前言
SQLite作为嵌入式数据库，通常针对的应用的数据量相对于DBMS的数据量小。所以它的存储模型设计得非常简单，总的来说，SQLite把一个数据文件分成若干大小相等的页面，然后以B树的形式来组织这些页面。而对于大型的数据库管理系统，比如Oracle，或者DM ，存储模型要复杂得多。就拿Oracle来说吧，它对数据文件不仅从物理上进行分块，而且从逻辑上进行分段，盘区和页的一个层次划分DM也一样。不管怎么说，数据库文件要存储大量的数据，为了更好管理，查询和操作数据文件，DBMS不得不从物理上、逻辑上对数据文件的数据进行复杂的组织。
1.文件格式
1.1、数据库名称
应用程序通过sqlite3_open(API)来打开数据库，该函数的一个参数为数据库文件的名称。SQLite内部命名为main数据库(除了临时数据库和内存数据库)。SQLite对每一个数据库都创建一个独立的文件。
在SQLite内部，数据文件名不是数据库名。SQLite对应用程序的每一个连接都维护着一个单独的临时数据库(temp数据库)，临时数据库存临时对象，例如表以及相应的索引。这些临时对象仅仅对同一个连接可见（对同一个线程、进程的其它连接是不可见的），SQLite存储临时数据库到一个单独的临时文件中，当应用程序关闭对main数据库的连接时，就删除临时文件。
1.2、数据库文件结构
除了内存数据库，SQLite把一个数据库(main和temp)都存储到一个单独的文件。
1.2.1、页面(page)
为了更好的管理和读/写数据库，SQLite把一个数据库(包括内存数据库)分成一个个固定大小的页面。页面大小的范围从512－32768（两者都包含），页面默认大小为1024个字节(1KB)，实际上页面的上限由2个字节的有符号整数决定。整个数据库可以看成这些页面的数组，页面数组的下标为页面的编号(page number)，page number从1开始，一直到2、147、483、647 (2^31– 1)。实际上，数组上界还受文件系统允许的最大文件大小决定。0号页面视为空页面(NULL page)，物理上不存在，1号页面从文件的0偏移处开始，一个页面接着下一个页面。
注意：一旦数据库创建，SQLite使用编译时确定的默认的页面大小。当然，在创建第一个表之前，可以通过pragma命令改变页面大小。SQLite把该值作为元数据的一部分存储在文件中。
1.2.2、页面类型
页面(page)分四种类型：叶子页面(leaf)，内部页面(internal)，溢出页面(overflow)和空闲页面(free)。内部页面包含查询时的导航信息，叶子页面存储数据，例如元组。如果一个元组的数据太大，一个页面容纳不下，则一些数据存储在B树的页面中，余下的存储在溢出页面中。
1.2.3、文件头（file header）
作为文件开始的1号页面比较特殊，它包括100个字节的文件头。当SQLite创建文件时先初始化文件头，文件头的格式如下：
Structure of database file header |
||
|
Offset |
Size |
Description |
|
0 |
16 |
Header string |
|
16 |
2 |
Page size in bytes |
|
18 |
1 |
File format write version |
|
19 |
1 |
File format read version |
|
20 |
1 |
Bytes reserved at the end of each page |
|
21 |
1 |
Max embedded payload fraction |
|
22 |
1 |
Min embedded payload fraction |
|
23 |
1 |
Min leaf payload fraction |
|
24 |
4 |
File change counter |
|
28 |
4 |
Reserved for future use |
|
32 |
4 |
First freelist page |
|
36 |
4 |
Number of freelist pages |
|
40 |
60 |
15 4-byte meta values |
示例数据（100个字节）：
|
53 51 4C 69 74 65 20 66 6F 72 6D 61 74 20 33 00 ; SQLite format 3. 40 20 20 00 00 00 11 00 00 00 00 ; .....@........ 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 00 00 00 01 ; ................ 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 00 00 00 00 ; ................ 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ; ................ 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ; ................ 00 00 00 00 |
前16个字节-Header string(头字符串)："SQLite format 3."
