bplus_tree.h 17.4 KB
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/* Copyright (c) 2021 Xie Meiyi(xiemeiyi@hust.edu.cn) and OceanBase and/or its affiliates. All rights reserved.
miniob is licensed under Mulan PSL v2.
You can use this software according to the terms and conditions of the Mulan PSL v2.
You may obtain a copy of Mulan PSL v2 at:
         http://license.coscl.org.cn/MulanPSL2
THIS SOFTWARE IS PROVIDED ON AN "AS IS" BASIS, WITHOUT WARRANTIES OF ANY KIND,
EITHER EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO NON-INFRINGEMENT,
MERCHANTABILITY OR FIT FOR A PARTICULAR PURPOSE.
See the Mulan PSL v2 for more details. */

//
//
// Created by Xie Meiyi
// Rewritten by Longda & Wangyunlai
//
//
17 18

#pragma once
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19 20 21

#include <string.h>
#include <sstream>
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22
#include <functional>
23
#include <memory>
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24

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25
#include "storage/record/record_manager.h"
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26
#include "storage/buffer/disk_buffer_pool.h"
27
#include "storage/trx/latch_memo.h"
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28
#include "sql/parser/parse_defs.h"
29
#include "common/lang/comparator.h"
30
#include "common/log/log.h"
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31

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32 33
/**
 * @brief B+树的实现
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34
 * @defgroup BPlusTree
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35 36 37 38
 */

/**
 * @brief B+树的操作类型
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39
 * @ingroup BPlusTree
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40
 */
41 42 43 44 45 46 47
enum class BplusTreeOperationType
{
  READ,
  INSERT,
  DELETE,
};

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48
/**
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49
 * @brief 属性比较(BplusTree)
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50
 * @ingroup BPlusTree
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51
 */
52 53
class AttrComparator 
{
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54 55 56 57 58 59 60
public:
  void init(AttrType type, int length)
  {
    attr_type_ = type;
    attr_length_ = length;
  }

L
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61 62
  int attr_length() const
  {
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63 64 65
    return attr_length_;
  }

L
Longda Feng 已提交
66 67
  int operator()(const char *v1, const char *v2) const
  {
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68
    switch (attr_type_) {
L
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69
      case INTS: {
70
        return common::compare_int((void *)v1, (void *)v2);
L
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71 72
      } break;
      case FLOATS: {
73
        return common::compare_float((void *)v1, (void *)v2);
L
Longda Feng 已提交
74 75
      }
      case CHARS: {
76
        return common::compare_string((void *)v1, attr_length_, (void *)v2, attr_length_);
L
Longda Feng 已提交
77 78
      }
      default: {
79
        ASSERT(false, "unknown attr type. %d", attr_type_);
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80
        return 0;
L
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81
      }
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82 83
    }
  }
L
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84

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85 86 87 88 89
private:
  AttrType attr_type_;
  int attr_length_;
};

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90
/**
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91 92
 * @brief 键值比较(BplusTree)
 * @details BplusTree的键值除了字段属性,还有RID,是为了避免属性值重复而增加的。
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93
 * @ingroup BPlusTree
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94
 */
95 96
class KeyComparator 
{
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97 98 99 100 101 102
public:
  void init(AttrType type, int length)
  {
    attr_comparator_.init(type, length);
  }

L
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103 104
  const AttrComparator &attr_comparator() const
  {
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105 106 107
    return attr_comparator_;
  }

L
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108 109
  int operator()(const char *v1, const char *v2) const
  {
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110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123
    int result = attr_comparator_(v1, v2);
    if (result != 0) {
      return result;
    }

    const RID *rid1 = (const RID *)(v1 + attr_comparator_.attr_length());
    const RID *rid2 = (const RID *)(v2 + attr_comparator_.attr_length());
    return RID::compare(rid1, rid2);
  }

private:
  AttrComparator attr_comparator_;
};

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124
/**
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125
 * @brief 属性打印,调试使用(BplusTree)
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126
 * @ingroup BPlusTree
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127
 */
128 129
class AttrPrinter 
{
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130 131 132 133 134 135 136
public:
  void init(AttrType type, int length)
  {
    attr_type_ = type;
    attr_length_ = length;
  }

