实现一个简单的Database1(译文）

2023-02-23 11:11:08 浏览数 (3)

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“What I cannot create, I do not understand.” – Richard Feynman I’m building a clone of sqlite from scratch in C in order to understand, and I’m going to document my process as I go.

译注：cstsck在github维护了一个简单的、类似SQLite的数据库实现，通过这个简单的项目，可以很好的理解数据库是如何运行的，实现教程原文是英文，共有13篇，这里翻译过来以飨读者。原文标题：Let's Build a Simple Database，本文是第一篇

Part 1 介绍&设置REPL

作为一名开发人员，在工作中我每天都使用关系型数据库。但是对我来说，它们是一个黑盒。我有一些问题：

  • 数据存储使用什么格式？（在内存与磁盘中）
  • 数据什么时候从内存转移到磁盘？
  • 为什么每张表只能有一个主键？
  • 事务回滚是怎么工作的？
  • 索引是什么格式的？
  • 全表扫描时什么时候发生，如何发生的？
  • 预处理语句（prepared statement）是使用什么格式存储的？

换句话说，数据库是怎么工作的？

为了弄清楚这些，我从头写了一个数据库。它是模仿SQLite实现的，因为SQLite设计小巧，并且相比于MySQL和PostgreSQL，它的功能相对要少很多，所以我希望能更容易的理解它。在实现上，整个数据库都存储在一个数据文件中。

SQLite

在SQLite的网站上，有很多SQLite的内部文档（https://www.sqlite.org/arch.html）。另外我还拷贝了文档（SQLite Database System: Design and Implementation.）的一个副本（https://play.google.com/store/books/details?id=9Z6IQQnX1JEC）

SQLite architecture (https://www.sqlite.org/zipvfs/doc/trunk/www/howitworks.wiki)

一个查询通过组件链来获取数据或者修改数据。前端如下组件：

  • 分词器(tokenizer)
  • 解析器（parser）
  • 代码生成器（code generator）

前端的输入是SQL语句。输出则是SQLite的虚拟机字节码（virtual machine bytecode），本质上是一个可以在数据库运行的编译程序。

译注：数据库实现查询优化模型分为传统的火山模型（Volcano model）与Code gen模型，本文作者实现的是code gen模型。

后端包括如下组件：

  • 虚拟机（virtual machine）
  • B-tree
  • 页管理（pager）
  • 系统接口（os interface）

virtual machine

虚拟机将前端生成的字节码作为指令。它接下来可以在一个或更多的表、索引上执行操作，表以及索引都是存储在叫B-tree的数据结构中。VM 本质上是字节码指令类型的一个大开关语句（a big switch statement on the type of bytecode instruction）

B-tree

每个B-tree有许多节点。每个节点是一个page的长度。B-tree可以通过执行命令到pager，从磁盘获取一个page或者保存回page到磁盘。

pager

pager接收命令来读取或者写入数据的pages。它是负责来读、写数据库文件的适当偏移位置。也负责保持当前访问的pages在内存中，并且决定何时这些pages需要写回磁盘。

os interface

系统接口与SQLite根据不同操作系统平台来编译不同，在这个系列教程中，我不准备去支持多平台适配。

千里之行始于足下，所以我们从一些简单的事开始：REPL

实现简单的REPL

译注：REPL，Read - Execute - Print - Loop，即读取 - 执行 - 打印输出 - 循环，这个过程。有时候翻译成交互式解释器

当你执行命令行命令时，SQLite开始读取-执行-打印循环：

代码语言：javascript复制
sqlite3
    SQLite version 3.16.0 2016-11-04 19:09:39
    Enter ".help" for usage hints.
    Connected to a transient in-memory database.
    Use ".open FILENAME" to reopen on a persistent database.
    sqlite> create table users (id int, username varchar(255), email varchar(255));
    sqlite> .tables
    users
    sqlite> .exit

为了实现这样的效果，我们的主程序需要有一个无限循环来打印这个提示，获取一行输入，然后处理这行输入：

代码语言：javascript复制
    int main(int argc, char* argv[]) {
      InputBuffer* input_buffer = new_input_buffer();
      while (true) {
        print_prompt();
        read_input(input_buffer);
    
        if (strcmp(input_buffer->buffer, ".exit") == 0) {
          close_input_buffer(input_buffer);
          exit(EXIT_SUCCESS);
        } else {
          printf("Unrecognized command '%s'.n", input_buffer->buffer);
        }
      }
    }

我们定义一个InputBuffer来作为一个封装，封装围绕在我们需要存储的、与getline()函数交互的状态（稍后将对此进行详细介绍）

代码语言：javascript复制
typedef struct {
      char* buffer;
      size_t buffer_length;
      ssize_t input_length;
    } InputBuffer;
    
