数据管理_DM的实现

news2024/11/19 19:21:14

DataManager 的实现

DataManager 是数据库系统中的核心组件,负责管理底层数据的访问、修改和事务处理。它是 DM 层直接对外提供方法的类,用来对上层其他模块提供数据操作的API的,同时也实现了对 DataItem 对象的缓存管理。DataItem 存储的 key 是由页号和页内偏移组成的一个 8 字节无符号整数,页号和偏移各占 4 字节。

DataManager 的核心功能
  1. 数据缓存与管理DataManager 通过缓存 DataItem 对象,提供高效的数据访问。DataItemkey 是一个 8 字节无符号整数,其中页号和页内偏移各占 4 字节。这种设计允许快速定位和访问数据,减少了对底层存储的频繁访问。
  2. 数据访问与操作DataManager 提供了读取、插入和修改等数据操作方法。通过这些方法,数据库的上层模块可以方便地对数据进行操作。
  3. 事务管理DataManager 支持事务管理,确保数据操作的原子性。事务管理能够保证在事务提交或回滚时,数据的一致性和完整性。
  4. 日志记录与恢复DataManager 在数据修改操作前后执行日志记录,以确保数据的安全性和可靠性,并支持系统崩溃后的数据恢复。
  5. 页面索引管理DataManager 还实现了页面索引管理功能,通过页面索引,可以快速定位到合适的空闲空间,提高数据插入的效率和性能。
  6. 文件初始化与校验DataManager 在创建和打开数据库文件时,进行文件的初始化和校验,确保文件的正确性和完整性。

DataManager 的uid的生成与解析

DataItemDataManager 中的存储和管理是通过一个唯一标识符 Uid 来实现的。这个 Uid 是由页面编号 (pgno) 和页面内偏移量 (offset) 组成的一个 8 字节无符号整数,其中页号和偏移量各占 4 字节。高4字节的32位表示DataItem存储的Page的页号低4字节的32位中只有低16位有意义,这16位表示DataItem存储的Page中的页内偏移,而高16位无意义 , 这里以pgno = 2 和 offset = 0来演示生成和解析 Uid 的详细过程。

1、生成 Uid 通过将页面编号 (pgno) 和偏移量 (offset) 组合成一个 8 字节无符号整数来生成 Uid。这里使用了位移和按位或运算。

public class Types {
    public static long addressToUid(int pgno, short offset) {
        long u0 = (long) pgno;
        long u1 = (long) offset;
        return u0 << 32 | u1; // 左移32位表示页号,按位或运算将页号和偏移量合并成一个Uid
    }
}

按位或:有1为1;双0为0

2、从 Uid 中提取偏移量 (**offset**) 为了从 Uid 中提取出偏移量,需要对 Uid 进行按位与运算。偏移量是 Uid 的低 16 位,通过与 16 位全1(0xFFFF)进行按位与操作可以提取出偏移量。(双1为1;其余为0)

// 提取偏移量,偏移量占 Uid 的低16位
short offset = (short) (uid & ((1L << 16) - 1)); // 按位与操作提取出低16位的偏移量

3、从 Uid 中提取页面编号 (**pgno**) 提取页面编号则需要将 Uid 右移 32 位,以便将高 32 位对齐到低位,然后通过按位与操作提取出页面编号。

// 右移32位,将高32位对齐到低位
uid >>>= 32;
// 提取页面编号,页面编号占 Uid 的高32位
int pgno = (int) (uid & ((1L << 32) - 1)); // 按位与操作提取出页面编号

编码实现

DM结构定义
public class DataManagerImpl extends AbstractCache<DataItem> implements DataManager {
    TransactionManager tm; //TM事务管理器
    PageCache pc; //PC页面缓存
    Logger logger;  //数据库日志
    PageIndex pIndex;  //页面索引
    Page pageOne;  //第一页
创建新的DM(构造方法)
    public DataManagerImpl(PageCache pc, Logger logger, TransactionManager tm) {
        super(0);
        this.pc = pc;
        this.logger = logger;
        this.tm = tm;
        this.pIndex = new PageIndex();
    }
创建/打开DM
    /**
     * 创建页缓存(PageCache):通过调用PageCache.create(path, mem)方法,创建一个页缓存对象pc。path参数指定了数据存储的路径,mem参数指定了内存大小。
     * 创建日志记录器(Logger):通过调用Logger.create(path)方法,创建一个日志记录器对象lg。path参数同样指定了数据存储的路径。
     * 创建数据管理器实现类(DataManagerImpl)实例:使用创建的页缓存对象pc、日志记录器对象lg和事务管理器对象tm作为参数,创建一个数据管理器实现类DataManagerImpl的实例dm。
     * 初始化页一(PageOne):调用dm.initPageOne()方法,初始化数据管理器中的页一。页一是一个特殊的页,通常用于存储数据库的元数据或配置信息。
     * 返回数据管理器实例:将创建并初始化好的DataManagerImpl实例dm作为返回值,返回给调用者。这是数据库打开过程中的初始化阶段,其中创建了数据管理器所需的核心组件,并对关键的页进行了初始化操作。
     * @param path
     * @param mem
     * @param tm
     * @return
     */
    public static DataManager create(String path, long mem, TransactionManager tm) {
        PageCache pc = PageCache.create(path, mem); //111111
        Logger lg = Logger.create(path);

