数据库的最简单实现

悠悠 2022-09-25 02:26 135阅读 0赞

所有应用软件之中，数据库可能是最复杂的。

MySQL的手册有3000多页，PostgreSQL的手册有2000多页，Oracle的手册更是比它们相加还要厚。

![这里写图片描述][20160805154330965]

但是，自己写一个最简单的数据库，做起来并不难。Reddit上面有一个[帖子][Link 1]，只用了几百个字，就把原理讲清楚了。下面是我根据这个帖子整理的内容。

# 一、数据以文本形式保存 #

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第一步，就是将所要保存的数据，写入文本文件。这个文本文件就是你的数据库。

为了方便读取，数据必须分成记录，每一条记录的长度规定为等长。比如，假定每条记录的长度是800字节，那么第5条记录的开始位置就在3200字节。

大多数时候，我们不知道某一条记录在第几个位置，只知道[主键][Link 2]（primary key）的值。这时为了读取数据，可以一条条比对记录。但是这样做效率太低，实际应用中，数据库往往采用[B树][B]（B-tree）格式储存数据。

# 二、什么是B树？ #

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要理解B树，必须从[二叉查找树][Link 3]（Binary search tree）讲起。

![这里写图片描述][20160805154553265]

二叉查找树是一种查找效率非常高的数据结构，它有三个特点。

1.  每个节点最多只有两个子树。
2.  左子树都为小于父节点的值，右子树都为大于父节点的值。
3.  在n个节点中找到目标值，一般只需要log(n)次比较。

二叉查找树的结构不适合数据库，因为它的查找效率与层数相关。越处在下层的数据，就需要越多次比较。极端情况下，n个数据需要n次比较才能找到目标值。对于数据库来说，每进入一层，就要从硬盘读取一次数据，这非常致命，因为硬盘的读取时间远远大于数据处理时间，数据库读取硬盘的次数越少越好。

B树是对二叉查找树的改进。它的设计思想是，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。

![这里写图片描述][20160805154735283]

B树的特点也有三个。

1.  一个节点可以容纳多个值。比如上图中，最多的一个节点容纳了4个值。
2.  除非数据已经填满，否则不会增加新的层。也就是说，B树追求”层”越少越好。
3.  子节点中的值，与父节点中的值，有严格的大小对应关系。一般来说，如果父节点有a个值，那么就有a+1个子节点。比如上图中，父节点有两个值（7和16），就对应三个子节点，第一个子节点都是小于7的值，最后一个子节点都是大于16的值，中间的子节点就是7和16之间的值。

这种数据结构，非常有利于减少读取硬盘的次数。假定一个节点可以容纳100个值，那么3层的B树可以容纳100万个数据，如果换成二叉查找树，则需要20层！假定操作系统一次读取一个节点，并且根节点保留在内存中，那么B树在100万个数据中查找目标值，只需要读取两次硬盘。

# 三、索引 #

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数据库以B树格式储存，只解决了按照”主键”查找数据的问题。如果想查找其他字段，就需要建立索引（index）。

所谓索引，就是以某个字段为关键字的B树文件。假定有一张”雇员表”，包含了员工号（主键）和姓名两个字段。可以对姓名建立索引文件，该文件以B树格式对姓名进行储存，每个姓名后面是其在数据库中的位置（即第几条记录）。查找姓名的时候，先从索引中找到对应第几条记录，然后再从表格中读取。

这种索引查找方法，叫做[“索引顺序存取方法”][Link 4]（Indexed Sequential Access Method），缩写为ISAM。它已经有多种实现（比如C-ISAM库和D-ISAM库），只要使用这些代码库，就能自己写一个最简单的数据库。

# 四、高级功能 #

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部署了最基本的数据存取（包括索引）以后，还可以实现一些高级功能。

**（1）SQL语言**是数据库通用操作语言，所以需要一个SQL解析器，将SQL命令解析为对应的ISAM操作。

**（2）数据库连接（join）**是指数据库的两张表通过”外键”，建立连接关系。你需要对这种操作进行优化。

**（3）数据库事务（transaction）**是指批量进行一系列数据库操作，只要有一步不成功，整个操作都不成功。所以需要有一个”操作日志”，以便失败时对操作进行回滚。

**（4）备份机制：**保存数据库的副本。

**（5）远程操作：**使得用户可以在不同的机器上，通过TCP/IP协议操作数据库。

# 转自 #

[数据库的最简单实现][Link 5]

[20160805154330965]: /images/20220719/3e01623148d5487e81996e9378e0bb19.png
[Link 1]: http://www.reddit.com/r/Database/comments/27u6dy/how_do_you_build_a_database/ciggal8
[Link 2]: http://zh.wikipedia.org/zh/%E5%85%B3%E7%B3%BB%E9%94%AE
[B]: http://en.wikipedia.org/wiki/B-tree
[Link 3]: http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%8C%E5%85%83%E6%90%9C%E5%B0%8B%E6%A8%B9
[20160805154553265]: /images/20220719/722e3f9fa9654a8fafbe051eb8a1bfdc.png
[20160805154735283]: /images/20220719/113ee0bfda25410aa4068f43bc831fbd.png
[Link 4]: http://en.wikipedia.org/wiki/ISAM
[Link 5]: http://www.ruanyifeng.com/blog/2014/07/database_implementation.html