資料庫的最簡單實現

所有應用軟體之中，資料庫可能是最複雜的。

MySQL 的手冊有 3000 多頁，PostgreSQL 的手冊有 2000 多頁，Oracle 的手冊更是比它們相加還要厚。

但是，自己寫一個最簡單的資料庫，做起來並不難。Reddit 上面有一個帖子，只用了幾百個字，就把原理講清楚了。下面是我根據這個帖子整理的內容。

一、資料以文字形式儲存

第一步，就是將所要儲存的資料，寫入文字檔案。這個文字檔案就是你的資料庫。

為了方便讀取，資料必須分成記錄，每一條記錄的長度規定為等長。比如，假定每條記錄的長度是 800 位元組，那麼第 5 條記錄的開始位置就在 3200 位元組。

大多數時候，我們不知道某一條記錄在第幾個位置，只知道主鍵（primary key）的值。這時為了讀取資料，可以一條條比對記錄。但是這樣做效率太低，實際應用中，資料庫往往採用B樹（B-tree）格式儲存資料。

二、什麼是B樹？

要理解B樹，必須從二叉查詢樹（Binary search tree）講起。

二叉查詢樹是一種查詢效率非常高的資料結構，它有三個特點。

（1）每個節點最多隻有兩個子樹。
（2）左子樹都為小於父節點的值，右子樹都為大於父節點的值。
（3）在n個節點中找到目標值，一般只需要 log (n)次比較。

二叉查詢樹的結構不適合資料庫，因為它的查詢效率與層數相關。越處在下層的資料，就需要越多次比較。極端情況下，n個資料需要n次比較才能找到目標值。對於資料庫來說，每進入一層，就要從硬碟讀取一次資料，這非常致命，因為硬碟的讀取時間遠遠大於資料處理時間，資料庫讀取硬碟的次數越少越好。

B 樹是對二叉查詢樹的改進。它的設計思想是，將相關資料儘量集中在一起，以便一次讀取多個資料，減少硬碟操作次數。

B 樹的特點也有三個。

（1）一個節點可以容納多個值。比如上圖中，最多的一個節點容納了 4 個值。
（2）除非資料已經填滿，否則不會增加新的層。也就是說，B樹追求"層"越少越好。
（3）子節點中的值，與父節點中的值，有嚴格的大小對應關係。一般來說，如果父節點有a個值，那麼就有a+1 個子節點。比如上圖中，父節點有兩個值（7 和 16），就對應三個子節點，第一個子節點都是小於 7 的值，最後一個子節點都是大於 16 的值，中間的子節點就是 7 和 16 之間的值。

這種資料結構，非常有利於減少讀取硬碟的次數。假定一個節點可以容納 100 個值，那麼 3 層的B樹可以容納 100 萬個資料，如果換成二叉查詢樹，則需要 20 層！假定作業系統一次讀取一個節點，並且根節點保留在記憶體中，那麼B樹在 100 萬個資料中查詢目標值，只需要讀取兩次硬碟。

三、索引

資料庫以B樹格式儲存，只解決了按照"主鍵"查詢資料的問題。如果想查詢其他欄位，就需要建立索引（index）。

所謂索引，就是以某個欄位為關鍵字的B樹檔案。假定有一張"僱員表"，包含了員工號（主鍵）和姓名兩個欄位。可以對姓名建立索引檔案，該檔案以B樹格式對姓名進行儲存，每個姓名後面是其在資料庫中的位置（即第幾條記錄）。查詢姓名的時候，先從索引中找到對應第幾條記錄，然後再從表格中讀取。

這種索引查詢方法，叫做"索引順序存取方法"（Indexed Sequential Access Method），縮寫為 ISAM。它已經有多種實現（比如C-ISAM 庫和D-ISAM 庫），只要使用這些程式碼庫，就能自己寫一個最簡單的資料庫。

四、高階功能

部署了最基本的資料存取（包括索引）以後，還可以實現一些高階功能。

（1）SQL 語言是資料庫通用操作語言，所以需要一個 SQL 解析器，將 SQL 命令解析為對應的 ISAM 操作。
（2）資料庫連線（join）是指資料庫的兩張表通過"外來鍵"，建立連線關係。你需要對這種操作進行優化。
（3）資料庫事務（transaction）是指批量進行一系列資料庫操作，只要有一步不成功，整個操作都不成功。所以需要有一個"操作日誌"，以便失敗時對操作進行回滾。
（4）備份機制：儲存資料庫的副本。
（5）遠端操作：使得使用者可以在不同的機器上，通過 TCP/IP 協議運算元據庫。