SQLite 设计与概念

红太狼 2022-07-26 12:18 194阅读 0赞

写在前面:谢谢各位的关注,没想到会有这么多人关注。高兴的同时，也感到压力，因为我接触SQLite也就几天，也没在实际开发中用过，只是最近项目的需求才来研究它，所以我很担心自己的文章是否会有错误，误导别人。但是我很想把自己的学习成果与大家分享，所以如果大家觉得我有不对的地方，望不吝赐教。  
我原打算直接从VDBE入手的，因为它起着承上启下的作用，是整个SQLite的核心，并分析源码，但考虑到这是一个系列的文章，我希望能把问题说全，所以还是从基本概念入手，对于初学者，如果没有这些概念，是很继续下去的。好了，下面开始第二章，由于这一章内容很多，我将分两部分讨论，下面开始第一部分。

1、 API  
由两部分组成: 核心API(core API) 和扩展API（extension API）  
核心API的函数实现基本的数据库操作：连接数据库，处理SQL，遍历结果集。它也包括一些实用函数，比如字符串转换，操作控制，调试和错误处理。  
扩展API通过创建你自定义的SQL函数去扩展SQLite。

1.1、SQLite Version 3的一些新特点：  
(1)SQLite的API全部重新设计，由第二版的15个函数增加到88个函数。这些函数包括支持UTF-8和UTF-16编码的功能函数。  
(2)改进并发性能。加锁子系统引进一种锁升级模型(lock escalation model)，解决了第二版的写进程饿死的问题(该问题是任何一个DBMS必须面对的问题)。这种模型保证写进程按照先来先服务的算法得到排斥锁(Exclusive Lock)。甚至，写进程通过把结果写入临时缓冲区(Temporary Buffer)，可以在得到排斥锁之前就能开始工作。这对于写要求较高的应用，性能可提高400%（引自参考文献）。  
(3)改进的B-树。对于表采用B+树，大大提高查询效率。  
(4)SQLite 3最重要的改变是它的存储模型。由第二版只支持文本模型，扩展到支持5种本地数据类型。  
总之，SQLite Version 3与SQLite Vertion 2有很大的不同，在灵活性，特点和性能方面有很大的改进。

1.2、主要的数据结构(The Principal Data Structures)  
SQLite由很多部分组成－parser,tokenize,virtual machine等等。但是从程序员的角度，最需要知道的是:connection, statements, B-tree和pager。它们之间的关系如下：

![sqlite02-1.JPG][]

上图告诉我们在编程需要知道的三个主要方面：API,事务(Transaction)和锁(Locks)。从技术上来说，B-tree和pager不是API的一部分。但是它们却在事务和锁上起着关键作用（稍后将讨论）。

1.3、Connections和Statements  
Connection和statement是执行SQL命令涉及的两个主要数据结构，几乎所有通过API进行的操作都要用到它们。一个连接(Connection)代表在一个独立的事务环境下的一个连接A (connection represents a single connection to a database as well as a single transaction context)。每一个statement都和一个connection关联，它通常表示一个编译过的SQL语句，在内部，它以VDBE字节码表示。Statement包括执行一个命令所需要一切，包括保存VDBE程序执行状态所需的资源，指向硬盘记录的B-树游标，以及参数等等。

1.4、B-tree和pager  
一个connection可以有多个database对象---一个主要的数据库以及附加的数据库，每一个数据库对象有一个B-tree对象，一个B-tree有一个pager对象(这里的对象不是面向对象的“对象”，只是为了说清楚问题)。  
Statement最终都是通过connection的B-tree和pager从数据库读或者写数据，通过B-tree的游标(cursor)遍历存储在页面(page)中的记录。游标在访问页面之前要把数所从disk加载到内存，而这就是pager的任务。任何时候，如果B-tree需要页面，它都会请求pager从disk读取数据，然后把页面(page)加载到页面缓冲区(page cache)，之后，B-tree和与之关联的游标就可以访问位于page中的记录了。  
如果cursor改变了page，为了防止事务回滚，pager必须采取特殊的方式保存原来的page。总的来说，pager负责读写数据库，管理内存缓存和页面（page），以及管理事务，锁和崩溃恢复(这些在事务一节会详细介绍)。  
总之，关于connection和transaction，你必须知道两件事：  
(1) 对数据库的任何操作，一个连接存在于一个事务下。  
(2) 一个连接决不会同时存在多个事务下。  
whenever a connection does anything with a database, it always operates under exactly one  
transaction, no more, no less.

