面试题：SQLite API 数据结构在高并发场景下的挑战与优化

高并发下 SQLite API 数据结构面临的挑战

资源竞争
- 连接资源竞争：sqlite3结构体代表一个数据库连接。在高并发场景下，多个线程可能同时尝试获取连接，导致连接资源竞争。例如，当多个线程同时调用sqlite3_open或sqlite3_open_v2来打开数据库连接时，可能会因为文件锁等底层机制而产生等待。
- 语句资源竞争：sqlite3_stmt结构体用于准备好的 SQL 语句。多个线程可能会同时尝试使用同一个sqlite3_stmt对象执行语句，这会导致未定义行为，因为sqlite3_stmt不是线程安全的。比如，一个线程正在使用sqlite3_step执行语句，另一个线程可能试图重新准备（sqlite3_prepare_v2）该语句。
数据一致性
- 事务处理问题：SQLite 通过事务来保证数据一致性。在高并发环境下，不同线程的事务操作可能相互干扰。例如，一个线程开启事务进行数据插入，另一个线程在未等待前一个事务提交或回滚时，就尝试读取相关数据，可能会读到不一致的数据（脏读）。
- 并发写问题：多个线程同时进行写操作时，如果没有正确的同步机制，可能会导致数据覆盖或损坏。比如，两个线程同时更新同一行数据，最终结果可能不是预期的任何一个更新值。

优化策略和技术手段

连接池技术
- 数据结构层面实现优化：创建一个连接池对象，内部维护一个sqlite3连接的集合（例如std::vector<sqlite3*>或类似的数据结构）。当有线程需要连接时，从连接池中获取一个空闲连接，使用完毕后再放回连接池。这样可以减少连接的频繁创建和销毁，降低连接资源竞争。例如，在 C++ 中可以这样实现一个简单的连接池类：

class SQLiteConnectionPool {
public:
    SQLiteConnectionPool(int poolSize, const std::string& dbPath) {
        for (int i = 0; i < poolSize; ++i) {
            sqlite3* conn;
            if (sqlite3_open(dbPath.c_str(), &conn) == SQLITE_OK) {
                connections.push_back(conn);
            } else {
                // 处理连接失败情况
            }
        }
    }
    sqlite3* getConnection() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
        while (connections.empty()) {
            condition.wait(lock);
        }
        sqlite3* conn = connections.back();
        connections.pop_back();
        return conn;
    }
    void releaseConnection(sqlite3* conn) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
        connections.push_back(conn);
        condition.notify_one();
    }
    ~SQLiteConnectionPool() {
        for (sqlite3* conn : connections) {
            sqlite3_close(conn);
        }
    }
private:
    std::vector<sqlite3*> connections;
    std::mutex mutex;
    std::condition_variable condition;
};

语句缓存
- 数据结构层面实现优化：建立一个语句缓存对象，例如使用std::unordered_map<std::string, sqlite3_stmt*>，其中键是 SQL 语句字符串，值是对应的sqlite3_stmt对象。当需要执行 SQL 语句时，先检查缓存中是否已有对应的准备好的语句。如果有，则直接使用；如果没有，则准备语句并放入缓存。这样可以减少sqlite3_prepare_v2等准备语句操作的频率，降低语句资源竞争。例如：

class SQLiteStatementCache {
public:
    sqlite3_stmt* getStatement(sqlite3* conn, const std::string& sql) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
        auto it = cache.find(sql);
        if (it != cache.end()) {
            return it->second;
        }
        sqlite3_stmt* stmt;
        if (sqlite3_prepare_v2(conn, sql.c_str(), -1, &stmt, nullptr) == SQLITE_OK) {
            cache[sql] = stmt;
            return stmt;
        } else {
            // 处理准备语句失败情况
            return nullptr;
        }
    }
    ~SQLiteStatementCache() {
        for (auto& pair : cache) {
            sqlite3_finalize(pair.second);
        }
    }
private:
    std::unordered_map<std::string, sqlite3_stmt*> cache;
    std::mutex mutex;
};

使用事务队列
- 数据结构层面实现优化：创建一个事务队列，例如使用std::queue<std::function<void()>>。每个事务被封装成一个函数对象放入队列。有一个专门的线程从队列中取出事务并按顺序执行。这样可以保证事务顺序执行，避免并发事务的干扰，确保数据一致性。例如：

class SQLiteTransactionQueue {
public:
    void enqueueTransaction(std::function<void()> transaction) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
        queue.push(transaction);
        condition.notify_one();
    }
    void startTransactionProcessor(sqlite3* conn) {
        while (true) {
            std::function<void()> transaction;
            {
                std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
                condition.wait(lock, [this] { return!queue.empty() || stop; });
                if (stop && queue.empty()) break;
                transaction = queue.front();
                queue.pop();
            }
            sqlite3_exec(conn, "BEGIN", nullptr, nullptr, nullptr);
            try {
                transaction();
                sqlite3_exec(conn, "COMMIT", nullptr, nullptr, nullptr);
            } catch(...) {
                sqlite3_exec(conn, "ROLLBACK", nullptr, nullptr, nullptr);
            }
        }
    }
    ~SQLiteTransactionQueue() {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
            stop = true;
        }
        condition.notify_one();
    }
private:
    std::queue<std::function<void()>> queue;
    std::mutex mutex;
    std::condition_variable condition;
    bool stop = false;
};

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