duckDB C++源代码解析

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解析 DuckDB 的 C++ 源代码，核心是理解其整体架构、核心模块的实现逻辑以及关键代码的设计思路。DuckDB 作为一款高性能的嵌入式分析型数据库，其 C++ 源码结构清晰且遵循现代 C++ 最佳实践，下面我会从整体架构 、核心模块 、关键代码示例三个维度展开解析，帮助你快速掌握其核心逻辑。

一、DuckDB 源码整体架构

DuckDB 的源码采用模块化设计，核心目录结构如下（基于最新稳定版）：

duckdb/
├── src/
│   ├── common/          # 通用基础组件（类型定义、工具函数、异常处理等）
│   ├── catalog/         # 元数据管理（表、列、函数等元数据）
│   ├── parser/          # SQL 解析（词法/语法分析，生成AST）
│   ├── binder/          # AST 绑定（将AST关联到catalog，生成逻辑计划）
│   ├── optimizer/       # 查询优化（逻辑计划优化，生成最优执行计划）
│   ├── execution/       # 执行引擎（物理计划执行，算子实现）
│   ├── storage/         # 存储引擎（数据持久化、内存管理、文件系统）
│   ├── function/        # 内置函数（标量函数、聚合函数、表函数）
│   ├── transaction/     # 事务管理（ACID 实现）
│   └── main/            # 主入口（DB实例创建、连接管理）
├── test/                # 单元测试/集成测试
└── third_party/         # 依赖库（re2、zstd、gtest等）

核心执行流程

DuckDB 处理 SQL 的完整流程：
SQL语句输入
Parser解析生成AST
Binder绑定元数据生成逻辑计划
Optimizer优化逻辑计划
Execution生成物理计划
Executor执行物理计划
返回查询结果

二、核心模块源码解析

1. 基础组件（src/common）

这是整个项目的"基础设施"，包含大量通用工具类，是理解其他模块的前提。

关键文件：

• types.hpp：定义核心数据类型（int64_t/double/string 等 DuckDB 封装类型，如 Value、Vector）。
• exception.hpp：自定义异常体系（DatabaseException、ParserException 等）。
• allocator.hpp：定制化内存分配器（高性能内存管理，适配嵌入式场景）。

核心代码示例（Value 类）：

Value 是 DuckDB 中表示单个数据值的核心类，支持多类型封装，源码简化如下：

// src/common/types/value.hpp
namespace duckdb {
class Value {
public:
    // 构造函数：支持不同数据类型
    Value() : type(LogicalType::INVALID) {}
    explicit Value(int64_t val) : type(LogicalType::BIGINT) {
        value_.bigint_val = val;
    }
    explicit Value(double val) : type(LogicalType::DOUBLE) {
        value_.double_val = val;
    }
    explicit Value(string val) : type(LogicalType::VARCHAR) {
        value_.varchar_val = make_uniq<string>(std::move(val));
    }

    // 类型判断
    bool IsInteger() const {
        return type == LogicalType::BIGINT || type == LogicalType::INTEGER;
    }
    bool IsDouble() const { return type == LogicalType::DOUBLE; }

    // 取值方法
    int64_t GetBigInt() const {
        D_ASSERT(IsInteger()); // 断言确保类型正确
        return value_.bigint_val;
    }
    double GetDouble() const {
        D_ASSERT(IsDouble());
        return value_.double_val;
    }

private:
    // 存储不同类型的值（共用体节省内存）
    union ValueUnion {
        int64_t bigint_val;
        double double_val;
        unique_ptr<string> varchar_val;
    } value_;
    LogicalType type; // 数据类型标识
};
} // namespace duckdb

解析：

• 使用 union 存储不同类型的值，避免内存浪费；
• 通过 LogicalType 标记值的类型，保证类型安全；
• 提供 GetXXX() 方法封装取值逻辑，配合 D_ASSERT 做类型校验，符合现代 C++ 安全设计。

2. SQL 解析器（src/parser）

DuckDB 使用 re2 做词法分析，自定义递归下降解析器生成 AST（抽象语法树），核心文件：

• parser.cpp：解析器主逻辑；
• sql_statement.hpp：定义不同类型的 SQL 语句（SelectStatement、CreateTableStatement 等）；
• expression.hpp：定义表达式节点（ColumnRefExpression、ConstantExpression 等）。

核心代码示例（SelectStatement）：

// src/parser/statement/select_statement.hpp
namespace duckdb {
class SelectStatement : public SQLStatement {
public:
    SelectStatement() : SQLStatement(StatementType::SELECT_STATEMENT) {}

