数据库内核入门-01 - 开篇

简述

这是数据库内核入门系列的第一篇文章。 由于水平有限，文章可能会有错误，欢迎指正。

注：由于时代发展的需要，数据库已经衍生出针对多种应用场景的数据库系统，如关系型数据库、非关系型数据库、图数据库等。本文将主要介绍关系型数据库内核的实现。

基本概念

数据(Data) 是描述事物的符号记录，是信息的载体。

数据库(Database) 是按照特定数据结构组织、存储和管理数据的仓库。

数据库管理系统(Database Management System) 是用于创建、管理和维护数据库的软件。

数据库内核(Database Kernel) 是数据库管理系统的核心组件，负责处理数据库的创建、管理和维护。

数据库内核要完成的功能

在现实生活或者生产环境中，我们难以避免的产生各类数据，受面向对象的思想浸染，我们反过来也可以将人脑看作是一个数据库管理系统，它负责管理这些数据。可遗憾的是，人在进化中最显著的特点就是遗忘，我们很难记住所有的数据，因此我们需要一个数据库管理系统来帮助我们管理这些数据，以便在需要的时候可以快速的找到我们需要的数据。

这便是缘起，即有了需要解决的问题，便有了数据库管理系统要完成的功能；但为什么是数据库管理系统而不是文件系统？ 可以简单的从下面表格中看出区别：

特性	文件系统	数据库
数据共享	❌ 困难	✅ 容易
数据一致性	❌ 难保证	✅ 有约束机制
并发控制	❌ 无	✅ 有锁机制
事务支持	❌ 无	✅ ACID特性
数据恢复	❌ 困难	✅ 有备份恢复
查询效率	❌ 低	✅ 有索引优化

数据库管理系统的主要功能

• 数据定义
• 数据操纵
• 数据组织、存储、查询

数据库管理系统架构

数据库管理系统通常采用分层架构设计，每一层都有特定的职责和功能。下面是一个典型的数据库管理系统架构图：

各层详细说明

应用层

• 客户端应用：用户程序，通过标准接口（如JDBC、ODBC）与数据库交互
• 连接池：管理数据库连接，提高连接复用率

接口层

• SQL解析器：将SQL语句解析为内部表示形式
• 查询优化器：生成最优的查询执行计划
• 执行引擎：执行查询计划，协调各个组件

逻辑层

• 事务管理器：保证ACID特性，管理事务的开始、提交和回滚
• 锁管理器：实现并发控制，防止数据竞争
• 缓冲池管理器：管理内存中的数据页，减少磁盘I/O

物理层

• 日志管理器：记录所有数据变更，支持恢复和回滚
• 存储引擎：负责数据的物理存储和检索
• 索引管理器：维护各种索引结构，加速查询

存储层

• 数据文件：存储实际的表数据
• 索引文件：存储索引数据结构
• 日志文件：存储事务日志和恢复信息