0x04 00 ：页面大小-Page size，即1024
0x01 01 ：文件格式-File format（写、读各一字节），在当前的版本都为1。
0x00 ： 保留空间-Reserved space，1个字节，SQLite在每个页面的末尾都会保留一定的空间，留作它用，默认为0。
0x40 20 20 ：max embedded payload fraction(偏移21)的值限定了B树内节点（页面）中一个元组（记录，单元）最多能够使用的空间，255意味着100%，默认值为0x40，即64（25%），这保证了一个结点（页面）至少有4个单元。如果一个单元的负载(payload，即数据量)超过最大值，则溢出的数据保存到溢出的页面，一旦SQLite分配了一个溢出页面，它会尽可能多的移动数据到溢出页面；下限为min embedded payload fraction value（偏移为22），默认的值为32，即12.5% ；min leaf payload fraction的含义与min embedded payload fraction类似，只不过是它是针对B树的叶子结点，默认值为32，即12.5%，叶子结点最大的负载为通常是100%，这不用保存。
0x00 00 00 11 ：文件修改计数-File change counter，通常被事务使用，它由事务增加其值。该值的主要目的是数据库改变时，pager避免对缓存进行刷盘。
空闲页面链表(Freelist)：在文件头偏移32的4个字节记录着空闲页面链的第一个页面。
空闲页面的数量：偏移36处的4个字节为空闲页面的数量。
空闲页面链表的组织形式如下：
空闲页面分为两种页面：trunk pages(主页面)和leaf pages(叶子页面)。文件头的指针指向空闲链表的第一个trunk page，每个trunk page指向多个叶子页面。
Trunk page的格式如下，从页面的起始处开始：
(1)4个字节，指向下一个trunk page的页面号；
(2)4个字节，该页面的叶子页面指针的数量；
(3)指向叶子页面的页面号，每项4个字节。
当一个页面不再使用时，SQLite把它加入空闲页面链表，并不从本地文件系统中释放掉。当添加新的数据到数据库时，SQLite就从空闲链表上取出空闲页面用来再存储数据。当空闲链表为空时，SQLite就通过本地文件系统增加新的页面，添加到数据库文件的末尾。
注：可以通过vacuum命令删除空闲链表，该命令通过把数据库中数据拷贝到临时文件，然后在事务的保护下，用临时文件中的复本覆盖原数据库文件。
元数据变量(Meta variables)：从偏移为40开始，为15个4字节的元数据变量，这些元数据主要与B树和VM有关。如下：
|
** Meta values are as follows: ** meta[0] Schema cookie. Changes with each schema change. ** meta[1] File format of schema layer. ** meta[2] Size of the page cache. ** meta[3] Use freelist if 0. Autovacuum if greater than zero. ** meta[4] Db text encoding. 1:UTF-8 2:UTF-16LE 3:UTF-16BE ** meta[5] The user cookie. Used by the application. ** meta[6] ** meta[7] ** meta[8] ** meta[9] |
1.2.4、读取文件头
当应用程序调用sqlite3_open(API)打开数据库文件时，SQLite就会读取文件头进行数据库的初始化。
int sqlite3BtreeOpen(
const char *zFilename, /* Name of the file containing the BTree database */
sqlite3 *pSqlite, /* Associated database handle */
Btree **ppBtree, /* Pointer to new Btree object written here */
int flags /* Options */
){
//读取文件头
sqlite3pager_read_fileheader(pBt->pPager, sizeof(zDbHeader), zDbHeader);
//设置页面大小
pBt->pageSize = get2byte(&zDbHeader[]);
//…
}
2.页面结构(page structure)
数据库文件分成固定大小的页面。SQLite通过B+tree模型来管理所有的页面。页面(page)分三种类型：tree page、overflow page、free page。
2.1、Tree page structure
每个tree page分成许多单元(cell)，一个单元包含一个(或部分)payload。Cell是tree page进行分配或回收的基本单位。
一个tree page分成四个部分：
(1)The page header
(2)The cell content area
(3)The cell pointer array
(4)Unallocated space
Cell指针数组与cell content相向增长。一个page header仅包含用来管理页面的信息，它通常位于页面的开始处（但是对于数据库文件的第一个页面，它开始于第100个字节处，前100个字节包含文件头信息(file header)）。
Structure of tree page header：
|
Offset |
Size |
Description |
|
0 |
1 |
Flags. 1: intkey, 2: zerodata, 4: leafdata, 8: leaf |
|
1 |
2 |
Byte offset to the first free block |
|
3 |
2 |
Number of cells on this page |
|
5 |
2 |
First byte of the cell content area |
