面试题：SQLite中B - tree模块如何影响数据库文件格式

Question

请阐述SQLite的B - tree模块的基本功能，并说明它在组织和存储数据时，是怎样影响数据库文件格式的，例如对页面结构、数据存储方式等方面的影响。

Answer 1

SQLite 的 B - tree 模块基本功能

1. 数据组织与检索：
   • 高效查找：B - tree 模块用于在 SQLite 数据库中高效地组织和检索数据。它以一种树形结构存储数据，每个节点包含多个键值对和指向子节点的指针。通过这种结构，能够快速定位到所需数据，查找操作的时间复杂度为 O(log n)，其中 n 为树中节点数。
   • 范围查询：支持范围查询，例如查找某个区间内的数据。可以从根节点开始，沿着合适的分支逐步向下遍历，快速找到满足范围条件的数据。
2. 维护数据有序性：
   • 键值排序：B - tree 模块确保数据按键值有序存储。这对于索引的构建和维护非常重要，使得诸如 ORDER BY 等操作可以更高效地执行，因为数据本身已经有序，无需额外的大规模排序操作。
3. 动态插入和删除：
   • 插入操作：当插入新数据时，B - tree 模块会自动调整树的结构，以保持树的平衡和有序性。如果节点已满，会进行分裂操作，将节点数据重新分配到新的节点中。
   • 删除操作：删除数据时，同样会调整树的结构，可能会合并相邻节点以避免出现过多的空节点，从而保持树的紧凑性和高效性。

对数据库文件格式的影响

1. 页面结构：
   • 根页面：B - tree 的根页面存储了树的关键信息，例如树的高度、根节点的位置等。根页面是整个 B - tree 的入口，数据库引擎通过根页面开始对 B - tree 进行遍历查找数据。
   • 内部页面：内部页面包含键值对和指向子节点的指针。这些键值对用于引导查询方向，数据库引擎根据查询的键值与内部页面中的键值进行比较，决定向下遍历哪个子节点。内部页面的大小是固定的（通常为 1024 字节、2048 字节等），这限制了每个内部页面能存储的键值对和指针数量。
   • 叶子页面：叶子页面存储实际的数据行或指向数据行的指针（在索引的情况下）。叶子页面同样有固定大小，并且叶子节点之间通过双向链表连接，这使得范围查询时可以方便地按顺序遍历相邻的叶子节点。
2. 数据存储方式：
   • 按页存储：SQLite 将 B - tree 结构的数据按页面存储在数据库文件中。每个页面有一个页面头，包含页面类型（如根页面、内部页面、叶子页面）、页面大小、空闲空间等信息。数据存储在页面的剩余空间中，根据页面结构的不同，数据存储方式有所差异。
   • 索引数据存储：对于索引，B - tree 存储的键值对通常是索引列的值和指向实际数据行的指针。这种存储方式使得通过索引查找数据时，先在 B - tree 中找到对应的指针，然后根据指针快速定位到实际的数据行。
   • 数据行存储：实际的数据行可能存储在叶子页面中，也可能存储在单独的数据页面中（取决于配置和数据大小）。数据行在页面中的存储采用紧凑格式，每个数据行的开头包含行头，记录该行的一些元信息，如列数、各列数据的偏移量等，然后依次存储各列的数据。