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SQLite API主要数据结构解析

2021-11-287.5k 阅读

SQLite 概述

SQLite 是一款轻型的数据库，它的设计目标是嵌入式，被广泛应用在移动设备、桌面应用等领域。SQLite 数据库的核心引擎不依赖于第三方的软件库，在实现上，它通过一系列的 API 来提供对数据库的各种操作。理解这些 API 中涉及的数据结构，对于深入掌握 SQLite 的开发和应用至关重要。

SQLite API 主要数据结构分类

SQLite API 中的数据结构大致可以分为以下几类：连接相关数据结构、语句相关数据结构、结果集相关数据结构以及内存管理相关数据结构等。下面我们将对这些主要的数据结构进行详细解析。

连接相关数据结构 - sqlite3

在 SQLite 中，sqlite3 结构体是表示与数据库连接的核心数据结构。它包含了数据库连接的所有状态信息，例如当前连接的数据库文件名、事务状态、错误码等。

#include <sqlite3.h>
int main() {
    sqlite3 *db;
    int rc = sqlite3_open("test.db", &db);
    if (rc) {
        fprintf(stderr, "Can't open database: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        return rc;
    } else {
        fprintf(stdout, "Opened database successfully\n");
    }
    sqlite3_close(db);
    return 0;
}

在上述代码中，通过 sqlite3_open 函数打开一个 SQLite 数据库文件，并返回一个指向 sqlite3 结构体的指针 db。如果打开失败，sqlite3_errmsg 函数可以获取错误信息。sqlite3_close 函数则用于关闭数据库连接，释放相关资源。

sqlite3 结构体内部维护了许多重要的字段，例如：

  • 错误码字段：用于记录在数据库操作过程中发生的错误。当某个 API 调用失败时，会在这个结构体的错误码字段中设置相应的错误值。通过 sqlite3_errcode 函数可以获取当前连接的错误码，sqlite3_errmsg 函数可以获取错误的文本描述。
  • 数据库句柄列表：SQLite 支持在一个连接中打开多个数据库，这个列表记录了所有打开的数据库句柄。在执行跨数据库查询等操作时，会用到这些信息。

语句相关数据结构 - sqlite3_stmt

sqlite3_stmt 结构体用于表示一条预编译的 SQL 语句。预编译的好处在于可以提高执行效率，特别是对于需要多次执行的 SQL 语句。在 SQLite 中，通过 sqlite3_prepare_v2 函数将 SQL 语句编译成 sqlite3_stmt 对象。

#include <sqlite3.h>
#include <stdio.h>
int main() {
    sqlite3 *db;
    sqlite3_stmt *stmt;
    const char *sql = "SELECT id, name FROM users WHERE age > ?";
    int rc = sqlite3_open("test.db", &db);
    if (rc) {
        fprintf(stderr, "Can't open database: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        return rc;
    }
    rc = sqlite3_prepare_v2(db, sql, -1, &stmt, 0);
    if (rc != SQLITE_OK) {
        fprintf(stderr, "Failed to prepare statement: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        sqlite3_close(db);
        return rc;
    }
    sqlite3_bind_int(stmt, 1, 30);
    while ((rc = sqlite3_step(stmt)) == SQLITE_ROW) {
        int id = sqlite3_column_int(stmt, 0);
        const char *name = (const char *)sqlite3_column_text(stmt, 1);
        printf("ID: %d, Name: %s\n", id, name);
    }
    if (rc != SQLITE_DONE) {
        fprintf(stderr, "Failed to execute statement: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
    }
    sqlite3_finalize(stmt);
    sqlite3_close(db);
    return 0;
}

