这是吉林大学软件工程卓越工程师班《数据库系统应用程序开发》和《系统软件综合实践》两门课程(共 3 学分)综合起来共同完成的课程项目。课程的内容主要是了解 Stanford CS346 课程的 RedBase 框架,仿照实现一个数据库引擎的部分功能。
使用 Static Badge 实现。
《数据库系统应用程序开发》课程要求实现的数据库主要有四个基本功能,具体介绍可以参考我博客中的文章,文章中也提供了对应部分的课程具体要求,每一部分我也给出了对应的测试代码(在 ./src/test/ 路径下):
在命令行中输入:
cargo run -- --test
可以运行这几个功能对应的测试代码。
《系统软件综合实践》课程则要求使用面向对象的方法将项目重新分析一遍,因此我们也给出了每个环节对本项目的分析,以 Markdown 文档的形式呈现(在 ./docs/ 路径下):
- 分析类的定义 (2025年12月16日 更新)
本项目依赖 Static Badge 开发,安装 Rust 工具链(cargo / rustc,stable)即可。
开发本项目使用的系统是 Static Badge (前期)和 Static Badge (后期)。
推荐使用 Rust 官方提供的 rustup 进行安装配置。
安装完成后可输入下列命令确认安装完成:
rustc --version cargo --version
# 开发模式 cargo run # 生产模式 cargo run --release # 启用日志(开发调试) RUST_LOG=debug cargo run # 启用日志(生产环境) RUST_LOG=info cargo run --release
启动后会看到欢迎界面,可以输入 SQL 命令进行数据库操作。
使用下面的命令,可以运行 task1 ~ task4 的测试代码,检查测试结果。
cargo run -- --test
# 运行测试并查看日志
RUST_LOG=debug cargo run -- --testcargo run -- --help
项目集成了完整的日志系统,支持通过 RUST_LOG 环境变量控制日志级别:
# 开发调试 - 显示详细日志 RUST_LOG=debug cargo run # 生产环境 - 只显示重要信息 RUST_LOG=info cargo run --release # 只显示错误 RUST_LOG=error cargo run # 针对特定模块 RUST_LOG=db_engine::rm=debug cargo run
日志级别说明:
ERROR: 错误信息(数据库操作失败、解析错误)WARN: 警告信息(资源已存在等)INFO: 重要操作(创建/删除数据库、切换数据库)DEBUG: 调试信息(SQL 执行、查询计划、优化过程)
交互式界面样式示例如下(截图版本 v1.3.2):
使用下面的 SQL 语句进行测试:
CREATE DATABASE testdb; USE testdb; SHOW TABLES; CREATE TABLE users (id INT, name CHAR(50), age INT); INSERT INTO users VALUES (1, 'kisechan', 28); SELECT * FROM users; .exit
可以得到下面的结果:
[DatabaseManager] Created base directory: "./data"
[DatabaseManager] Found 0 existing database(s): []
╔═══════════════════════════════════════════════════════════════╗
║ ║
║ Kisechan's DB-Engine v1.3.3 ║
║ ║
║ A relational database engine written in Rust ║
║ ║
╠═══════════════════════════════════════════════════════════════╣
║ ║
║ GitHub: https://github.com/Kisechan/db-engine ║
║ ║
║ Type .help to see available commands ║
║ Type .exit or press Ctrl+D to quit ║
║ ║
╚═══════════════════════════════════════════════════════════════╝
Kisechan's DB-Engine> CREATE DATABASE testdb;
[DatabaseManager] Created database directory: "./data/testdb"
[DatabaseManager] Created empty catalog file: "./data/testdb/catalog.tbl"
[DatabaseManager] Database 'testdb' created successfully
✓ Database 'testdb' created successfully
Kisechan's DB-Engine> USE testdb;
[DatabaseManager] Loading database 'testdb' from "./data/testdb"
[CatalogManager] Catalog page is all zeros, starting with empty schema
[CatalogManager] Initialized with 0 tables, next_table_id=1 (path: "./data/testdb/catalog.tbl")
[CatalogManager] Catalog page is all zeros, starting with empty schema
[CatalogManager] Initialized with 0 tables, next_table_id=1 (path: "./data/testdb/catalog.tbl")
[DatabaseManager] Switched to database 'testdb'
✓ Switched to database 'testdb'
Kisechan's DB-Engine [testdb]> SHOW TABLES;
✓ No tables found in current database
Kisechan's DB-Engine [testdb]> CREATE TABLE users (id INT, name CHAR(50), age INT);
[CatalogManager] Added table 'users' to memory cache with table_id=1
[CatalogManager] Flushed 1 tables to disk (126 bytes) at "./data/testdb/catalog.tbl"
[FileHandler] Flushed header to ./data/testdb/users.tbl: size=12 bytes, total_pages=1, free_list_len=0
[TableManager] Created table file: ./data/testdb/users.tbl with initialized header
✓ Table 'users' created successfully
Kisechan's DB-Engine [testdb]> INSERT INTO users VALUES (1, 'kisechan', 28);
[FileHandler] Loaded header from ./data/testdb/users.tbl: total_pages=1, free_list_len=0
[TableManager] Opened table: users
[FileHandler] Allocated new page 1 (total_pages now: 2)
[FileHandler] Flushed header to ./data/testdb/users.tbl: size=12 bytes, total_pages=2, free_list_len=0
[DiskManager] Page 1 beyond file size (4096), returning zero-filled page
✓ 1 row(s) inserted into 'users'
Kisechan's DB-Engine [testdb]> SELECT * FROM users;
[SELECT] Found 1 rows from table 'users'
┌────────┬────┬──────────┬─────┐
│ RID │ id │ name │ age │
├────────┼────┼──────────┼─────┤
│ (1, 0) │ 1 │ kisechan │ 28 │
└────────┴────┴──────────┴─────┘
(1 row)
Kisechan's DB-Engine [testdb]> .exit
Goodbye!