L
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137 138
  int attr_length() const
  {
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139 140 141
    return attr_length_;
  }

L
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142 143
  std::string operator()(const char *v) const
  {
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144
    switch (attr_type_) {
L
Longda Feng 已提交
145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161
      case INTS: {
        return std::to_string(*(int *)v);
      } break;
      case FLOATS: {
        return std::to_string(*(float *)v);
      }
      case CHARS: {
        std::string str;
        for (int i = 0; i < attr_length_; i++) {
          if (v[i] == 0) {
            break;
          }
          str.push_back(v[i]);
        }
        return str;
      }
      default: {
162
        ASSERT(false, "unknown attr type. %d", attr_type_);
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163
      }
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164
    }
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165
    return std::string();
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166
  }
L
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167

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168 169 170 171 172
private:
  AttrType attr_type_;
  int attr_length_;
};

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173
/**
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174
 * @brief 键值打印,调试使用(BplusTree)
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175
 * @ingroup BPlusTree
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176
 */
177 178
class KeyPrinter 
{
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179 180 181 182 183 184
public:
  void init(AttrType type, int length)
  {
    attr_printer_.init(type, length);
  }

L
Longda Feng 已提交
185 186
  const AttrPrinter &attr_printer() const
  {
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187 188 189
    return attr_printer_;
  }

L
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190 191
  std::string operator()(const char *v) const
  {
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192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204
    std::stringstream ss;
    ss << "{key:" << attr_printer_(v) << ",";

    const RID *rid = (const RID *)(v + attr_printer_.attr_length());
    ss << "rid:{" << rid->to_string() << "}}";
    return ss.str();
  }

private:
  AttrPrinter attr_printer_;
};

/**
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205
 * @brief the meta information of bplus tree
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206
 * @ingroup BPlusTree
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207
 * @details this is the first page of bplus tree.
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208 209
 * only one field can be supported, can you extend it to multi-fields?
 */
210 211
struct IndexFileHeader 
{
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212 213 214 215 216
  IndexFileHeader()
  {
    memset(this, 0, sizeof(IndexFileHeader));
    root_page = BP_INVALID_PAGE_NUM;
  }
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217 218 219 220 221 222
  PageNum root_page;          ///< 根节点在磁盘中的页号
  int32_t internal_max_size;  ///< 内部节点最大的键值对数
  int32_t leaf_max_size;      ///< 叶子节点最大的键值对数
  int32_t attr_length;        ///< 键值的长度
  int32_t key_length;         ///< attr length + sizeof(RID)
  AttrType attr_type;         ///< 键值的类型
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223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239

  const std::string to_string()
  {
    std::stringstream ss;

    ss << "attr_length:" << attr_length << ","
       << "key_length:" << key_length << ","
       << "attr_type:" << attr_type << ","
       << "root_page:" << root_page << ","
       << "internal_max_size:" << internal_max_size << ","
       << "leaf_max_size:" << leaf_max_size << ";";

    return ss.str();
  }
};

/**
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240
 * @brief the common part of page describtion of bplus tree
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241 242
 * @ingroup BPlusTree
 * @code
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243 244
 * storage format:
 * | page type | item number | parent page id |
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245
 * @endcode 
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246
 */
247 248
struct IndexNode 
{
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249 250
  static constexpr int HEADER_SIZE = 12;

251 252
  bool    is_leaf;
  int     key_num;
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253 254 255 256
  PageNum parent;
};

/**
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257
 * @brief leaf page of bplus tree
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258 259
 * @ingroup BPlusTree
 * @code
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260 261 262
 * storage format:
 * | common header | prev page id | next page id |
 * | key0, rid0 | key1, rid1 | ... | keyn, ridn |
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263
 * @endcode 
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264 265 266 267 268
 * the key is in format: the key value of record and rid.
 * so the key in leaf page must be unique.
 * the value is rid.
 * can you implenment a cluster index ?
 */
269 270 271
struct LeafIndexNode : public IndexNode 
{
  static constexpr int HEADER_SIZE = IndexNode::HEADER_SIZE + 4;
L
Longda Feng 已提交
272

