## SQLite入门与分析(四)---Page Cache之事务处理(1) 写在前面:从本章开始,将对SQLite的每个模块进行讨论。讨论的顺序按照我阅读SQLite的顺序来进行,由于项目的需要,以及时间关系,不能给出一个完整的计划,但是我会先讨论我认为比较重要的内容。本节讨论SQLite的事务处理技术,事务处理是DBMS中最关键的技术,对SQLite也一样,它涉及到并发控制,以及故障恢复,由于内容较多,分为两节。好了,下面进入正题。 本节通过一个具体的例子来分析SQLite原子提交的实现(基于Version 3.3.6的代码)。 CREATE TABLE episodes( id integer primary key,name text, cid int) ; 插入一条记录:insert into episodes(name,cid) values("cat",1) ; 它经过编译器处理后生成的虚拟机代码如下: ~~~ sqlite> explain insert into episodes(name,cid) values("cat",1); 0|Trace|0|0|0|explain insert into episodes(name,cid) values("cat",1);|00| 1|Goto|0|12|0||00| 2|SetNumColumns|0|3|0||00| 3|OpenWrite|0|2|0||00| 4|NewRowid|0|2|0||00| 5|Null|0|3|0||00| 6|String8|0|4|0|cat|00| 7|Integer|1|5|0||00| 8|MakeRecord|3|3|6|dad|00| 9|Insert|0|6|2|episodes|0b| 10|Close|0|0|0||00| 11|Halt|0|0|0||00| 12|Transaction|0|1|0||00| 13|VerifyCookie|0|1|0||00| 14|Transaction|1|1|0||00| 15|VerifyCookie|1|0|0||00| 16|TableLock|0|2|1|episodes|00| 17|Goto|0|2|0||00| ~~~ ###1、初始状态(Initial State) 当一个数据库连接第一次打开时,状态如图所示。图中最右边(“Disk”标注)表示保存在存储设备中的内容。每个方框代表一个扇区。蓝色的块表示这个扇区保存了原始数据。图中中间区域是操作系统的磁盘缓冲区。开始的时候,这些缓存是还没有被使用,因此这些方框是空白的。图中左边区域显示SQLite用户进程的内存。因为这个数据库连接刚刚打开,所以还没有任何数据记录被读入,所以这些内存也是空的。 ![document/2015-09-15/55f7c36622c27](https://box.kancloud.cn/document_2015-09-15_55f7c36622c27.png) ###2、获取读锁(Acquiring A Read Lock) 在SQLite写数据库之前,它必须先从数据库中读取相关信息。比如,在插入新的数据时,SQLite会先从sqlite_master表中读取数据库模式(相当于数据字典),以便编译器对INSERT语句进行分析,确定数据插入的位置。 在进行读操作之前,必须先获取数据库的共享锁(shared lock),共享锁允许两个或更多的连接在同一时刻读取数据库。但是共享锁不允许其它连接对数据库进行写操作。 shared lock存在于操作系统磁盘缓存,而不是磁盘本身。文件锁的本质只是操作系统的内核数据结构,当操作系统崩溃或掉电时,这些内核数据也会随之消失。 ![document/2015-09-15/55f7c380a0816](https://box.kancloud.cn/document_2015-09-15_55f7c380a0816.png) ###3、读取数据 一旦得到shared lock,就可以进行读操作。如图所示,数据先由OS从磁盘读取到OS缓存,然后再由OS移到用户进程空间。一般来说,数据库文件分为很多页,而一次读操作只读取一小部分页面。如图,从8个页面读取3个页面。 ![document/2015-09-15/55f7c3a07a20f](https://box.kancloud.cn/document_2015-09-15_55f7c3a07a20f.png) ###4、获取Reserved Lock 在对数据进行修改操作之前,先要获取数据库文件的Reserved Lock,Reserved Lock和shared lock的相似之处在于,它们都允许其它进程对数据库文件进行读操作。Reserved Lock和Shared Lock可以共存,但是只能是一个Reserved Lock和多个Shared Lock——多个Reserved Lock不能共存。所以,在同一时刻,只能进行一个写操作。 Reserved Lock意味着当前进程(连接)想修改数据库文件,但是还没开始修改操作,所以其它的进程可以读数据库,但不能写数据库。 ![document/2015-09-15/55f7c3b0c9365](https://box.kancloud.cn/document_2015-09-15_55f7c3b0c9365.png) ###5、创建恢复日志(Creating A Rollback Journal File) 在对数据库进行写操作之前,SQLite先要创建一个单独的日志文件,然后把要修改的页面的原始数据写入日志。回滚日志包含一个日志头(图中的绿色)——记录数据库文件的原始大小。所以即使数据库文件大小改变了,我们仍知道数据库的原始大小。 从OS的角度来看,当一个文件创建时,大多数OS(Windows,Linux,Mac OS X)不会向磁盘写入数据,新创建的文件此时位于磁盘缓存中,之后才会真正写入磁盘。