SQLite学习笔记(九)&&pager模块
概述
通过上一篇文章的分析，我们知道了pager模块在整个sqlite中所处的位置。它是sqlite的核心模块，充当了多种重要角色。作为一个事务管理器，它通过并发控制和故障恢复实现事务的ACID特性，负责事务的原子提交和回滚；作为一个页管理器，它处理从文件中读写数据页，并执行文件空间管理工作；作为日志管理器，它负责写日志记录到日志文件；作为锁管理器，它确保事务在访问数据页之前，一定先对数据文件上锁，实现并发控制。本质上来说，pager模块实现了存储的持久性和事务的原子性。从图1中我们可以看到pager模块主要由4个子模块组成：事务管理模块，锁管理模块，日志模块和缓存模块。而事务模块的实现依赖于其它3个子模块。因此pager模块最核心的功能实质是由缓存模块、日志管理器和锁管理器完成。Tree模块是pager模块的上游，Tree模块在访问数据文件前，需要创建一个pager对象，通过pager对象来操作文件。pager模块利用pager对象来跟踪文件锁相关的信息，日志状态，数据库状态等。对于同一个文件，一个进程可能有多个pager对象；这些对象之间都是相互独立的。对于共享缓存模式，每个数据文件只有一个pager对象，所有连接共享这个pager对象。
图1
缓存模块
这里谈到的缓存管理，实际上就是page cache模块。应用程序访问数据库文件时，pager模块会以块为单位进行缓存，每一个连接都有自己独有的pager模块，因此每个连接都有自己独有的缓存。
1.缓存锁状态
文件的页面缓存初始化时，pager模块处于NO_LOCK状态。BTREE模块第一次调用sqlite3PagerGet从数据文件中读取页面时，pager状态转换为SHARED_LOCK状态。当Tree模块调用sqlite3PagerUnref释放页面时，pager状态重新回到NO_LOCK状态。当ree模块第一次调用sqlite3PagerWrite访问页面时，pager状态变为RESERVED_LOCK状态。要注意的是，调用sqlite3PagerWrite访问的页面，一定是之前被读过的页面，pager状态是从SHARED_LOCK转换到RESERVED_LOCK状态。在向数据文件页写入之前，pager模块转换到EXECLUSIVE_LOCK状态，事务提交sqlite3BtreeCommitPhaseTwo或回滚sqlite3PagerRollback时，pager模块回到NO_LOCK状态。
2.缓存组织
如图2所示，缓存其实是由一个hash表和多个链表组成。Pager模块访问页面时，首先以页号为key，在hash表中查找，迅速确定所需的页面是否在缓存。建立hash表时，若出现多个页号映射在同一个桶，则通过链表链接起来。除了hash表，缓存组织还包括一个LRU链表和DIRTY链表，分别用于缓存替换和缓存刷脏。
图2
3.缓存策略
sqlite并不像有些数据库有预取机制，可能是为了简单，也可能是因为sqlite主要用于端设备，本身缓存就比较少。因此，只有在上层模块需要指定的页时，才从文件中读取到缓存中。由于缓存是一定的，并且一般情况下小于数据库文件容量，所以一定会存在缓存替换的问题。sqlite采用LRU算法，基本上主流的关系型数据库都采用这种算法。LRU(least recent used),通过将过去一段时间页面的访问来预测未来页面的访问。意思就是，如果一个页面现在被访问，就可以认为这个页面很有可能会被再次访问；如果一个页面在过去一段时间内很久都没有被访问，则可以认为该页在未来一段时间内也不会被访问。那么当缓存池满时，则选择最近最少被访问的页面替换。如果选择被替换的页是脏页，在替换出缓存之前，需要将先将被替换的页写入数据文件(这时候脏页对应的old-page需要先刷入日志文件)。我们知道缓存中的脏页刷盘后才算真正写入文件，那么缓存中的脏页何时刷盘？sqlite不提供刷脏页接口，因此用户不能主动触发刷page(写datafile)操作，这个操作由pager模块在特定情况下触发。主要有两种情况:缓存的page数量已经超过了page_size；另外一种情况是，事务在提交过程中。
4.核心流程
读取一个page的过程(假设页号为P)
(1).在page cache中查找
通过页号，在hash表中搜索，定位到指定的桶，然后通过PgHdr1.pNext逐个比较是否是需要的页。如果找到，则将PgHdr.nRef加1，并将页面返回给上层调用模块。
(2).如果在page cache中没有找到，则获取一个空闲的slot，或者直接新建一个slot，只要不超过slot的阀值PCache1.nMax即可。
(3).如果没有可用的slot，则选择一个可以重用的slot(slot对应的页面需要释放，通过LRU算法)
(4).如果选择重用的slot对应的page是脏页，则将该页写入文件(对于wal，刷脏页前，先将脏页写入日志文件)
(5).加载page
如果页号P对应的偏移小于文件的大小，从文件读入page到slot，设置PgHdr.nRef为1，返回；如果页号P对应的偏移大于当前文件大小，则将slot中内容初始化为0，同样将PgHdr.nRef设置为1。
更新page的过程
