如何自己動手寫SQL執(zhí)行引擎

前言

在閱讀了大量關(guān)于數(shù)據(jù)庫的資料后，筆者情不自禁產(chǎn)生了一個造數(shù)據(jù)庫輪子的想法。來驗證一下自己對于數(shù)據(jù)庫底層原理的掌握是否牢靠。在筆者的github中給這個database起名為Freedom。

整體結(jié)構(gòu)

既然造輪子，那當(dāng)然得從前端的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交互到后端的文件存儲全部給擼一遍。下面是Freedom實現(xiàn)的整體結(jié)構(gòu)，里面包含了實現(xiàn)的大致模塊:

最終存儲結(jié)構(gòu)當(dāng)然是使用經(jīng)典的B+樹結(jié)構(gòu)。當(dāng)然在B+樹和文件系統(tǒng)block塊之間的轉(zhuǎn)換則通過Buffer(Page) Manager來進(jìn)行。當(dāng)然了，為了完成事務(wù)，還必須要用WAL協(xié)議，其通過Log Manager來操作。
Freedom采用的是索引組織表，通過DruidSQL Parse來將sql翻譯為對應(yīng)的索引操作符進(jìn)而進(jìn)行對應(yīng)的語義操作。

MySQL Protocol結(jié)構(gòu)

client/server之間的交互采用的是MySQL協(xié)議，這樣很容易就可以和mysql client以及jdbc進(jìn)行交互了。

query packet

mysql通過3byte的定長包頭去進(jìn)行分包，進(jìn)而解決tcp流的讀取問題。再通過一個sequenceId來再應(yīng)用層判斷packet是否連續(xù)。

result set packet

mysql協(xié)議部分最復(fù)雜的內(nèi)容是其對于result set的讀取，在NIO的方式下加重了復(fù)雜性。
Freedom通過設(shè)置一系列的讀取狀態(tài)可以比較好的在Netty框架下解決這一問題。

row packet

還有一個較簡單的是對row格式進(jìn)行讀取，如上圖所示,只需要按部就班的解析即可。

由于協(xié)議解析部分較為簡單，在這里就不再贅述。

SQL Parse

Freedom采用成熟好用的Druid SQL Parse作為解析器。事實上，解析sql就是將用文本表示
的sql語義表示為一系列操作符(這里限于篇幅原因，僅僅給出select中where過濾的原理)。

對where的處理

例如where后面的謂詞就可以表示為一系列的以樹狀結(jié)構(gòu)組織的SQL表達(dá)式，如下圖所示:

當(dāng)access層通過游標(biāo)提供一系列row后，就可以通過這個樹狀表達(dá)式來過濾出符合where要求的數(shù)據(jù)。Druid采用了Parse中常用的visitor很方便的處理上面的表達(dá)式計算操作。

對join的處理

對join最簡單處理方案就是對兩張表進(jìn)行笛卡爾積，然后通過上面的where condition進(jìn)行過濾，如下圖所示:

Freedom對于縮小笛卡爾積的處理

由于Freedom采用的是B+樹作為底層存儲結(jié)構(gòu)，所以可以通過where謂詞來界定B+樹scan(搜索)的范圍(也即最大搜索key和最小搜索key在B+樹種中的位置)?？紤]sql

select a.*,b.* from t_archer as a join t_rider as b where a.id>=3 and a.id=11 and b.id>=19 and b.id=31

那么就可以界定出在id這個索引上,a的scan范圍為[3,11],如下圖所示:

b的scan范圍為[19,31],如下圖所示(假設(shè)兩張表數(shù)據(jù)一樣，便于繪圖):

scan少了從原來的15*15(一共15個元素)次循環(huán)減少到4*4次循環(huán),即循環(huán)次數(shù)減少到7.1%

當(dāng)然如果存在join condition的話，那么Freedom在底層cursor遞歸處理的過程中會預(yù)先過濾掉一部分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)一步減少上層的過濾。

B+Tree的磁盤結(jié)構(gòu)

leaf磁盤結(jié)構(gòu)

Freedom的B+Tree是存儲到磁盤里的?？紤]到存儲的限制以及不定長的key值，所以會變得非常復(fù)雜。Freedom以page為單位來和磁盤進(jìn)行交互。葉子節(jié)點和非葉子節(jié)點都由page承載并刷入磁盤。結(jié)構(gòu)如下所示:

一個元組(tuple/item)在一個page中分為定長的ItemPointer和不定長的Item兩部分。
其中ItemPointer里面存儲了對應(yīng)item的起始偏移和長度。同時ItemPointer和Item如圖所示是向著中心方向進(jìn)行伸張，這種結(jié)構(gòu)很有效的組織了非定長Item。

leaf和node節(jié)點在Page中的不同

雖然leaf和node在page中組織結(jié)構(gòu)一致，但其item包含的項確有區(qū)別。由于Freedom采用的是索引組織表，所以對于leaf在聚簇索引(clusterIndex)和二級索引(secondaryIndex)中對item的表示也有區(qū)別,如下圖所示:

其中在二級索引搜索時通過secondaryIndex通過index-key找到對應(yīng)的clusterId,再通過
clusterId在clusterIndex中找到對應(yīng)的row記錄。
由于要落盤，所以Freedom在node節(jié)點中的item里面寫入了index-key對應(yīng)的pageno,
這樣就可以容易的從磁盤恢復(fù)所有的索引結(jié)構(gòu)了。

B+Tree在文件中的組織

有了Page結(jié)構(gòu)，我們就可以將數(shù)據(jù)承載在一個個page大小的內(nèi)存里面，同時還可以將page刷新到對應(yīng)的文件里。有了node.item中的pageno，我們就可以較容易的進(jìn)行文件和內(nèi)存結(jié)構(gòu)之間的互相映射了。
B+樹在磁盤文件中的組織如下圖所示:

B+樹在內(nèi)存中相對應(yīng)的映射結(jié)構(gòu)如下圖所示:

文件page和內(nèi)存page中的內(nèi)容基本是一致的,除了一些內(nèi)存page中特有的字段，例如dirty等。

每個索引一個B+樹

在Freedom中，每個索引都是一顆B+樹，對記錄的插入和修改都要對所有的B+樹進(jìn)行操作。

B+Tree的測試

筆者通過一系列測試case,例如隨機(jī)變長記錄對B+樹進(jìn)行插入并落盤，修復(fù)了其中若干個非常詭異的corner case。

B+Tree的todo

筆者這里只是完成了最簡單的B+樹結(jié)構(gòu)，沒有給其添加并發(fā)修改的鎖機(jī)制，也沒有在B+樹做操作的時候記錄log來保證B+樹在宕機(jī)等災(zāi)難性情況下的一致性,所以就算完成了這么多的工作量，距離一個高并發(fā)高可用的bptree還有非常大的距離。

Meta Data

table的元信息由create table所創(chuàng)建。創(chuàng)建之后會將元信息落盤，以便Freedom在重啟的時候加載表信息。每張表的元信息只占用一頁的空間，依舊復(fù)用page結(jié)構(gòu)，主要保存的是聚簇索引和二級索引的信息。元信息對應(yīng)的Item如下圖所示:

如果想讓mybatis可以自動生成關(guān)于Freedom的代碼，還需實現(xiàn)一些特定的sql來展現(xiàn)Freedom的元信息。這個在筆者另一個項目rider中有這樣的實現(xiàn)。原理如下圖所示:

實現(xiàn)了上述4類SQL之后，mybatis-generator就可以通過jdbc從Freedom獲取元信息進(jìn)而自動生成代碼了。

事務(wù)支持

由于當(dāng)前Freedom并沒有保證并發(fā)，所以對于事務(wù)的支持只做了最簡單的WAL協(xié)議。通過記錄redo/undolog從而實現(xiàn)原子性。

redo/undo log協(xié)議格式

Freedom在每做一個修改操作時，都會生成一條日志，其中記錄了修改前(undo)和修改后(redo)的行信息，undo用來回滾,redo用來宕機(jī)recover。結(jié)構(gòu)如下圖所示:

WAL協(xié)議

WAL協(xié)議很好理解，就是在事務(wù)commit前將當(dāng)前事務(wù)中所產(chǎn)生的的所有l(wèi)og記錄刷入磁盤。
Freedom自然也做了這個操作，使得可以在宕機(jī)后通過log恢復(fù)出所有的數(shù)據(jù)。

回滾的實現(xiàn)

由于日志中記錄了undo，所以對于一個事務(wù)的回滾直接通過日志進(jìn)行undo即可。如下圖所示:

宕機(jī)恢復(fù)

Freedom如果在page全部刷盤之后關(guān)機(jī)，則可以由通過加載page的方式獲取原來的數(shù)據(jù)。
但如果突然宕機(jī),例如kill -9之后，則可以通過WAL協(xié)議中記錄的redo/undo log來重新
恢復(fù)所有的數(shù)據(jù)。由于時間和精力所限，筆者并沒有實現(xiàn)基于LSN的檢查點機(jī)制。

Freedom運行

git clone https://github.com/alchemystar/Freedom.git

// 并沒有做打包部署的工作，所以最簡單的方法是在java編輯器里面

run alchemystar.freedom.engine.server.main

以下是筆者實際運行Freedom的例子:

join查詢

delete回滾

尾聲

在造輪子的過程中一開始是非常有激情非?？鞓返?。但隨著系統(tǒng)越來越龐大，復(fù)雜性越來越高，進(jìn)度就會越來越慢，還時不時要推翻自己原來的設(shè)想并重新設(shè)計，然后再協(xié)同修改關(guān)聯(lián)的所有代碼，就如同泥沼，越陷越深。至此，筆者才領(lǐng)悟了軟件工程最重要的其實是控制復(fù)雜度！始終保持簡潔的接口和優(yōu)雅的設(shè)計是實現(xiàn)一個大型系統(tǒng)的必要條件。

github鏈接：https://github.com/alchemystar/Freedom

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