    InputBuffer* new_input_buffer() {
      InputBuffer* input_buffer = (InputBuffer*)malloc(sizeof(InputBuffer));
      input_buffer->buffer = NULL;
      input_buffer->buffer_length = 0;
      input_buffer->input_length = 0;
    
      return input_buffer;
    }

接下来，print_prompt()函数为用户打印出提示。在做这个之前需要读取每一行输入。

代码语言：javascript复制
 void print_prompt() { printf("db > "); }

读取命令行输入，需要使用getline()函数:

代码语言：javascript复制
ssize_t getline(char **lineptr, size_t *n, FILE *stream);

（以下为getline的函数释义）

lineptr：

一个指针指向我们在buffer中包含的，从命令行读取的命令的变量。如果设置为NULL，它由getline()函数分配内存。并且后续由用户来释放，即使命令行的命令执行失败也能保证会被释放已分配的内存。

n：

一个指针变量，指向已经分配内存的buffer的大小（size）。

stream：

读取的输入流，这里是从标准输入读取的。

return value（返回值，ssize_t类型）:

读取的字节数量，可能会比buffer的size小。

我们告诉getline()函数保存读取的命令行到input_buffer->buffer，存储buffer的size到input_buffer->buffer_length，保存返回值到input_buffer->input_length

buffer在初始时是NULL，所以getline()函数分配足够的内存来存输入的命令行数据然后让buffer来指向这些数据。

代码语言：javascript复制
void read_input(InputBuffer* input_buffer) {
      ssize_t bytes_read =
          getline(&(input_buffer->buffer), &(input_buffer->buffer_length), stdin);
    
      if (bytes_read <= 0) {
        printf("Error reading inputn");
        exit(EXIT_FAILURE);
      }
    
      // Ignore trailing newline
      input_buffer->input_length = bytes_read - 1;
      input_buffer->buffer[bytes_read - 1] = 0;
    }

现在就可以定义一个函数来释放已分配给InputBuffer实例和buffer中元素各自的数据结构的内存了（在read_input()函数中，调用getline()函数为input_buffer->buffer分配内存）。

代码语言：javascript复制
    void close_input_buffer(InputBuffer* input_buffer) {
        free(input_buffer->buffer);
        free(input_buffer);
    }

在最后，我们解析并执行命令。现在这只是仅有的一个认可的命令：.exit，一个终止程序的命令。除此之外的命令，我们打印一个报错信息然后继续程序的循环。

代码语言：javascript复制
if (strcmp(input_buffer->buffer, ".exit") == 0) {
      close_input_buffer(input_buffer);
      exit(EXIT_SUCCESS);
    } else {
      printf("Unrecognized command '%s'.n", input_buffer->buffer);
    }

让我们来试试吧！

代码语言：javascript复制
~ ./db
    db > .tables
    Unrecognized command '.tables'.
    db > .exit
    ~

好了，我们得到了一个可以工作的REPL。在下一部分，我们将开始开发我们的命令语言。同时，下面是是这部分的全部程序代码：

代码语言：javascript复制
1 #include <stdbool.h>
2 #include <stdio.h>
3 #include <stdlib.h>
4 #include <string.h>
5    
6    typedef struct {
7      char* buffer;
8      size_t buffer_length;
9      ssize_t input_length;
10    } InputBuffer;
11    
12    InputBuffer* new_input_buffer() {
13      InputBuffer* input_buffer = malloc(sizeof(InputBuffer));
14      input_buffer->buffer = NULL;
15      input_buffer->buffer_length = 0;
16      input_buffer->input_length = 0;
17    
18      return input_buffer;
19    }
20    
21    void print_prompt() { printf("db > "); }
22    
23    void read_input(InputBuffer* input_buffer) {
24      ssize_t bytes_read =
25               
26      getline(&(input_buffer->buffer), &(input_buffer->buffer_length), stdi n);
27    
28      if (bytes_read <= 0) {
29        printf("Error reading inputn");
30        exit(EXIT_FAILURE);
31      }
32    
33      // Ignore trailing newline
34      input_buffer->input_length = bytes_read - 1;
35      input_buffer->buffer[bytes_read - 1] = 0;
36    }
37    
38    void close_input_buffer(InputBuffer* input_buffer) {
39        free(input_buffer->buffer);
40        free(input_buffer);
41    }
42    
43    int main(int argc, char* argv[]) {
44      InputBuffer* input_buffer = new_input_buffer();
45      while (true) {
46        print_prompt();
47        read_input(input_buffer);
48    
49        if (strcmp(input_buffer->buffer, ".exit") == 0) {
50          close_input_buffer(input_buffer);
51          exit(EXIT_SUCCESS);
52        } else {
53          printf("Unrecognized command '%s'.n", input_buffer->buffer);
54        }
55      }
56    }

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