如图,日志文件位于OS磁盘缓存中,而不是位于磁盘。 ![document/2015-09-15/55f7c3c163a3a](https://box.kancloud.cn/document_2015-09-15_55f7c3c163a3a.png) ~~~ //事务指令的实现 //p1为数据库文件的索引号---0为main database;1为temporary tables使用的文件 //p2 不为0,一个写事务开始 case OP_Transaction: { //数据库的索引号 int i = pOp->p1; //指向数据库对应的btree Btree *pBt; assert( i>=0 && i<db->nDb ); assert( (p->btreeMask & (1<<i))!=0 ); //设置btree指针 pBt = db->aDb[i].pBt; if( pBt ){ //从这里btree开始事务,主要给文件加锁,并设置btree事务状态 rc = sqlite3BtreeBeginTrans(pBt, pOp->p2); if( rc==SQLITE_BUSY ){ p->pc = pc; p->rc = rc = SQLITE_BUSY; goto vdbe_return; } if( rc!=SQLITE_OK && rc!=SQLITE_READONLY /* && rc!=SQLITE_BUSY */ ){ goto abort_due_to_error; } } break; } //开始一个事务,如果第二个参数不为0,则一个写事务开始,否则是一个读事务 //如果wrflag>=2,一个exclusive事务开始,此时别的连接不能访问数据库 int sqlite3BtreeBeginTrans(Btree *p, int wrflag){ BtShared *pBt = p->pBt; int rc = SQLITE_OK; btreeIntegrity(p); /* If the btree is already in a write-transaction, or it ** is already in a read-transaction and a read-transaction ** is requested, this is a no-op. */ //如果b-tree处于一个写事务;或者处于一个读事务,一个读事务又请求,则返回SQLITE_OK if( p->inTrans==TRANS_WRITE || (p->inTrans==TRANS_READ && !wrflag) ){ return SQLITE_OK; } /* Write transactions are not possible on a read-only database */ //写事务不能访问只读数据库 if( pBt->readOnly && wrflag ){ return SQLITE_READONLY; } /* If another database handle has already opened a write transaction ** on this shared-btree structure and a second write transaction is ** requested, return SQLITE_BUSY. */ //如果数据库已存在一个写事务,则该写事务请求时返回SQLITE_BUSY if( pBt->inTransaction==TRANS_WRITE && wrflag ){ return SQLITE_BUSY; } do { //如果数据库对应btree的第一个页面还没读进内存 //则把该页面读进内存,数据库也相应的加read lock if( pBt->pPage1==0 ){ //加read lock,并读页面到内存 rc = lockBtree(pBt); } if( rc==SQLITE_OK && wrflag ){ //对数据库文件加RESERVED_LOCK锁 rc = sqlite3pager_begin(pBt->pPage1->aData, wrflag>1); if( rc==SQLITE_OK ){ rc = newDatabase(pBt); } } if( rc==SQLITE_OK ){ if( wrflag ) pBt->inStmt = 0; }else{ unlockBtreeIfUnused(pBt); } }while( rc==SQLITE_BUSY && pBt->inTransaction==TRANS_NONE && sqlite3InvokeBusyHandler(pBt->pBusyHandler) ); if( rc==SQLITE_OK ){ if( p->inTrans==TRANS_NONE ){ //btree的事务数加1 pBt->nTransaction++; } //设置btree事务状态 p->inTrans = (wrflag?TRANS_WRITE:TRANS_READ); if( p->inTrans>pBt->inTransaction ){ pBt->inTransaction = p->inTrans; } } btreeIntegrity(p); return rc; } /* **获取数据库的写锁,发生以下情况时去除写锁: ** * sqlite3pager_commit() is called. ** * sqlite3pager_rollback() is called. ** * sqlite3pager_close() is called. ** * sqlite3pager_unref() is called to on every outstanding page. ** pData指向数据库的打开的页面,此时并不修改,仅仅只是获取 ** 相应的pager,检查它是否处于read-lock状态。 **如果打开的不是临时文件,则打开日志文件. **如果数据库已经处于写状态,则do nothing */ int sqlite3pager_begin(void *pData, int exFlag){ PgHdr *pPg = DATA_TO_PGHDR(pData); Pager *pPager = pPg->pPager; int rc = SQLITE_OK; assert( pPg->nRef>0 ); assert( pPager->state!=PAGER_UNLOCK ); //pager已经处于share状态 if( pPager->state==PAGER_SHARED ){ assert( pPager->aInJournal==0 ); if( MEMDB ){ pPager->state = PAGER_EXCLUSIVE; pPager->origDbSize = pPager->dbSize; }else{ //对文件加 RESERVED_LOCK rc = sqlite3OsLock(pPager->fd, RESERVED_LOCK); if( rc==SQLITE_OK ){ //设置pager的状态 pPager->state = PAGER_RESERVED; if( exFlag ){ rc = pager_wait_on_lock(pPager, EXCLUSIVE_LOCK); } } if( rc!=SQLITE_OK ){ return rc; } pPager->dirtyCache = 0; TRACE2("TRANSACTION %d\n", PAGERID(pPager)); //使用日志,不是临时文件,则打开日志文件 if( pPager->useJournal && !pPager->tempFile ){ //为pager打开日志文件,pager应该处于RESERVED或EXCLUSIVE状态 //会向日志文件写入header rc = pager_open_journal(pPager); } } } return rc; } //创建日志文件,pager应该处于RESERVED或EXCLUSIVE状态 static int pager_open_journal(Pager *pPager){ int rc; assert( !MEMDB ); assert( pPager->state>=PAGER_RESERVED ); assert( pPager->journalOpen==0 ); assert( pPager->useJournal ); assert( pPager->aInJournal==0 ); sqlite3pager_pagecount(pPager); //日志文件页面位图 pPager->aInJournal = sqliteMalloc( pPager->dbSize/8 + 1 ); if( pPager->aInJournal==0 ){ rc = SQLITE_NOMEM; goto failed_to_open_journal; } //打开日志文件 rc = sqlite3OsOpenExclusive(pPager->zJournal, &pPager->jfd, pPager->tempFile); //日志文件的位置指针 pPager->journalOff = 0; pPager->setMaster = 0; pPager->journalHdr = 0; if( rc!=SQLITE_OK ){ goto failed_to_open_journal; } /*一般来说,os此时创建的文件位于磁盘缓存,并没有实际 **存在于磁盘,下面三个操作就是为了把结果写入磁盘,而对于 **windows系统来说,并没有提供相应API,所以实际上没有意义. */ //fullSync操作对windows没有意义 sqlite3OsSetFullSync(pPager->jfd, pPager->full_fsync); sqlite3OsSetFullSync(pPager->fd, pPager->full_fsync); /* Attempt to open a file descriptor for the directory that contains a file. **This file descriptor can be used to fsync() the directory **in order to make sure the creation of a new file is actually written to disk. */ sqlite3OsOpenDirectory(pPager->jfd, pPager->zDirectory); pPager->journalOpen = 1; pPager->journalStarted = 0; pPager->needSync = 0; pPager->alwaysRollback = 0; pPager->nRec = 0; if( pPager->errCode ){ rc = pPager->errCode; goto failed_to_open_journal; } pPager->origDbSize = pPager->dbSize; //写入日志文件的header---24个字节 rc = writeJournalHdr(pPager); if( pPager->stmtAutoopen && rc==SQLITE_OK ){ rc = sqlite3pager_stmt_begin(pPager); } if( rc!