|
7 |
1 |
Number of fragmented free bytes |
|
8 |
4 |
Right child (the Ptr(n) value). Omitted on leaves. |
Flag定义页面的格式：如果leaf位被设置，则该页面是一个叶子节点，没有孩子；如果zerodata位被设置，则该页面只有关键字，而没有数据；如果intkey位设置，则关键字是整型；如果leafdata位设置，则tree只存储数据在叶子节点。另外，对于内部页面(internal page)，header在第8个字节处包含指向最右边子节点的指针。
Cell位于页面的高端，而cell 指针数组位于页面的page header之后，cell指针数组包含0个或者多个的指针。每个指针占2个字节，表示在cell content区域的cell距页面开始处的偏移。页面Cell单元的数量位于偏移3处。
由于随机的插入和删除单元，将会导致一个页面上Cell和空闲区域互相交错。Cell内容区域(cell content area)中没有使用的空间收集起来形成一个空闲块链表，这些空闲块按照它们地址的升序排列。页面头1偏移处的2个字节指向空闲块链表的头。每一个空闲块至少4个字节，每个空闲块的开始4个字节存储控制信息：头2个字节指向下一个空闲块（0意味着没有下一个空闲块了），剩余的2个字节为该空闲块的大小。由于空闲块至少为4个字节大小，所以单元内容空间中的3个字节或更小的空间（叫做fragment）不能存在于空闲块列表中。所有碎片(fragment)的总的字节数将记录在页面头偏移为7的位置(所以太碎片最多为255个字节，在它达到最大值之前，页面会被整理)。单元内容区域的第一个字节记录在页面头偏移为5的地方。这个值为单元内容区域和未使用区域的分界线。
2.2、单元格式(Structure of a cell)
单元是变长的字节串。一个单元存储一个负载(payload)，它的结构如下：
Structure of a cell |
|
|
Size |
Description |
|
4 |
Page number of the left child. Omitted if leaf flag bit is set. |
|
var(1–9) |
Number of bytes of data. Omitted if the zerodata flag bit is set. |
|
var(1–9) |
Number of bytes of key. Or the key itself if intkey flag bit is set. |
|
* |
Payload |
|
4 |
First page of the overflow chain. Omitted if no overflow. |
对于内部页面，每个单元包含4个字节的左孩子页面指针；对于叶子页面，单元不需要孩子指针。接下来是数据的字节数，和关键字的长度，下图描述了单元格式：(a)一个单元的格式 (b)负载的结构。
2.3、溢出页面
小的元组能够存储在一个页面中，但是一个大的元组可能要扩展到溢出页面，一个单元的溢出页面形成一个单独的链表。每一个溢出页面(除了最后一个页面)全部填充数据(除了最开始处的4个字节)，开始处的4个字节存储下一个溢出页面的页面号。最后一个页面甚至可以只有一个字节的数据，但是一个溢出页面绝不会存储两个单元的数据。
溢出页面的格式：
2.4、实例分析
数据库为test.db，其中有一个表和索引如下：
CREATE TABLE episodes( id integer primary key,name text, cid int); CREATE INDEX name_idx on episodes(name);
2.4.1、叶子页面格式分析
episodes表的根页面为第2个页面(此时episodes表只占一个页面)，表中的数据如下：
|
sqlite> select * from episodes; 1|Cinnamon Babka|2 2|Mackinaw Peaches|1 3|Mackinaw Peaches|1 4|cat|1 5|cat|1 6|cat|1 7|cat|1 8|cat|1 9|cat|1 10|cat|1 11|cat|1 12|cat|1 13|cat2|40 14|hustcat|5 15|gloriazzz|41 16|eustcat|5 17|xloriazzz|41 |
下面为2号页面页面头(开始的8个字节)：
|
Offset |
Size |
值 及含义 |
|
0 |
1 |
0x0D: 1: intkey, 2: zerodata, 4: leafdata, 8: leaf（1+4+8） |
|
1 |
2 |
0x0000:第一个空闲块的偏移为0 |
|
3 |
2 |
0x0011:页面的单元数为17 |
|
5 |
2 |
0x031C:单元内容区的第一个字节的偏移(距页面起始位置) |
|
7 |
1 |
0x00：碎片字节数 |
|
8 |
4 |
Right child (the Ptr(n) value). Omitted on leaves. |
来看第2个页面的数据（0x400——0x7ff(255字节)）：
页面头之后为cell指针数组，第一个cell的相对页面起始位置偏移为0x03EB，即文件的0x07EB。该单元的数据为：
0x13：数据的字节数，19个字节，即04 00 2B … 61 32。
0x01：关键字的字节数，对于整型，则为关键字本身，即1。
0x04：从该字节开始为payload，即记录。0x04为记录头的大小，即04 00 2B 00为记录头。
0x00：NULL，id字段的值，由于关键字保存在key size中，这里为NULL。
0x2B：name字段值的长度，为字符串，长度为(43-13)/2=15。后面15字节43 69 ... 61 32为name字段值。
0x00：NULL，第一条记录cid的值。
2.4.2、索引页面格式
sqlite> select * from sqlite_master; |CREATE TABLE episodes( id integer primary key,name tex t, cid int) |CREATE INDEX name_index on episodes(name)
