简易数据库管理系统(DBMS)设计与实现

深藏阁楼爱情的钟 2023-02-20 08:19 24阅读 0赞

# 一、概要 #

## 1.1 数据库管理系统/数据库 ##

下图展示了DBMS（数据库管理系统）的地位，数据库(系统)其实包含了DBMS和数据两部分。  
![在这里插入图片描述][20200625164715668.png]

## 1.2 架构设计 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzMTg3MTM2_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 1.3 设计思路 ##

1.  数据仓库：使用XML（可拓展标记语言）文件作为微型数据仓库，对XML文件的读写操作相当于对数据的读写操作；
2.  SQL解析： 使用正则表达式解析SQL语句；
3.  索引：设计索引结构，使用B+树算法；

实现1、2两步，基本上就能完成一个简陋的数据库管理系统了，因为可以使用SQL语句对存储在XML文件的数据进行增删改查(CRUD)操作。

## 1.4 规划 ##

编程语言：Java

1.  v1.0版本：支持简单、单句SQL解析、以XML文件作为微型数据仓库，在控制台启动和操作
2.  v2.0版本：增加索引

# 二、细节 #

## 2.1 XML文件作为数据仓库 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzMTg3MTM2_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
1）逻辑上的一张表在物理上是一个文件夹，里面包含多个XML文件  
2）一个XML文件作为一张物理子表(如上图所示)，多个物理子表构成一张逻辑表  
3）每张表都有一个配置文件，用来存储数据类型、物理子表数量、是否建有索引等信息  
4）所有对数据表的操作都是基于DOM4j解析对XML的读写操作

## 2.2 正则表达式解析SQL语句 ##

1）SQL语句预处理（去重多余空格、统一转化为小写等）  
2）正则匹配关键字（如**select** xx **from** xx 等）  
3）根据SQL语句关键字和关键字后的内容，调用相应的方法

## 2.3 B+树索引结构 ##

1）B+树的key存的要索引的字段，value存索引字段对应的逻辑子表名称  
2）在查询时，根据key对应的value（即逻辑子表名称）直接打开对应的XML文件，然后遍历其中的数据找到符合条件的记录（由于每张物理子表/XML文件设计的容量较小，因此遍历的时间较短，但缺点是物理子表/XML文件过多）  
3) 每张表索引建立后，会把索引持久化到磁盘上（XML文件里），每次启动系统都会加载索引文件到内存中的数据结构中

# 三、总结 #

实现的是非常简单的一种DBMS，在控制台启动，可以实现一些基础的SQL语句增删改查，对字段建立索引后可大幅提高查询效率。  
**缺点及改进如下**：

1.  由于SQL解析使用的正则表达式，因此对于复杂的SQL语句（多句复合、嵌套等）处理起来非常麻烦，因此没有继续拓展。改进思路是SQL解析部分使用词法和语法分析器，可以实现更多、更复杂的SQL语句解析；
2.  由于数据仓库使用的是XML文件，而索引设计在XML文件名上，因此在数据安全、存取效率上都很低。改进思路是自定义文件格式并编写处理代码，数据使用二进制格式（并加密）存储，而索引部分可将B+树持久化到磁盘上（MySQL InnoDB B+树的叶子节点存的就是磁盘上的数据）；
3.  可以考虑做成前后端分离的系统，这样可以将系统部署在服务器上，然后通过浏览器端访问进行增删改查；
4.  考虑到并发安全，可以对整张表进行加锁（代价最低，实现最简单，用一个字段/变量指示是否加锁即可），如果学习了MySQL之后的话，可以只到对一行记录进行加锁或使用MVCC进行无锁控制。

### 源码 ###

只是简单的实现，还没有往改进的方向上去做。  
[github][]  
[gitee][]

[20200625164715668.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200625164715668.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzMTg3MTM2_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200625170348889.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzMTg3MTM2,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzMTg3MTM2_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200625170913473.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzMTg3MTM2,size_16,color_FFFFFF,t_70
[github]: https://github.com/lerry-lee/simple-dbms
[gitee]: https://gitee.com/lerry-lee/simple-dbms