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Minisql分析

注：我在minisql中负责的部分为part4和part7，在实现过程中遇到了很多困难，其中一部分就是理解给出的框架代码和成员变量。因此也就有了我在个人详细报告中的以下部分（也是我认为应该存在于指导文档的内容）。
下面这部分是我报告的节选，不涉及具体的代码实现，目的就是帮助大家更好地理解对应部分是要做什么。未违反诚信守则。

2 Part4 - Catalog Manager

2.1 模块功能概述

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图1 Catalog Manager逻辑示意图

如图所示，本模块主要管理和维护数据库的所有模式信息，主要是管理了一个目录，可以索引对应id的表格和索引元数据的数据页，并且通过两者的元数据可以load相关表格和索引的信息，支持表格和索引相关的创建、访问、删除操作。

2.3 表的索引和管理

在这个部分我们主要需要实现CatalogManager这个类，实现这个类的关键和难点即自顶向下拆解、弄清楚这个类的成员变量及其数据类型，才能根据这些Index和Table的数据组织方式完成对应的成员函数。

2.3.1 CatalogManager成员变量说明

去除了用不到的成员变量后，最顶层的CatalogManager内部成员变量如下：

private:
  CatalogMeta *catalog_meta_;
  std::atomic<table_id_t> next_table_id_;
  std::atomic<index_id_t> next_index_id_;
  // map for tables
  std::unordered_map<std::string, table_id_t> table_names_;
  std::unordered_map<table_id_t, TableInfo *> tables_;
  // map for indexes: table_name->index_name->indexes
  std::unordered_map<std::string, std::unordered_map<std::string, index_id_t>> index_names_;
  std::unordered_map<index_id_t, IndexInfo *> indexes_;

我们可以看到，这个类下面的成员变量可以分为四大类：

  • 和目录信息直接相关的、会被序列化到数据库文件的第CATALOG_META_PAGE_ID号数据页中的目录元信息指针*catalog_meta_，数据类型为CatalogMeta *；

  • 在这里我们并不清楚目录元信息的具体构成，所以我们需要查看CatalogMeta这个类的成员变量：

    private:
  static constexpr uint32_t CATALOG_METADATA_MAGIC_NUM = 89849;
  std::map<table_id_t, page_id_t> table_meta_pages_;
  std::map<index_id_t, page_id_t> index_meta_pages_;

    在这里，第一个MAGIC_NUM变量是起到验证序列化正确性的魔数，不起到存储实际信息的作用；目录元信息内的有效信息即两个map容器，分别存储了数据库中table和index的id和数据页位置的对应关系。

  • 用于记录下一个table和index的id的next_table_id_和next_index_id_，数据类型为std::atomic<table_id_t>，根据config.h和atomic内的信息struct atomic<unsigned int>和using index_id_t = uint32_t; using table_id_t = uint32_t;，我们可以判断其数据类型为32位无符号整数；

  • table的具体信息，这些内容不会被写入数据页，需要在构造函数中根据目录元信息的两个map容器去Load出来。而具体信息主要包括两个unordered_map容器，其中一个记录了表名和id的对应关系，另一个则记录了id和TableInfo *的对应关系；

  • 在这里我们并不清楚TableInfo里面的数据内容及组织形式，所以我们通过查看table.h获取更多细节：

    private:
  TableMetadata *table_meta_;
  TableHeap *table_heap_;

    在这里包含了两个指针，我们去对应的文件寻找详细信息：

    • 表的元信息TableMetadata包含以下内容：
    private:
  static constexpr uint32_t TABLE_METADATA_MAGIC_NUM = 344528;
  table_id_t table_id_;
  std::string table_name_;
  page_id_t root_page_id_;
  Schema *schema_;

    除去魔数之外，包含以下内容：

    • 表的id

    • 表名称

    • 表对应的根页id - 因为一个table很可能对应不止一个page，所以我们给每个table配置了一个tablemeta的根页id，这样所有该table相关的page都形成了双向链表的关系。因此我们通过在目录元信息中存储一个page的id，就能找到这个table对应的所有的page。

    • 表对应的Schema（仍然不清晰，我们继续拆解）：

      private:
  static constexpr uint32_t SCHEMA_MAGIC_NUM = 200715;
  std::vector<Column *> columns_;
  bool is_manage_ = false; /** if false, don't need to delete pointer to column */

