什么是 “应用程序”？

软件是物理世界过程在信息世界中的投影。

• 软件天生有 persist data 的需求
  • 个人信息 (学籍……)
  • 订单
  • 日志 (支付记录、维护记录……)
  • ……
• 让我们 “重新实现” 教务系统吧！
  • 先让我们去 ehall.nju.edu.cn 看一眼

保存应用数据 (1)

在文件 (虚拟磁盘) 上构建数据结构

• 就像 ELF, BMP, ...

struct superblock {
    struct student *s;
    struct course *c; 
}
struct student { char stuid[16]; ...  };
struct course  { char cid[16]; ...  }

• 需求：expel(s); enroll(s, c); ...
  • 应用系统实现翻译成 read, write, lseek 系统调用
  • (也可以 mmap/msync)

典型的应用数据结构

游戏是一个状态机 (Everything is a state machine)

• 可以做状态的快照 (存档): 金钱、建筑、好感度……
• 也可以记录所有的 UI Events (replay!); BWChart

保存应用数据 (2)

利用目录树

ehall.nju.edu.cn/teacherJxrwApp/22020230/4
├── enrollment
│   ├── 231220001.md
│   ├── 231220002.md
│   └── ...
├── syllabus
│   ├── 1-intro.md
│   ├── 2-app-view.md
│   └── ...
└── textbook
    └── 1-ostep.md

• UNIX 世界中的工具都能用了：find, grep, ...
  • 如何关联学生和选课/成绩？Copy? Symlink?
  • 如何实现并发访问 (和 crash) 的 consistency?

我们需要的到底是什么？

Concurrency (Parallelism)

• 全校一起选课，系统不能崩 (不能一把大锁保平安)

Persistence (Crash Consistent)

• 系统故障，数据不能丢

Atomicity

enroll_list = random_enroll()
with AllOrNothing():
    for id in enroll_list:
        Path(f'enrollment/{id}.md').write_text('y')
    ...

思考

有没有一个比目录/文件更好用的 API 呢？

• 能实现应用的任何数据结构
• 支持并发和 Crash Consistency

反思：我们是怎么实现数据结构的？

• Pointer machine (实现数据结构其实不需要 “数组”)
• Pointer 是对象之间的关系

struct node {
    char value[32];  // Record
    struct node *left, *right;  // Pointers
}

Relational Database (关系型数据库)

一个 surprisingly simple 的模型

• A relational model of data for large shared data banks
  • Edgar F. Codd: 1981 Turing Award Winner
  • “Future users of large data banks must be protected from having to know how the data is organized in the machine.”
    • 我做了很多年 program synthesis; 但凡是 end-user 的，最后的设计理念都会回到这一篇 paper
• Everything is a table
  • 每行一个对象；对象可以用 id 索引其他对象

关系数据库模型

“对象和指针”

关系数据库查询：指针 “配对”

SELECT Courses.Title
FROM Student 
JOIN Takes_Course
    ON Student.ID = Takes_Course.ID  -- Key
JOIN Courses
    ON Takes_Course.ClassID = Courses.ClassID  -- Key
WHERE Student.Name LIKE '张%'

数据库系统开启软件的新时代

“ACID” 数据库

• A (Atomicity), C (Consistency), I (Isolation), D (Durability)
  • Strong serializability: 查询结果 “按照某种顺序完成”
  • Strong crash consistency: 系统 crash 也不会损坏或丢失

支持任意长 (允许混合任意计算) 的 Transaction

• 这个特性太重要了

tx_begin();
if (user1.balance < m) tx_abort();  // SQL
user1.balance -= m;  // SQL
user2.balance += m;  // SQL
tx_commit();

ACID 数据库

学过《操作系统》就很好理解了

• 一把大锁保平安的效果
• 大规模并行执行的性能
• 完全自动的崩溃回复
  • 应用数据交给数据库 = 一劳永逸; 甚至还可以 Hack

关系数据库：海量的实现优化

• 查询优化 (rewriting)
• 连接索引 (B+ Tree)
• 缓存、分库分表、并发控制、读写分离……
  • 只要不是大到 “国民级” 的应用，数据库都能搞定