数据库我是这样写出来的，Java MVCC升级版1，持续更新

了解数据库的内部原理其实很不容易，大部分的读写都停留在理论文章上，因此肖哥带着大家使用Java手写一个完整的数据库，让大家了解数据库的解析器、性能分析器、认证、查询优化器，执行引擎、存储引擎、事务管理、MVCC，数据恢复等一系列功能。这个工作量比较大，属于每日1-2更新，大家如果想了解数据库的内容原理，掌握数据库的核心技术，那么可以跟着肖哥的步骤一步一步的学习。数据库会包含大家熟悉的数据结构与算法例如 B+树索引 ，R树索引 等，仅数据存储就包含了数据块（Chunks）、文件头（File Header）、键值存储（MVMap）、并发控制、事务、序列化与反序列化、压缩、加密、索引、持久化存储、内存映射存储、分片机制、以及计划中的压缩和碎片整理等能力。

完整的数据库具备能力图：

手写计划

1. 小白能够看得懂的最简化版本数据库
2. 标准SQL解析器
3. 存储引擎
4. 执行引擎
5. 事务管理
6. 日志系统
7. 元数据管理
8. 安全管理
9. 性能分析器
10. 网络版
11. 标准JDBC接口对接

整体手写系列的大模块会包含以上功能。

MVCC版本的实现

本案例通过版本编号与历史版本数据进行管理 ，详细看代码

大体实现思路

1. 数据模型

首先，一个能够存储数据不同版本的数据模型。

class DataVersion {
    private Object data;
    private int version;

    public DataVersion(Object data, int version) {
        this.data = data;
        this.version = version;
    }

    // Getters and Setters
    public Object getData() {
        return data;
    }

    public void setData(Object data) {
        this.data = data;
    }

    public int getVersion() {
        return version;
    }

    public void setVersion(int version) {
        this.version = version;
    }
}

class VersionedData {
    private List<DataVersion> versions = new ArrayList<>();
    private int currentVersion = 0;

    public void update(Object newData) {
        DataVersion newVersion = new DataVersion(newData, ++currentVersion);
        versions.add(newVersion);
    }

    public DataVersion getVersion(int version) {
        return versions.stream()
                .filter(v -> v.getVersion() == version)
                .findFirst()
                .orElseThrow(() -> new IllegalArgumentException("Version not found"));
    }

    public int getCurrentVersion() {
        return currentVersion;
    }
}

2. 事务管理

需要一个事务管理器来处理事务的开始、提交和回滚。

import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

class TransactionManager {
    private WalManager walManager = new WalManager();
    private Map<Integer, DataVersion> snapshots = new ConcurrentHashMap<>();
    private Map<Integer, TransactionStatus> transactionStatuses = new ConcurrentHashMap<>();
    private LockManager lockManager = new LockManager();
    private int nextTransactionId = 1;

    public int beginTransaction() throws IOException {
        int transactionId = nextTransactionId++;
        transactionStatuses.put(transactionId, TransactionStatus.ACTIVE);
        snapshots.clear();
        walManager.beginTransaction(transactionId);
        return transactionId;
    }

    public void performUpdate(int transactionId, VersionedData data, Object newData) throws IOException {
       // 假设每个数据项有一个唯一的资源ID
        String resourceId = data.getResourceId();
        lockManager.acquireLock(resourceId, transactionId);
        try {
            data.update(newData);
            // 记录操作日志
            walManager.logOperation(transactionId, "UPDATE " + resourceId + " to " + newData);
            snapshots.put(transactionId, data.getVersion(data.getCurrentVersion()));
        } finally {
            // 总是尝试释放锁
            lockManager.releaseLock(resourceId, transactionId);
        }
    }

    public DataVersion getDataVersion(int transactionId) {
        return snapshots.get(transactionId);
    }

    public void commitTransaction(int transactionId) throws IOException {
       if (transactionStatuses.get(transactionId) == TransactionStatus.ACTIVE) {
            walManager.commitTransaction(transactionId);
            transactionStatuses.put(transactionId, TransactionStatus.COMMITTED);
            snapshots.remove(transactionId);
        }
    }

    public void rollbackTransaction(int transactionId) {
        if (transactionStatuses.get(transactionId) == TransactionStatus.ACTIVE) {
            transactionStatuses.put(transactionId, TransactionStatus.ROLLED_BACK);
        }
    }
}

