SQLite 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]);
//…
}
3、页面结构（page structure）
数据库文件分成固定大小的页面。SQLite通过B+tree模型来管理所有的页面。页面(page)分三种类型：要么是tree page，或者是overflow page，或者是free page。
3.1、Tree page structure
每个tree page分成许多单元(cell)，一个单元包含一个(或部分)payload。Cell是tree page进行分配或回收的基本单位。
一个tree page分成四个部分：
(1)The page header
(2)The cell content area
(3)The cell pointer array
(4)Unallocated space
Cell 指针数组与cell content相向增长。一个page header仅包含用来管理页面的信息，它通常位于页面的开始处(但是对于数据库文件的第一个页面，它开始第100个字节处，前100个字节包含文件头信息(file header))。
Structure of tree page header
| Offset |
Size |
Description |
| 0 |
1 |
Flags. 1: intkey, 2: zerodata, 4: leafdata, 8: leaf |
| 1 |
2 |
Byte offset to the first free block |
| 3 |
2 |
Number of cells on this page |
| 5 |
2 |
First byte of the cell content area |
| 7 |
1 |
Number of fragmented free bytes |
| 8 |
4 |
Right child (the Ptr(n) value). Omitted on leaves. |
Flag定义页面的格式：如果leaf位被设置，则该页面是一个叶子节点，没有孩子；如果zerodata位被设置，则该页面只有关键字，而没有数据；如果intkey位设置，则关键字是整型；如果leafdata位设置，则tree只存储数据在叶子节点。另外，对于内部页面(internal page)，header在第8个字节处包含指向最右边子节点的指针。
Cell位于页面的高端，而cell 指针数组位于页面的page header之后，cell指针数组包含0个或者多个的指针。每个指针占2个字节，表示在cell content区域的cell距页面开始处的偏移。页面Cell单元的数量位于偏移3处。
由于随机的插入和删除单元，将会导致一个页面上Cell和空闲区域互相交错。Cell内容区域(cell content area)中没有使用的空间收集起来形成一个空闲块链表，这些空闲块按照它们地址的升序排列。页面头1偏移处的2个字节指向空闲块链表的头。每一个空闲块至少4个字节，每个空闲块的开始4个字节存储控制信息：头2个字节指向下一个空闲块（0意味着没有下一个空闲块了），剩余的2个字节为该空闲块的大小。由于空闲块至少为4个字节大小，所以单元内容空间中的3个字节或更小的空间（叫做fragment）不能存在于空闲块列表中。所有碎片(fragment)的总的字节数将记录在页面头偏移为7的位置(所以太碎片最多为255个字节，在它达到最大值之前，页面会被整理)。单元内容区域的第一个字节记录在页面头偏移为5的地方。这个值为单元内容区域和未使用区域的分界线。
3.2、单元格式(Structure of a cell)
单元是变长的字节串。一个单元存储一个负载(payload)，它的结构如下：
Structure of a cell |
|
| Size |
Description |
| 4 |
Page number of the left child. Omitted if leaf flag bit is set. |
| var(1–9) |
Number of bytes of data. Omitted if the zerodata flag bit is set. |
| var(1–9) |
Number of bytes of key. Or the key itself if intkey flag bit is set. |
| * |
Payload |
| 4 |
First page of the overflow chain. Omitted if no overflow. |
对于内部页面，每个单元包含4个字节的左孩子页面指针；对于叶子页面，单元不需要孩子指针。接下来是数据的字节数，和关键字的长度，下图描述了单元格式：(a)一个单元的格式 (b)负载的结构。
3.3、溢出页面
小的元组能够存储在一个页面中，但是一个大的元组可能要扩展到溢出页面，一个单元的溢出页面形成一个单独的链表。每一个溢出页面(除了最后一个页面)全部填充数据(除了最开始处的4个字节)，开始处的4个字节存储下一个溢出页面的页面号。最后一个页面甚至可以只有一个字节的数据，但是一个溢出页面绝不会存储两个单元的数据。
溢出页面的格式：
3.4、实例分析
数据库为test.db，其中有一个表和索引如下：
CREATE TABLE episodes( id integer primary key,name text, cid int);
CREATE INDEX name_idx on episodes(name);
3.4.1、叶子页面格式分析：
Episodes表的根页面为第2个页面(此时episodes表只上一个页面)，表中的数据如下：
| sqlite> select * from episodes; 1|Cinnamon Babka2| 2|Mackinaw Peaches|1 3|Mackinaw Peaches|1 4|cat|1 5|cat|1 6|cat|1 7|cat|1 8|cat|1 9|cat|1 10|cat|1 11|cat|1 12|cat|1 13|cat2|40 14|hustcat|5 15|gloriazzz|41 16|eustcat|5 17|xloriazzz|41 |
下面为2号页面页面头(开始的8个字节)：
| Offset |
Size |
值 及含义 |
| 0 |
1 |
0x0D: 1: intkey, 2: zerodata, 4: leafdata, 8: leaf |
| 1 |
2 |
0x0000:第一个空闲块的偏移为0 |
| 3 |
2 |
0x0011:页面的单元数为17 |
| 5 |
2 |
0x031C:单元内容区的第一个字节的偏移(距页面起始位置) |
| 7 |
1 |
0x00：碎片字节数 |
| 8 |
4 |
Right child (the Ptr(n) value). Omitted on leaves. |
来看第2个页面的数据（0x400——0x7ff）：
页面头之后为cell指针数组，第一个cell的相对页面起始位置偏移为0x03EB，即文件的0x07EB。该单元的数据为：
0x13：数据的字节数，19个字节，即04 00 2B … 61 32。
0x01：关键字的字节数，对于整型，则为关键字本身，即1。
0x04：从该字节开始为payload，即记录。0x04为记录头的大小。
0x00：NULL，id字段的值，由于关键字保存在key size中，这里为NULL
0x2B：name字段值的长度，为字符串，长度为(43-13)/2=15。
0x00：NULL，第一条记录cid的值。