        DataManagerImpl dm = new DataManagerImpl(pc, lg, tm);
        dm.initPageOne();
        return dm;
    }


//111111。缓存
    public static PageCacheImpl create(String path, long memory) {
        //1、根据路径创建db文件
        File f = new File(path+PageCacheImpl.DB_SUFFIX);
        try {
            //2、判断文件是否能创建成功
            if(!f.createNewFile()) {
                Panic.panic(Error.FileExistsException);
            }
        } catch (Exception e) {
            Panic.panic(e);
        }
        //3、文件是否可读写
        if(!f.canRead() || !f.canWrite()) {
            Panic.panic(Error.FileCannotRWException);
        }
        //4、创建NIO管道和随机文件对象操作类创建的文件
        FileChannel fc = null;
        RandomAccessFile raf = null;
        try {
            raf = new RandomAccessFile(f, "rw");
            fc = raf.getChannel();
        } catch (FileNotFoundException e) {
           Panic.panic(e);
        }
        //5、创建PageCacheImpl对象
        return new PageCacheImpl(raf, fc, (int)memory/PAGE_SIZE);
    }



    public static DataManager open(String path, long mem, TransactionManager tm) {
        PageCache pc = PageCache.open(path, mem);//2222
        Logger lg = Logger.open(path);
        DataManagerImpl dm = new DataManagerImpl(pc, lg, tm);
        if(!dm.loadCheckPageOne()) {
            Recover.recover(tm, lg, pc);
        }
        dm.fillPageIndex();
        PageOne.setVcOpen(dm.pageOne);
        dm.pc.flushPage(dm.pageOne);

        return dm;
    }


//222222222222

public static PageCacheImpl open(String path, long memory) {
        File f = new File(path+PageCacheImpl.DB_SUFFIX);
        if(!f.exists()) { //判断文件是否存在
            Panic.panic(Error.FileNotExistsException);
        }
        if(!f.canRead() || !f.canWrite()) {
            Panic.panic(Error.FileCannotRWException);
        }

        FileChannel fc = null;
        RandomAccessFile raf = null;
        try {
            raf = new RandomAccessFile(f, "rw");
            fc = raf.getChannel();
        } catch (FileNotFoundException e) {
           Panic.panic(e);
        }
        return new PageCacheImpl(raf, fc, (int)memory/PAGE_SIZE);
    }



如上两种不同方式需要注意:

  • 从空文件创建需要对第一页进行初始化

  • 从已有文件创建(即打开),需要对第一页进行校验从而判断是否需要执行恢复流程,并重新对第一页生成随机字节

初始化PageIndex
    // 初始化pageIndex
    void fillPageIndex() {
        //获取当前的pageCache中的页面数量
        int pageNumber = pc.getPageNumber();
        //遍历从第二页开始的每一页
        for(int i = 2; i <= pageNumber; i ++) {
            Page pg = null;
            try {
                //获取第i页
                pg = pc.getPage(i);
            } catch (Exception e) {
                Panic.panic(e);
            }
            //获取第i页的空闲空间大小,将第i页的页面编号和空闲空间大小添加到 PageIndex 中
            pIndex.add(pg.getPageNumber(), PageX.getFreeSpace(pg));
            pg.release();
        }
    }