1.5、核心API

核心API 主要与执行SQL命令有关，本质上有两种方法执行SQL语句：prepared query 和wrapped query。Prepared query由三个阶段构成：preparation，execution和finalization。其实wrapped query只是对prepared query的三个过程包装而已，最终也会转化为prepared query的执行。

1.5.1、连接的生命周期(The Connection Lifecycle)  
和大多数据库连接相同，由三个过程构成：  
（1） 连接数据库(Connect to the database)：  
每一个SQLite数据库都存储在单独的操作系统文件中，连接，打开数据库的C API为：sqlite3\_open()，它的实现位于main.c文件中，如下：  
int sqlite3\_open(const char \*zFilename, sqlite3 \*\*ppDb)  
\{  
return openDatabase(zFilename, ppDb, SQLITE\_OPEN\_READWRITE | SQLITE\_OPEN\_CREATE, 0);  
\}  
当连接一个在磁盘上的数据库，如果数据库文件存在，SQLite打开一个文件；如果不存在，SQLite会假定你想创建一个新的数据库。在这种情况下，SQLite不会立即在磁盘上创建一个文件，只有当你向数据库写入数据时才会创建文件，比如：创建表、视图或者其它数据库对象。如果你打开一个数据，不做任何事，然后关闭它，SQLite会创建一个文件，只是一个空文件而已。  
另外一个不立即创建一个新文件的原因是，一些数据库的参数，比如：编码，页面大小等，只在在数据库创建前设置。默认情况下，页面大小为1024字节，但是你可以选择512-32768字节之间为 2幂数的数字。有些时候，较大的页面能更有效的处理大量的数据。  
（2） 执行事务(Perform transactions)：  
all commands are executed within transactions。默认情况下，事务自动提交，也就是每一个SQL语句都在一个独立的事务下运行。当然也可以通过使用BEGIN..COMMIT手动提交事务。  
（3） 断开连接(Disconnect from the database)：  
主要是关闭数据库的文件。

1.5.2、执行Prepared Query  
前面提到，预处理查询(Prepared Query)是SQLite执行所有SQL命令的方式，包括以下三个过程：  
(1) Prepared Query：  
分析器（parser），分词器(tokenizer)和代码生成器(code generator)把SQL Statement编译成VDBE字节码，编译器会创建一个statement句柄(sqlite3\_stmt)，它包括字节码以及其它执行命令和遍历结果集的所有资源。  
相应的C API为sqlite3\_prepare()，位于prepare.c文件中，如下：  
int sqlite3\_prepare(  
sqlite3 \*db, /\* Database handle. \*/  
const char \*zSql, /\* UTF-8 encoded SQL statement. \*/  
int nBytes, /\* Length of zSql in bytes. \*/  
sqlite3\_stmt \*\*ppStmt, /\* OUT: A pointer to the prepared statement \*/  
const char \*\*pzTail /\* OUT: End of parsed string \*/  
)\{  
int rc;  
rc = sqlite3LockAndPrepare(db,zSql,nBytes,0,ppStmt,pzTail);  
assert( rc==SQLITE\_OK || ppStmt==0 || \*ppStmt==0 ); /\* VERIFY: F13021 \*/  
return rc;  
\}  
(2) Execution：  
虚拟机执行字节码，执行过程是一个步进(stepwise)的过程，每一步(step)由sqlite3\_step()启动，并由VDBE执行一段字节码。由sqlite3\_prepare编译字节代码，并由sqlite3\_step()启动虚拟机执行。在遍历结果集的过程中，它返回SQLITE\_ROW，当到达结果末尾时，返回SQLITE\_DONE。  
(3) Finalization：  
VDBE关闭statement，释放资源。相应的C API为sqlite3\_finalize()。

通过下图可以更容易理解该过程：

![sqlite02-2.JPG][]

最后以一个具体的例子结束本节，下节讨论事务。

\#include  < stdio.h >   
\#include  < stdlib.h >   
\#include  " sqlite3.h "   
  
