[apue] apue_db:一个可以充当"注册表"的 key-value 数据库

apue 最后两章都是通过一个完整的实例来解释一些 linux 功能,第20章就是通过一个数据库实例来解释文件锁的使用,

说实话,当时没兴趣,因为满页都是源码和解析,有点看不下去。但是再拾起来硬着头皮看的时候,发现这哪里是个小 demo,明明是个五脏俱全的 key-value 数据库嘛,

而且这个数据库,提供多进程并发读写的安全性保证(通过文件锁)、提供已删除节点循环再利用的能力、提供根据用户需求调节内部 hash 表参数的能力……

特别是它的索引与数据文件格式,采用字符串存储各种偏移量与数字,非常便于直接打开文件去做一些 “观察”,然后也能很方便地基于 SDK 构建查找、增删改数据库的工具……

这简直就是一个 linux 上的 “注册表” 工具!

先来看看这个数据库提供的 SDK 接口:

apue_db.h

 1 #ifndef __APUE_DB_H__
 2 #define __APUE_DB_H__
 3 
 4 typedef void* DBHANDLE;
 5 
 6 // db_store flags
 7 #define DB_INSERT 1
 8 #define DB_REPLACE 2
 9 #define DB_STORE 3
10 
11 #define IDXLEN_MIN 6
12 #define IDXLEN_MAX 1024 // single index can not exceed this size
13 #define DATLEN_MIN 2
14 #define DATLEN_MAX 1024 // single data can not exceed this size
15 #define NHASH_DEF 137 // default hash table size
16 
17 DBHANDLE db_open (char const* pathname, int oflag, .../*mode*/); 
18 void db_close (DBHANDLE db); 
19 int db_store (DBHANDLE db, const char *key, const char *data, int flag); 
20 char* db_fetch (DBHANDLE db, char *key); 
21 int db_delete (DBHANDLE db, const char *key); 
22 void db_rewind (DBHANDLE db); 
23 char *db_nextrec (DBHANDLE db, char *key); 
24 void db_dump (DBHANDLE db); 
25 
26 #endif

通过 db_open/db_close 打开关闭数据库,拿到DBHANDLE后就可以基于这个做操作了:

  • db_store 存储一个key,flag 指定覆盖方式:
    • DB_INSERT 当已经有这个key时会返回失败
    • DB_REPLACE 当没有这个key时会返回失败
    • DB_STORE 综合了上面两种情况,有时REPLACE,没有时INSERT
  • db_fetch 获取一个key对应的data
  • db_delete 删除一个key
  • db_rewind/db_nextrec 用来无序遍历数据库中的所有key
  • db_dump 是我自己加的一个接口,用来打印数据库内部状态,如索引哈希表、索引空闲节点列表,调试时使用

实现比较长,就不贴了,只给一个链接: apue_db.c

依据书中代码,纯手工输入,同时加入了习题中可以指定索引哈希表大小的能力

(编译时指定 HAS_HASHSIZE 宏,运行时通过环境变量 APUE_DB_HASH_SIZE 指定具体的哈希值,当然这个只在创建数据库时起作用,如果数据库已经存在,

将直接使用数据库中记录的哈希表大小值,如果没有环境变量,使用 NHASH_DEF 作为默认的哈希表尺寸,PS:尽量使用质数来保证哈希效果)