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273 274 275 276 277 278 279 280
  PageNum next_brother;
  /**
   * leaf can store order keys and rids at most
   */
  char array[0];
};

/**
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281
 * @brief internal page of bplus tree
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282 283
 * @ingroup BPlusTree
 * @code
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284
 * storage format:
L
Longda Feng 已提交
285
 * | common header |
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286
 * | key(0),page_id(0) | key(1), page_id(1) | ... | key(n), page_id(n) |
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287
 * @endcode
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288 289 290
 * the first key is ignored(key0).
 * so it will waste space, can you fix this?
 */
291 292
struct InternalIndexNode : public IndexNode 
{
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293 294 295 296 297 298 299 300
  static constexpr int HEADER_SIZE = IndexNode::HEADER_SIZE;

  /**
   * internal node just store order -1 keys and order rids, the last rid is last rght child.
   */
  char array[0];
};

301
/**
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302
 * @brief IndexNode 仅作为数据在内存或磁盘中的表示
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303
 * @ingroup BPlusTree
304 305 306 307 308
 * IndexNodeHandler 负责对IndexNode做各种操作。
 * 作为一个类来说,虚函数会影响“结构体”真实的内存布局,所以将数据存储与操作分开
 */
class IndexNodeHandler 
{
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309
public:
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310
  IndexNodeHandler(const IndexFileHeader &header, Frame *frame);
311
  virtual ~IndexNodeHandler() = default;
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312 313 314 315

  void init_empty(bool leaf);

  bool is_leaf() const;
316 317 318
  int  key_size() const;
  int  value_size() const;
  int  item_size() const;
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319 320

  void increase_size(int n);
321 322 323
  int  size() const;
  int  max_size() const;
  int  min_size() const;
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324 325 326 327
  void set_parent_page_num(PageNum page_num);
  PageNum parent_page_num() const;
  PageNum page_num() const;

328 329
  bool is_safe(BplusTreeOperationType op, bool is_root_node);

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330 331 332 333 334 335 336 337 338 339
  bool validate() const;

  friend std::string to_string(const IndexNodeHandler &handler);

protected:
  const IndexFileHeader &header_;
  PageNum page_num_;
  IndexNode *node_;
};

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340 341
/**
 * @brief 叶子节点的操作
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342
 * @ingroup BPlusTree
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羽飞 已提交
343
 */
344 345
class LeafIndexNodeHandler : public IndexNodeHandler 
{
L
Longda Feng 已提交
346
public:
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347
  LeafIndexNodeHandler(const IndexFileHeader &header, Frame *frame);
348
  virtual ~LeafIndexNodeHandler() = default;
羽飞's avatar
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349 350 351 352 353 354 355 356 357 358

  void init_empty();
  void set_next_page(PageNum page_num);
  PageNum next_page() const;

  char *key_at(int index);
  char *value_at(int index);

  /**
   * 查找指定key的插入位置(注意不是key本身)
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359
   * 如果key已经存在,会设置found的值。
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羽飞 已提交
360 361 362 363 364
   */
  int lookup(const KeyComparator &comparator, const char *key, bool *found = nullptr) const;

  void insert(int index, const char *key, const char *value);
  void remove(int index);
365
  int  remove(const char *key, const KeyComparator &comparator);
L
Longda Feng 已提交
366 367 368
  RC move_half_to(LeafIndexNodeHandler &other, DiskBufferPool *bp);
  RC move_first_to_end(LeafIndexNodeHandler &other, DiskBufferPool *disk_buffer_pool);
  RC move_last_to_front(LeafIndexNodeHandler &other, DiskBufferPool *bp);
羽飞's avatar
羽飞 已提交
369 370 371
  /**
   * move all items to left page
   */
羽飞's avatar
羽飞 已提交
372
  RC move_to(LeafIndexNodeHandler &other, DiskBufferPool *bp);
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373