3. MVCC读取

实现MVCC读取，确保事务可以看到一致的快照数据。

class MvccReader {
    private TransactionManager transactionManager;

    public MvccReader(TransactionManager transactionManager) {
        this.transactionManager = transactionManager;
    }

    public void read(VersionedData data, int transactionId) {
        if (!transactionManager.snapshot.containsKey(transactionId)) {
            transactionManager.beginTransaction();
            transactionManager.takeSnapshot(data);
        }
        DataVersion version = transactionManager.getDataVersion(transactionId);
        System.out.println("Read data: " + version.getData());
    }
}

4. 垃圾收集

实现简单的垃圾收集策略，回收旧版本的数据。

class GarbageCollector {
    public void collect(VersionedData data) {
        int threshold = data.getCurrentVersion() - 10; // 保留最近的10个版本
        data.versions.removeIf(v -> v.getVersion() <= threshold);
    }
}

5. WAL管理器

实现WalManager，用于管理WAL日志。

class WalManager {
    private Map<Integer, List<String>> transactionLogs = new HashMap<>();
    private int nextTransactionId = 1;

    public void beginTransaction(int transactionId) {
        transactionLogs.put(transactionId, new ArrayList<>());
    }

    public void logOperation(int transactionId, String operation) {
        transactionLogs.get(transactionId).add(operation);
    }

    public void commitTransaction(int transactionId) throws IOException {
        flushLog(transactionId);
        transactionLogs.remove(transactionId);
    }

    private void flushLog(int transactionId) throws IOException {
        // 将事务日志写入磁盘
        // 这里使用简化的控制台输出模拟磁盘写入
        System.out.println("Flushing transaction " + transactionId + " to disk:");
        for (String log : transactionLogs.get(transactionId)) {
            System.out.println(log);
        }
    }
}

6、锁管理器（Lock Manager）

锁管理器负责管理对数据的并发访问，确保在事务中对数据的修改不会导致冲突。

class LockManager {
    private Map<String, LockInfo> locks = new ConcurrentHashMap<>();

    public void acquireLock(String resourceId, int transactionId) {
        LockInfo lockInfo = locks.computeIfAbsent(resourceId, k -> new LockInfo());
        lockInfo.acquire(transactionId);
    }

    public void releaseLock(String resourceId, int transactionId) {
        LockInfo lockInfo = locks.get(resourceId);
        if (lockInfo != null) {
            lockInfo.release(transactionId);
        }
    }

    private static class LockInfo {
        private int lockOwner = -1;

        public void acquire(int transactionId) {
            if (lockOwner == -1 || lockOwner == transactionId) {
                lockOwner = transactionId;
            } else {
                throw new LockConflictException("Resource is locked by another transaction");
            }
        }

        public void release(int transactionId) {
            if (lockOwner == transactionId) {
                lockOwner = -1;
            }
        }
    }
}

7、 事务状态

事务状态可以跟踪事务的当前情况，例如：活跃、提交、回滚等。

enum TransactionStatus {
    ACTIVE,
    COMMITTED,
    ROLLED_BACK
}

8. 示例使用

public class MvccDemo {
    public static void main(String[] args) {
        VersionedData accountData = new VersionedData();
        TransactionManager transactionManager = new TransactionManager();
        MvccReader mvccReader = new MvccReader(transactionManager);
        GarbageCollector garbageCollector = new GarbageCollector();

        try {
            // 开始事务
            int transactionId = transactionManager.beginTransaction();

            // 执行数据更新操作
            transactionManager.performUpdate(transactionId, accountData, "Initial data");

            // 读取数据，查看更新结果
            mvccReader.read(accountData, transactionId);

            // 再次执行数据更新操作
            transactionManager.performUpdate(transactionId, accountData, "Updated data");

            // 读取数据，查看更新结果
            mvccReader.read(accountData, transactionId);

            // 提交事务
            transactionManager.commitTransaction(transactionId);

            // 执行垃圾收集
            garbageCollector.collect(accountData);

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            // 如果出现异常，回滚事务
            transactionManager.rollbackTransaction(transactionId);
        }
    }
}

总结

本MVCC实现，包括数据版本控制、事务管理、一致性读取、提交和回滚事务，以及基本的垃圾收集。然而，这仍然是没有实现模型的所有功能。实际数据库系统中的MVCC实现会涉及更复杂的机制，如行级锁、无锁数据结构、版本链管理、写入时复制（Copy-On-Write）策略、冲突检测和解决算法，后续会继续提供。