SQLite系统构架及虚拟机分析

磁环电感摘 要： 就目前广泛使用的轻量级数据库SQLite的构架进行分析，特别是对其中的虚拟数据库引擎（VDBE）做了原理性的剖析，并结合实例，展示了SQLite的应用及SQLite内部VDBE指令程序的运行方式。
关键词： SQLite；构架；VDBE；虚拟机

SQLite是遵守ACID的轻量级关系型数据库管理系统，完全免费、开源，无需任何配置也无需任何安装程序[1]。它广泛应用在各种嵌入式系统中，在iOS和Android等系统中都是集成在各自的库中。
虚拟机压膜电感器工厂是当前比较流行的一种软件构架，特别是在解释性编程语言领域。在安全领域，虚拟机也被用于实现软件的加密，是公认的一种非常高效且实用的技术手段。SQLite用较小规模的代码用C语言实现了一个程序虚拟机，提高了代码的独立性，降低了耦合性，同时保持了很高的效率。
1 SQLite数据库构架
图1所示为SQLite系统的总体构架图[2]。整体上SQLite可以分为前端和后端：前端负责从用户数据到平台不相关的指令的转换；后端处理数据流，深入到具体数据库数据在磁盘上的操作，这些数据是和平台相关的。SQLite的平台无关性通过其内部实现的虚拟数据库引擎VDME（Virtual Database Engine)来完成，总地来说，就是将SQL语句先翻译成一种专门设计的语言，然后下层再调用平台相关的系统API接口，完成相应的功能。

SQLite的源代码由96个C语言文件（.c和.h）组成，在编译之前会由Makefile生成一个完整的文件，即为可以在官方网站上下载的sqlite3.c和sqlite3.h等文件，然后编译形成所需要的库或者可执行文件。
图1给出了SQLite的主要模块及相互之间的关系，以下将分别介绍各个部分的功能。
(1)接口（Interface)
SQLite库提供的对外不调用的接口大多数都在main.c、legacy.c和vdbeapi.c中，其他一些散布在源代码的不同部分。对接口的查询可以在文档中找到详细的介绍。为了避免命名上的冲突，所有外部可以调用的接口都以sqlite3_开头[3]。
(2)SQL编译器（SQL Compiler)
这是一个比较完整的编译器构架，分别完成词法分析、语法分析和中间代码生成。词法分析器(Tokenizer)由C语言实现，包含在tokenize.c中；语法分析器(Parser)由Lmon LALR(1)生成，和YACC/BISON类似，不兼容，但是生成的代码是可重入且线程安全的，代码包含在parse.c中；代码生成器（Code Generator）生成虚拟机执行的中间代码，包含的文件相对较多，例如select.c、update.c等，大多和SQL命令同名对应。
(3)虚拟机VM（Virtual Machine）
代码生成器生成的中间代码会通过VM执行。这部分后面会有更详细的分解。
(4)B-Tree（B-树）
数据库在磁盘上的操作都是通过B-树的，对应于数据库中的每一个表或者索引都会有相应的B-树。实现和接口分别在btree.c和btree.h中[4]。
(5)页缓存（Page Cache）
数据的读写都以Chunk为单位进行，这样可以提高效率。页缓存负责这部分工作，同时提供了回滚（rollback）等功能，并对数据库文件进行管理。实现和接口分别在pager.c和pager.h中。
(6)系统接口（OS Interface）
SQLite提供了一个系统抽象层，定义在os.h中。每个支持的平台有自己对应的实现文件，例如os_uinx.c和os_win.c(及相应的头文件os_unix.h和os_win.h)。
(7)功能和测试（Utility和Test Code）
2 VDBE框架及关键源码分析
虚拟数据库引擎VDBE(Virtual Database Engine)居于SQLite数据库的核心部分。从整个SQLite的构架可以看出，它处在整个系统的中间部分：前端代码完成对SQL语言的编译，相当于简化版本的一个编译器；后端完成物理上的操作，即利用B-Tree和Pager对物理硬盘上的数据进行实际的操作。VDBE完成了这个层次上的抽象链接。
整个虚拟数据库引擎（VDBE）由若干个C语言文件组成，主题实现都包含在了vdbe.c（vdbe.h）中。vdbeInt.h定义了VDBE内部使用的各种结构和函数原型。vdbeaux.c实现了VDBE内部和整个SQLite构建VDBE程序需要的其他功能性函数代码。vebeaip.c包含了供外部接口函数(SQLite库外的应用程序，如sqlite3_bind系列函数)使用的一些结构。vdbemen.c 实现了在vdbe的存储管理。
对于用户的SQL语句，编译器会生成一个虚拟机实例。虚拟机实例在内部和外部是不同的。对内看到的是一个vdbe结构的实例，这个结构定义在vdbeInt.h中，代码如下：

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