      我们可以看到Schema这个类主要内容是一个存储了Column指针的Vector容器，那么Column里面又包括了什么呢？

      private:
  static constexpr uint32_t COLUMN_MAGIC_NUM = 210928;
  std::string name_;
  TypeId type_;
  uint32_t len_{0};  // for char type this is the maximum byte length of the string data, otherwise is the fixed size
  uint32_t table_ind_{0};  // column position in table
  bool nullable_{false};   // whether the column can be null
  bool unique_{false};     // whether the column is unique

      看到这里就比较清晰了，我们发现Column类包括的就是我们熟悉的表格的每一个属性的名称、类型和约束条件。

    • 去除用不上的成员变量，TableHeap包含以下内容：

    private:
  BufferPoolManager *buffer_pool_manager_;
  page_id_t first_page_id_;
  Schema *schema_;
  TableSpaceManager space_manager_;

    我们可以看到这里并没有table对应的id，主要还是一些用于内存池操作的相关变量，故我们将其理解成封装好的实现表级别的操作和管理的类，具体细节不在这个Part研究。

  • index的具体信息，这些内容和table的具体信息一样，不会被写入数据页，需要在构造函数中根据目录元信息的两个map容器去Load出来。而具体的信息也主要包括了两个unordered_map容器：

  • std::unordered_map<std::string, std::unordered_map<std::string, index_id_t>> index_names_; - 最外层的容器记录了表名和它对应的所有在这个表上的索引，而所有索引也使用一个unordered_map容器存储，每一个element分别记录了每个索引的名称和对应的id；

  • std::unordered_map<index_id_t, IndexInfo *> indexes_; - 记录了索引的id和索引信息的对应关系，同样，在这里我们并不清楚IndexInfo里面的数据内容及组织形式，所以我们通过查看indexes.h获取更多细节：

    private:
  IndexMetadata *meta_data_;
  Index *index_;
  IndexSchema *key_schema_;

    • 这个类包含了这个索引定义时的元信息 meta_data_，该索引的模式信息 key_schema_ 和索引操作对象 index_。其中除了 meta_data_ 以外，其他两个信息都是通过反序列化后的元数据生成的。

    • 索引元数据的定义如下：

    private:
  static constexpr uint32_t INDEX_METADATA_MAGIC_NUM = 344528;
  index_id_t index_id_;
  std::string index_name_;
  table_id_t table_id_;
  std::vector<uint32_t> key_map_; /** The mapping of index key to tuple key */

    由此我们可以发现，索引的元数据记录了这个索引的名字、id和所在的表名，以及从索引到元组的映射key_map_（用于浅拷贝函数）；

    • Index类的定义如下：
    protected:
  index_id_t index_id_;
  IndexSchema *key_schema_;

    通过using IndexSchema = Schema;我们可以知道*key_schema指向的内容也主要是一个包含了每一个属性的名称、类型和约束条件的Vector容器；

    • 现在我们根据这些成员变量完成IndexInfo的初始化函数：//略

3 Part7 - Lock Manager

3.1 模块功能概述

我们在这个模块主要需要实现LockManager这个类，功能包括：

  • 追踪发放给事务的锁
  • 依据隔离级别适当地授予和释放S和X锁
  • 完成死锁检测和相关的处理

我们需要实现的函数主要分为两块：

  1. 锁管理器中授予事务共享锁、独占锁和升级锁的功能及相关函数
  2. 绘制等待图及死锁检测

3.2 事务管理器

给出的TxnManager模块的功能有：

  1. 边界控制：开始时分配所需资源，成功完成时执行提交操作并持久化，遇到错误或需要撤销时回滚并撤销更改
  2. 并发控制：确保事务不会互相干扰
  3. 故障处理：检测到错误时，回滚撤销或者尝试恢复

同时Txn类负责通过参数控制事务的隔离级别，由LockManager负责检查，在遇到失败的锁操作时将事务中止并抛出异常，由TxnManager捕获异常并回滚。

在这个工程中，隔离级别有：

  1. kReadUncommitted (读未提交)
  2. 在这个级别下，事务可以读取其他未提交事务的更改。这是最低的隔离级别，允许最大程度的并发，但同时也容易出现“脏读”（dirty reads），意味着一个事务可能读取到另一个事务未提交的更改，如果那个事务回滚，读取的数据就是无效的。
  3. kReadCommitted (读已提交)
  4. 此隔离级别保证一个事务只能读取已经提交的更改。这可以防止脏读，但不保证在同一事务中多次读取同一数据时数据保持不变（即不可重复读现象可能发生）。大多数数据库系统的默认隔离级别是读已提交。
  5. kRepeatedRead (可重复读)
  6. 可重复读保证在一个事务内多次读取同一记录的结果是一致的，即在这个事务执行期间，隐藏了其他事务所做的修改。这可以防止不可重复读，但仍可能面临其他问题，比如幻读（其他事务插入或删除了符合查询条件的记录，导致两次执行同一个查询可能得到不同的结果）。这个级别通常提供较高的数据一致性保障。

