B-Tree

B-tree的主要功能就是索引，它維護著各個頁面之間的複雜的關係，便於快速找到所需資料。

B-Tree使得VDBE可以在O(logN)下查詢，插入和刪除資料，以及O(1)下雙向遍歷結果集。B-Tree不會直接讀寫磁碟，它僅僅維護著頁面 (pages)之間的關係。當B-TREE需要頁面或者修改頁面時，它就會呼叫Pager。當修改頁面時，pager保證原始頁面首先寫入日誌檔案，當它完成寫操作時，pager根據事務狀態決定如何做。B-tree不直接讀寫檔案，而是通過page cache這個緩衝模組讀寫檔案對於效能是有重要意義的。

2.5.1 資料庫檔案格式（DatabaseFile Format）

從邏輯上來說，一個SQLite資料庫檔案由多個多重Btree構成。一個數據庫由許多B-tree構成——每一個表和索引都有一個B-tree（注：索引採用B-tree，而表採用B+tree，這主要是表和索引的需求不同以及B-tree和B+tree的結構不同決定的：B+tree的所有葉子節點包含了全部關鍵字資訊，而且可以有兩種順序查詢。而B-tree更適合用來作索引）。

2.5.1.1 頁

資料庫檔案包括一個或多個頁。頁的大小可以是512B到64KB之間的2的任意次方。

資料庫中所有的頁面都按從1開始順序標記，其最大頁數目為2147483646 (  - 2)[6]。資料庫中的頁主要分為以下幾類：

• The lock-byte page
• A freelist page
  • A freelist trunk page
  • A freelist leaf page
• A b-tree page
  • A table b-tree interior page
  • A table b-tree leaf page
  • An index b-tree interior page
  • An index b-tree leaf page
• A payload overflow page
• A pointer map page

資料庫中載入到記憶體中的頁的定義位於btreeInt.h，其結構如下：

<pre name="code" class="cpp">structMemPage {
  u8 isInit;           /* True if previously initialized.MUST BE FIRST! */
  u8 nOverflow;        /* Number of overflow cell bodies inaCell[] */
  u8 intKey;           /* True if table b-trees.  False for index b-trees */
  u8 intKeyLeaf;       /* True if the leaf of an intKey table*/
  u8 noPayload;        /* True if internal intKey page (thusw/o data) */
  u8 leaf;             /* True if a leaf page */
  u8 hdrOffset;        /* 100 for page 1.  0 otherwise */
  u8 childPtrSize;     /* 0 if leaf==1.  4 if leaf==0 */
  u8 max1bytePayload;  /* min(maxLocal,127) */
  u8 bBusy;            /* Prevent endless loops on corruptdatabase files */
  u16 maxLocal;        /* Copy of BtShared.maxLocal orBtShared.maxLeaf */
  u16 minLocal;        /* Copy of BtShared.minLocal orBtShared.minLeaf */
  u16 cellOffset;      /* Index in aData of first cell pointer*/
  u16 nFree;           /* Number of free bytes on the page*/
  u16 nCell;           /* Number of cells on this page,local and ovfl */
  u16 maskPage;        /* Mask for page offset */
  u16 aiOvfl[5];       /* Insert the i-th overflow cell beforethe aiOvfl-th
                       ** non-overflow cell */
  u8 *apOvfl[5];       /* Pointers to the body of overflowcells */
  BtShared *pBt;       /* Pointer to BtShared that this page ispart of */
  u8 *aData;           /* Pointer to disk image of the page data */
  u8 *aDataEnd;        /* One byte past the end of usable data*/
  u8 *aCellIdx;        /* The cell index area */
  u8 *aDataOfst;       /* Same as aData for leaves.  aData+4 for interior */
  DbPage *pDbPage;     /* Pager page handle */
  u16 (*xCellSize)(MemPage*,u8*);             /* cellSizePtr method */
  void (*xParseCell)(MemPage*,u8*,CellInfo*);/* btreeParseCell method */
  Pgno pgno;           /* Page number for this page */
};
 

2.5.1.2 檔案頭

資料庫中第一個頁(page 1)永遠是Btree頁。而每個表或索引的第1個頁稱為根頁，所有表或索引的根頁編號都儲存在系統表sqlite_master中，表sqlite_master的根頁為page 1。Page 1的前100個位元組是一個對資料庫檔案進行描述的“檔案頭”。它包括資料庫的版本、格式的版本、頁大小、編碼等所有建立資料庫時設定的永久性引數。這個特殊檔案頭的文件在btreeInt.h中，格式如表2.2所示。

