Go语言从0到1实现最简单的数据库！

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导语 | 后台开发对于数据库操作是必不可少的事情，了解数据库原理对于平常的工作的内功积累还是很有帮助的，这里实现一个最简单的数据库加深自己对数据库的理解。

一、go实现数据库目的

二、数据库选择SQLite

选择SQLite（https://www.sqlite.org/arch.html）原因是数据库完全开源，实现简单，并且有C语言最简单的实现版本，因此参考go语言实现一个数据库加深对于关系型数据库的理解。

三、SQLite主要架构

其中：前端的输入是一个SQL查询。输出是sqlite虚拟机字节码（本质上是一个可以在数据库上操作的编译程序） 后端：VM将前端生成的字节作为指令，然后对一个表或者多个表或索引进行操作，每一个表或者索引都存储在B树中，VM本质上时指令的分支选择语句。B树组成了每一个节点，每个节点的最大长度时一页。B树可以通过pager的命令，将数据保存到磁盘上。pager收到数据读写的命令，负责数据偏移与读写，它还将最近访问的页面缓存在内存中，并确定何时需要将这些页面写回磁盘。

雷普勒

启动sqlite，会有一个读写命令循环：

main函数将有一个无限循环来打印提示，获取一行输入，然后处理该行输入：


// run main 主函数，这样写方便单元测试
func run()  {
   table, err := dbOpen("./db.txt")
   if err != nil {
      panic(err)
   }
   for  {
      printPrompt()
      // 语句解析
      inputBuffer, err := readInput()
      if err != nil {
         fmt.Println("read err", err)
      }
      // 特殊操作
      if len(inputBuffer) != 0 && inputBuffer[0] == '.' {
         switch doMetaCommand(inputBuffer, table) {
         case metaCommandSuccess:
            continue
         case metaCommandUnRecongnizedCommand:
            fmt.Println("Unrecognized command", inputBuffer)
            continue
         }
      }
      // 普通操作 code Generator
      statement := Statement{}
      switch prepareStatement(inputBuffer, &statement) {
      case prepareSuccess:
         break;
      case prepareUnrecognizedStatement:
         fmt.Println("Unrecognized keyword at start of ", inputBuffer)
         continue
      default:
         fmt.Println("invalid unput ", inputBuffer)
         continue
      }
      res := executeStatement(&statement, table)
      if res == ExecuteSuccess {
         fmt.Println("Exected")
         continue
      }
      if res == ExecuteTableFull {
         fmt.Printf("Error: Table full.\n");
         break
      }
      if res == EXECUTE_DUPLICATE_KEY {
         fmt.Printf("Error: Duplicate key.\n");
         break;
      }
   }
}

处理特殊的元语句如下：


func doMetaCommand(input string, table *Table) metaCommandType {
   if input == ".exit" {
      dbClose(table)
      os.Exit(0)
      return metaCommandSuccess
   }
   if input == ".btree" {
      fmt.Printf("Tree:\n");
      print_leaf_node(getPage(table.pager, 0));
      return metaCommandSuccess;
   }
   if input == ".constants" {
      fmt.Printf("Constants:\n");
      print_constants();
      return metaCommandSuccess
   }
   return metaCommandUnRecongnizedCommand
}

效果如下：

四、最简单的“SQL编译器”

和“VM”（虚拟机）

（一）prepareStatement为最简单的解析器“SQL编译器”

当前改解析器，最简单到还没有识别出SQL语句，只是写死识别两个单词的SQL语句：


func prepareStatement(input string, statement *Statement)PrepareType {
   if  len(input) >= 6 && input[0:6] == "insert" {
      statement.statementType = statementInsert
      inputs := strings.Split(input, " ")
      if len(inputs) <=1 {
         return prepareUnrecognizedStatement
      }
      id, err := strconv.ParseInt(inputs[1], 10, 64)
      if err != nil {
         return prepareUnrecognizedSynaErr
      }
      statement.rowToInsert.ID =  int32(id)
      statement.rowToInsert.UserName = inputs[2]
      statement.rowToInsert.Email = inputs[3]
      return prepareSuccess
   }
   if len(input) >= 6 &amp;&amp; input[0:6] == "select" {
      statement.statementType = statementSelect
      return prepareSuccess
   }
   return prepareUnrecognizedStatement
}

