Berkeley DB

Berkeley DB是由美国Sleepycat Software公司开发的一套开放源码的嵌入式数据库的程序库（database library），它为应用程序提供可伸缩的、高性能的、有事务保护功能的数据管理服务。Berkeley DB为数据的存取和管理提供了一组简洁的函数调用API接口。

它是一个经典的C-library模式的toolkit，为程序员提供广泛丰富的函数集，是为应用程序开发者提供工业级强度的数据库服务而设计的。

 Berkeley DB所管理数据的逻辑组织单位是若干个独立或有一定关系的数据库(database)，每个数据库由若干记录组成，这些记录全都被表示成(key，value)的形式。如果把一组相关的(key，value)对也看作一个表的话，那么每一个数据库只允许存放一个table，这一点不同于一般的关系数据库。实际上，在Berkeley DB中所提到的“数据库”，相当于一般关系数据库系统中的表；而“key/data”对相当于关系数据库系统中的行(rows)；Berkeley DB不提供关系数据库中列直接访问的功能，而是在“key/data”对中的data项中通过实际应用来封装字段(列)。

在物理组织上，每一个数据库在创建的时候可以由应用程序根据其数据特点来选择一种合适的存储结构。可供选择的四种文件存储结构分别是：哈希文件、B树、定长记录(队列)和变长记录(基于记录号的简单存储方式)。

一个物理的文件中可以只存放一个单独的数据库，也可以存放若干相关或不相关的数据库，而且这些数据库可以分别采用除队列之外任意不同的组织方式，以队列组织的数据库只能单独存放于一个文件，不能同其他存储类型混合存放。

一个文件除了受最大文件长度和存储空间的约束之外，理论上可以存储任意多个数据库。因此系统定位一个数据库通常需要两个参数--“文件名”和“数据库名”，这也是Berkeley DB不同于一般关系数据库的地方。

Berkeley DB存储系统为应用程序提供了一系列的接口函数，用于对数据库的管理和操作。其中包括：

(1)数据库的创建、打开、关闭、删除、重命名等，以及对数据的检索和增删改操作；

(2)提供一些附加的功能，例如读取数据库状态信息、读取所在文件的信息、读取所在数据库环境的信息、清空数据库的内容、数据库的同步备份、版本升级、提示出错信息等等；

(3)系统还提供了游标机制，用于存取和访问成组的数据，以及对两个或多个相关数据库进行关联和等值连接操作；

(4)系统还给出了一些接口函数用于对存取策略进行优化配置，比如应用程序可以自己设置B树的排序比较函数、每页中存放key的最少数目，哈希桶的填充因子、哈希函数、哈希表最大长度，队列的最大长度，数据库存放的字节顺序，底层存储页的大小，内存分配函数，高速缓存的大小，定长记录的大小和填充位，变长记录所用的分隔符等等。

其主要特点如下：

嵌入式（Embedded）：它直接链接到应用程序中，与应用程序运行于同样的地址空间中，因此，无论是在网络上不同计算机之间还是在同一台计算机的不同进程之间，数据库操作并不要求进程间通讯。

Berkeley DB为多种编程语言提供了API接口，其中包括C++、C++++、Java、Perl、Tcl、Python和PHP，所有的数据库操作都在程序库内部发生。多个进程，或者同一进程的多个线程可同时使用数据库，有如各自单独使用，底层的服务如加锁、事务日志、共享缓冲区管理、内存管理等等都由程序库透明地执行。

轻便灵活（Portable）：它可以运行于几乎所有的UNIX和Linux系统及其变种系统、Windows操作系统以及多种嵌入式实时操作系统之下。它在32位和64位系统上均可运行，已经被好多高端的因特网服务器、台式机、掌上电脑、机顶盒、网络交换机以及其他一些应用领域所采用。一旦Berkeley DB被链接到应用程序中，终端用户一般根本感觉不到有一个数据库系统存在。

可伸缩（Scalable）：这一点表现在很多方面。Database library本身是很精简的（少于300KB的文本空间），但它能够管理规模高达256TB的数据库。它支持高并发度，成千上万个用户可同时操纵同一个数据库。Berkeley DB能以足够小的空间占用量运行于有严格约束的嵌入式系统，也可以在高端服务器上耗用若干GB的内存和若干TB的磁盘空间。

Berkeley DB由五个主要的子系统构成.包括: 存取管理子系统、内存池管理子系统、事务子系统、锁子系统以及日志子系统。

其中存取管理子系统作为Berkeley DB数据库进程包内部核心组件，而其他子系统都存在于Berkeley DB数据库进程包的外部。

每个子系统支持不同的应用级别。

1.数据存取子系统

数据存取（Access Methods）子系统为创建和访问数据库文件提供了多种支持。Berkeley DB提供了以下四种文件存储方法：哈希文件、B树、定长记录（队列）和变长记录（基于记录号的简单存储方式），应用程序可以从中选择最适合的文件组织结构。程序员创建表时可以使用任意一种结构，并且可以在同一个应用程序中对不同存储类型的文件进行混合操作。在没有事务管理的情况下，该子系统中的模块可单独使用，为应用程序提供快速高效的数据存取服务。数据存取子系统适用于不需事务只需快速格式文件访问的应用。

2.内存池管理子系统

内存池（Memory pool）子系统对Berkeley DB所使用的共享缓冲区进行有效的管理。它允许同时访问数据库的多个进程或者进程的多个线程共享一个高速缓存，负责将修改后的页写回文件和为新调入的页分配内存空间。它也可以独立于Berkeley DB系统之外，单独被应用程序使用，为其自己的文件和页分配内存空间。内存池管理子系统适用于需要灵活的、面向页的、缓冲的共享文件访问的应用。

3.事务子系统

事务（Transaction）子系统为Berkeley DB提供事务管理功能。它允许把一组对数据库的修改看作一个原子单位，这组操作要么全做，要么全不做。在默认的情况下，系统将提供严格的ACID事务属性，但是应用程序可以选择不使用系统所作的隔离保证。该子系统使用两段锁技术和先写日志策略来保证数据库数据的正确性和一致性。它也可以被应用程序单独使用来对其自身的数据更新进行事务保护。事务子系统适用于需要事务保证数据的修改的应用。

4.锁子系统

锁（Locking）子系统为Berkeley DB提供锁机制，为系统提供多用户读取和单用户修改同一对象的共享控制。数据存取子系统可利用该子系统获得对页或记录的读写权限；事务子系统利用锁机制来实现多个事务的并发控制。该子系统也可被应用程序单独采用。锁子系统适用于一个灵活的、快速的、可设置的锁管理器。

5.日志子系统

日志（Logging）子系统采用的是先写日志的策略，用于支持事务子系统进行数据恢复，保证数据一致性。它不大可能被应用程序单独使用，只能作为事务子系统的调用模块。

以上几部分构成了整个Berkeley DB数据库系统。各部分的关系如下图所示：

在这个模型中，应用程序直接调用的是数据存取子系统和事务管理子系统，这两个系统进而调用更下层的内存管理子系统、锁子系统和日志子系统。

由于几个子系统相对比较独立，所以应用程序在开始的时候可以指定哪些数据管理服务将被使用。可以全部使用，也可以只用其中的一部分。例如，如果一个应用程序需要支持多用户并发操作，但不需要进行事务管理，那它就可以只用锁子系统而不用事务。有些应用程序可能需要快速的、单用户、没有事务管理功能的B树存储结构，那么应用程序可以使锁子系统和事务子系统失效，这样就会减少开销。