    // SELECT 子句：要查询的列（表达式列表）
    vector<unique_ptr<SelectNode>> select_list;
    // FROM 子句：表名/子查询
    unique_ptr<TableRef> from_table;
    // WHERE 子句：过滤条件
    unique_ptr<Expression> where_clause;
    // GROUP BY/HAVING/ORDER BY 等子句
    vector<unique_ptr<Expression>> group_by;
    unique_ptr<Expression> having;
    vector<unique_ptr<OrderByNode>> order_by;
};
} // namespace duckdb

解析：

• SelectStatement 继承自 SQLStatement，通过 StatementType 区分 SQL 类型（SELECT/INSERT/UPDATE 等）；
• 使用 unique_ptr 管理动态分配的节点，避免内存泄漏（现代 C++ 智能指针最佳实践）；
• 每个子句对应一个表达式列表/指针，精准映射 SQL 语法结构。

3. 执行引擎（src/execution）

这是 DuckDB 高性能的核心，采用 向量执行（Vectorized Execution） 模式（一次处理一批数据，而非单行），核心组件：

• Executor：执行器主类，负责调度物理算子；
• PhysicalOperator：物理算子基类（如 PhysicalScan、PhysicalFilter、PhysicalAggregate）；
• Vector：向量执行的核心数据结构（批量存储同类型数据）。

核心代码示例（Vector 类简化版）：

// src/common/types/vector.hpp
namespace duckdb {
class Vector {
public:
    // 初始化：指定数据类型和容量
    Vector(LogicalType type, idx_t capacity = STANDARD_VECTOR_SIZE) 
        : type(std::move(type)), capacity(capacity) {
        // 分配内存存储批量数据
        data = AllocateVectorData(type, capacity);
        // 初始化有效性掩码（标记哪些行有效）
        validity = make_uniq<ValidityMask>(capacity);
    }

    // 获取指定位置的值
    Value GetValue(idx_t index) const {
        D_ASSERT(index < capacity);
        // 根据类型读取数据
        if (type == LogicalType::BIGINT) {
            auto *data_ptr = reinterpret_cast<int64_t*>(data);
            return Value(data_ptr[index]);
        } else if (type == LogicalType::DOUBLE) {
            auto *data_ptr = reinterpret_cast<double*>(data);
            return Value(data_ptr[index]);
        }
        // 其他类型...
    }

    // 向量执行的默认批次大小（DuckDB 中为 2048）
    static constexpr idx_t STANDARD_VECTOR_SIZE = 2048;

private:
    LogicalType type;          // 向量数据类型
    idx_t capacity;            // 向量容量（默认 2048）
    void *data;                // 批量数据存储指针
    unique_ptr<ValidityMask> validity; // 有效性掩码（处理 NULL 值）
};
} // namespace duckdb

解析：

• STANDARD_VECTOR_SIZE 设为 2048，是经过优化的批次大小（平衡缓存命中率和开销）；
• 用 void* 存储批量数据，通过类型转换适配不同数据类型，兼顾灵活性和性能；
• ValidityMask 高效处理 NULL 值（用位图标记，比单独存储 bool 数组节省内存）。

4. 存储引擎（src/storage）

DuckDB 嵌入式存储的核心，支持内存数据库和持久化存储，核心模块：

• BufferManager：内存缓冲管理（将磁盘数据页映射到内存）；
• TableStorage：表数据存储（按列存储，适配分析型查询）；
• WriteAheadLog：预写日志（保证事务持久性）。

三、关键设计亮点（C++ 层面）

1. 现代 C++ 特性的充分使用 ：
   • 智能指针（unique_ptr/shared_ptr）管理内存，杜绝内存泄漏；
   • 模板元编程（template）实现通用逻辑（如不同类型的向量操作）；
   • 移动语义（std::move）减少拷贝，提升性能。
2. 高性能优化 ：
   • 向量执行替代单行执行，充分利用 CPU 缓存；
   • 定制化内存分配器，减少系统调用；
   • 列存储格式，适配分析型查询的列裁剪需求。
3. 模块化与扩展性 ：
   • 核心模块解耦（解析/优化/执行/存储独立）；
   • 内置函数通过注册机制扩展，支持自定义函数；
   • 存储引擎可插拔（支持内存、本地文件、S3 等）。

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总结

1. 架构核心 ：DuckDB 源码遵循"解析-绑定-优化-执行"的经典数据库流程，模块化设计清晰，核心依赖 Value/Vector 等基础组件实现高性能数据处理；
2. C++ 设计：深度使用现代 C++ 特性（智能指针、移动语义、模板），兼顾内存安全和执行性能，是嵌入式 C++ 项目的优秀范例；
3. 性能关键：向量执行（批量处理）+ 列存储 + 定制内存分配器，是 DuckDB 作为嵌入式分析型数据库高性能的核心原因。