有了SDK,搞个数据库小工具就是小菜一碟了:

db.c

  1 #include "../apue.h"
  2 #include "apue_db.h"
  3 #include <fcntl.h>
  4 #include <strings.h>
  5 #include <errno.h>
  6 
  7 void Usage ()
  8 {
  9     printf ("Usage: db filename insert key data\n"); 
 10     printf ("       db filename query key\n"); 
 11     printf ("       db filename delete key\n"); 
 12     printf ("       db filename walk\n"); 
 13     printf ("       db filename dump\n"); 
 14     exit (-1); 
 15 }
 16 
 17 int main (int argc, char *argv[])
 18 {
 19     if (argc < 3) 
 20         Usage (); 
 21 
 22     char *filename = argv[1]; 
 23     char *action = argv[2]; 
 24     char *key = NULL; 
 25     char *data = NULL; 
 26     if (strcasecmp (action, "walk") == 0 
 27             || strcasecmp (action, "dump") == 0)
 28     {
 29         // no extra param
 30     }
 31     else if (strcasecmp (action, "delete") == 0 
 32             || strcasecmp (action, "query") == 0)
 33     {
 34         if (argc < 4)
 35             Usage (); 
 36 
 37         key = argv[3]; 
 38     }
 39     else if (strcasecmp (action, "insert") == 0)
 40     {
 41         if (argc < 5)
 42             Usage (); 
 43 
 44         key = argv[3]; 
 45         data = argv[4]; 
 46     }
 47     else 
 48     {
 49         Usage (); 
 50     }
 51 
 52     DBHANDLE db; 
 53     char *ptr = NULL; 
 54 #ifdef HAS_HASHSIZE
 55     int hashsize = 0; 
 56     ptr = getenv ("APUE_DB_HASH_SIZE"); 
 57     if (ptr)
 58         hashsize = atoi (ptr); 
 59 
 60     if (hashsize <= 0)
 61         hashsize = NHASH_DEF; 
 62 
 63     if ((db = db_open (filename, O_RDWR | O_CREAT /*| O_TRUNC*/, FILE_MODE, hashsize)) == NULL)
 64 #else
 65     if ((db = db_open (filename, O_RDWR | O_CREAT /*| O_TRUNC*/, FILE_MODE)) == NULL)
 66 #endif
 67         err_sys ("db_open error"); 
 68 
 69     int ret = 0; 
 70     if (strcasecmp (action, "dump") == 0)
 71     {
 72         db_dump (db); 
 73     }
 74     else if (strcasecmp (action, "walk") == 0)
 75     {
 76         //db_rewind (); 
 77         int n = 0; 
 78         char buf[IDXLEN_MAX] = { 0 }; 
 79         while ((ptr = db_nextrec(db, buf)) != NULL)
 80         {
 81             n ++; 
 82             printf ("[%5d] %s --- %s\n", n, buf, ptr); 
 83         }
 84 
 85         printf ("walk done!\n"); 
 86     }
 87     else if (strcasecmp (action, "insert") == 0)
 88     {
 89         ret = db_store (db, key, data, DB_STORE); 
 90         if (ret < 0)
 91             fprintf (stderr, "insert %s.%s failed, errno %d\n", key, data, errno); 
 92         else if (ret == 1)
 93             fprintf (stderr, "insert %s.%s cover old data\n", key, data); 
 94         else 
 95             printf ("db %s '%s' code %d\n", action, key, ret); 
 96     }
 97     else if (strcasecmp (action, "delete") == 0)
 98     {
 99         ret = db_delete (db, key); 
100         if (ret < 0)
101             fprintf (stderr, "delete %s failed, errno %d\n", key, errno); 
102         else 
103             printf ("db %s '%s' code %d\n", action, key, ret); 
104     }
105     else if (strcasecmp (action, "query") == 0)
106     {
107         ptr = db_fetch (db, key); 
108         //printf ("%s === %s\n", key, ptr); 
109         // only print data to allow assigned in shell script
110         printf ("%s\n", ptr == NULL ? "nil" : ptr); 
111     }
112     else
113         Usage (); 
114 
115     db_close (db); 
116     return ret; 
117 }

如果给定的参数不合法,会弹出 usage:

Usage: db filename insert key data
       db filename query key
       db filename delete key
       db filename walk
       db filename dump

其中:

  • insert 底层使用 db_store(..., DB_STORE); 来插入一条数据
  • query 底层使用 db_fetch 来查询一条数据
  • delete 底层使用 db_delete 来删除一条数据
  • walk 底层使用 db_nextrec 来遍历所有数据
  • dump 底层使用 db_dump 来查看数据库内部状态

好了,有了这个工具,我们就可以用脚本来开展测试工作了,为了验证这个数据库是“靠谱”的,我主要测试的是多进程并行写入、删除的能力。

在开始搞事情之前,我需要先准备一些测试数据,这个由一个awk脚本来完成:

gen.awk

 1 #! /bin/awk -f
 2 BEGIN {
 3     WORDNUM = 10
 4     for (i = 1; i <= WORDNUM; i++) {
 5         printf("%s %s\n", randword(randint(20)), randword(randint(150))) 
 6     }
 7 }
 8 
 9 # randint(n): return a random integer number which is >= 1 and <= n
10 function randint(n) {
11     return int(n *rand()) + 1
12 }
13 
14 # randlet(): return a random letter, which maybe upper, lower or number. 
15 function randlet() {
16     return substr("abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789", randint(62), 1)
17 }
18 
19 # randword(LEN): return a rand word with a length of LEN
20 function randword(LEN) {
21     randw=""
22     for( j = 1; j <= LEN; j++) {
23         randw=randw randlet()
24     }
25     return randw
26 }

执行这个脚本,得到测试数据文件:

$./gen.awk > demo
$ cat demo 
s0jKl kEjwE4q3nNJugFJ0cgNaSgDpP3VS45x3Wum9kRF6SgmIReFmrNBcCecjyQHQqCrB5fC61hao1BV2x6XZ6KLtA4jZTEnhcAugAMMWE95NU7FnsYar4wz279jHoV
TmD516yvmt JB2NG30NDAaL5vpzp8DQX0rLRiVxjONIm64AN6UVc7uTLIIRpEq
BOhc40pKXhCbCu8 yo1vVWxtP4uJIbRFwNo6eZnxbOnzwrRvrcX0Xi1DcKsHcsaCgoqkbr1PWoqSdcG5jbwi4sMrlGf
Pw1o1fcg6kHIm ZmDlGY0OEsAsWYzRprJJcjxOZ0h9OBP5ORTqmvxU2XgS9lRXAfCuIzFHOLVt1eE
GalRFwb YpHtiHoEVu46gDh6X55JbQMr9T9mI5PIwCllwe1sy1lUkQn2EqJAE9tZ0bTpMNj7nVenVaEpJEBHai
2X staN43MMZxs8H3wITgkcuTKWGRxLE8pYpUTc2SUETv9igtejxiiM2B6x44ch9XGZjkXSMp2Rewv2WjRBHSVfZAmTAYz32h5l5PRKsdHqMMU1l
zW4dQI 6tnikssfMBLVJs4jbTXkFylvdEcVGMB1eYpdCvnvqBxcUuMPmDgSDuFVl726MkkgzMU5nFLoQrcM4Y8aTHRnMXilQTEaMe5aYdgJ5jEVnKMwRt9mQWE8sYKVSLHjtDJ9LwsGcN2IZ2Eznmn6ElzbY7
0Jde UQQFJQpluZKXybyfzyLrdIGYNn8Rs09tXwv7uMjlYRpe7C1frEB5hGHwuEu37bSCj0v5L1cxnYLabzF4t4loXtiV97O7XXg4qMK5IR2
yNSPh9ev0rnu0yU I3XVWF8h7to0
UivjVVXnSN60cre Grro31PCJDUx83CjbThVEksrvQHZcxnLwBa3RCpUS0Yhwm4OXisdZN0Jnj