这个方法的主要目的是在数据库打开时,为数据管理器构建一个页索引,以便后续的数据操作可以快速定位和访问页

加载并检查PageOne
getForCache

也是继承自AbstractCache,只需要从 key 中解析出页号,从 pageCache 中获取到页面,再根据偏移,解析出 DataItem 即可

@Override
protected DataItem getForCache(long uid) throws Exception {
    // 从 uid 中提取出偏移量(offset),这是通过位操作实现的,偏移量是 uid 的低16位
    short offset = (short) (uid & ((1L << 16) - 1));
    // 将 uid 右移32位,以便接下来提取出页面编号(pgno)
    uid >>>= 32;
    // 从 uid 中提取出页面编号(pgno),页面编号是 uid 的高32位
    int pgno = (int) (uid & ((1L << 32) - 1));
    // 使用页面缓存(pc)的 getPage(int pgno) 方法根据页面编号获取一个 Page 对象
    Page pg = pc.getPage(pgno);
    // 使用 DataItem 接口的静态方法 parseDataItem(Page pg, short offset, DataManagerImpl dm)
    // 根据获取到的 Page 对象、偏移量和当前的 DataManagerImpl 对象(this)解析出一个 DataItem 对象,并返回这个对象
    return DataItem.parseDataItem(pg, offset, this);
}
releaseForCache

DataItem 缓存释放,需要将 DataItem 写回数据源,由于对文件的读写是以页为单位进行的,只需要将 DataItem 所在的页 release 即可:

@Override
protected void releaseForCache(DataItem di) {
    di.page().release();
}
DataManager的核心方法
  1. 读取数据read()
  • 根据 Uid 从缓存中获取 DataItem,并校验其有效性。DataItemUid 是由页号和页内偏移组成的一个 8 字节无符号整数。

@Override
public DataItem read(long uid) throws Exception {
    //从缓存页面中读取到DataItemImpl
    DataItemImpl di = (DataItemImpl) super.get(uid); // 若缓存中不存在则调用 getForCache() 方法
    //校验di是否有效
    if (!di.isValid()) {
        // 无效释放缓存
        di.release();
        return null;
    }
    return di;
}

2.插入数据insert()

  • PageIndex 中选择一个合适的页面进行插入操作,记录插入日志,并返回插入位置的偏移。插入的位置和页面信息都是通过页号和偏移量进行管理的。

@Override
public long insert(long xid, byte[] data) throws Exception {
    // 将输入的数据包装成DataItem的原始格式
    byte[] raw = DataItem.wrapDataItemRaw(data);
    // 如果数据项的大小超过了页面的最大空闲空间,抛出异常
    if (raw.length > PageX.MAX_FREE_SPACE) {
        throw Error.DataTooLargeException;
    }

    // 初始化一个页面信息对象
    PageInfo pi = null;
    // 尝试5次找到一个可以容纳新数据项的页面
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        // 从页面索引中选择一个可以容纳新数据项的页面
        pi = pIndex.select(raw.length);
        // 如果找到了合适的页面,跳出循环
        if (pi != null) {
            break;
        } else {
            // 如果没有找到合适的页面,创建一个新的页面,并将其添加到页面索引中
            int newPgno = pc.newPage(PageX.initRaw());
            pIndex.add(newPgno, PageX.MAX_FREE_SPACE);
        }
    }
    // 如果还是没有找到合适的页面,抛出异常
    if (pi == null) {
        throw Error.DatabaseBusyException;
    }

    // 初始化一个页面对象
    Page pg = null;
    // 初始化空闲空间大小为0
    int freeSpace = 0;
    try {
        // 获取页面信息对象中的页面
        pg = pc.getPage(pi.pgno);
        // 生成插入日志
        byte[] log = Recover.insertLog(xid, pg, raw);
        // 将日志写入日志文件
        logger.log(log);

        // 在页面中插入新的数据项,并获取其在页面中的偏移量
        short offset = PageX.insert(pg, raw);

        // 释放页面
        pg.release();
        // 返回新插入的数据项的唯一标识符
        return Types.addressToUid(pi.pgno, offset);

    } finally {
        // 将页面重新添加到页面索引中
        if (pg != null) {
            pIndex.add(pi.pgno, PageX.getFreeSpace(pg));
        } else {
            pIndex.add(pi.pgno, freeSpace);
        }
    }
}

/**
 *  返回一个完整的 DataItem 结构数据
 *  dataItem 结构如下:
 *  [ValidFlag] [DataSize] [Data]
 *  ValidFlag 1字节,0为合法,1为非法
 *  DataSize  2字节,标识Data的长度
 * @param raw
 * @return
 */
public static byte[] wrapDataItemRaw(byte[] raw) {
    byte[] valid = new byte[1]; //证明此时为非法数据
    byte[] size = Parser.short2Byte((short)raw.length); //计算数据字节大小
    return Bytes.concat(valid, size, raw); //拼接DataItem 结构数据
}

