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。

 

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。

 

 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。

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。

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。

上面 5步的代码的实现：

//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：