这里假设page已经读取到内存中。Tree模块往page写入数据之前，需要调用sqlite3PagerWrite函数，使得一个page变为可写的状态，否则pager模块不知道这个page需要被修改。pager模块在数据文件上加一个reserved锁，并创建一个日志文件。如果加锁失败，则返回SQLITE_BUSY错误。它将page的原始信息拷贝到日志文件，如果日志文件中之前已经存在该page，则不进行拷贝动作，而只是将page标记为dirty。当page被写入文件后，dirty标记会被清除。
5.缓存一致性
从前面的讨论知道，每个连接都有一份自己的缓存。对于共享缓存模式而言，同一个进程的多个线程公用一份缓存。那么连接之间的缓存如何保证一致性？比如有Connection1和Connection2两个连接，Connection1首先从文件中读取了page_A并加入到了缓存；随后Connection2也从文件中读取Page_A，并进行了更新；那么当Connection1再次读取page_A时，Connection1如何知道自己缓存的page_A已经不是最新了，需要重新到DB文件中读取？
SQLite当然考虑到这个问题，在SQLite DB的文件控制头中存储了DB的版本信息。每当会话执行SQL时，会首先加共享锁，并读取DB数据的版本信息(4个字节)并缓存起来，如果发现这次读取的DB版本信息与之前缓存的DB数据版本信息有变(表示DB文件被修改了)，则清理自身的缓存，清理缓存的接口是pager_reset。当会话再次请求已经发生变化的page时，会重新到DB文件中读取，保证读取到最新。至于DB的数据版本信息，每次事务提交时，会调用pager_write_changecounter进行更新，并持久化到DB文件头。
由于这种实现方式，导致更新频繁的系统，每次读都会清空缓存，导致大量的请求实际还是需要请求DB文件。SQLite提供的共享缓存模式，使得多个会话可以共享一份缓存，就不存在所谓的清理缓存了，从这个层面来看，共享缓存除了可以节省内存空间，还可以提高缓存的命中率，尤其是对于多会话的场景。
日志管理器
1.写日志策略
目前数据库日志主要用两种方式：第一种是WAL(Write Ahead Logging)，另外一种是影子分页技术(Shadow paging)。sqlite分别实现了这两种日志方式来保证事务的ACID特性，可以通过参数journal_mode来控制日志模式，默认情况下采用影子分页技术。影子分页模式下，每个page只在日志文件中存一份，无论这个页被修改过多少次。日志文件中，只记录事务开始前page的原始信息，进行恢复时，只需要利用日志文件中的page进行覆盖即可。对于新生成的页，日志中不会记录，而是在日志头记录事务开始时数据文件page的数目，进行恢复时，只需要截断数据文件即可，不需要新页的数据，况且新页本来就没有任何数据。
2. Shadow paging
(1).将old-page写入日志文件，并fsync
(2).修改日志头，更新日志记录数，并fsync，这个值初始为0
(3).在数据文件上获取EXECLUSIVE lock，如果此时还有读事务，则报SQLITE_BUSY错误
(4).将dirty-page写入日志文件，并将这些cache标记为clean，表示可以重用如果是因为cache满了，导致需要写datafile操作，由于用户没有发起事务提交，因此pager模块也不会提交事务。
pager模块重复上述的1，2，3，4点，直到事务提交。为了避免事务提交前，其他事务读到脏数据，因此在进行刷脏页时，需要在文件上EXECLUSIVE lock，那么直到事务提交前，这个EXECLUSIVE lock都不会释放，导致这种情况下，所有其它读、写事务都被堵塞。因此，大事务会降低整体的并发性能。
锁管理器
sqlite的并发控制靠封锁实现，依据两阶段锁协议，保证事务的ACID。Sqlite的并发控制依赖于文件锁，通过锁文件的特定的区域，实现互斥。Sqlite主要包含4种锁，SHARED_LOCK(共享锁)，(RESERVED_LOCK)保留锁，(PENDING_LOCK)未决锁和(EXCLUSIVE_LOCK)排它锁，其中共享锁与排它锁在文件的同一片区域。RESERVED_LOCK主要用于写写互斥，PENDING_LOCK则主要用于读写互斥，并有延缓互斥的作用。关于锁并发详细可以看sqlite封锁机制。
图3
关键接口
sqlite3PagerCommitPhaseOne //提交事务第一阶段：文件修改计数器增1，将日志文件刷入磁盘，将事务修改的脏页刷入磁盘。
sqlite3PagerCommitPhaseTwo //提交事务的第二阶段：删除日志文件，释放锁
sqlite3PagerRollback //回滚事务：回滚事务在数据文件的修改，将排它锁降级为共享锁，所有缓存页面还原到修改之前的状态，删除日志文件。
pcache1ResizeHash【扩展hash】 //最大缓存2000个page，LRU链表，插入队头，从队尾删除
setSharedCacheTableLock //table-lock接口
pagerLockDb //文件锁接口
walLockShared wal //文件共享读锁接口
walLockExclusive wal //文件排它锁接口
sqlite3PagerAcquire //获取某一页
readDbPage //读取page
pcache1FetchNoMutex //查找cache
pcache1FetchStage2 //添加cache
pcache1RemoveFromHash //移除cache
参考文档
SQlite Database System Design and Implementation
