# BaraDB 架构 ## 概述 BaraDB 是一个**多模态数据库引擎**,使用 Nim 编写,将文档 (KV)、图、向量、列式和全文搜索存储整合在单一引擎中,使用统一的查询语言 **BaraQL**。 ## 分层架构 ``` ┌─────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 1. 客户端层 │ │ 二进制协议 │ HTTP/REST │ WebSocket │ 嵌入式 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 2. 查询层 (BaraQL) │ │ 词法分析 → 解析 → AST → IR → 优化器 → 代码生成 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 3. 执行引擎 │ │ 文档 │ 图 │ 向量 │ 列式 │ FTS │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 4. 存储层 │ │ LSM-Tree │ B-Tree │ WAL │ Bloom │ 压缩 │ 缓存 │ ├─────────────────────────────────────────────────────────┤ │ 5. 分布式 │ │ Raft 共识 │ 分片 │ 复制 │ Gossip │ └─────────────────────────────────────────────────────────┘ ``` ## 第1层: 客户端层 多种通信协议: - **二进制协议** (`protocol/wire.nim`): 高效的 big-endian 二进制协议,包含 16 种消息类型 - **HTTP/REST** (`core/httpserver.nim`): 基于 JSON 的 REST API,支持多线程 - **WebSocket** (`core/websocket.nim`): 全双工流式传输 - **嵌入式** (`storage/lsm.nim`): 进程内直接访问 ### 连接管理 - **连接池** (`protocol/pool.nim`): 最小/最大连接限制,空闲超时 - **限流** (`protocol/ratelimit.nim`): Token-bucket 全局限流和每客户端限流 - **认证** (`protocol/auth.nim`): HMAC-SHA256 的 JWT 和基于角色的访问 - **TLS/SSL** (`protocol/ssl.nim`): TLS 1.3,自动生成证书 ## 第2层: 查询层 (BaraQL) BaraQL 处理管道: 1. **词法分析器** (`query/lexer.nim`): 将输入标记化为 80+ 种标记类型 2. **解析器** (`query/parser.nim`): 递归下降解析器,生成 AST 3. **AST** (`query/ast.nim`): 300+ 行代码,覆盖 25+ 种节点类型 4. **IR** (`query/ir.nim`): 用于执行计划的中间表示 5. **优化器** (`query/adaptive.nim`): 自适应跨模态查询优化 6. **代码生成** (`query/codegen.nim`): 将 IR 转换为存储操作 7. **执行器** (`query/executor.nim`): 并行执行计划 ### 跨模态规划 优化器 (`query/adaptive.nim`) 确定跨引擎的执行顺序: ``` 1. 估算每个谓词的选择性 2. 将选择性最高的谓词首先推送到其引擎 3. 使用 Bloom 过滤器进行 KV 查找 4. 并行化独立分支 5. 流式传输结果以避免物化 ``` ## 第3层: 执行引擎 ### 文档/KV 引擎 - **LSM-Tree** (`storage/lsm.nim`): 写优化的存储,包含 MemTable、WAL、SSTables - **B-Tree 索引** (`storage/btree.nim`): 用于范围扫描的有序索引,支持 COW ### 向量引擎 (`vector/`) - **HNSW 索引** (`vector/engine.nim`): 分层可导航小世界图 - **IVF-PQ 索引** (`vector/engine.nim`): 倒排文件索引,带乘积量化 - **SIMD 操作** (`vector/simd.nim`): AVX2 优化的距离计算 - **量化** (`vector/quant.nim`): 标量、乘积和二进制量化 ### 图引擎 (`graph/`) - **邻接表** (`graph/engine.nim`): 带边权重的有向图 - **算法** (`graph/engine.nim`): BFS、DFS、Dijkstra、PageRank - **社区检测** (`graph/community.nim`): Louvain 算法 - **模式匹配** (`graph/community.nim`): 子图同构 - **Cypher 解析器** (`graph/cypher.nim`): 类似 Cypher 的图查询 ### 全文搜索 (`fts/`) - **倒排索引** (`fts/engine.nim`): 词-文档索引 - **排名** (`fts/engine.nim`): BM25 和 TF-IDF 评分 - **模糊搜索** (`fts/engine.nim`): 基于 