SQLite入门与分析(八)---存储模型(1)

写在前面：SQLite作为嵌入式数据库，通常针对的应用的数据量相对于通常DBMS的数据量是较小的。所以它的存储模型设计得非常简单，总的来说，SQLite把一个数据文件分成若干大小相等的页面，然后以B树的形式来组织这些页面。而对于大型的数据库管理系统，比如Oracle，或者DM ，存储模型要复杂得多。就拿Oracle来说吧，它对数据文件不仅从物理进行分块，而且从逻辑上进行分段，盘区和页的一个层次划分，DM也一样。不管怎么说，数据库文件要存储大量的数据，为了更好管理，查询和操作数据文件，DBMS不得不从物理上、逻辑上对数据文件的数据进行复杂的组织。本节主要讨论文件格式，下节讨论页面格式。

1、文件格式

1.1、数据库名称
应用程序通过sqlite3_open  API来打开数据库，该函数的一个参数为数据库文件的名称。SQLite内部命名为main数据库(除了临时数据库和内存数据库)。SQLite对每一个数据库都创建一个独立的文件。
在SQLite内部，数据文件名不是数据库名。SQLite对应用程序的每一个连接都维护着一个单独的临时数据库(temp数据库)，临时数据库存临时对象，例如：表以及相应的索引。这些临时对象仅仅对同一个连接可见（对同一个线程，进程的其它连接是不可见的），SQLite存储临时数据库到一个单独的临时文件中，当应用程序关闭对main数据库的连接时，就删除临时文件。

1.2、数据库文件结构

除了内存数据库，SQLite把一个数据库(main和temp)都存储到一个单独的文件。

1.2.1、页面(page)
为了更好的管理和读/写数据库，SQLite把一个数据库(包括内存数据库)分成一个个固定大小的页面。页面大小的范围从512－32768（两者都包含），页面默认大小为1024个字节(1KB)，实际上，页面的上限由2个字节的有符号整数决定。整个数据库可以看成这些页面的数组，页面数组的下标为页面的编号(page number)，page number从1开始，一直到2,147,483,647 (2^31– 1)。实际上，数组上界还受文件系统允许的最大文件大小决定。0号页面视为空页面(NULL page)，物理上不存在，1号页面从文件的0偏移处开始，一个页面接着下一个页面。

注：一旦数据库创建，SQLite使用编译时确定的默认的页面大小。当然，在创建第一个表之前，可以通过pragma命令改变页面大小。SQLite把该值作为元数据的一部分存储在文件中。

1.2.2、页面类型
页面(page)分四种类型：叶子页面(leaf)，内部页面(internal)，溢出页面(overflow)和空闲页面(free)。内部页面包含查询时的导航信息，叶子页面存储数据，例如元组。如果一个元组的数据太大，一个页面容纳不下，则一些数据存储在B树的页面中，余下的存储在溢出页面中。
1.2.3、文件头（file header）

作为文件开始的1号页面比较特殊，它包括100个字节的文件头。当SQLite创建文件时例初始化文件头，文件头的格式如下：

Structure of database file header
Offset	Size	Description
0	16	Header string
16	2	Page size in bytes
18	1	File format write version
19	1	File format read version
20	1	Bytes reserved at the end of each page
21	1	Max embedded payload fraction
22	1	Min embedded payload fraction
23	1	Min leaf payload fraction
24	4	File change counter
28	4	Reserved for future use
32	4	First freelist page
36	4	Number of freelist pages
40	60	15 4-byte meta values

示例数据（100个字节）：

53 51 4C 69 74 65 20 66 SQLite f

6F 72 6D 61 74 20 33 00 ormat 3.

04 00 01 01 00 40 20 20 .....@

00 00 00 11 00 00 00 00 ........

00 00 00 00 00 00 00 00 ........

00 00 00 01 00 00 00 01 ........

00 00 00 00 00 00 00 00 ........

