# remdb - 嵌入式内存数据库
[English Version](./README_EN.md)
remdb是一个轻量级的嵌入式内存数据库，专为资源受限的嵌入式系统设计，支持no_std环境，具有可预测的内存使用和高性能。
## 主要功能
- **内存表存储**：高效的内存表实现，支持插入、删除、查询和遍历操作
- **索引机制**：
- 基于哈希的主键索引，提供O(1)的查询性能
- 多种辅助索引类型：Hash、SortedArray、BTree（默认）、TTree
- SortedArray、BTree和TTree索引支持范围查询
- **事务支持**：完整的ACID事务支持，包括原子性、一致性、隔离性和持久性
- **内存管理**：支持静态内存分配和动态内存分配，固定大小块内存池
- **平台抽象层**：支持POSIX和裸机环境
- **编译时配置**：使用宏实现表和数据库的编译时配置，优化性能
- **低功耗模式**：优化内存使用，减少事务日志写入频率
- **增量快照**：只保存版本号变化的记录，减少快照大小和保存时间
- **SQL查询支持**：支持标准SQL SELECT语句查询内存数据库的数据，包括聚合函数、数学函数、时间转换函数和JOIN操作
- **数据库监控**：实时监控数据库指标，包括内存使用、查询性能、事务状态等
- **基于UDP的高可靠数据订阅与发布**：支持单播、广播和组播模式，提供基于NACK的重传机制
- **高可用支持**：
- 主从复制机制，支持一主一从或一主多从拓扑结构
- 基于心跳机制的自动故障检测和切换
- 支持同步和异步两种复制一致性模式：
- 同步模式：主节点等待至少一个从节点确认后才返回，确保数据一致性
- 异步模式：主节点立即返回，异步复制到从节点，提供更高的性能
- 自动故障转移，服务中断窗口小于2秒
- 从节点确认机制：从节点接收到WAL日志后发送确认给主节点
- 复制状态检查：定期检查复制状态，包括从节点数量、延迟等
- 支持全量和增量同步：从节点可以请求全量同步或从特定日志索引开始的增量同步
- **时序数据库支持**：
- 专用的时序表实现，优化时间序列数据存储和查询
- 支持多种压缩算法
- 支持时间序列数据分区
- 支持时间序列数据生命周期管理
- 支持时间序列数据索引
- **C语言接口**：提供C语言API，方便C/C++应用程序使用
## 技术特点
- **零外部依赖**：不依赖任何外部库，支持no_std环境
- **静态内存分配**：可预测的内存使用，适合资源受限的嵌入式系统
- **编译时优化**：通过宏实现编译时配置，减少运行时开销
- **多平台支持**：支持POSIX和裸机环境
- **类型安全**：使用Rust的类型系统确保数据安全
- **高效的同步机制**：实现了自旋锁同步机制，适合多线程环境
## 快速开始
### 安装
将remdb添加到你的Cargo.toml文件中：
```toml
[dependencies]
remdb = { path = "./remdb", default-features = false }
# 可选特性
# features = ["std", "posix", "pubsub", "ha"]
# 注意：ha依赖pubsub功能，启用ha时会自动启用pubsub
```
### 特性说明
| std | - | 启用标准库支持 |
| posix | - | 启用POSIX平台支持 |
| pubsub | std | 启用基于UDP的高可靠数据订阅与发布功能 |
| ha | pubsub | 启用高可用支持（主从复制机制） |
## Rust语言的三种使用方式
remdb提供了三种主要的Rust语言使用方式，以满足不同场景的需求：
### 1. 直接定义表数据结构
使用`remdb::table!`宏直接定义表结构，这是最基础的使用方式，适合简单场景：
```rust
#![no_std]
#![feature(alloc_error_handler)]
extern crate alloc;
use core::alloc::Layout;
use remdb::*;
// 定义内存缓冲区
static mut DB_MEMORY: [u8; 65536] = [0u8; 65536];
// 直接定义表结构
remdb::table!(
users,
100, // 最大记录数
primary_key: id,
secondary_index: name,
fields: {
id: i32,
name: str(32), // 32字节定长字符串
age: i8,
active: bool,
created_at: u64
}
);
// 定义数据库配置
remdb::database!(
tables: [users]
);
// 内存分配错误处理
#[alloc_error_handler]
fn alloc_error_handler(layout: Layout) -> ! {
panic!("Allocation error: {:?}", layout);
}
fn main() {
unsafe {
// 初始化内存分配器
memory::allocator::init_global_allocator(
DB_MEMORY.as_mut_ptr(),
DB_MEMORY.len()
);
// 初始化平台抽象层
platform::init_platform(platform::posix::get_posix_platform());
// 初始化全局数据库
let db = init_global_db(
database!(tables: [users]),
&mut [None; 1],
&mut [None; 1],
&mut [None; 1]
).unwrap();
// 使用数据库...