羽飞's avatar
羽飞 已提交
374
  bool validate(const KeyComparator &comparator, DiskBufferPool *bp) const;
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羽飞 已提交
375 376

  friend std::string to_string(const LeafIndexNodeHandler &handler, const KeyPrinter &printer);
L
Longda Feng 已提交
377

羽飞's avatar
羽飞 已提交
378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389
private:
  char *__item_at(int index) const;
  char *__key_at(int index) const;
  char *__value_at(int index) const;

  void append(const char *item);
  void preappend(const char *item);

private:
  LeafIndexNode *leaf_node_;
};

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羽飞 已提交
390 391
/**
 * @brief 内部节点的操作
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羽飞 已提交
392
 * @ingroup BPlusTree
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羽飞 已提交
393
 */
394 395
class InternalIndexNodeHandler : public IndexNodeHandler 
{
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羽飞 已提交
396
public:
羽飞's avatar
羽飞 已提交
397
  InternalIndexNodeHandler(const IndexFileHeader &header, Frame *frame);
398
  virtual ~InternalIndexNodeHandler() = default;
羽飞's avatar
羽飞 已提交
399 400 401 402 403

  void init_empty();
  void create_new_root(PageNum first_page_num, const char *key, PageNum page_num);

  void insert(const char *key, PageNum page_num, const KeyComparator &comparator);
L
Longda Feng 已提交
404
  RC move_half_to(LeafIndexNodeHandler &other, DiskBufferPool *bp);
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405 406 407 408 409 410
  char *key_at(int index);
  PageNum value_at(int index);

  /**
   * 返回指定子节点在当前节点中的索引
   */
L
Longda Feng 已提交
411
  int value_index(PageNum page_num);
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羽飞 已提交
412 413 414 415 416 417
  void set_key_at(int index, const char *key);
  void remove(int index);

  /**
   * 与Leaf节点不同,lookup返回指定key应该属于哪个子节点,返回这个子节点在当前节点中的索引
   * 如果想要返回插入位置,就提供 `insert_position` 参数
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418 419 420 421
   * @param[in] comparator 用于键值比较的函数
   * @param[in] key 查找的键值
   * @param[out] found 如果是有效指针,将会返回当前是否存在指定的键值
   * @param[out] insert_position 如果是有效指针,将会返回可以插入指定键值的位置
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422
   */
423 424 425 426
  int lookup(const KeyComparator &comparator, 
             const char *key, 
             bool *found = nullptr, 
             int *insert_position = nullptr) const;
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427

羽飞's avatar
羽飞 已提交
428 429 430 431
  RC move_to(InternalIndexNodeHandler &other, DiskBufferPool *disk_buffer_pool);
  RC move_first_to_end(InternalIndexNodeHandler &other, DiskBufferPool *disk_buffer_pool);
  RC move_last_to_front(InternalIndexNodeHandler &other, DiskBufferPool *bp);
  RC move_half_to(InternalIndexNodeHandler &other, DiskBufferPool *bp);
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432

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433
  bool validate(const KeyComparator &comparator, DiskBufferPool *bp) const;
羽飞's avatar
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434 435

  friend std::string to_string(const InternalIndexNodeHandler &handler, const KeyPrinter &printer);
L
Longda Feng 已提交
436

羽飞's avatar
羽飞 已提交
437
private:
羽飞's avatar
羽飞 已提交
438 439 440
  RC copy_from(const char *items, int num, DiskBufferPool *disk_buffer_pool);
  RC append(const char *item, DiskBufferPool *bp);
  RC preappend(const char *item, DiskBufferPool *bp);
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羽飞 已提交
441 442 443 444 445 446 447 448 449 450

private:
  char *__item_at(int index) const;
  char *__key_at(int index) const;
  char *__value_at(int index) const;

  int value_size() const;
  int item_size() const;

private:
451
  InternalIndexNode *internal_node_ = nullptr;
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羽飞 已提交
452 453
};

