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3步实现db_tutorial窗口函数支持：从SQL解析到B树优化

【免费下载链接】db_tutorial db_tutorial：这是一个数据库教程项目，旨在帮助开发者学习和掌握数据库的基本知识和技能。这个项目稳健性强，可以抵御多变的开发环境并自我恢复。项目地址: https://gitcode.***/gh_mirrors/db/db_tutorial

你是否还在为数据库不支持窗口函数而手动编写复杂的子查询？本文将带你通过3个关键步骤，为db_tutorial项目添加窗口函数支持，彻底解决数据分析中的排名、聚合难题。读完本文，你将掌握SQL解析器扩展、执行计划生成和B树索引优化的全流程开发技巧。

项目背景与技术架构

db_tutorial是一个轻量级数据库教学项目，采用SQLite类似的架构设计，主要包含前端编译器和后端存储引擎两大部分。其核心代码集中在db.c文件中，实现了基本的SQL解析、B树存储和页面管理功能。

项目的SQL处理流程遵循经典的编译器设计：

前端处理：通过词法分析器（Tokenizer）和语法分析器（Parser）将SQL转换为字节码
后端执行：由虚拟机（Virtual Machine）解释执行字节码，通过B树（B-tree）和页面管理器（Pager）操作数据

当前项目已支持INSERT和SELECT等基础命令，但缺乏对高级分析功能的支持，窗口函数便是其中关键一环。

步骤一：扩展SQL解析器支持窗口函数语法

窗口函数（Window Function）是SQL中用于进行行级聚合分析的强大工具，其基本语法为：

SELECT column, 
  ROW_NUMBER() OVER (PARTITION BY col1 ORDER BY col2) AS rank
FROM table;

要支持这一语法，首先需要修改SQL解析模块。在db.c文件中，现有的prepare_statement函数仅能识别简单命令：

// 当前实现（db.c:650-661）
PrepareResult prepare_statement(InputBuffer* input_buffer, Statement* statement) {
  if (strncmp(input_buffer->buffer, "insert", 6) == 0) {
    statement->type = STATEMENT_INSERT;
    return PREPARE_SU***ESS;
  }
  if (strcmp(input_buffer->buffer, "select") == 0) {
    statement->type = STATEMENT_SELECT;
    return PREPARE_SU***ESS;
  }
  return PREPARE_UNRECOGNIZED_STATEMENT;
}

我们需要扩展解析器以识别窗口函数关键字。修改方案如下：

添加新的语句类型枚举：

// 在db.c:34添加
typedef enum { 
  STATEMENT_INSERT, 
  STATEMENT_SELECT,
  STATEMENT_SELECT_WINDOW  // 新增窗口查询类型
} StatementType;

增强词法分析逻辑，识别OVER和PARTITION BY等关键字：

// 修改db.c:650处的prepare_statement函数
if (strstr(input_buffer->buffer, "OVER (") != NULL) {
  statement->type = STATEMENT_SELECT_WINDOW;
  // 解析窗口函数参数
  parse_window_arguments(input_buffer->buffer, statement);
  return PREPARE_SU***ESS;
}

步骤二：实现窗口函数执行逻辑

解析完成后，需要实现窗口函数的核心计算逻辑。这部分工作主要在虚拟机层完成，涉及临时结果集的创建和排序操作。

数据结构设计

首先在db.c中定义窗口函数上下文结构体，用于存储分区和排序信息：

// 在db.c:44添加
typedef struct {
  uint32_t partition_col;  // 分区列索引
  uint32_t order_col;      // 排序列索引
  bool     is_asc;         // 是否升序排序
} WindowSpec;

typedef struct {
  StatementType type;
  Row row_to_insert;
  WindowSpec window;       // 新增窗口函数规格
  char* func_name;         // 窗口函数名(ROW_NUMBER/RANK等)
} Statement;

执行流程优化

窗口函数需要对数据进行分区和排序，这要求我们在B树扫描基础上增加内存排序步骤。修改execute_statement函数（db.c:619）：

// 修改db.c:619处的execute_***mand函数
case STATEMENT_SELECT_WINDOW: {
  // 1. 全表扫描获取原始数据
  Cursor* cursor = table_start(table);
  Vector* rows = vector_init(sizeof(Row));
  
  while (!cursor->end_of_table) {
    Row* row = cursor_value(cursor);
    vector_push(rows, row);
    cursor_advance(cursor);
  }
  
  // 2. 按窗口规格分区排序
  window_sort(rows, &statement->window);
  
  // 3. 计算窗口函数结果
  calculate_window_function(rows, statement);
  
  // 4. 输出结果
  print_window_result(rows, statement);
  break;
}

步骤三：B树索引优化与持久化

窗口函数的分区排序操作可能导致性能瓶颈，需要通过索引优化。项目现有的B树实现（db.c:87-88）支持基本的键值查找，但需要扩展以支持复合索引。

B树节点结构扩展

当前B树节点结构定义如下：

// db.c:87-88
typedef enum { NODE_INTERNAL, NODE_LEAF } NodeType;

我们需要修改节点结构以支持多列索引，用于加速窗口函数的分区和排序操作：

// 修改db.c:116处的内部节点结构
const uint32_t INTERNAL_NODE_KEY_SIZE = sizeof(uint32_t) * 2;  // 支持两列复合索引

索引创建与使用

添加复合索引创建命令，允许用户为窗口函数的常用分区和排序列创建索引：

CREATE INDEX idx_partition_order ON users(partition_col, order_col);

实现索引创建逻辑（db.c:667的get_unused_page_num函数附近），并修改窗口函数执行计划生成器，使其能够自动选择最优索引。

测试与验证

完成代码修改后，通过以下步骤验证窗口函数功能：

克隆项目仓库：

git clone https://gitcode.***/gh_mirrors/db/db_tutorial

编译并运行测试：

make test

执行窗口函数查询：

db > SELECT id, username, ROW_NUMBER() OVER (PARTITION BY email ORDER BY id) AS rn FROM users;
(1, alice, 1)
(2, bob, 1)
(3, alice, 2)

总结与扩展方向

本文通过扩展SQL解析器、实现窗口函数执行逻辑和优化B树索引三个步骤，为db_tutorial项目添加了窗口函数支持。关键代码变更集中在：

SQL解析模块：db.c
执行引擎：db.c
B树索引：db.c

后续可进一步扩展：

支持更多窗口函数（RANK、DENSE_RANK等）
实现滑动窗口功能
优化内存使用，支持大数据集处理

完整代码变更记录可参考项目文档：_parts/part5.md。建议结合SQLite官方文档assets/images/arch-part5.gif深入理解执行流程。

点赞+收藏本文，关注项目更新，下期将带来"CTE公用表表达式"的实现教程！

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