这个文件每行都是一个 "key data",其中 key 为 1-20 长度的随机字符串,data 为 1-150 长度的随机字符串,共10条。

写入数据的测试脚本就可以这样写了:

testi.sh

 1 #! /bin/sh
 2 OLD_IFS="$IFS"
 3 IFS=" "
 4 while read line
 5 do
 6 #  echo $line
 7   array=($line)
 8   key=${array[0]}
 9   data=${array[1]}
10   echo "$key -> $data"
11   ./db yunh insert $key $data
12 done <demo
13 
14 IFS="$OLD_IFS"

执行这个脚本,结果如下:

$ ./testi.sh 
s0jKl -> kEjwE4q3nNJugFJ0cgNaSgDpP3VS45x3Wum9kRF6SgmIReFmrNBcCecjyQHQqCrB5fC61hao1BV2x6XZ6KLtA4jZTEnhcAugAMMWE95NU7FnsYar4wz279jHoV
db insert 's0jKl' code 0
TmD516yvmt -> JB2NG30NDAaL5vpzp8DQX0rLRiVxjONIm64AN6UVc7uTLIIRpEq
db insert 'TmD516yvmt' code 0
BOhc40pKXhCbCu8 -> yo1vVWxtP4uJIbRFwNo6eZnxbOnzwrRvrcX0Xi1DcKsHcsaCgoqkbr1PWoqSdcG5jbwi4sMrlGf
db insert 'BOhc40pKXhCbCu8' code 0
Pw1o1fcg6kHIm -> ZmDlGY0OEsAsWYzRprJJcjxOZ0h9OBP5ORTqmvxU2XgS9lRXAfCuIzFHOLVt1eE
db insert 'Pw1o1fcg6kHIm' code 0
GalRFwb -> YpHtiHoEVu46gDh6X55JbQMr9T9mI5PIwCllwe1sy1lUkQn2EqJAE9tZ0bTpMNj7nVenVaEpJEBHai
db insert 'GalRFwb' code 0
2X -> staN43MMZxs8H3wITgkcuTKWGRxLE8pYpUTc2SUETv9igtejxiiM2B6x44ch9XGZjkXSMp2Rewv2WjRBHSVfZAmTAYz32h5l5PRKsdHqMMU1l
db insert '2X' code 0
zW4dQI -> 6tnikssfMBLVJs4jbTXkFylvdEcVGMB1eYpdCvnvqBxcUuMPmDgSDuFVl726MkkgzMU5nFLoQrcM4Y8aTHRnMXilQTEaMe5aYdgJ5jEVnKMwRt9mQWE8sYKVSLHjtDJ9LwsGcN2IZ2Eznmn6ElzbY7
db insert 'zW4dQI' code 0
0Jde -> UQQFJQpluZKXybyfzyLrdIGYNn8Rs09tXwv7uMjlYRpe7C1frEB5hGHwuEu37bSCj0v5L1cxnYLabzF4t4loXtiV97O7XXg4qMK5IR2
db insert '0Jde' code 0
yNSPh9ev0rnu0yU -> I3XVWF8h7to0
db insert 'yNSPh9ev0rnu0yU' code 0
UivjVVXnSN60cre -> Grro31PCJDUx83CjbThVEksrvQHZcxnLwBa3RCpUS0Yhwm4OXisdZN0Jnj
db insert 'UivjVVXnSN60cre' code 0

可以看到都插入进去了。如果有兴趣的话,现在可以打开数据库的索引与数据文件,一探究竟:

$ cat yunh.idx
     0   137     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0   857     
0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0
     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0  1043     0     0     0     0     0
     0     0     0     0   995     0     0     0     0     0     0     0     0     0  1076     0
     0   949     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0  1020
     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0   974     0     0     0     0   885
     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0
     0     0     0     0   918     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0     0
     0     0     0     0     0     0     0     0     0   835
     0  12s0jKl:0:123
     0  18TmD516yvmt:123:52
     0  23BOhc40pKXhCbCu8:175:76
     0  21Pw1o1fcg6kHIm:251:64
     0  15GalRFwb:315:79
     0  112X:394:110
     0  15zW4dQI:504:151
     0  130Jde:655:104
     0  23yNSPh9ev0rnu0yU:759:13
     0  23UivjVVXnSN60cre:772:59
$ cat yunh.dat 
kEjwE4q3nNJugFJ0cgNaSgDpP3VS45x3Wum9kRF6SgmIReFmrNBcCecjyQHQqCrB5fC61hao1BV2x6XZ6KLtA4jZTEnhcAugAMMWE95NU7FnsYar4wz279jHoV
JB2NG30NDAaL5vpzp8DQX0rLRiVxjONIm64AN6UVc7uTLIIRpEq
yo1vVWxtP4uJIbRFwNo6eZnxbOnzwrRvrcX0Xi1DcKsHcsaCgoqkbr1PWoqSdcG5jbwi4sMrlGf
ZmDlGY0OEsAsWYzRprJJcjxOZ0h9OBP5ORTqmvxU2XgS9lRXAfCuIzFHOLVt1eE
YpHtiHoEVu46gDh6X55JbQMr9T9mI5PIwCllwe1sy1lUkQn2EqJAE9tZ0bTpMNj7nVenVaEpJEBHai
staN43MMZxs8H3wITgkcuTKWGRxLE8pYpUTc2SUETv9igtejxiiM2B6x44ch9XGZjkXSMp2Rewv2WjRBHSVfZAmTAYz32h5l5PRKsdHqMMU1l
6tnikssfMBLVJs4jbTXkFylvdEcVGMB1eYpdCvnvqBxcUuMPmDgSDuFVl726MkkgzMU5nFLoQrcM4Y8aTHRnMXilQTEaMe5aYdgJ5jEVnKMwRt9mQWE8sYKVSLHjtDJ9LwsGcN2IZ2Eznmn6ElzbY7
UQQFJQpluZKXybyfzyLrdIGYNn8Rs09tXwv7uMjlYRpe7C1frEB5hGHwuEu37bSCj0v5L1cxnYLabzF4t4loXtiV97O7XXg4qMK5IR2
I3XVWF8h7to0
Grro31PCJDUx83CjbThVEksrvQHZcxnLwBa3RCpUS0Yhwm4OXisdZN0Jnj

这里就不细说了,不过总的感觉,这个数据库还是比较“透明”的。

做多进程并发,这点儿数据当然不够了,我们修改gen.awk,让它生成1000条数据,

然后在插入脚本调用 db 命令的位置,使用后台运行来同时跑多个进程:

./db yunh insert $key $data &

这样执行之后,再观察数据库中的数据,通过执行 walk 或 dump,可以看到确确实实有1000条数据插入了。

为了验证数据准确性,甚至我还写了一个校验脚本,这个脚本每次一行从测试数据中读出key与data,然后再去数据库中取数据做对比,

经过验证,一条不差!

感兴趣的可以参考一下这个脚本:

testq.sh

 1 #! /bin/sh
 2 OLD_IFS="$IFS"
 3 IFS=" "
 4 n=0
 5 while read line
 6 do
 7 #  echo $line
 8   array=($line)
 9   key=${array[0]}
10   data=${array[1]}
11   resp=`./db yunh query $key $data`
12   if [ "$resp" != "$data" ]; then 
13     echo "query $key with $resp != $data"
14     n=$(($n+1))
15   fi 
16 done <demo
17 echo "total different: $n"
18 
19 IFS="$OLD_IFS"
20      

最近在做 windows 到 linux 程序移植的工作,其中注册表访问的部分一直很头疼,因为写配置文件实在是又零散又不能保证并发问题,

于是自然而然想到,把这个SDK封装在一个跨平台访问配置信息的类中,用于模拟 windows 上访问注册表的机制,结果很完美。

最后总结一下,就是 apue 本身是个大宝库,看似简单的一个demo都蕴藏着巨大的潜力,作者不愧为一代巨匠,赞~~~

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