c++轻量级内存映射数据库引擎基于b+树实现,支持随机查找、范围扫描、插入与安全持久化;初始化时创建16mb文件并mmap映射,头信息区64字节记录元数据,根节点页对齐分配;插入时叶节点满则分裂并原子更新双页,根溢出则升层;范围查询通过叶链表迭代与mincore预读优化;每次页修改后msync单页,提交时fdatasync保障一致性。

用C++实现一个基于文件映射(memory-mapped file)的轻量级数据库存储引擎,核心依赖B+树组织键值对,要求支持随机查找、范围扫描、插入与安全持久化,且所有节点操作必须适配mmap页边界与写时复制语义。
初始化内存映射文件与根节点分配
创建固定大小的数据库文件(如16MB),用open + mmap以PROT_READ | PROT_WRITE和MAP_SHARED方式映射整块区域;首次启动时需在文件开头预留64字节头信息区,记录版本、根偏移、空闲链表头等元数据。
调用lseek(fd, 0, SEEK_SET) → write(fd, &header, sizeof(header))写入初始头结构,再将映射起始地址+sizeof(header)处视为第一个可用页位置;【根节点必须从页对齐地址开始分配,否则mmap刷盘时可能截断或越界】。
用placement new在该地址构造B+树内部节点,设置is_leaf = true、key_count = 0,并更新头中root_offset字段为该页起始偏移。
键值对插入:分裂与上溢处理
方法一:叶节点插入路径
定位目标叶节点后,线性遍历其key数组找到插入位置;若插入后key_count ,直接搬移后续键/值并更新计数,返回成功。
方法二:叶节点满时分裂
申请新页(从空闲链表取或扩展文件末尾),将原叶节点后半键值对(含对应value ptr)拷贝至新页;原节点保留前⌊(MAX_KEYS−1)/2⌋个键,新节点存后⌈(MAX_KEYS−1)/2⌉个键;在父节点中插入指向新页的键(取新页最小键)和子页偏移;【分裂必须原子写入两个页——先写新页内容,再更新父节点,否则恢复时无法判断分裂是否完成】。
方法三:非叶节点上溢传播
当父节点插入新键后也溢出,则递归分裂父节点;若当前是根节点且溢出,需新建更高层根:分配两页,原根降为左子,新页为右子,旧根最小键升为新根唯一键,新根child_count = 2,并更新文件头root_offset指向新根页首地址。
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范围查询:迭代器式顺序遍历
第一步:定位起始叶节点
从根节点出发,按B+树搜索逻辑下降,直到抵达叶节点;若查询带下界键,则在叶节点内二分查找首个≥该键的位置;若键不存在,取upper_bound位置作为起点。
第二步:沿叶节点链表推进
每个叶节点末尾预留8字节存放next_leaf_offset(0表示结尾);读取当前页next_leaf_offset,用该偏移加上映射基址得到下一叶节点地址;重复此过程直到超出上界键或next_leaf_offset == 0。
第三步:避免跨页缓存失效
每次访问新叶节点前,调用mincore(addr, PAGE_SIZE, &vec)检查该页是否已驻留物理内存,未驻留则主动msync(addr, PAGE_SIZE, MS_SYNC)触发预读;这一步能显著降低顺序扫描时的缺页中断次数。
持久化保障:msync与fdatasync协同
每次修改任意页(包括叶节点、非叶节点、头信息)后,立即调用msync(page_addr, PAGE_SIZE, MS_SYNC)确保该页变更刷入磁盘页缓存;【不可只对整个映射区调用一次msync,否则并发修改多页时可能丢失中间状态】。
在事务提交点(如批量插入结束或显式commit),调用fdatasync(fd)强制刷新文件系统元数据(如文件大小、mtime)与所有已msync页的真实磁盘写入顺序,防止掉电导致头信息与数据页不一致。
关闭引擎前,依次对所有已修改页调用msync,再munmap,最后close(fd)。
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