在上述代码中，首先通过 sqlite3_prepare_v2 对 SQL 语句进行预编译，-1 表示 SQL 语句以 null 结尾，stmt 用于接收编译后的语句对象。sqlite3_bind_int 函数用于为 SQL 语句中的占位符 ? 绑定实际的值。sqlite3_step 函数用于执行预编译的语句，当返回 SQLITE_ROW 时，表示有新的结果行，通过 sqlite3_column_int 和 sqlite3_column_text 等函数获取列的值。最后通过 sqlite3_finalize 函数释放 sqlite3_stmt 对象。

sqlite3_stmt 结构体包含了以下重要信息：

  • 字节码：预编译后的 SQL 语句会被转化为字节码存储在这个结构体中。这些字节码是 SQLite 虚拟机执行的指令，通过对字节码的解析和执行，实现 SQL 语句的功能。
  • 绑定参数信息：记录了为 SQL 语句中占位符绑定的参数值和类型。这使得同一条预编译语句可以通过绑定不同的参数值来重复执行，提高了代码的复用性和执行效率。
  • 结果集指针：当执行查询语句时，该结构体中会包含指向结果集的指针。通过这个指针可以逐行获取查询结果。

结果集相关数据结构 - 隐式结构

在 SQLite 中，虽然没有专门定义一个独立的结果集数据结构，但在 sqlite3_stmt 执行查询语句后，会隐式地形成一个结果集。这个结果集通过 sqlite3_step 函数来遍历，通过 sqlite3_column_* 系列函数来获取列的值。

#include <sqlite3.h>
#include <stdio.h>
int main() {
    sqlite3 *db;
    sqlite3_stmt *stmt;
    const char *sql = "SELECT id, name, age FROM users";
    int rc = sqlite3_open("test.db", &db);
    if (rc) {
        fprintf(stderr, "Can't open database: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        return rc;
    }
    rc = sqlite3_prepare_v2(db, sql, -1, &stmt, 0);
    if (rc != SQLITE_OK) {
        fprintf(stderr, "Failed to prepare statement: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        sqlite3_close(db);
        return rc;
    }
    while ((rc = sqlite3_step(stmt)) == SQLITE_ROW) {
        int id = sqlite3_column_int(stmt, 0);
        const char *name = (const char *)sqlite3_column_text(stmt, 1);
        int age = sqlite3_column_int(stmt, 2);
        printf("ID: %d, Name: %s, Age: %d\n", id, name, age);
    }
    if (rc != SQLITE_DONE) {
        fprintf(stderr, "Failed to execute statement: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
    }
    sqlite3_finalize(stmt);
    sqlite3_close(db);
    return 0;
}

在遍历结果集时，sqlite3_step 函数每次移动到下一行。当返回 SQLITE_ROW 时，表示当前行有数据，可以通过 sqlite3_column_* 函数根据列的索引获取对应列的值。这种隐式的结果集结构设计，使得 SQLite 的 API 使用起来更加简洁和高效。

内存管理相关数据结构 - sqlite3_mem

SQLite 内部有一套自己的内存管理机制，sqlite3_mem 结构体是内存管理的核心数据结构之一（虽然在应用层开发者一般不会直接操作这个结构体）。SQLite 使用这个结构体来跟踪分配和释放的内存块，以确保内存的正确使用和避免内存泄漏。 SQLite 的内存管理策略包括：

  • 内存池：SQLite 会维护一个内存池，从这个内存池中分配小块内存用于各种数据结构和操作。这样可以减少频繁的系统内存分配和释放操作，提高性能。
  • 引用计数：对于一些复杂的数据结构，例如 sqlite3_stmt，SQLite 使用引用计数来管理其生命周期。当引用计数为 0 时，对应的内存会被释放。

下面是一个简单的示例，展示 SQLite 内存管理在实际 API 使用中的体现：

#include <sqlite3.h>
#include <stdio.h>
int main() {
    sqlite3 *db;
    int rc = sqlite3_open("test.db", &db);
    if (rc) {
        fprintf(stderr, "Can't open database: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        return rc;
    }
    sqlite3_stmt *stmt;
    const char *sql = "SELECT COUNT(*) FROM users";
    rc = sqlite3_prepare_v2(db, sql, -1, &stmt, 0);
    if (rc != SQLITE_OK) {
        fprintf(stderr, "Failed to prepare statement: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        sqlite3_close(db);
        return rc;
    }
    rc = sqlite3_step(stmt);
    if (rc == SQLITE_ROW) {
        int count = sqlite3_column_int(stmt, 0);
        printf("Number of users: %d\n", count);
    }
    sqlite3_finalize(stmt);
    sqlite3_close(db);
    return 0;
}

