H2 數據庫將 SQL 語句轉換為磁盤存儲的全過程可以分為以下 8 個關鍵步驟，我們以 INSERT INTO users (id, name) VALUES (1, 'Alice') 為例詳細說明：
1. SQL 解析與語法樹生成
- 詞法分析：拆分語句為
INSERT、INTO、users等 Token - 語法分析：構建抽象語法樹（AST），驗證表結構是否存在
- 語義分析：確認
id和name字段類型匹配
2. 事務管理與日志寫入（WAL）
– 隱式事務開始
INSERT INTO users VALUES (1, ‘Alice’);
– COMMIT 觸發日志落盤
-
預寫日志：先將操作記錄寫入
.trace.db文件 -
日志格式：
INSERT INTO PUBLIC.USERS(ID, NAME) VALUES (1, ‘Alice’)
3. 內存數據結構操作
- MVStore 引擎（默認）：
-
將數據暫存內存中的
B+Tree結構 -
Key-Value 存儲格式：
{
“key”: 1,
“value”: {
“id”: 1,
“name”: “Alice”
}
}
-
4. 頁式存儲管理（PageStore）
-
數據文件：
users.h2.db -
頁結構（假設頁大小 4KB）：
Page Header (16 bytes)
| PageID | NextPage | RecordCount | Checksum |
| 0x01 | 0x02 | 1 | 0xA3F1 |Data Section:
| 0x0001 | ‘Alice’ (UTF-8 bytes) |
5. 索引維護
-
主鍵索引：自動創建
PRIMARY_KEY_INDEX// B+Tree 結構示例
BPlusTree index = new BPlusTree();
index.put(1, new PagePointer(0x01, 128)); // 指向頁0x01的128字節偏移
6. 檢查點（Checkpoint）觸發
- 觸發條件：
- 事務提交時設置
FORCE_WRITE=true - 內存中臟頁比例超過閾值（默認 50%）
- 事務提交時設置
- 持久化過程：
- 暫停新事務
- 將內存中的 B+Tree 序列化為二進制格式
- 追加寫入
.h2.db文件
7. 物理存儲結構
數據庫文件結構
users.h2.db # 主數據文件
users.temp.db # 臨時文件（合并操作時使用）
users.lock.db # 文件鎖控制
users.trace.db # WAL 日志文件
8. 崩潰恢復機制
當異常關閉后重啟時：
- 檢查
.trace.db日志文件 - 回放未提交的事務（Rollback）
- 驗證
.h2.db文件的 checksum - 重建內存中的 B+Tree 索引
技術亮點
- MVCC 實現：通過
TRANSACTION_ID字段實現多版本控制 - 壓縮優化：使用 LZF 算法壓縮數據頁（默認關閉）
- 加密支持：可選 AES-128 加密整個數據文件
通過這種分層處理機制，H2 既保證了 ACID 特性，又能達到 50,000+ TPS 的寫入性能（內存模式）。實際存儲格式會根據 MVStore 或 PageStore 引擎的選擇有所不同，以上流程以 MVStore 為主。
**user**: 重新生成一遍，sql ,解析成java 對象，用了什么數據結構，索引，如何存儲到磁盤的
**assistant**: 以下是 H2 數據庫將 SQL 語句轉換為 Java 對象并最終存儲到磁盤的完整技術過程，結合 INSERT INTO users (id, name) VALUES (1, 'Alice') 示例：
1. **SQL 解析與 Java 對象生成
解析過程
// 使用 H2 的解析器生成 Command 對象
Parser parser = new Parser(connection);
String sql = “INSERT INTO users (id, name) VALUES (1, ‘Alice’)”;
Command command = parser.parseCommand(sql); // 返回 Insert 對象
// Insert 對象結構 (org.h2.command.dml.Insert)
class Insert {
Table table; // users 表的元數據
Column[] columns; // [id, name]
Expression[] values; // [1, ‘Alice’]
int rowId; // 內存中的臨時行號
}
關鍵數據結構
// 內存中的行數據表示 (org.h2.result.Row)
Row row = table.getTemplateRow();
row.setValue(0, ValueInt.get(1)); // id 列
row.setValue(1, ValueString.get(“Alice”)); // name 列
// 值對象的內存結構 (org.h2.value.Value)
class ValueInt {
int value;
byte[] memoryBytes; // 序列化后的字節緩存（用于快速存儲）
}
2. **內存數據結構與索引
表數據存儲（MVStore 引擎）
// MVStore 的 B+Tree 實現 (org.h2.mvstore.MVMap)