羽飞's avatar
羽飞 已提交
454 455
/**
 * @brief B+树的实现
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456
 * @ingroup BPlusTree
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457
 */
458 459
class BplusTreeHandler 
{
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460 461 462 463 464
public:
  /**
   * 此函数创建一个名为fileName的索引。
   * attrType描述被索引属性的类型,attrLength描述被索引属性的长度
   */
465 466 467 468 469
  RC create(const char *file_name, 
            AttrType attr_type, 
            int attr_length, 
            int internal_max_size = -1, 
            int leaf_max_size = -1);
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470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486

  /**
   * 打开名为fileName的索引文件。
   * 如果方法调用成功,则indexHandle为指向被打开的索引句柄的指针。
   * 索引句柄用于在索引中插入或删除索引项,也可用于索引的扫描
   */
  RC open(const char *file_name);

  /**
   * 关闭句柄indexHandle对应的索引文件
   */
  RC close();

  /**
   * 此函数向IndexHandle对应的索引中插入一个索引项。
   * 参数user_key指向要插入的属性值,参数rid标识该索引项对应的元组,
   * 即向索引中插入一个值为(user_key,rid)的键值对
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487
   * @note 这里假设user_key的内存大小与attr_length 一致
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488 489 490 491 492 493
   */
  RC insert_entry(const char *user_key, const RID *rid);

  /**
   * 从IndexHandle句柄对应的索引中删除一个值为(*pData,rid)的索引项
   * @return RECORD_INVALID_KEY 指定值不存在
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494
   * @note 这里假设user_key的内存大小与attr_length 一致
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495 496 497 498 499 500 501
   */
  RC delete_entry(const char *user_key, const RID *rid);

  bool is_empty() const;

  /**
   * 获取指定值的record
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502
   * @param key_len user_key的长度
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503 504
   * @param rid  返回值,记录记录所在的页面号和slot
   */
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505
  RC get_entry(const char *user_key, int key_len, std::list<RID> &rids);
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506 507 508 509 510

  RC sync();

  /**
   * Check whether current B+ tree is invalid or not.
511 512
   * @return true means current tree is valid, return false means current tree is invalid.
   * @note thread unsafe
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513 514 515 516
   */
  bool validate_tree();

public:
517 518 519
  /**
   * 这些函数都是线程不安全的,不要在多线程的环境下调用
   */
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520 521 522 523
  RC print_tree();
  RC print_leafs();

private:
524 525 526
  /**
   * 这些函数都是线程不安全的,不要在多线程的环境下调用
   */
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527 528
  RC print_leaf(Frame *frame);
  RC print_internal_node_recursive(Frame *frame);
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529

530 531
  bool validate_leaf_link(LatchMemo &latch_memo);
  bool validate_node_recursive(LatchMemo &latch_memo, Frame *frame);
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532 533

protected:
534 535 536 537 538 539 540
  RC find_leaf(LatchMemo &latch_memo, BplusTreeOperationType op, const char *key, Frame *&frame);
  RC left_most_page(LatchMemo &latch_memo, Frame *&frame);
  RC find_leaf_internal(LatchMemo &latch_memo, BplusTreeOperationType op, 
                        const std::function<PageNum(InternalIndexNodeHandler &)> &child_page_getter, 
                        Frame *&frame);
  RC crabing_protocal_fetch_page(LatchMemo &latch_memo, BplusTreeOperationType op, PageNum page_num, bool is_root_page,
                                 Frame *&frame);
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541

542 543
  RC insert_into_parent(LatchMemo &latch_memo, PageNum parent_page, Frame *left_frame, const char *pkey, 
                        Frame &right_frame);
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544

545
  RC delete_entry_internal(LatchMemo &latch_memo, Frame *leaf_frame, const char *key);
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羽飞 已提交
546 547

  template <typename IndexNodeHandlerType>
548
  RC split(LatchMemo &latch_memo, Frame *frame, Frame *&new_frame);
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羽飞 已提交
549
  template <typename IndexNodeHandlerType>
550
  RC coalesce_or_redistribute(LatchMemo &latch_memo, Frame *frame);
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羽飞 已提交
551
  template <typename IndexNodeHandlerType>
552
  RC coalesce(LatchMemo &latch_memo, Frame *neighbor_frame, Frame *frame, Frame *parent_frame, int index);
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羽飞 已提交
553
  template <typename IndexNodeHandlerType>
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羽飞 已提交
554
  RC redistribute(Frame *neighbor_frame, Frame *frame, Frame *parent_frame, int index);
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羽飞 已提交
555