在这个示例中，从 sqlite3_open 打开数据库，到 sqlite3_prepare_v2 预编译语句，再到 sqlite3_finalize 释放语句对象和 sqlite3_close 关闭数据库连接，每一步都涉及到 SQLite 内部的内存分配和释放操作。通过正确使用这些 API，SQLite 能够有效地管理内存，避免内存泄漏。

回调相关数据结构 - sqlite3_callback

在 SQLite 中，回调函数是一种强大的机制，用于在特定事件发生时执行用户定义的代码。sqlite3_callback 虽然不是一个实际的结构体，但是涉及到回调函数的相关概念和机制。例如，在执行 sqlite3_exec 函数时，可以指定一个回调函数，当查询结果返回时，会调用这个回调函数来处理每一行数据。

#include <sqlite3.h>
#include <stdio.h>
static int callback(void *data, int argc, char **argv, char **azColName) {
    int i;
    for (i = 0; i < argc; i++) {
        printf("%s = %s\t", azColName[i], argv[i]? argv[i] : "NULL");
    }
    printf("\n");
    return 0;
}
int main() {
    sqlite3 *db;
    char *zErrMsg = 0;
    int rc;
    const char *sql;
    const char *data = "Callback function called";
    rc = sqlite3_open("test.db", &db);
    if (rc) {
        fprintf(stderr, "Can't open database: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        return rc;
    } else {
        fprintf(stdout, "Opened database successfully\n");
    }
    sql = "SELECT id, name, age FROM users";
    rc = sqlite3_exec(db, sql, callback, (void *)data, &zErrMsg);
    if (rc != SQLITE_OK) {
        fprintf(stderr, "SQL error: %s\n", zErrMsg);
        sqlite3_free(zErrMsg);
    } else {
        fprintf(stdout, "Operation done successfully\n");
    }
    sqlite3_close(db);
    return 0;
}

在上述代码中，sqlite3_exec 函数的第三个参数 callback 是用户定义的回调函数。当查询结果返回时，sqlite3_exec 会为每一行数据调用这个回调函数。callback 函数的 argc 参数表示当前行的列数，argv 数组包含了每列的值，azColName 数组包含了每列的名称。通过这种回调机制，用户可以灵活地处理查询结果，而不需要像使用 sqlite3_stmt 那样手动遍历结果集。

事务相关数据结构 - 隐式状态

SQLite 中的事务管理虽然没有一个明确的数据结构来表示，但在 sqlite3 连接结构体中维护了事务的相关状态。SQLite 支持自动提交和显式事务。在自动提交模式下，每条 SQL 语句执行后都会自动提交。而在显式事务中，通过 BEGIN、COMMIT 和 ROLLBACK 等语句来控制事务的开始、提交和回滚。

#include <sqlite3.h>
#include <stdio.h>
int main() {
    sqlite3 *db;
    char *zErrMsg = 0;
    int rc;
    const char *sql;
    rc = sqlite3_open("test.db", &db);
    if (rc) {
        fprintf(stderr, "Can't open database: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        return rc;
    } else {
        fprintf(stdout, "Opened database successfully\n");
    }
    sql = "BEGIN; "
          "INSERT INTO users (name, age) VALUES ('John', 30); "
          "INSERT INTO users (name, age) VALUES ('Jane', 25); "
          "COMMIT;";
    rc = sqlite3_exec(db, sql, 0, 0, &zErrMsg);
    if (rc != SQLITE_OK) {
        fprintf(stderr, "SQL error: %s\n", zErrMsg);
        sqlite3_free(zErrMsg);
        sqlite3_exec(db, "ROLLBACK;", 0, 0, &zErrMsg);
    } else {
        fprintf(stdout, "Transaction done successfully\n");
    }
    sqlite3_close(db);
    return 0;
}

在上述代码中，通过 sqlite3_exec 执行包含 BEGIN、INSERT 和 COMMIT 的 SQL 语句来完成一个事务。如果在执行过程中发生错误，通过 ROLLBACK 来回滚事务，确保数据的一致性。sqlite3 连接结构体中会记录当前事务的状态，例如是否处于事务中，事务的开始时间等信息，以保证事务操作的正确执行。