MVMap<Integer, Row> tableMap = store.openMap(“users”);
// 插入數據到內存樹
tableMap.put(1, row); // key=id, value=Row對象
// Row 的內存結構
class Row {
Value[] data; // [1, “Alice”]
long version; // MVCC 版本號
int transactionId; // 關聯的事務ID
}
索引結構（B+Tree 實現）
// 主鍵索引 (org.h2.index.PageBtreeIndex)
PageBtreeIndex primaryIndex = new PageBtreeIndex(…);
// 索引節點結構
class BTreeNode {
Object[] keys; // [1]
long[] children; // 子節點頁號（內存地址或磁盤頁ID）
boolean isLeaf;
}
// 索引條目
class IndexEntry {
int key; // id=1
PagePointer pointer;// 指向數據頁的位置 (pageId=0x01, offset=128)
}
3. **磁盤存儲細節
MVStore 文件格式（默認引擎）
數據文件 users.mv.db 的二進制結構
[File Header] [Chunk 1] [Chunk 2] … [Chunk N]
Chunk 結構示例
Chunk {
int chunkId; // 遞增的塊ID
long blockCount; // 占用的塊數
byte[] mapData; // 序列化的 MVMap 數據
byte[] btreeNodes; // B+Tree 節點二進制數據
}
單行存儲的二進制格式
// Row 的序列化過程
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(128);
DataUtils.writeVarInt(buf, 1); // id
DataUtils.writeString(buf, “Alice”); // name
byte[] rowBytes = buf.array(); // 最終字節數組
// 磁盤存儲示例（十六進制）：
01 00 00 00 // id=1 (4字節)
41 6C 69 63 65 // “Alice” (UTF-8 bytes)
頁式存儲（PageStore 引擎）
// 數據頁結構 (org.h2.store.Page)
class Page {
int pageId; // 0x01
byte[] data; // 頁內容（包含多行數據）
int type; // 頁類型（數據頁/索引頁）
}
// 頁內數據組織
DataPage {
Row[] rows; // 行數據數組
int freeSpace; // 剩余空間計數
int nextPage; // 下一頁指針
}
4. **持久化觸發機制
事務提交時的寫入
// 事務提交操作 (org.h2.engine.Session)
session.commit();
// 持久化步驟：
- 將 MVStore 的臟頁標記為待寫入
- 通過 FileStore.write() 異步寫入磁盤
- 更新文件頭部的元數據塊
// 關鍵寫入類
FileStore fileStore = new FileStore();
fileStore.write(ByteBuffer data, long position); // 直接操作文件通道
檢查點（Checkpoint）示例
// 檢查點線程 (org.h2.engine.CheckpointThread)
public void run() {
if (needCheckpoint()) {
store.sync(); // 強制同步內存數據到磁盤
}
}
// 觸發條件：
// - 超過 checkpointInterval (默認 30秒)
// - 日志文件超過 16MB
5. **技術關鍵點
-
內存與磁盤的橋梁：
Row對象同時存在于內存（Java Heap）和堆外內存（DirectByteBuffer）- 通過
Value#getBytes()實現快速序列化
-
索引加速：
// 索引查詢示例
Cursor cursor = primaryIndex.find(1); // 二分查找 B+Tree
Page page = readPage(cursor.getPageId());
Row row = page.getRow(cursor.getOffset()); -
壓縮與加密：
// 文件存儲配置
MVStore.Builder()
.compress() // 啟用 LZF 壓縮
.encryptionKey(“AES”, “password”.toCharArray());
完整流程示例
- 用戶發送
INSERTSQL - 生成
Insert命令對象 - 創建
Row并填充Value數據 - 更新內存中的
MVMap（B+Tree） - 事務提交時觸發：
- 寫入 WAL 日志（
.trace.db） - 標記臟頁
- 異步線程執行磁盤寫入
- 寫入 WAL 日志（
- 數據最終以分塊形式持久化到
.mv.db文件
通過這種設計，H2 在保證 ACID 的同時，內存模式可達 50,000 TPS，持久化模式性能約為 8,000 TPS（取決于磁盤速度）。開發者可通過 MVStore API 直接操作底層存儲結構。
)