（二）最简单的“虚拟机”（VM）执行器


// executeStatement 实行sql语句 ，解析器解析程statement，将最终成为我们的虚拟机
func executeStatement(statement *Statement, table *Table)  executeResult{
   switch statement.statementType {
      case statementInsert:
         return executeInsert(statement, table)
   case statementSelect:
      return executeSelect(statement, table)
   default:
      fmt.Println("unknown statement")
   }
   return ExecuteSuccess
}

（三）最简单的插入的数据结构

需要插入序列化的数据格式如下：

将一列进行序列化代码如下：


// 将row序列化到指针，为标准写入磁盘做准备
func serializeRow(row *Row, destionaton unsafe.Pointer) {
   ids := Uint32ToBytes(row.ID)
   q := (*[ROW_SIZE]byte)(destionaton)
   copy(q[0:ID_SIZE], ids)
   copy(q[ID_SIZE+1:ID_SIZE+USERNAME_SIZE], (row.UserName))
   copy(q[ID_SIZE+USERNAME_SIZE+1: ROW_SIZE], (row.Email))
}

（四）从文件去取出反序列化


// deserializeRow 将文件内容序列化成数据库元数据
func deserializeRow(source unsafe.Pointer, rowDestination *Row) {
   ids := make([]byte, ID_SIZE, ID_SIZE)
   sourceByte := (*[ROW_SIZE]byte)(source)
   copy(ids[0:ID_SIZE], (*sourceByte)[0:ID_SIZE])
   rowDestination.ID = BytesToInt32(ids)
   userName := make([]byte, USERNAME_SIZE, USERNAME_SIZE)
   copy(userName[0:], (*sourceByte)[ID_SIZE+1: ID_SIZE + USERNAME_SIZE])
   realNameBytes := getUseFulByte(userName)
   rowDestination.UserName = (string)(realNameBytes)
   emailStoreByte :=  make([]byte, EMAIL_SIZE, EMAIL_SIZE)
   copy(emailStoreByte[0:], (*sourceByte)[1+ ID_SIZE + USERNAME_SIZE: ROW_SIZE])
   emailByte := getUseFulByte(emailStoreByte)
   rowDestination.Email = (string)(emailByte)
}

（五）呼叫器

主要功能写入到磁盘，数据结构：


// Pager 管理数据从磁盘到内存
type Pager struct {
   osfile     *os.File;
   fileLength int64;
   numPages   uint32;
   pages      []unsafe.Pointer;  // 存储数据
}

整个数据库的数据表：


// Table 数据库表
type Table struct {
   rootPageNum uint32;     
   pager       *Pager;
}

page写入磁盘，由下面可以看到时一页一页写入文件：


// pagerFlush 这一页写入文件系统
func pagerFlush(pager *Pager, pageNum , realNum uint32) error{
   if pager.pages[pageNum] == nil {
      return fmt.Errorf("pagerFlush null page")
   }
   offset, err := pager.osfile.Seek(int64(pageNum*PageSize), io.SeekStart)
   if err != nil {
      return fmt.Errorf("seek %v", err)
   }
   if offset == -1 {
      return fmt.Errorf("offset %v", offset)
   }
   originByte := make([]byte, realNum)
   q := (*[PageSize]byte)(pager.pages[pageNum])
   copy(originByte[0:realNum], (*q)[0:realNum])
   // 写入到byte指针里面
   bytesWritten, err := pager.osfile.WriteAt(originByte, offset)
   if err != nil {
      return fmt.Errorf("write %v", err)
   }
   // 捞取byte数组到这一页中
   fmt.Println("already wittern", bytesWritten)
   return nil
}

在关闭db的链接，写入磁盘：


func dbClose(table *Table) {
   for i:= uint32(0); i < table.pager.numPages; i++ {
      if table.pager.pages[i] == nil {
         continue
      }
      pagerFlush(table.pager, i, PageSize);
   }
   defer table.pager.osfile.Close()
   // go语言自带gc
}