\#include  < string .h >   
  
 int  main( int  argc,  char  \*\* argv)  
\{  
 int  rc, i, ncols;  
sqlite3  \* db;  
sqlite3\_stmt  \* stmt;  
 char  \* sql;  
 const  char  \* tail;  
 // 打开数据   
  rc  =  sqlite3\_open( " foods.db " ,  & db);  
  
 if (rc) \{  
fprintf(stderr,  " Can't open database: %s\\n " , sqlite3\_errmsg(db));  
sqlite3\_close(db);  
exit( 1 );  
\}  
  
sql  =  " select \* from episodes " ;  
 // 预处理   
  rc  =  sqlite3\_prepare(db, sql, ( int )strlen(sql),  & stmt,  & tail);  
  
 if (rc  !=  SQLITE\_OK) \{  
fprintf(stderr,  " SQL error: %s\\n " , sqlite3\_errmsg(db));  
\}  
  
rc  =  sqlite3\_step(stmt);  
ncols  =  sqlite3\_column\_count(stmt);  
  
 while (rc  ==  SQLITE\_ROW) \{  
  
 for (i = 0 ; i  <  ncols; i \++ ) \{  
fprintf(stderr,  " '%s'  " , sqlite3\_column\_text(stmt, i));  
\}  
  
fprintf(stderr,  " \\n " );  
  
rc  =  sqlite3\_step(stmt);  
\}  
 // 释放statement   
  sqlite3\_finalize(stmt);  
 // 关闭数据库   
  sqlite3\_close(db);  
  
 return  0 ;  
\}

[/Files/hustcat/2008/Learn.rar][Files_hustcat_2008_Learn.rar]

2、 事务(Transaction)

2.1、事务的周期(Transaction Lifecycles)  
程序与事务之间有两件事值得注意：  
（1） 哪些对象在事务下运行——这直接与API有关。  
（2） 事务的生命周期，即什么时候开始，什么时候结束以及它在什么时候开始影响别的连接（这点对于并发性很重要）——这涉及到SQLite的具体实现。  
一个连接（connection）可以包含多个(statement)，而且每个连接有一个与数据库关联的B-tree和一个pager。Pager在连接中起着很重要的作用，因为它管理事务、锁、内存缓存以及负责崩溃恢复(crash recovery)。当你进行数据库写操作时，记住最重要的一件事：在任何时候，只在一个事务下执行一个连接。这些回答了第一个问题。  
一般来说，一个事务的生命和statement差不多，你也可以手动结束它。默认情况下，事务自动提交，当然你也可以通过BEGIN..COMMIT手动提交。接下来就是锁的问题。  
  
2.2、锁的状态(Lock States)  
锁对于实现并发访问很重要，而对于大型通用的DBMS，锁的实现也十分复杂，而SQLite相对较简单。通常情况下，它的持续时间和事务一致。一个事务开始，它会先加锁，事务结束，释放锁。但是系统在事务没有结束的情况下崩溃，那么下一个访问数据库的连接会处理这种情况。  
在SQLite中有5种不同状态的锁，连接（connection）任何时候都处于其中的一个状态。下图显示了相应的状态以及锁的生命周期。  
![sqlite02-3.JPG][]  
关于这个图有以下几点值得注意：  
（1） 一个事务可以在UNLOCKED，RESERVED或EXCLUSIVE三种状态下开始。默认情况下在UNLOCKED时开始。  
（2） 白色框中的UNLOCKED, PENDING, SHARED和 RESERVED可以在一个数据库的同一时存在。  
（3） 从灰色的PENDING开始，事情就变得严格起来，意味着事务想得到排斥锁(EXCLUSIVE)（注意与白色框中的区别）。  
虽然锁有这么多状态，但是从体质上来说，只有两种情况：读事务和写事务。  
  
2.3、读事务(Read Transactions)  
我们先来看看SELECT语句执行时锁的状态变化过程，非常简单：一个连接执行select语句，触发一个事务，从UNLOCKED到SHARED，当事务COMMIT时，又回到UNLOCKED，就这么简单。  
考虑下面的例子(为了简单，这里用了伪码)：  
db = open('foods.db')  
db.exec('BEGIN')  
db.exec('SELECT \* FROM episodes')  
db.exec('SELECT \* FROM episodes')  
db.exec('COMMIT')  
db.close()  
  