}
}
```
### 2. 宏定义MemTable
使用`#[derive(MemdbTable)]`宏定义表，支持内联DDL和外部DDL文件，提供更灵活的表定义方式：
#### 内联DDL模式
```rust
use remdb_macros::MemdbTable;
// 使用内联DDL定义带索引的表
#[derive(MemdbTable)]
#[memdb_schema(ddl = "CREATE TABLE user (id INTEGER PRIMARY KEY, name TEXT NOT NULL, age INTEGER, active BOOLEAN);
CREATE INDEX idx_user_name ON user USING btree (name);
CREATE INDEX idx_user_age ON user USING hash (age);")]
struct UserTable;
fn main() {
// 测试生成的User结构体
let user = User {
id: 1,
name: "Alice".to_string(),
age: Some(30),
active: Some(true),
};
println!("生成的User结构体: {:?}", user);
println!("用户名: {}", user.name);
println!("年龄: {:?}", user.age);
}
```
#### 文件模式
```rust
use remdb_macros::MemdbTable;
// 使用外部DDL文件定义带索引的表
#[derive(MemdbTable)]
#[memdb_schema(file = "./schema.ddl")]
struct MyDatabase;
// schema.ddl内容:
// CREATE TABLE user (
// id INTEGER PRIMARY KEY,
// name TEXT NOT NULL,
// email TEXT UNIQUE NOT NULL
// );
//
// CREATE INDEX idx_user_name ON user USING btree (name);
// CREATE INDEX idx_user_email ON user (email); -- 默认使用BTree
```
### 3. 使用DdlExecutor通过动态DDL创建
使用`DdlExecutor` trait在运行时动态创建表和索引，适合需要在运行时灵活配置表结构的场景：
```rust
use remdb::{RemDb, DdlExecutor, types::{DataType, IndexType}};
use remdb::config::{DbConfig, MemoryAllocator};
use core::ptr::NonNull;
// 简单的内存分配器实现
struct SimpleAllocator {
base_ptr: NonNull<u8>,
size: usize,
used: usize,
}
impl SimpleAllocator {
pub const fn new(base_ptr: NonNull<u8>, size: usize) -> Self {
Self {
base_ptr,
size,
used: 0,
}
}
}
impl MemoryAllocator for SimpleAllocator {
fn allocate(&self, size: usize) -> Option<NonNull<u8>> {
let new_used = self.used + size;
if new_used <= self.size {
let ptr = NonNull::new((self.base_ptr.as_ptr() as usize + self.used) as *mut u8)?;
Some(ptr)
} else {
None
}
}
fn deallocate(&self, _ptr: NonNull<u8>, _size: usize) {
// 简化实现，不实际释放内存
}
}
fn main() {
// 分配内存用于数据库
let mut buffer = [0u8; 1024 * 1024]; // 1MB
let base_ptr = NonNull::new(buffer.as_mut_ptr()).unwrap();
// 创建内存分配器
let allocator = SimpleAllocator::new(base_ptr, buffer.len());
// 创建数据库配置
let config = DbConfig {
tables: &[],
total_memory: buffer.len(),
low_power_mode_supported: false,
low_power_max_records: None,
memory_allocator: &allocator,
#[cfg(feature = "pubsub")]
pubsub_config: None,
#[cfg(feature = "ha")]
ha_role: remdb::config::HARole::Auto,
#[cfg(feature = "ha")]
replication_mode: remdb::config::ReplicationMode::Asynchronous,
#[cfg(feature = "ha")]
ha_config: None,
#[cfg(feature = "ha")]
replication_sync_timeout: 5000,
};
// 初始化表和索引数组
let mut tables = [None; 8];
let mut primary_indices = [None; 8];
