数据页管理
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2025-01-15
5.1设计思路
在MiniDB中，页面管理的设计目标之一是确保系统在启动时能够正确恢复，并且在运行过程中有效管理页面的空闲空间
5.2第一页
5.2.1定义
数据文件的第一页用于数据库启动检查，是否需要执行数据恢复流程
在每次==启动数据库的时候，生成一段8字节的随机字节，存储在100-107字节处，正常关闭时==，这串字节会被复制到第一页的 108~115 字节。每次数据库启动时，系统会比较这两处的字节，如果相同，则表明上次关闭是正常的；如果不同，则意味着需要执行数据恢复流程
5.2.2相关函数
// 设置启动时的校验字节
public static void setVcOpen(Page pg) {
pg.setDirty(true);
setVcOpen(pg.getData());
}
private static void setVcOpen(byte[] raw) {
// 生成并设置随机校验字节
System.arraycopy(RandomUtil.randomBytes(LEN_VC), 0, raw, OF_VC, LEN_VC);
}
// 设置关闭时的校验字节
public static void setVcClose(Page pg) {
pg.setDirty(true);
setVcClose(pg.getData());
}
private static void setVcClose(byte[] raw) {
// 将启动时的校验字节复制到关闭时的存储位置
System.arraycopy(raw, OF_VC, raw, OF_VC + LEN_VC, LEN_VC);
}
// 校验字节是否一致
public static boolean checkVc(Page pg) {
return checkVc(pg.getData());
}
private static boolean checkVc(byte[] raw) {
// 比较启动和关闭时的校验字节
return Arrays.equals(Arrays.copyOfRange(raw, OF_VC, OF_VC + LEN_VC),
Arrays.copyOfRange(raw, OF_VC + LEN_VC, OF_VC + 2 * LEN_VC));
}5.3普通页
普通页是用于实际存储数据的页面。在MiniDB中，每个普通页以一个2字节的无符号数开头，表示该页的空闲位置的偏移量。
由于页面的最大容量为8K，因此2字节的偏移量足以表达这一页的所有可能偏移
5.3.1空闲空间偏移量（FSO）的管理
普通页的管理核心在于管理空闲空间偏移量（FSO）。FSO指示了页面中第一个可用的空闲字节的位置。每次插入数据时，FSO会更新为新插入数据的末尾位置，以便后续插入操作可以准确地找到空闲位置。 以下是FSO管理的代码示例：
// 设置空闲空间偏移量
private static void setFSO(byte[] raw, short ofData) {
System.arraycopy(Parser.short2Byte(ofData), 0, raw, OF_FREE, OF_DATA);
}
// 获取页面的空闲空间偏移量
public static short getFSO(Page pg) {
return getFSO(pg.getData());
}
private static short getFSO(byte[] raw) {
return Parser.parseShort(Arrays.copyOfRange(raw, 0, 2));
}
// 获取页面的空闲空间大小
public static int getFreeSpace(Page pg) {
return PageCache.PAGE_SIZE - (int) getFSO(pg.getData());
}5.3.2数据插入
在普通页中插入数据时，系统首先根据当前的FSO确定插入位置，然后将数据写入该位置，最后更新FSO。插入完成后，页面被标记为脏页面，以便在需要时将其写回磁盘。 以下是插入操作的代码示例：
// 将数据插入页面，返回插入位置
public static short insert(Page pg, byte[] raw) {
pg.setDirty(true); // 标记页面为脏页面
short offset = getFSO(pg.getData()); // 获取当前空闲空间偏移量
System.arraycopy(raw, 0, pg.getData(), offset, raw.length); // 将数据写入页面
setFSO(pg.getData(), (short) (offset + raw.length)); // 更新空闲空间偏移量
return offset; // 返回数据插入位置
}5.4总结
MiniDB可以有效地管理页面的空闲空间，并确保数据的一致性与完整性。第一页的校验机制确保了数据库在启动时能够检测并处理未正常关闭的情况，而普通页的FSO管理则确保了数据插入和存储的高效与准确