由于显式的使用了BEGIN和COMMIT，两个SELECT命令在一个事务下执行。第一个exec()执行时，connection处于SHARED，然后第二个exec()执行，当事务提交时，connection又从SHARED回到UNLOCKED状态，如下：  
UNLOCKED→PENDING→SHARED→UNLOCKED  
如果没有BEGIN和COMMIT两行时如下：  
UNLOCKED→PENDING→SHARED→UNLOCKED→PENDING→ SHARED→UNLOCKED  
  
2.4、写事务（Write Transactions）  
下面我们来考虑写数据库，比如UPDATE。和读事务一样，它也会经历UNLOCKED→PENDING→SHARED，但接下来却是灰色的PENDING，  
  
2.4.1、The Reserved States  
当一个连接（connection）向数据库写数据时，从SHARED状态变为RESERVED状态，如果它得到RESERVED锁，也就意味着它已经准备好进行写操作了。即使它没有把修改写入数据库，也可以把修改保存到位于pager中缓存中（page cache）。  
当一个连接进入RESERVED状态，pager就开始初始化恢复日志（rollback journal）。在RESERVED状态下，pager管理着三种页面：  
(1) Modified pages：包含被B-树修改的记录，位于page cache中。  
(2) Unmodified pages：包含没有被B-tree修改的记录。  
(3) Journal pages：这是修改页面以前的版本，这些并不存储在page cache中，而是在B-tree修改页面之前写入日志。  
Page cache非常重要，正是因为它的存在，一个处于RESERVED状态的连接可以真正的开始工作，而不会干扰其它的（读）连接。所以，SQLite可以高效的处理在同一时刻的多个读连接和一个写连接。  
  
2.4.2 、The Pending States  
当一个连接完成修改，就真正开始提交事务，执行该过程的pager进入EXCLUSIVE状态。从RESERVED状态，pager试着获取PENDING锁，一旦得到，就独占它，不允许任何其它连接获得PENDING锁（PENDING is a gateway lock）。既然写操作持有PENDING锁，其它任何连接都不能从UNLOCKED状态进入SHARED状态，即没有任何连接可以进入数据（no new readers, no new writers）。只有那些已经处于SHARED状态的连接可以继续工作。而处于PENDING状态的Writer会一直等到所有这些连接释放它们的锁，然后对数据库加EXCUSIVE锁，进入EXCLUSIVE状态，独占数据库(讨论到这里，对SQLite的加锁机制应该比较清晰了)。  
  
  
2.4.3、The Exclusive State  
在EXCLUSIVE状态下，主要的工作是把修改的页面从page cache写入数据库文件，这是真正进行写操作的地方。  
在pager写入modified pages之前，它还得先做一件事：写日志。它检查是否所有的日志都写入了磁盘，而这些通常位于操作的缓冲区中，所以pager得告诉OS把所有的文件写入磁盘，这是由程序synchronous(通过调用OS的相应的API实现)完成的。  
日志是数据库进行恢复的惟一方法，所以日志对于DBMS非常重要。如果日志页面没有完全写入磁盘而发生崩溃，数据库就不能恢复到它原来的状态，此时数据库就处于不一致状态。日志写入完成后，pager就把所有的modified pages写入数据库文件。接下来就取决于事务提交的模式，如果是自动提交，那么pager清理日志，page cache，然后由EXCLUSIVE进入UNLOCKED。如果是手动提交，那么pager继续持有EXCLUSIVE锁和保存日志，直到COMMIT或者ROLLBACK。  
  
总之，从性能方面来说，进程占有排斥锁的时间应该尽可能的短，所以DBMS通常都是在真正写文件时才会占有排斥锁，这样能大大提高并发性能。

[sqlite02-1.JPG]: /images/20220724/21e7f79a7db6466abda18a1ec5f155e3.png
[sqlite02-2.JPG]: /images/20220724/57155914c5fa400696189d9cecfd4319.png
[Files_hustcat_2008_Learn.rar]: http://files.cnblogs.com/hustcat/2008/Learn.rar
[sqlite02-3.JPG]: /images/20220724/0f4c022dd6d1499dbe1d736f5fff9e39.png