let mut secondary_indices = [None; 8];
// 创建数据库实例
let mut db = RemDb::new(
&config,
&mut tables,
&mut primary_indices,
&mut secondary_indices
);
// 使用DdlExecutor trait创建表
let result = db.create_table(
"users",
&[
("id", DataType::UInt32),
("name", DataType::String),
("age", DataType::UInt8),
("active", DataType::Bool),
],
Some(0) // 主键为id字段
);
// 使用SQL语句创建表
let result = db.sql_query(
"CREATE TABLE products (id UINT32 PRIMARY KEY, name STRING, price FLOAT32, in_stock BOOL);"
);
// 使用DdlExecutor trait创建索引
let result = db.create_index(
"users",
"name",
IndexType::BTree
);
}
```
## 其他访问方式
### C语言接口访问
remdb提供了C语言接口，方便C/C++应用程序使用：
```c
#include "remdb_c.h"
int main() {
// 初始化数据库
remdb_t *db = remdb_init();
// 创建表
remdb_create_table(db, "users", ...);
// 插入数据
remdb_insert(db, "users", ...);
// 查询数据
remdb_result_t *result = remdb_query(db, "SELECT * FROM users");
// 处理结果...
// 释放资源
remdb_free_result(result);
remdb_close(db);
return 0;
}
```
### JDBC访问
remdb提供了JDBC驱动，允许Java应用程序通过JDBC API访问remdb数据库：
```java
import java.sql.*;
public class RemdbExample {
public static void main(String[] args) {
try {
// 加载驱动
Class.forName("com.remdb.jdbc.Driver");
// 建立连接
String url = "jdbc:remdb://localhost:8080/dbname";
Connection conn = DriverManager.getConnection(url);
// 创建Statement
Statement stmt = conn.createStatement();
// 执行查询
ResultSet rs = stmt.executeQuery("SELECT * FROM users");
// 处理结果集
while (rs.next()) {
System.out.println(rs.getInt("id") + ": " + rs.getString("name"));
}
// 关闭资源
rs.close();
stmt.close();
conn.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
```
### 基于UDP的高可靠数据订阅与发布
> 注意：使用此功能需要在Cargo.toml中启用`pubsub`特性
remdb提供了基于UDP的高可靠数据订阅与发布机制，支持单播、广播和组播模式，适合分布式系统中的数据同步。系统内置了多种预定义主题，用于发布不同类型的数据库事件：
#### 预定义主题
| wal | 所有WAL操作 | WAL_LOG_<id>: Operation=<operation_type>, Table=<table_name>, ID=<record_id>, Data=<data> |
| tables | 表创建/删除事件 | CREATE:table=<table_name>,id=<table_id>,fields=<field_count> 或 DELETE:table=<table_name>,id=<table_id> |
| metrics | 数据库指标 | JSON格式的数据库指标数据 |
| healthstatus | 健康状态 | JSON格式的健康状态数据 |
| table.<table_name> | 表内容变更 | INSERT:table=<table_name>,id=<record_id>,data=<hex_data> 或 UPDATE:table=<table_name>,id=<record_id>,data=<hex_data> |
#### 使用示例
```rust
use std::time::Duration;
use remdb::pubsub::{PubSub, PubSubConfig, UdpMode};
// 创建发布/订阅配置
let config = PubSubConfig {
udp_mode: UdpMode::Broadcast,
multicast_addr: None,
port: 5555,
max_topics: 32,
max_subscribers_per_topic: 16,
buffer_size: 4096,
enable_nack: true,
retransmit_timeout: Duration::from_millis(100),
max_retransmits: 3,
heartbeat_interval: Duration::from_secs(10),
