SQLite剖析之设计与概念

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%。
(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：

上图告诉我们在编程时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。

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据从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。
总之，关于connection和transaction，要知道两件事：
(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：

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。在后者的情况下，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
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：

(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：

示例：

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)。当进行数据库写操作时，注意一件事：在任何时候，只在一个事务下执行一个连接。
一般来说，一个事务的生命和statement差不多，也可以手动结束它。默认情况下，事务自动提交，当然也可以通过BEGIN..COMMIT手动提交。

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，再释放锁。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。

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间存在。
（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）。
虽然锁有多种状态，但是从本质上来说，只有两种情况：读事务和写事务。

2.3、读事务(Read Transactions)
SELECT语句执行时，锁的状态变化过程：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。
考虑下面的例子：

由于显式地使用了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）
写数据库(比如UPDATE)，和读事务一样，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中的缓存中(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-tree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可以高效地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。

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，真正进行写操作。
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。