第3个页面保存表episodes的索引(也只占一个页面)。
前8个字节为页面头：
0x0A：leaf+zerodata，表示叶子页面，且页面中只有关键字，没有数据（即索引页面）。
0x0000：表示第一个空闲块的偏移为0。
0x0011：页面的单元数(记录数)，该页面含有17个记。
0x030D：单元内容区的第一个字节的偏移(距页面起始位置)。
0x00： 碎片字节数。
接下来34个字节为17个单元（记录）的指针数组。第一个单元的偏移为0x03EC，如
来看看索引单元的格式：
0x13：数据的字节数，19个字节，从0x03开始。
0x03：记录头的字节数。即03 2B 01为记录头。
0x2B：第一个字段的长度，15个字节，该索引是对episodes表的name字段建的，其值为episodes表name字段的值。
0x01：第二个字段的长度，其值为0x01，即episodes表中的对应记录rowid的值。
2.4.3、索引与order by(索引与查询优化的关系)
Order by是查询中经常用到的，一些通用DBMS(比如DM，Mysql)都提供基于索引的形式来实现Order by。SQLite也是通过索引来实现Order by的。当字段有索引时，则直接通过索引很容易实现排序；另一方面，如果排序的字段没有索引，则以该字段为索引(这种情况下是聚集索引)建立一张临时表，再将临时表按顺序输出。来看看sqlite的实现吧。
在SQLite中，默认以rowid来建立聚集索引(对于没有整型值主键的情况)。如果主键字段为整型，则将其直接保存在rowid中，实现聚集索引；另一方面，如果主键是字符串，则对主键建立二级索引。非主键的索引都属于二级索引。
先来看看以整型ID为主键的情况：
//以ID(rowid)为索引(即聚集索引) sqlite> explain select * from episodes order by id; |Trace||||explain | |Noop|||||| |Goto|||||| |SetNumColumns|||||| |OpenRead|||||| //打开表episodes,p2(=2)为其根页面 |Rewind|||||| //游标指向第一条记录 |Rowid|||||| //取出记录的rowid |Column|||||| //取出第1列的值 |Column|||||| //取出第2列的值 |ResultRow|||||| //生成记录结果 |Next|||||| //取下一条记录 |Close|||||| |Halt|||||| |Transaction|||||| |VerifyCookie|||||| |TableLock||||episodes|| |Goto||||||
属性有索引的情况：
//排序的实现——有索引 //算法思想: //(1)从索引中依次读取记录(索引记录的形式如:原索引属性-rowid的键值),并取出rowid. //(2)根据(1)中取出的rowid,在原表中查找记录,并生成记录结果. sqlite> explain select * from episodes order by name; |Trace||||explain | |Noop|||||| |Goto|||||| |SetNumColumns|||||| |OpenRead|||||| //打开表,p1为表游标(0),p2为表根页面 |SetNumColumns|||||| |OpenRead||||keyinfo(,BINARY)|| //打开索引,p1为索引游标,p2为根页面 |Rewind|||||| |IdxRowid|||||| //从索引记录中取出rowid |Seek|||||| //根据rowid从表中查找记录 |IdxRowid|||||| |Column|||||| |Column|||||| |ResultRow|||||| |Next|||||| |Close|||||| |Close|||||| |Halt|||||| |Transaction|||||| |VerifyCookie|||||| |TableLock||||episodes|| |Goto||||||
对于没有索引的属性排序：
//排序的实现——没有索引 //算法思路： //(1)按查询属性为聚集索引建立一个临时表. //(2)按索引顺序输出结果. sqlite> explain select * from episodes order by cid; |Trace||||explain | |OpenEphemeral||||keyinfo(,BINARY)|| //p1为临时表游标,p2为临时表列数 |Goto|||||| |SetNumColumns|||||| |OpenRead|||||| //打开表episodes |Rewind|||||| //游标移到表的第1条记录,p1为游标下标 |Rowid|||||| //p1为表的下标,p2指向表的记录 |Column|||||| //读取表p1(=0)的第1列 |Column|||||| //读取表p1(=0)的第2列 |MakeRecord|||||| |SCopy|||||| |Sequence|||||| |Move|||||| |MakeRecord|||||| |IdxInsert|||||| //该指令在索引中插入记录,相当于对表的Insert. p1为索引下标,即OpenEphemeral打开的临时表 |Next|||||| |Close|||||| //关闭表episodes |SetNumColumns|||||| |OpenPseudo|||||| //打开临时表 |Sort|||||| //与Rewind功能类似 |Column|||||| |Integer|||||| |Insert|||||| |Column|||||| |Column|||||| |Column|||||| |ResultRow|||||| //输出临时记录 |Next|||||| |Close|||||| |Halt|||||| |Transaction|||||| |VerifyCookie|||||| |TableLock||||episodes|| |Goto||||||