[DatabaseManager] Closing all databases...
[CatalogManager] Flushed 1 tables to disk (126 bytes) at "./data/testdb/catalog.tbl"
[DatabaseManager] All databases closed
[DatabaseManager] Closing all databases...
[DatabaseManager] All databases closed
下面的功能也许在可见的未来不会实现,但是暂时先标出来:
-
CREATE DATABASE/DROP DATABASE -
USE DATABASE -
SHOW DATABASES/SHOW TABLES -
CREATE TABLE/DROP TABLE -
ALTER TABLE(添加/删除列、修改列类型) -
CREATE INDEX/DROP INDEX -
TRUNCATE TABLE(快速清空表)
SELECT 查询
- 基本查询:
SELECT * FROM table -
WHERE子句(支持=,!=,<,<=,>,>=,AND,OR) - 列投影:
SELECT col1, col2 FROM table -
ORDER BY(排序) -
LIMIT/OFFSET(分页) -
DISTINCT(去重) -
JOIN(INNER JOIN,LEFT JOIN,RIGHT JOIN,FULL JOIN) - 聚合函数:
COUNT,SUM,AVG,MAX,MIN -
GROUP BY/HAVING(分组和分组过滤) - 子查询(
WHERE col IN (SELECT ...)) -
UNION/INTERSECT/EXCEPT(集合操作)
INSERT 插入
- 基本插入:
INSERT INTO table VALUES (...) - 指定列插入:
INSERT INTO table (col1, col2) VALUES (...) -
INSERT ... SELECT(从查询结果插入) -
DEFAULT值支持 - 批量插入优化
- 约束检查(
PRIMARY KEY,UNIQUE,FOREIGN KEY,CHECK)
UPDATE 更新
- 基本更新:
UPDATE table SET col = value -
WHERE条件过滤 - 支持
INT类型列更新 - 支持
VARCHAR类型列更新 - 算术表达式:
UPDATE table SET age = age + 1 - 子查询作为值:
UPDATE table SET col = (SELECT ...) - 多列更新优化
DELETE 删除
- 基本删除:
DELETE FROM table -
WHERE条件过滤(支持AND/OR) - 子查询条件:
DELETE FROM table WHERE id IN (SELECT ...) - 级联删除(
FOREIGN KEY约束)
- 比较操作符:
=,!=,<,<=,>,>= - 逻辑操作符:
AND,OR - 括号表达式
-
NOT操作符(AST 已支持,求值需扩展) -
LIKE/NOT LIKE(模式匹配) -
IN/NOT IN(列表匹配) -
BETWEEN ... AND ...(范围) -
IS NULL/IS NOT NULL - 算术表达式:
WHERE age + 10 > 30 - 字符串函数:
CONCAT,SUBSTRING,UPPER,LOWER
-
INT/INT32 -
VARCHAR -
CHAR(n) -
BIGINT/INT64 -
FLOAT/DOUBLE -
DECIMAL(p, s)(精确数值) -
DATE/TIME/DATETIME/TIMESTAMP -
BOOLEAN -
BLOB/TEXT(大对象) -
NULL
- B+ 树索引结构
- 索引插入、查询
- 多索引支持
- SQL 语句创建/删除索引(
CREATE INDEX,DROP INDEX) - 查询优化器自动使用索引
- 唯一索引(
UNIQUE INDEX) - 复合索引(多列索引)
- 全文索引
- 索引统计信息(用于查询优化)
- 逻辑计划生成
- 谓词下推(Predicate Pushdown)
- 基本物理计划生成
- 基于代价的优化
- 利用索引的查询计划
-
JOIN优化
- 查询结果缓存
- 预编译语句(Prepared Statements)
- 查询计划缓存
- 事务日志
TransactionLogger -
BEGIN,COMMIT,ABORT操作 - SQL 语句支持:
BEGIN TRANSACTION,COMMIT,ROLLBACK - 崩溃恢复(Crash Recovery)
- 重做日志(Redo Log)
- 撤销日志(Undo Log)
- 检查点(Checkpoint)
- 两阶段锁(2PL)
- 死锁检测和处理
- 多版本并发控制(MVCC)
- 隔离级别支持(
READ UNCOMMITTED,READ COMMITTED,REPEATABLE READ,SERIALIZABLE)
- 页面管理(
BufferManager,DiskManager) - 文件管理(
FileHandler,FileManager) - 自动扩展数据文件
- 空间回收和碎片整理
- 表空间管理
- 目录管理(
CatalogManager) - 表结构持久化
- 统计信息收集
- 约束信息管理
- 视图(
VIEW)
- 数据库备份和恢复
- 导入/导出(
COPY,LOAD DATA) - 权限管理(用户、角色、权限)
- 审计日志
- 批量操作优化
- 命令行 REPL
- 日志系统