/**
 * 根据给定的空间大小选择一个 PageInfo 对象。
 *
 * @param spaceSize 需要的空间大小
 * @return 一个 PageInfo 对象,其空闲空间大于或等于给定的空间大小。如果没有找到合适的 PageInfo,返回 null。
 */
public PageInfo select(int spaceSize) {
lock.lock(); // 获取锁,确保线程安全
try {
    int number = spaceSize / THRESHOLD; // 计算需要的空间大小对应的区间编号
    // 此处+1主要为了向上取整
    /*
            1、假需要存储的字节大小为5168,此时计算出来的区间号是25,但是25*204=5100显然是不满足条件的
            2、此时向上取整找到 26,而26*204=5304,是满足插入条件的
         */
    if (number < INTERVALS_NO) number++; // 如果计算出的区间编号小于总的区间数,编号加一
    while (number <= INTERVALS_NO) { // 从计算出的区间编号开始,向上寻找合适的 PageInfo
        if (lists[number].size() == 0) { // 如果当前区间没有 PageInfo,继续查找下一个区间
            number++;
            continue;
        }
        return lists[number].remove(0); // 如果当前区间有 PageInfo,返回第一个 PageInfo,并从列表中移除
    }
    return null; // 如果没有找到合适的 PageInfo,返回 null
} finally {
    lock.unlock(); // 释放锁
}
}

// 定义一个静态方法,用于创建插入日志
public static byte[] insertLog(long xid, Page pg, byte[] raw) {
    // 创建一个表示日志类型的字节数组,并设置其值为LOG_TYPE_INSERT
    byte[] logTypeRaw = {LOG_TYPE_INSERT};
    // 将事务ID转换为字节数组
    byte[] xidRaw = Parser.long2Byte(xid);
    // 将页面编号转换为字节数组
    byte[] pgnoRaw = Parser.int2Byte(pg.getPageNumber());
    // 获取页面的第一个空闲空间的偏移量,并将其转换为字节数组
    byte[] offsetRaw = Parser.short2Byte(PageX.getFSO(pg));
    // 将所有字节数组连接在一起,形成一个完整的插入日志,并返回这个日志
    return Bytes.concat(logTypeRaw, xidRaw, pgnoRaw, offsetRaw, raw);
}

// 将raw插入pg中,返回插入位置
public static short insert(Page pg, byte[] raw) {
    pg.setDirty(true); // 将pg的dirty标志设置为true,表示pg的数据已经被修改
    short offset = getFSO(pg.getData()); // 获取pg的空闲空间偏移量
    System.arraycopy(raw, 0, pg.getData(), offset, raw.length); // 将raw的数据复制到pg的数据中的offset位置
    setFSO(pg.getData(), (short) (offset + raw.length)); // 更新pg的空闲空间偏移量
    return offset; // 返回插入位置
}

3.关闭 DataManagerclose()

  • 正常关闭时,执行缓存和日志的关闭流程,并设置第一页的字节校验。
@Override
public void close() {
    super.close();
    logger.close();

    PageOne.setVcClose(pageOne);
    pageOne.release();
    pc.close();
}

DataManager的初始化
  1. 从空文件创建create()
  • 初始化 PageCacheLogger,并初始化第一页。

public static DataManager create(String path, long mem, TransactionManager tm) {
    PageCache pc = PageCache.create(path, mem);
    Logger lg = Logger.create(path);

    DataManagerImpl dm = new DataManagerImpl(pc, lg, tm);
    dm.initPageOne();
    return dm;
}

  1. 从已有文件打开open()
  • 加载并检查第一页,必要时执行恢复操作,并填充 PageIndex

public static DataManager open(String path, long mem, TransactionManager tm) {
    PageCache pc = PageCache.open(path, mem);
    Logger lg = Logger.open(path);

    DataManagerImpl dm = new DataManagerImpl(pc, lg, tm);
    if (!dm.loadCheckPageOne()) {
        Recover.recover(tm, lg, pc);
    }
    dm.fillPageIndex();
    PageOne.setVcOpen(dm.pageOne);
    dm.pc.flushPage(dm.pageOne);

    return dm;
}

总结

DataItemDataManager 是数据库系统中数据管理的关键组件。DataItem 提供了数据的存储和访问接口,支持数据修改和事务管理。而 DataManager 负责管理底层数据的访问、缓存、事务处理和日志记录,通过这些功能的实现,为上层模块提供了安全、高效的数据操作接口。两者的协作使得数据库系统能够以高效、可靠的方式管理和操作底层数据,确保数据的安全性和一致性。

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