tree记录，或者payload有两个域：关键字域(key field)和数据域(data field)。Key field就是ROWID的值，或者数据库中表的关键字的值。从B-tree的角度，data field可以是任何无结构的数据。数据库的记录就保存在这些data fields中。B-tree的任务就是排序和遍历，它最需要就是关键字。Payloads的大小是不定的，这与内部的关键字和数据域有关，当一个payload太大不能存在一个页面内进便保存到多个页面。

B+Tree按关键字排序，所有的关键字必须唯一。表采用B+tree，内部页面不包含数据，如下：

B+tree中根页面(root page)和内部页面(internal pages)都是用来导航的，这些页面的数据域都是指向下级页面的指针，仅仅包含关键字。所有的数据库记录都存储在叶子页面(leaf pages)内。在叶节点一级，记录和页面都是按照关键字的顺序的，所以B-tree可以水平方向遍历，时间复杂度为O(1)。

2.3、记录和域（Records and Fields）
位于叶节点页面的数据域的记录由VDBE管理，数据库记录以二进制的形式存储，但有一定的数据格式。记录格式包括一个逻辑头（logical header）和一个数据区(data segment)，header segment包括header的大小和一个数据类型数组，数据类型用来在data segment的数据的类型，如下：

2.4、层次数据组织(Hierarchical Data Organization)

从上往下，数据越来越无序，从下向上，数据越来越结构化.

2.5、B-Tree API
B-Tree模块有它自己的API，它可以独立于C API使用。另一个特点就是它支持事务。由pager处理的事务，锁和日志都是为B-tree服务的。根据功能可以分为以下几类：
2.5.1、访问和事务函数
sqlite3BtreeOpen: Opens a new database file. Returns a B-tree object.
sqlite3BtreeClose: Closes a database.
sqlite3BtreeBeginTrans: Starts a new transaction.
sqlite3BtreeCommit: Commits the current transaction.
sqlite3BtreeRollback: Rolls back the current transaction.
sqlite3BtreeBeginStmt: Starts a statement transaction.
sqlite3BtreeCommitStmt: Commits a statement transaction.
sqlite3BtreeRollbackStmt: Rolls back a statement transaction.

2.5.2、表函数
sqlite3BtreeCreateTable: Creates a new, empty B-tree in a database file. 
sqlite3BtreeDropTable: Destroys a B-tree in a database file.
sqlite3BtreeClearTable: Removes all data from a B-tree, but keeps the B-tree intact.
2.5.3、游标函数(Cursor Functions)
sqlite3BtreeCursor: Creates a new cursor pointing to a particular B-tree. 
sqlite3BtreeCloseCursor: Closes the B-tree cursor.
sqlite3BtreeFirst: Moves the cursor to the first element in a B-tree.
sqlite3BtreeLast: Moves the cursor to the last element in a B-tree.
sqlite3BtreeNext: Moves the cursor to the next element after the one it is currently 
       pointing to.
sqlite3BtreePrevious: Moves the cursor to the previous element before the one it is 
      currently pointing to.

sqlite3BtreeMoveto: Moves the cursor to an element that matches the key value passed  in as a parameter.

2.5.4、记录函数(Record Functions)
sqlite3BtreeDelete: Deletes the record that the cursor is pointing to.
sqlite3BtreeInsert: Inserts a new element in the appropriate place of the B-tree.
sqlite3BtreeKeySize: Returns the number of bytes in the key of the record that the 
              cursor is pointing to.
sqlite3BtreeKey: Returns the key of the record the cursor is currently pointing to.
sqlite3BtreeDataSize: Returns the number of bytes in the data record that the cursor is 
              currently pointing to.
sqlite3BtreeData: Returns the data in the record the cursor is currently pointing to.

2.5.5、配置函数(Configuration Functions)
sqlite3BtreeSetCacheSize: Controls the page cache size as well as the synchronous 
            writes (as defined in the synchronous pragma).
sqlite3BtreeSetSafetyLevel: Changes the way data is synced to disk in order to increase 
           or decrease how well the database resists damage due to OS crashes and power     failures. 
           Level 1 is the same as asynchronous (no syncs() occur and there is a high probability of 
           damage). This is the equivalent to pragma synchronous=OFF. Level 2 is the default. There 
           is a very low but non-zero probability of damage. This is the equivalent to pragma 
           synchronous=NORMAL. Level 3 reduces the probability of damage to near zero but with a 
           write performance reduction. This is the equivalent to pragma synchronous=FULL.
sqlite3BtreeSetPageSize: Sets the database page size.
sqlite3BtreeGetPageSize: Returns the database page size.
sqlite3BtreeSetAutoVacuum: Sets the autovacuum property of the database.
sqlite3BtreeGetAutoVacuum: Returns whether the database uses autovacuum.
sqlite3BtreeSetBusyHandler: Sets the busy handler
2.6、实例分析
最后以sqlite3_open的具体实现结束本节的讨论(参见Version 3.6.10的源码)：

由上图可以知道，SQLite的所有IO操作，最终都转化为操作系统的系统调用(一名话：DBMS建立在痛苦的OS之上)。同时也可以看到SQLite的实现非常的层次化，模块化，使得SQLite更易扩展，可移植性非常强。

3、编译器（Compiler）
3.1、分词器(Tokenizer)
接口把要执行的SQL语句传递给Tokenizer,Tokenizer按照SQL的词法定义把它切分一个一个的词，并传递给分析器(Parser)进行语法分析。分词器是手工写的，主要在Tokenizer.c中实现。
3.2、分析器(Parser)
SQLite的语法分析器是用Lemon——一个开源的LALR(1)语法分析器的生成器，生成的文件为parser.c。
一个简单的语法树：
 SELECT rowid, name, season FROM episodes WHERE rowid=1 LIMIT 1

3.3、代码生成器（Code Generator）
代码生成器是SQLite中取庞大，最复杂的部分。它与Parser关系紧密，根据语法分析树生成VDBE程序执行SQL语句的功能。由诸多文件构成：select.c,update.c,insert.c,delete.c,trigger.c,where.c等文件。这些文件生成相应的VDBE程序指令，比如SELECT语句就由select.c生成。下面是一个读操作中打开表的代码的生成实现：
/* Generate code that will open a table for reading.
*/
void sqlite3OpenTableForReading(
  Vdbe *v,        /* Generate code into this VDBE */
  int iCur,       /* The cursor number of the table */
  Table *pTab     /* The table to be opened */
){
  sqlite3VdbeAddOp(v, OP_Integer, pTab->iDb, 0);
  sqlite3VdbeAddOp(v, OP_OpenRead, iCur, pTab->tnum);
  VdbeComment((v, "# %s", pTab->zName));
  sqlite3VdbeAddOp(v, OP_SetNumColumns, iCur, pTab->nCol);
}
Sqlite3vdbeAddOp函数有三个参数：（1）VDBE实例（它将添加指令），（2）操作码（一条指令），（3）两个操作数。

3.4、查询优化
代码生成器不仅负责生成代码，也负责进行查询优化。主要的实现位于where.c中，生成的WHERE语句块通常被其它模块共享，比如select.c，update.c以及delete.c。这些模块调用sqlite3WhereBegin()开始WHERE语句块的指令生成，然后加入它们自己的VDBE代码返回，最后调用sqlite3WhereEnd()结束指令生成，如下：