表2.2 Page 1的前100位元組

2.5.1.3 鎖位元組頁（TheLock-Byte Page）

鎖位元組頁是資料庫檔案中的單獨一頁，它包含偏移量在1073741824和1073742335位元組之間的位元組。不大於1073741824位元組的資料庫檔案沒有鎖位元組頁。只有大於1073741824位元組的資料庫檔案含有一頁鎖位元組頁。

SQLite不使用鎖位元組頁，它是專門留給OS在VFS實現中的資料庫檔案鎖定原語。

鎖位元組頁定義在btreeInt.h，其結構如下：

structBtLock {
  Btree *pBtree;        /* Btree handle holding this lock */
  Pgno iTable;          /* Root page of table */
  u8 eLock;             /* READ_LOCK or WRITE_LOCK *
  BtLock *pNext;        /* Next in BtShared.pLock list */
};

2.5.1.4 空閒頁連結串列（TheFreelist）

一個數據庫檔案或多或少含有一些沒有使用的頁。這些頁可能是由於其中的資訊被資料庫刪除產生的。這些空閒頁被存放在空閒頁連結串列，當需要額外的頁時就會被重用。

空閒頁連結串列是由freelist trunkpage相互連線組成的連結串列，而每個freelist trunk page是由freelist leaf page（可以為零）組成的。

一個freelist trunk page是由一個4位元組大端整數陣列組成。陣列是在可用空間中放入儘可能多的整數。它的最小可用空間是480位元組，所以陣列最少可以放120整數。陣列中的第一個整數指向連結串列中的下一個freelist trunk page，如果為零就代表這是連結串列中的最後一個freelist trunk page。第二個整數代表所含有的freelist leaf page指標的數目。將第二個整數稱為L，如果L大於零，那麼陣列中2到L+1之間的每個整數就表示一個freelist leaf page。

在freelist leaf page中則什麼都沒有。

2.5.1.5 B-tree頁（B-treePages）

SQLite中使用了兩種B-tree。其中一種是b+tree，將所用的資料儲存在葉子節點，在SQLite中被稱為table b-tree。另一種是最初未經修改的b-tree，枝幹節點和葉子節點都含有關鍵字和資料，在SQLite中被稱為index b-tree。

Btree頁內部以單元為單位來組織資料，一個單元包含一個(或部分，當使用溢位頁時)payload(也稱為Btree記錄)。由於各類資料大小各不相同，每個單元的大小也就是可變的，所以Btree頁內部的空間需要進行動態分配(程式內部動態分配，不是動態申請空間)，單元是Btree頁內部進行空間分配和回收的基本單位。每一個Btree頁包括三個部分：頁頭，單元指標陣列以及單元內容區。Page1除包括頁頭外，還包括100位元組的檔案頭，其結構如圖2.6所示。頁內所有單元的內容集中在頁的底部，稱為“單元內容區”，由下向上增長。而單元指標陣列則含有單元內容區每個單元的偏移量（2 byte），順序排列，偏於對單元內容進行插入和查詢，由上而下增長。

圖2.6 Btree頁結構

其頁頭格式如表2.3所示。其中Flags定義了Btree頁的型別。標識leaf表示這個也是否有孩子。標識zerodata表示這個頁只有記錄沒有資料。標識intkey表示整數關鍵字存放在key size entry，而不是payload區域。

表2.3 Btree頁頭格式

Flags可以表示四種類型的Btree頁，其值如下：

Ø  如果是B+tree的葉子頁，該位元組值為0X0D，

Ø  如果是B+tree的內部頁，該位元組值為0X05，

Ø  如果是B-tree的葉子頁，該位元組值為0X0A，

Ø  如果是B-tree的內部頁，該位元組值為0X02。

而這四種Btree頁的單元格式如表2.4所示。

表2.4 Btree頁單元格式

2.5.1.6 Cell Payload OverflowPages

當btree頁的一個btree單元的payload太大時，超出的部分機會放入溢位頁。這些溢位頁會形成一個連結串列。每個溢位頁的前四個位元組都是大端整數，指的是在連結串列上下一頁的頁碼，不過如果為零的話就是指它是最後一頁。之後的有效位元組都是用來儲存溢位內容。其結構如圖2.7所示。

圖2.7 溢位頁

2.5.1.7 Pointer Map or PtrmapPages

Pointer map或者ptrmap頁都是額外插入資料庫用來使auto_vacuum和incremental_vacuum操作更加高效的附加頁。

資料庫中其他的頁都是從從雙親節點指向孩子節點，而ptrmap頁正好相反。