frame_pool_size: 128,
};
// 创建发布/订阅实例
let mut pubsub = PubSub::new(config).expect("Failed to create PubSub instance");
pubsub.init().expect("Failed to initialize PubSub");
// 定义订阅回调
true
};
// 订阅主题
let subscription_id = pubsub.subscribe(0, callback).expect("Failed to subscribe");
// 发布数据
let msg = "Hello, PubSub!";
pubsub.publish(0, msg.as_bytes()).expect("Failed to publish");
// 取消订阅
pubsub.unsubscribe(subscription_id).expect("Failed to unsubscribe");
```
## SQL查询示例
remdb支持标准SQL SELECT语句查询内存数据库的数据，包括各种聚合函数、数学函数和时间转换函数：
```rust
// 执行SQL查询获取所有用户
let result = db.sql_query("SELECT * FROM users").unwrap();
println!("{}", result.to_string());
// 执行带条件的SQL查询
let result = db.sql_query("SELECT name, age FROM users WHERE age > 25 ORDER BY name ASC LIMIT 10").unwrap();
for row in result {
println!("{}: {}", row.get(0), row.get(1));
}
// 执行带条件和排序的SQL查询
let result = db.sql_query("SELECT * FROM users WHERE active = true ORDER BY created_at DESC").unwrap();
for row in result {
println!("ID: {}, Name: {}, Age: {}, Active: {}",
row.get(0), row.get(1), row.get(2), row.get(3));
}
// 使用时间转换函数
let result = db.sql_query("SELECT id, name, TO_ISO8601(created_at) AS iso_created FROM users").unwrap();
// 使用TO_CHAR函数格式化时间
let result = db.sql_query("SELECT id, name, TO_CHAR(created_at, 'YYYY-MM-DD HH24:MI:SS') AS formatted_date FROM users").unwrap();
// 使用TO_EPOCH函数获取Unix时间戳
let result = db.sql_query("SELECT id, name, TO_EPOCH(created_at) AS unix_time FROM users").unwrap();
// 结合聚合函数和时间函数
let result = db.sql_query("SELECT TO_CHAR(timestamp, 'YYYY-MM-DD') AS date, AVG(value) AS avg_value FROM sensor_data GROUP BY date").unwrap();
```
## 时序数据库
remdb提供了强大的时序数据库功能，专为时间序列数据的高效存储和查询而设计：
### 基本使用
```rust
use remdb::*;
use remdb::time_series::*;
use std::time::{Duration, SystemTime};
// 定义时序表结构
remdb::table!(
sensor_data,
5000, // 最大记录数
primary_key: id,
secondary_index: timestamp,
fields: {
id: i32,
sensor_id: str(32), // 传感器ID
sensor_type: str(32), // 传感器类型
value: f64, // 传感器数值
timestamp: u64, // 时间戳
location: str(64) // 位置信息
}
);
// 定义数据库配置
remdb::database!(
DB_CONFIG,
tables: [sensor_data]
);
fn main() {
unsafe {
// 初始化内存分配器
let memory_size = 128 * 1024 * 1024; // 128MB
static mut DB_MEMORY: [u8; 128 * 1024 * 1024] = [0u8; 128 * 1024 * 1024];
memory::allocator::init_global_allocator(
DB_MEMORY.as_mut_ptr(),
DB_MEMORY.len()
).expect("Failed to initialize memory allocator");
// 初始化平台抽象层
platform::init_platform(platform::posix::get_posix_platform());
// 初始化全局数据库
let db = init_global_db(&DB_CONFIG).unwrap();
// 获取表引用
let table_mut = db.get_table_mut(0).unwrap();
// 模拟插入传感器数据...