=SQLITE_OK && rc!=SQLITE_NOMEM ){ rc = pager_unwritelock(pPager); if( rc==SQLITE_OK ){ rc = SQLITE_FULL; } } return rc; failed_to_open_journal: sqliteFree(pPager->aInJournal); pPager->aInJournal = 0; if( rc==SQLITE_NOMEM ){ /* If this was a malloc() failure, then we will not be closing the pager ** file. So delete any journal file we may have just created. Otherwise, ** the system will get confused, we have a read-lock on the file and a ** mysterious journal has appeared in the filesystem. */ sqlite3OsDelete(pPager->zJournal); }else{ sqlite3OsUnlock(pPager->fd, NO_LOCK); pPager->state = PAGER_UNLOCK; } return rc; } /*写入日志文件头 **journal header的格式如下: ** - 8 bytes: 标志日志文件的魔数 ** - 4 bytes: 日志文件中记录数 ** - 4 bytes: Random number used for page hash. ** - 4 bytes: 原来数据库的大小(kb) ** - 4 bytes: 扇区大小512byte */ static int writeJournalHdr(Pager *pPager){ //日志文件头 char zHeader[sizeof(aJournalMagic)+16]; int rc = seekJournalHdr(pPager); if( rc ) return rc; pPager->journalHdr = pPager->journalOff; if( pPager->stmtHdrOff==0 ){ pPager->stmtHdrOff = pPager->journalHdr; } //设置文件指针指向header之后 pPager->journalOff += JOURNAL_HDR_SZ(pPager); /* FIX ME: ** ** Possibly for a pager not in no-sync mode, the journal magic should not ** be written until nRec is filled in as part of next syncJournal(). ** ** Actually maybe the whole journal header should be delayed until that ** point. Think about this. */ memcpy(zHeader, aJournalMagic, sizeof(aJournalMagic)); /* The nRec Field. 0xFFFFFFFF for no-sync journals. */ put32bits(&zHeader[sizeof(aJournalMagic)], pPager->noSync ? 0xffffffff : 0); /* The random check-hash initialiser */ sqlite3Randomness(sizeof(pPager->cksumInit), &pPager->cksumInit); put32bits(&zHeader[sizeof(aJournalMagic)+4], pPager->cksumInit); /* The initial database size */ put32bits(&zHeader[sizeof(aJournalMagic)+8], pPager->dbSize); /* The assumed sector size for this process */ put32bits(&zHeader[sizeof(aJournalMagic)+12], pPager->sectorSize); //写入文件头 rc = sqlite3OsWrite(pPager->jfd, zHeader, sizeof(zHeader)); /* The journal header has been written successfully. Seek the journal ** file descriptor to the end of the journal header sector. */ if( rc==SQLITE_OK ){ rc = sqlite3OsSeek(pPager->jfd, pPager->journalOff-1); if( rc==SQLITE_OK ){ rc = sqlite3OsWrite(pPager->jfd, "\000", 1); } } return rc; } ~~~ 其实现过程如下图所示: ![document/2015-09-15/55f7c3eba1fd4](https://box.kancloud.cn/document_2015-09-15_55f7c3eba1fd4.png)