Levenshtein 距离的匹配 - **多语言** (`fts/multilang.nim`): EN、BG、DE、FR、RU 的分词器 ### 列式引擎 (`core/columnar.nim`) - 用于分析查询的按列存储 - RLE 和字典编码 - SIMD 加速的聚合操作 ## 第4层: 存储 - **LSM-Tree** (`storage/lsm.nim`): MemTable、WAL、SSTable、Bloom Filter、压缩 - **页面缓存** (`storage/compaction.nim`): LRU 缓存,支持命中率追踪 - **内存映射 I/O** (`storage/mmap.nim`): 基于 mmap 的文件访问 - **恢复** (`storage/recovery.nim`): WAL 重放和崩溃恢复 ### 写路径 ``` 客户端 → 协议 → 认证 → 解析 → AST → IR → 代码生成 → StorageOp → MVCC Txn → WAL 写入 → MemTable → 提交 ``` ### 读路径 ``` 客户端 → 协议 → 认证 → 解析 → AST → IR → 代码生成 → StorageOp → MVCC 快照 → MemTable → SSTable → 结果 ``` ## 第5层: 分布式 - **Raft 共识** (`core/raft.nim`): 领导者选举、日志复制 - **分片** (`core/sharding.nim`): 哈希、范围和一致性哈希 - **复制** (`core/replication.nim`): 同步、异步、半同步模式 - **Gossip 协议** (`core/gossip.nim`): SWIM 风格的成员管理 - **分布式事务** (`core/disttxn.nim`): 两阶段提交 ## 关键设计决策 1. **纯 Nim**: 无 Cython、Python 或 Rust 依赖 2. **统一存储**: 一个引擎处理 KV、图、向量、FTS 和列式存储 3. **嵌入式模式**: 可作为库或服务器运行 4. **二进制协议**: 自定义高效有线协议 5. **MVCC**: 多版本并发控制 6. **模式优先**: 带继承的强类型模式系统 7. **跨模态**: 跨所有数据模型的单一查询语言 8. **形式化验证**: 核心分布式算法使用 TLA+ 规范并用 TLC 模型检查 ## 模块统计 | 类别 | 模块数 | 代码行数 | 用途 | |------|--------|----------|------| | Core | 16 | ~4,200 | 服务器、协议、事务、分布式 | | Storage | 7 | ~3,100 | LSM、B-Tree、WAL、bloom、压缩、mmap | | Query | 7 | ~2,800 | 词法分析、解析、AST、IR、优化器、代码生成、执行器 | | Vector | 3 | ~1,200 | HNSW、IVF-PQ、量化、SIMD | | Graph | 3 | ~1,000 | 邻接表、算法、社区检测 | | FTS | 2 | ~900 | 倒排索引、BM25、模糊搜索、多语言 | | Protocol | 7 | ~2,400 | Wire、HTTP、WebSocket、连接池、认证、限流、SSL | | Schema | 1 | ~600 | 类型、链接、继承、迁移 | | Client | 2 | ~800 | Nim 二进制客户端、文件助手 | | CLI | 1 | ~400 | 交互式 BaraQL shell | | **总计** | **49** | **~14,100** | | ## 数据流图 ### 简单查询 ``` ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ │ Client │───→│ Lexer │───→│ Parser │───→│ IR │───→│ Codegen│ └────────┘ └────────┘ └────────┘ └────────┘ └───┬────┘ │ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ │ │ Result │←───│ Format │←───│ Execute│←───│ Storage│←──────┘ └────────┘ └────────┘ └────────┘ └────────┘ ``` ### 跨模态查询 ``` ┌─────────────┐ │ Parser │ └──────┬──────┘ │ ┌──────▼──────┐ │ Adaptive │ │ Optimizer │ └──────┬──────┘ │ ┌───────────────┼───────────────┐ │ │ │ ┌──────▼──────┐ ┌──────▼──────┐ ┌──────▼──────┐ │ Vector │ │ Graph │ │ FTS │ │ Engine │ │ Engine │ │ Engine │ └──────┬──────┘ └──────┬──────┘ └──────┬──────┘ │ │ │ └───────────────┼───────────────┘ │ ┌──────▼──────┐ │ Join │ │ & Sort │ └──────┬──────┘ │ ┌──────▼──────┐ │ Result │ └─────────────┘ ```