// 查询时间范围内的数据
let start_time = base_time;
let end_time = base_time + 30 * 60000; // 30分钟
let mut result_buffer = [0u8; 160 * 50]; // 50条记录的缓冲区
let found_count = table_mut.get_records_in_time_window(
4, // timestamp字段索引
start_time,
end_time,
result_buffer.as_mut_ptr(),
50
).unwrap();
// 计算时间范围内的统计信息
match table_mut.aggregate_count(4, start_time, end_time) {
Ok(count) => {
println!("时间范围内记录数: {}", count);
// 计算平均值、总和、最小值、最大值...
},
Err(e) => println!("统计记录数失败: {:?}", e)
}
}
}
```
## 平台支持
### POSIX平台
启用POSIX平台支持：
```toml
features = ["posix"]
```
### 裸机平台
启用裸机平台支持：
```toml
features = ["baremetal"]
```
## 测试
### 运行核心库测试
```bash
cargo test --lib
```
### 运行带有特定特性的核心库测试
```bash
cargo test --lib --features "pubsub ha"
```
### 运行完整测试套件
```bash
cargo test
```
### 检查编译
在no_std环境下检查编译：
```bash
cargo check --tests --no-default-features
```
### 在baremetal环境下检查编译：
```bash
cargo check --no-default-features --features=baremetal
```
### 在baremetal环境下运行测试
由于测试框架依赖std库，直接运行`cargo test`在baremetal环境下会失败。但你可以通过以下步骤验证代码在baremetal环境下的正确性：
1. 确保代码可以成功编译：
```bash
cargo check --no-default-features --features=baremetal
```
2. 对于实际的baremetal硬件测试，你可能需要：
- 使用交叉编译工具链
- 编写针对目标硬件的测试代码
- 配置适当的链接脚本
- 使用烧录工具将可执行文件写入硬件
3. 示例交叉编译命令（以ARM Cortex-M为例）：
```bash
cargo build --target thumbv7m-none-eabi --no-default-features --features=baremetal
```
### 测试注意事项
- 核心库测试（`cargo test --lib`）不依赖于特定特性，是验证基本功能的最佳方式
- 完整测试套件（`cargo test`）可能会因为示例和集成测试依赖特定特性而失败
- 带有特性的测试（如`--features "pubsub ha"`）需要确保相关特性已正确配置
- 部分示例和集成测试可能需要特定的运行环境或配置
## 示例
查看`examples`目录下的示例代码：
- `basic_usage.rs`：基本使用示例，展示表定义、插入、查询和事务操作
- `low_power_mode.rs`：低功耗模式示例，展示如何配置和使用低功耗模式
- `incremental_snapshot.rs`：增量快照示例，展示如何保存和恢复增量快照
- `sql_query.rs`：SQL查询示例，展示如何使用SQL查询内存数据库
- `ddl_example.rs`：DDL示例，展示如何使用DDL宏定义表和索引
- `ddl_runtime_example.rs`：运行时DDL配置示例，展示如何使用运行时DDL API
- `pubsub_example.rs`：发布/订阅示例，展示如何使用基于UDP的高可靠数据订阅与发布功能
- `time_series.rs`：时间序列示例，展示如何处理时间序列数据
- `test_remdb_server.rs`：主从复制示例，展示如何使用同步或异步复制模式运行主从服务器
### 主从复制示例
> 注意：使用此功能需要在Cargo.toml中启用`ha`特性
`test_remdb_server.rs`示例展示了如何使用主从复制功能，支持通过命令行参数设置同步或异步复制模式：
#### 主节点启动命令
```bash
# 同步模式
cargo run --example test_remdb_server master sync
# 异步模式
cargo run --example test_remdb_server master async
```
#### 从节点启动命令
```bash
# 同步模式
cargo run --example test_remdb_server slave sync <master_ip> <master_port>
# 异步模式
cargo run --example test_remdb_server slave async <master_ip> <master_port>
```
#### 示例输出
```
Starting RemDB Server...