556 557
  RC insert_entry_into_parent(LatchMemo &latch_memo, Frame *frame, Frame *new_frame, const char *key);
  RC insert_entry_into_leaf_node(LatchMemo &latch_memo, Frame *frame, const char *pkey, const RID *rid);
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羽飞 已提交
558 559
  RC create_new_tree(const char *key, const RID *rid);

560 561 562 563
  void update_root_page_num(PageNum root_page_num);
  void update_root_page_num_locked(PageNum root_page_num);

  RC adjust_root(LatchMemo &latch_memo, Frame *root_frame);
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564 565

private:
566
  common::MemPoolItem::unique_ptr make_key(const char *user_key, const RID &rid);
L
Longda Feng 已提交
567 568
  void free_key(char *key);

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569 570
protected:
  DiskBufferPool *disk_buffer_pool_ = nullptr;
571
  bool            header_dirty_ = false; // 
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572 573
  IndexFileHeader file_header_;

574 575 576
  // 在调整根节点时,需要加上这个锁。
  // 这个锁可以使用递归读写锁,但是这里偷懒先不改
  common::SharedMutex   root_lock_;
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577

578 579 580 581
  KeyComparator   key_comparator_;
  KeyPrinter      key_printer_;

  std::unique_ptr<common::MemPoolItem> mem_pool_item_;
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羽飞 已提交
582 583 584 585 586 587

private:
  friend class BplusTreeScanner;
  friend class BplusTreeTester;
};

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羽飞 已提交
588 589
/**
 * @brief B+树的扫描器
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羽飞 已提交
590
 * @ingroup BPlusTree
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羽飞 已提交
591
 */
592 593
class BplusTreeScanner 
{
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羽飞 已提交
594 595 596 597 598
public:
  BplusTreeScanner(BplusTreeHandler &tree_handler);
  ~BplusTreeScanner();

  /**
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599
   * @brief 扫描指定范围的数据
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羽飞 已提交
600 601
   * @param left_user_key 扫描范围的左边界,如果是null,则没有左边界
   * @param left_len left_user_key 的内存大小(只有在变长字段中才会关注)
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羽飞 已提交
602
   * @param left_inclusive 左边界的值是否包含在内
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羽飞 已提交
603 604
   * @param right_user_key 扫描范围的右边界。如果是null,则没有右边界
   * @param right_len right_user_key 的内存大小(只有在变长字段中才会关注)
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605 606
   * @param right_inclusive 右边界的值是否包含在内
   */
607 608
  RC open(const char *left_user_key, int left_len, bool left_inclusive, 
          const char *right_user_key, int right_len, bool right_inclusive);
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羽飞 已提交
609

610
  RC next_entry(RID &rid);
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羽飞 已提交
611 612 613

  RC close();

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614 615 616 617
private:
  /**
   * 如果key的类型是CHARS, 扩展或缩减user_key的大小刚好是schema中定义的大小
   */
L
Longda Feng 已提交
618 619
  RC fix_user_key(const char *user_key, int key_len, bool want_greater, char **fixed_key, bool *should_inclusive);

620 621 622
  void fetch_item(RID &rid);
  bool touch_end();

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623 624 625 626
private:
  bool inited_ = false;
  BplusTreeHandler &tree_handler_;

627 628
  LatchMemo latch_memo_;

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629 630
  /// 使用左右叶子节点和位置来表示扫描的起始位置和终止位置
  /// 起始位置和终止位置都是有效的数据
631 632 633
  Frame *current_frame_ = nullptr;

  common::MemPoolItem::unique_ptr right_key_;
L
Longda Feng 已提交
634
  int iter_index_ = -1;
635
  bool first_emitted_ = false;
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636
};