sqlite原理

1. 引言

SQLite 是一种轻量级、嵌入式、关系型数据库管理系统 (RDBMS)，它在许多应用程序中得到广泛使用。与传统的数据库管理系统相比，SQLite 具有许多独特的优点，如无需独立的服务器进程、零配置、事务支持、跨平台兼容等。

本文将详细介绍 SQLite 的原理，包括它的架构、数据存储方式、SQL 解析和执行、事务处理等方面。

2. SQLite 架构

SQLite 的架构可以概括为以下四个层次：

2.1. SQL 接口层

SQL 接口层提供了与 SQLite 进行数据库连接和交互的 API 接口，开发者可以使用各种编程语言（如 C、C++、Python 等）来调用这些接口操作 SQLite 数据库。常用的接口有 sqlite3_open、sqlite3_prepare、sqlite3_step 等。

2.2. SQL 引擎层

SQL 引擎层是连接 SQL 接口层和存储引擎层之间的桥梁。它主要负责 SQL 分析、优化和执行等工作。首先，SQL 引擎会对 SQL 查询语句进行语法分析，生成语法树。然后，它会对语法树进行优化，以提高查询效率。最后，SQL 引擎会生成执行计划，并调用存储引擎执行查询操作。

2.3. 存储引擎层

存储引擎层负责数据的存储和管理。SQLite 的存储引擎使用了一种名为 B-Tree 的数据结构来组织和存储数据。B-Tree 是一种平衡多路搜索树，它可以高效地支持数据的插入、删除和查找操作。SQLite 的 B-Tree 是磁盘上的一组页面（通常大小为 4KB），其中每个页面可以包含多个数据条目。

2.4. 页缓存层

页缓存层用于缓存存储引擎层中的页面数据，以提高访问速度。SQLite 使用了一个页面缓存区（通常大小为 2KB），用于暂存从磁盘读取的页面数据。当读取或写入页面时，SQLite 会首先检查页面缓存，如果找到了对应的页面，则直接使用缓存中的数据，否则会从磁盘读取或写入数据。

3. 数据存储方式

SQLite 使用文件系统来存储数据库文件。一个完整的 SQLite 数据库通常由多个文件组成，包括主数据库文件、日志文件、临时文件等。

3.1. 主数据库文件

主数据库文件是 SQLite 数据库的核心文件，它包含了数据库的模式（表、索引、视图等）和数据。主数据库文件的扩展名为 .db，可以通过 SQLite 提供的命令行工具或 API 接口进行访问和操作。

3.2. 日志文件

日志文件用于记录每个事务的操作，以确保数据库的一致性和持久性。SQLite 支持两种日志模式：UNDO 日志模式和WAL（Write-Ahead Logging）日志模式。

在 UNDO 日志模式下，每次事务提交前都会将修改的数据写入到一个新的日志文件中，然后再将修改的数据写入主数据库文件。这样可以在系统崩溃时根据日志文件进行数据的恢复。

在 WAL 日志模式下，修改的数据会首先写入到一个名为 WAL 文件的日志文件中，然后再异步地将修改的数据写入主数据库文件。WAL 日志模式相较于 UNDO 日志模式可以提供更好的性能和并发性。

3.3. 临时文件

临时文件主要用于存储一些临时数据，如排序操作的中间结果、临时表等。临时文件在数据库关闭时会自动删除。

4. SQL 解析和执行

当开发者使用 SQL 接口层调用 SQLite 接口执行 SQL 查询语句时，SQLite 会依次执行以下步骤：

4.1. SQL 解析

首先，SQLite 会对 SQL 查询语句进行语法分析，验证语法的正确性，并生成相应的语法树。

例如，对于以下 SQL 查询语句：

SELECT * FROM customers WHERE age > 18;

SQLite 会将其解析成如下的语法树：

4.2. SQL 优化

在语法分析完成后，SQLite 会对生成的语法树进行优化，以提高查询的性能。

优化的过程包括以下几个方面：

查询重写：根据查询的语义等价性，将查询重写为更高效的形式。
选择最佳索引：根据查询条件和表的索引信息，选择使用最佳的索引来执行查询，以提高查询效率。
查询合并：将多个查询合并为一个查询，以减少查询的次数。

4.3. SQL 执行

在优化完成后，SQLite 会生成一个执行计划，描述了如何使用存储引擎执行查询。

执行计划包括以下几个步骤：

打开数据库和表：SQLite 会打开数据库文件，并根据 SQL 查询语句的表名打开对应的表文件。
执行查询计划：根据执行计划逐条执行查询，包括从磁盘读取页面、解析页面中的数据、应用查询条件等。
返回结果集：当查询执行完成后，SQLite 会将结果存储在一个结果集中，并通过 SQL 接口返回给开发者。

5. 事务处理

SQLite 支持事务的 ACID 属性（原子性、一致性、隔离性和持久性），并提供了以下四个事务命令：

BEGIN TRANSACTION：开始一个事务。
COMMIT TRANSACTION：提交一个事务，使之生效。
ROLLBACK TRANSACTION：回滚一个事务，撤销之前的操作。
SAVEPOINT：设置一个保存点，在事务中可以通过 ROLLBACK TO SAVEPOINT 语句回滚到保存点。

SQLite 使用日志文件（UNDO 或 WAL）来保证事务的一致性和持久性，并通过锁机制来实现事务的隔离性。

事务处理的基本流程如下：

开始一个事务：执行 BEGIN TRANSACTION 命令，告诉SQLite开始一个新的事务。
执行一系列的SQL操作：在事务中进行数据库的读取、插入、更新或删除等操作。
提交事务：执行 COMMIT TRANSACTION 命令，将所有的操作修改应用到数据库中，使之生效。
- 如果提交成功，所有的修改将被永久保存到数据库中。
- 如果在提交前出现错误或回滚事务，所有的修改将被撤销，数据库回到事务开始之前的状态。
回滚事务：执行 ROLLBACK TRANSACTION 命令，撤销之前的操作，回滚到事务开始之前的状态。
- 如果发生错误或需要回滚事务，执行此命令将撤销对数据库的修改，使之回滚到事务开始之前的状态。
设置保存点：可以在事务中设置一个保存点，使用 SAVEPOINT 命令，以便在回滚时只回滚到指定的保存点。
- SAVEPOINT point_name; — 设置保存点
- ROLLBACK TO point_name; — 将事务回滚到指定的保存点
- RELEASE point_name; — 删除保存点