Role: Master
Replication Mode: Sync
RemDB Server started successfully!
Listening on UDP port 5555
Topics available:
- WAL_INSERT (ID: 1) - WAL insert operations
- WAL_UPDATE (ID: 2) - WAL update operations
- WAL_DELETE (ID: 3) - WAL delete operations
- WAL_TIMESERIES_INSERT (ID: 4) - WAL timeseries insert operations
- WAL_COMMIT (ID: 5) - WAL commit operations
- WAL_ABORT (ID: 6) - WAL abort operations
- WAL_CHECKPOINT (ID: 7) - WAL checkpoint operations
- WAL_ALL (ID: 8) - All WAL operations
- TABLES (ID: 9) - Table creation/deletion events
- HEARTBEAT - Sent every 5 seconds
```
## 项目结构
```
remdb/
├── src/
│ ├── lib.rs # 主库入口
│ ├── types.rs # 基本数据类型定义
│ ├── config.rs # 编译时配置宏
│ ├── table.rs # 内存表实现
│ ├── index.rs # 索引实现
│ ├── transaction.rs # 事务管理
│ ├── monitor.rs # 数据库监控模块
│ ├── c_api.rs # C语言接口实现
│ ├── sql/
│ │ ├── mod.rs # SQL查询模块
│ │ ├── query_parser.rs # SQL查询解析器
│ │ ├── query_executor.rs # SQL查询执行器
│ │ └── result_set.rs # 结果集处理
│ ├── memory/
│ │ ├── allocator.rs # 静态内存分配器
│ │ ├── pool.rs # 内存池
│ │ └── mod.rs
│ ├── platform/
│ │ ├── mod.rs # 平台抽象层定义
│ │ ├── posix.rs # POSIX平台实现
│ │ └── baremetal.rs # 裸机平台实现
│ ├── ha/
│ │ ├── mod.rs # 高可用模块入口
│ │ ├── manager.rs # HA管理器实现
│ │ ├── replication.rs # 复制功能实现
│ │ ├── heartbeat.rs # 心跳检测实现
│ │ └── role.rs # 角色管理实现
│ ├── pubsub/
│ │ ├── mod.rs # 发布/订阅模块入口
│ │ ├── protocol.rs # 协议帧定义与解析
│ │ ├── udp.rs # 跨平台UDP套接字封装
│ │ ├── subscriber.rs # 订阅者管理
│ │ ├── publisher.rs # 发布者管理
│ │ ├── topics.rs # 预定义主题
│ │ ├── ttl_ringbuffer.rs # TTL环形缓冲区
│ │ └── crc32.rs # CRC32校验实现
│ └── time_series/
│ ├── mod.rs # 时序数据库模块入口
│ ├── table.rs # 时序表实现
│ ├── index.rs # 时序数据索引
│ ├── compression.rs # 压缩算法实现
│ ├── partition.rs # 数据分区实现
│ ├── lifecycle.rs # 数据生命周期管理
│ └── config.rs # 时序数据库配置
├── examples/ # 示例代码
├── tests/ # 测试代码
├── Cargo.toml # 项目配置
└── README.md # 项目说明文档
```
## 许可证
MIT许可证
## 贡献
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## 项目链接
- 国内：https://gitee.com/totaltrust/remdb
- 国外：https://github.com/bobjia/remdb
- Crates：https://crates.io/crates/remdb
## 注意事项
1. remdb专为嵌入式系统设计，不适合大规模数据存储
2. 在no_std环境下使用时，需要提供适当的内存分配器实现
3. 请确保在使用前正确初始化内存分配器和平台抽象层
## 未来计划
- 支持更多的数据类型
- 优化内存使用
- 提供更多的索引类型
- 增加更多的示例和文档
- 实现更复杂的内存优化算法
- 完善运行时DDL配置API，支持完整的表和索引创建功能
- 支持DROP TABLE和ALTER TABLE语句
- 优化运行时DDL操作的性能
- 支持更复杂的索引配置选项