JavaDB

JavaDB 是一个 基于 Java 实现的简单数据库，原理参考自 MySQL。

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功能

• 事务：设计事务状态管理模块，支持事务状态的实时查询，遵循 ACID 原则。
• 数据：使用引用计数缓存管理数据，在回收时进行刷盘操作，确保系统的效率和稳定。
• 日志：引入数据库日志管理机制，通过日志保障数据一致性，实现故障恢复功能。
• 版本：基于两阶段锁和 MVCC 实现事务的读提交和可重复读隔离级别，支持死锁检测。
• 索引：采用 B+ 树作为索引结构，支持高效的索引查找。
• 表：构建表管理器，负责管理表结构和字段信息，实现 SQL 语句的执行功能。

开发环境

• JDK 8
• IDEA 2024.1

架构

JavaDB 分为前端和后端，通过 Socket 进行交互，支持多个客户端同时通过 Socket 连接到服务器，执行 SQL 查询并返回结果。

前端

前端（即客户端）的主要功能是读取用户输入，将其发送给后端执行，并输出后端返回的结果，然后等待下一次输入。 客户端以 Shell 命令行的形式存在，在命令行中接收用户的输入，通过 Socket 发送给服务端，并接收服务端返回的响应。 由于 Socket 是阻塞式 I/O，因此客户端在等待服务端返回数据时会处于阻塞状态。

后端

服务端启动后，通过 ServerSocket 监听指定端口。当有客户端发起 Socket 连接时，服务端会将该连接交由新创建的线程处理。 为了高效管理这些线程，使用了线程池技术。每个处理线程负责循环接收来自客户端的数据，进行处理后将结果返回给客户端。

在服务端处理请求的过程中，首先需要对客户端发送的 SQL 语句进行解析。 解析器的实现相对简单，由于支持的 SQL 语法较为有限，使用字符串分割和匹配的方式来完成解析。 如果解析的 SQL 语句合法，服务端将执行相应的逻辑并返回结果。

服务端的后端部分可以划分为五个主要模块，每个模块通过接口提供功能给其他依赖它的模块。这五个模块的具体功能如下：

• 事务管理模块（TM）：负责管理事务的启动、提交、回滚等操作，确保数据一致性。
• 数据管理模块（DM）：负责数据的存储、读取以及物理数据的管理。
• 版本管理模块（VM）：负责管理数据的多版本控制，确保在并发操作下的数据一致性。
• 索引管理模块（IM）：负责索引的创建、维护和查询优化，提升数据检索的效率。
• 表管理模块（TBM）：负责表结构的管理，包括表的创建、修改以及元数据的管理。

各个模块之间通过接口进行协作，模块的依赖关系如下图所示。 通过这种模块化设计，系统可以确保每个功能的清晰分工，同时增强可扩展性和维护性。

如何运行

在运行之前，请确保你在 pom.xml 文件中调整了项目的编译版本以匹配你的 JDK。 如果你将项目导入 IDE，请相应地更改项目的编译设置。

步骤 1：编译源码

首先，使用以下命令编译源码：

mvn compile

步骤 2：创建数据库

编译完成后，使用以下命令创建数据库，假设数据库路径为 /tmp/javadb：

mvn exec:java -Dexec.mainClass="cn.tangrl.javadb.backend.Launcher" -Dexec.args="-create /tmp/javadb"

步骤 3：启动数据库服务

创建数据库后，运行以下命令以默认参数启动数据库服务：

mvn exec:java -Dexec.mainClass="cn.tangrl.javadb.backend.Launcher" -Dexec.args="-open /tmp/javadb"

步骤 4：启动客户端连接数据库

在另一个终端中，执行以下命令启动客户端并连接到数据库：

mvn exec:java -Dexec.mainClass="cn.tangrl.javadb.client.Launcher"

客户端启动后，将会提供一个交互式的命令行界面。 在该界面中，你可以输入类似 SQL 的语法，并通过回车将语句发送到服务器，随后会输出执行结果。

运行示例

启动后端服务器

启动前端客户端并执行 SQL

TODO

• 基于 NIO 实现非阻塞式 I/O，提高后端的高并发能力。
• 基于 ANTLR 语法分析器生成器 实现 SQL 语法解析。
• 支持更多的 SQL 语法