00 00 00 01 00 00 00 00 ........

00 00 00 00 00 00 00 00 ........

00 00 00 00 00 00 00 00 ........

00 00 00 00 00 00 00 00 ........

00 00 00 00 00 00 00 00 ........

00 00 00 00

Header string(头字符串)：
16个字节："SQLite format 3."

Page size：
页面大小：0x04 00 ，即1024
File format：
文件格式：0x01 ，0x01，在当前的版本都为1。

Reserved space：
保留空间：0x00，1个字节，SQLite在每个页面的末尾都会保留一定的空间，留作它用，默认为0。

Embedded payload：
max embedded payload fraction(偏移21)的值限定了B树内节点（页面）中一个元组（记录，单元）最多能够使用的空间。255意味着100%，默认值为0x40，即64（25%），这保证了一个结点（页面）至少有4个单元。如果一个单元的负载(payload，即数据量)超过最大值，则溢出的数据保存到溢出的页面，一旦SQLite分配了一个溢出页面，它会尽可能多的移动数据到溢出页面，下限为min embedded payload fraction value（偏移为22），默认的值为32，即12.5% 。

min leaf payload fraction的含义与min embedded payload fraction类似，只不过是它是针对B树的叶子结点，默认值为32，即12.5%，叶子结点最大的负载为通常是100%，这不用保存。

File change counter：
文件修改计数，通常被事务使用，它由事务增加其值。该值的主要目的是数据库改变时，pager避免对缓存进行刷盘。
Freelist：
空闲页面链表，在文件头偏移32的4个字节记录着空闲页面链的第一个页面，偏移36处的4个字节为空闲页面的数量。空闲页面链表的组织形式如下：

空闲页面分为两种页面：trunk pages（主页面）和leaf  pages(叶子页面)。文件头的指针指向空闲链表的第一个trunk page，每个trunk page指向多个叶子页面。
Trunk page的格式如下，从页面的起始处开始：
(1)4个字节，指向下一个trunk page的页面号；
(2)4个字节，该页面的叶子页面指针的数量；
(3)指向叶子页面的页面号，每项4个字节。

当一个页面不再使用时，SQLite把它加入空闲页面链表，并不从本地文件系统中释放掉。当添加新的数据到数据库时，SQLite就从空闲链表上取出空闲页面用来在存储数据。当空闲链表为空时，SQLite就通过本地文件系统增加新的页面，添加到数据库文件的末尾。

注：可以通过vacuum命令删除空闲链表，该命令通过把数据库中数据拷贝到临时文件，然后在事务的保护下，用临时文件中的复本覆盖原数据库文件。

Meta variables
元数据变量：从偏移为40开始，为15个4字节的元数据变量，这些元数据主要与B树和VM有关。如下：

** Meta values are as follows:

**    meta[0]   Schema cookie. Changes with each schema change.

**    meta[1]   File format of schema layer.

**    meta[2]   Size of the page cache.

**    meta[3]   Use freelist if 0. Autovacuum if greater than zero.

**    meta[4]   Db text encoding. 1:UTF-8 2:UTF-16LE 3:UTF-16BE

**    meta[5]   The user cookie. Used by the application.

**    meta[6]

**    meta[7]

**    meta[8]

**    meta[9]

1.2.4、读取文件头
当应用程序调用API sqlite3_open打开数据库文件时，SQLite就会读取文件头进行数据库的初始化。

int sqlite3BtreeOpen(
  const char *zFilename,  /* Name of the file containing the BTree database */
  sqlite3 *pSqlite,       /* Associated database handle */
  Btree **ppBtree,        /* Pointer to new Btree object written here */
  int flags               /* Options */
){
//读取文件头
  sqlite3pager_read_fileheader(pBt->pPager, sizeof(zDbHeader), zDbHeader);
  //设置页面大小
pBt->pageSize = get2byte(&zDbHeader[16]);
//…
}