数据从磁盘到内存的获取：


func getPage(pager *Pager, pageNum uint32)  unsafe.Pointer   {
   if pageNum > TABLE_MAX_PAGES {
      fmt.Println("Tried to fetch page number out of bounds:", pageNum)
      os.Exit(0)
   }
   if pager.pages[pageNum] == nil {
      page := make([]byte, PageSize)
      numPage := uint32(pager.fileLength/PageSize)  // 第几页
      if pager.fileLength%PageSize == 0 {
         numPage += 1
      }
      if pageNum <= numPage {
         curOffset := pageNum*PageSize
         // 偏移到下次可以读读未知
         curNum, err := pager.osfile.Seek(int64(curOffset), io.SeekStart)
         if err != nil {
            panic(err)
         }
         fmt.Println(curNum)
         // 读到偏移这一页到下一页，必须是真的有多少字符
         if _,err = pager.osfile.ReadAt(page, curNum);err != nil &amp;&amp; err != io.EOF{
            panic(err)
         }
      }
      pager.pages[pageNum] = unsafe.Pointer(&amp;page[0])
      if pageNum >= pager.numPages {
         pager.numPages = pageNum +1
      }
   }
   return pager.pages[pageNum]
}

上面可以看到，为了尽量减少磁盘IO，我们采用一页一页读取磁盘（disk）信息，并且以B+树点形似。

（六）B树

B树是对二叉查找树的改进：设计思想是，将相关数据尽量集中在一起，以便一次读取多个数据，减少硬盘操作次数。

（七）B+树：

非叶子节点不存储data，只存储key。如果每一个节点的大小固定（如4k，正如在sqlite中那样），那么可以进一步提高内部节点的度，降低树的深度。

（八）table和索引（索引）

根据sqlite介绍表的存储用的B+树，索引用的B树，我想大概是因为索引不需要存数据，只需要看存在不存在。这里的表比较小，索引暂时没有实现，下面有数据储存主键的查找。

树的节点查找

在表里面查找主键：

// 返回key的位置，如果key不存在，返回应该被插入的位置
func tableFind(table *Table, key uint32) *Cursor {
   rootPageNum := table.rootPageNum
   rootNode := getPage(table.pager, rootPageNum)
   // 没有找到匹配到
   if getNodeType(rootNode) == leafNode {
      return leafNodeFind(table, rootPageNum, key)
   } else {
      fmt.Printf("Need to implement searching an internal node\n");
      os.Exit(0);
   }
   return nil
}

叶子节点查找：

func leafNodeFind(table *Table, pageNum uint32, key uint32) *Cursor {
   node := getPage(table.pager, pageNum)
   num_cells := *leaf_node_num_cells(node)
   cur := &amp;Cursor{
      table: table,
      page_num: pageNum,
   }
   // Binary search
   var min_index uint32
   var one_past_max_index  = num_cells
   for ;one_past_max_index != min_index; {
      index := (min_index + one_past_max_index) /2
      key_at_index := *leaf_node_key(node, index)
      if key == key_at_index {
         cur.cell_num = index
         return cur
      }
      // 如果在小到一边，就将最大值变成当前索引
      if key < key_at_index {
         one_past_max_index = index
      } else {
         min_index = index+1    // 选择左侧
      }
   }
   cur.cell_num = min_index
   return cur
}

并且为了B+树方便查找遍历，增加了游标抽象层次：


// Cursor 光标
type Cursor struct {
   table        *Table
   pageNum      uint32 // 第几页
   cellNum      uint32 // 多少个数据单元
   endOfTable bool
}

func tableStart(table *Table)  * Cursor{
   rootNode := getPage(table.pager, table.rootPageNum)
   numCells := *leaf_node_num_cells(rootNode)
   return &amp;Cursor{
      table:      table,
      pageNum:    table.rootPageNum,
      cellNum:    0,
      endOfTable: numCells ==0,
   }
}

func cursorAdvance(cursor *Cursor) {
   node := getPage(cursor.table.pager, cursor.pageNum)
   cursor.cellNum += 1
   if cursor.cellNum >=(*leaf_node_num_cells(node)) {
      cursor.endOfTable = true
   }
}

五、总结

本文以Go语言从0到1实现最简单的数据库为例，选取SQlite数据库，实现了insert和select数据操作，并进一步介绍了page对磁盘的读写操作，B树如何进行数据存储操作等内容。只是当前实现的基于B+树的数据库仅仅支持一页内的读取，当一页内容达到上限4K之后便会报错，在后续开发中将进一步优化该功能，提升容量。

参考资料：

1.c语言0-1实现一个数据库

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