错误处理相关数据结构 - 错误码与消息

在 SQLite 中，错误处理是通过错误码和错误消息来实现的。错误码是一个整数值，定义在 sqlite3.h 头文件中，例如 SQLITE_OK 表示操作成功，SQLITE_ERROR 表示一般性错误。错误消息是一个字符串，通过 sqlite3_errmsg 函数可以获取与当前错误码对应的错误文本描述。

#include <sqlite3.h>
#include <stdio.h>
int main() {
    sqlite3 *db;
    int rc = sqlite3_open("nonexistent.db", &db);
    if (rc) {
        fprintf(stderr, "Can't open database: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        return rc;
    }
    sqlite3_close(db);
    return 0;
}

在上述代码中，尝试打开一个不存在的数据库文件，sqlite3_open 函数会返回错误码，通过 sqlite3_errmsg 函数可以获取错误消息，如 “ unable to open database file”。这种错误处理机制使得开发者能够快速定位和解决在 SQLite 数据库操作过程中遇到的问题。

自定义扩展相关数据结构 - 接口结构体

SQLite 支持自定义扩展，通过扩展可以添加新的函数、聚合函数、虚拟表等功能。在实现自定义扩展时，会涉及到一些接口结构体。例如，定义一个自定义函数时，需要使用 sqlite3_create_function 函数，该函数接受一个指向 sqlite3_function 结构体的指针。

#include <sqlite3.h>
#include <stdio.h>
static void myFunction(sqlite3_context *context, int argc, sqlite3_value **argv) {
    const char *result = "Custom function result";
    sqlite3_result_text(context, result, -1, SQLITE_TRANSIENT);
}
int main() {
    sqlite3 *db;
    int rc = sqlite3_open("test.db", &db);
    if (rc) {
        fprintf(stderr, "Can't open database: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        return rc;
    }
    rc = sqlite3_create_function(db, "my_function", 0, SQLITE_UTF8, 0, myFunction, 0, 0);
    if (rc != SQLITE_OK) {
        fprintf(stderr, "Failed to create function: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        sqlite3_close(db);
        return rc;
    }
    sqlite3_stmt *stmt;
    const char *sql = "SELECT my_function()";
    rc = sqlite3_prepare_v2(db, sql, -1, &stmt, 0);
    if (rc != SQLITE_OK) {
        fprintf(stderr, "Failed to prepare statement: %s\n", sqlite3_errmsg(db));
        sqlite3_close(db);
        return rc;
    }
    rc = sqlite3_step(stmt);
    if (rc == SQLITE_ROW) {
        const char *result = (const char *)sqlite3_column_text(stmt, 0);
        printf("Function result: %s\n", result);
    }
    sqlite3_finalize(stmt);
    sqlite3_close(db);
    return 0;
}

在上述代码中，通过 sqlite3_create_function 函数创建了一个名为 my_function 的自定义函数。sqlite3_function 结构体（虽然在代码中没有显式定义，但在 sqlite3_create_function 内部使用）定义了自定义函数的相关信息，如函数名、参数个数、编码方式以及实际执行函数的指针 myFunction。通过这种方式，开发者可以根据自己的需求扩展 SQLite 的功能。

总结各类数据结构的交互关系

上述介绍的各类数据结构在 SQLite API 的使用中相互协作。例如，通过 sqlite3 连接结构体建立与数据库的连接，在连接的基础上，使用 sqlite3_stmt 结构体预编译和执行 SQL 语句。执行查询语句时，sqlite3_stmt 隐式地管理结果集，通过相关的列获取函数从结果集中提取数据。在整个过程中，内存管理相关的数据结构和机制保证了内存的正确分配和释放，错误处理相关的数据结构和函数帮助开发者定位和解决问题。回调相关的数据结构和机制提供了灵活处理查询结果等操作的方式，事务相关的隐式状态确保了数据的一致性，自定义扩展相关的数据结构和接口则让开发者能够根据需求扩展 SQLite 的功能。理解这些数据结构之间的交互关系，是熟练运用 SQLite API 进行高效数据库开发的关键。在实际应用中，开发者需要根据具体的需求，合理地使用这些数据结构和对应的 API 函数，以实现稳定、高效的 SQLite 数据库应用。