3.3 锁管理器

3.3.1 LockManager类给出代码分析

和第四部分一样，我们还是先对我们要实现的这个LockManager类内的成员变量和成员函数进行分析拆解。

首先类内包括了LockMode这一枚举类，枚举了三种记录上面锁的状态，分别是：

  • kNone - 表示这个记录上目前没有任何锁
  • kShared - 表示这个记录上有共享锁
  • kExclusive - 表示这个记录上有独占锁

而这个类内还有两个内部类：

  1. LockRequest

此类代表由事务（txn_id）发出的锁请求。它包含以下成员：

  • txn_id_：发出请求的事务的标识符
  • lock_mode_：请求的锁类型（例如，共享或排他）

  • granted_：已授予事务的锁类型

  • LockRequestQueue

这个类用于处理锁请求的队列，包含了这一队列的相关信息和处理的相关方法。

包含以下成员变量：

  • req_list_：类型为包含LockRequest元素的list容器，用于记录所有的锁请求
  • req_list_iter_map_：类型为unordered_map<txn_id_t, ReqListType::iterator>，构造了对应id的事务和锁请求列表迭代器的映射，用于快速索引 req_list_ 列表中每个事务ID对应的锁请求
  • cv_：类型为condition_variable，用于管理因为锁竞争而被阻塞的事务，具体操作如下：
  • 等待（Waiting）：一个事务线程在不能获取所需的锁时，会调用 cv_.wait(lock, predicate) 进入等待状态。这里 lock 是一个互斥锁（通常是与条件变量配合使用的），predicate 是一个返回布尔值的函数或可调用对象，表示等待持续的条件。该线程会在 predicate 为 false 时阻塞，直到其他线程在相同的条件变量上调用 notify_one() 或 notify_all()。
  • 通知（Notifying）：当锁的状态变更允许被阻塞的事务继续执行时，可以调用 cv_.notify_one() 或 cv_.notify_all() 来唤醒一个或所有等待中的线程。被唤醒的线程会重新评估 predicate，如果结果为 true，则继续执行。
  • is_writing_：指示当前是否持有排他性写锁
  • is_upgrading_：指示是否正在进行锁升级
  • sharing_cnt_：持有共享锁的事务数量的整数计数

包含的处理锁请求队列的方法如下：

  • EmplaceLockRequest()：将新的锁请求添加到队列前端，并在map中存储其迭代器
  • EraseLockRequest()：根据txn_id从队列和map中移除锁请求。如果成功返回true，否则返回false
  • GetLockRequestIter()：根据txn_id检索队列中特定锁请求的迭代器

而除去上述内部类，LockManager这一整个类还包含锁管理器相关的以下成员变量：

  • lock_table_：是每一条记录RowId和在这条记录上面的锁请求队列LockRequestQueue的映射，记录了数据库每一条记录上对应的锁请求队列

  • latch_：数据类型为mutex，用于提供互斥锁的基本功能，保证线程不冲突。包含以下操作：

  • 锁定（Lock）：调用 lock() 方法可以锁定互斥锁。如果锁已被其他线程锁定，则当前线程将被阻塞，直到该锁被释放

  • 尝试锁定（Try Lock）：调用 try_lock() 方法尝试锁定互斥锁。如果锁在调用时可用，这个方法会锁定它并返回 true；如果锁已被其他线程持有，则不会阻塞当前线程，直接返回 false
  • 解锁（Unlock）：调用 unlock() 方法可以解锁互斥锁，释放对资源的独占权，使其他线程能够获取锁
void someFunction() {
    // 使用 unique_lock 对 latch_ 加锁
    std::unique_lock<std::mutex> lock(latch_);
    // 安全地修改 lock_table_
    lock_table_[someKey] = someValue;
    // lock 在这个 block 结束时自动释放
}

由此，我们需要在锁管理的成员函数最开始都给latch加锁来确保锁的成员变量被安全的修改，确保这些操作不会与其他线程冲突或产生数据不一致性。