微信移动端数据库组件 WCDB 系列（三） — 解析 WINQ 原理

Dear 丶 2021-09-12 08:14 633阅读 0赞

# 背景 #

高效、完整、易用是 WCDB 的基本原则。前几篇文章分享了 WCDB 的基本用法和修复工具，接下来将更深入地聊聊 WCDB 在易用性上的思考和实践。

对于各类客户端数据库，似乎都绕不开拼接字符串这一步。即便在 Realm 这样的 NoSQL 的数据库中，在进行查询时，也依赖于字符串的语法：

//Realm code
    [Dog objectsWhere:@"age < 2"]

别看小小的字符串拼接，带来的麻烦可不小：

*  代码冗余。为了拼接出匹配的 SQL 语句，业务层往往要写许多胶水代码来 format 字符串。这些代码冗长且没有什么“营养”。
 *  难以查错。对于编译器而言，SQL 只是一个字符串。这就意味着即便你只写错了一个字母，也得在代码 run 起来之后，通过 log 或断点才能发现错误。倘若 SQL 所在的代码文件依赖较多，即使改正一个敲错的字母，就得将整个工程重新编译一遍，简直是浪费生命。
 *  SQL 注入。举一个简单的例子：

- (BOOL)insertMessage:(NSString*)message
    {
        NSString* sql = [NSString stringWithFormat:@"INSERT INTO message VALUES('%@')", message];
        return [db executeUpdate:sql];
    }

这是插入消息的 SQL。倘若对方发来这样的消息：`');DELETE FROM message;--`，那么这个插入的 SQL 就会被分成三段进行解析：

INSERT INTO message VALUES('');
    DELETE FROM message;
    --')

它会在插入一句空消息后，将 message 表内的所有消息删除。若 App 内存在这样的漏洞被坏人所用，后果不堪设想。

反注入的通常做法是：

*  利用 SQLite 的绑定参数。通过绑定参数避免字符串拼接。

- (BOOL)insertMessage:(NSString*)message
    {
        return [db executeUpdate:@"INSERT INTO message VALUES(?)", message];
    }

*  对于不适用绑定参数的 SQL，则可以将单引号替换成双单引号，避免传入的单引号提前截断 SQL。

- (BOOL)insertMessage:(NSString*)message
    {
        NSString* sql = [NSString stringWithFormat:@"INSERT INTO message VALUES('%@')", [message stringByReplacingOccurrencesOfString:@"'" withString:@"''"]];
        return [db executeUpdate:sql];
    }

尽管反注入并不难，但要求业务开发都了解、并且在开发过程中时时刻刻都警惕着 SQL 注入，是不现实的。

一旦错过了在框架层统一解决这些问题的机会，后面再通过代码规范、Code Review 等等人为的方式去管理，就难免会发生疏漏。

因此，WCDB 的原则是，问题应当更早发现更早解决。

*  能在编译期发现的问题，就不要拖到运行时；
 *  能在框架层解决的问题，就不要再让业务去分担。

基于这个原则，我开始进行对 SQLite 的接口的抽象。

# SQL 的组合能力 #

思考的过程注定不会是一片坦途，我遇到的第一个挑战就是：

### 问题一：SQL 应该怎么抽象？ ###

SQL 是千变万化的，它可以是一个很简单的查询，例如：

SELECT * FROM message;

这个查询只是取出 message 表中的所有元素。假设我们可以封装成接口：

StatementSelect getAllFromTable(const char* tableName);

但 SQL 也可以是一个很复杂的查询，例如：

SELECT max(localID), count(content) FROM message WHERE content IS NOT NULL AND createTime!=modifiedTime OR type NOT BETWEEN 0 AND 2 GROUP BY type HAVING localID>0 ORDER BY createTime ASC LIMIT (SELECT count(*) FROM contact, contact_ext WHERE contact.username==contact_ext.username)

这个查询包含了条件、分组、分组过滤、排序、限制、聚合函数、子查询，多表查询。什么样的接口才能兼容这样的 SQL？

遇到这种两极分化的问题，我的思路通常是二八原则。即

*  封装常用操作，覆盖 80%的使用场景。
 *  暴露底层接口，适配剩余 20%的特殊情况。

但更多的问题出现：

### 问题二：怎么定义常用操作？ ###

*  对于微信常用的操作，是否也适用于所有开发者？
 *  现在不使用的操作，以后是否会变成常用？

### 问题三：常用操作与常用操作的组合，是否仍属于常用操作？ ###

查询某个字段的最大值或最小值，应该属于常用操作的：

SELECT max(localID) FROM message;
    SELECT min(localID) FROM message;

假设可以封装为

StatementSelect getMaxOfColumnFromTable(const char* columnName, const char* tableName);
    StatementSelect getMinOfColumnFromTable(const char* columnName, const char* tableName);

但，SQL 是存在组合的能力的。同时查询最大值和最小值，是否仍属于常用操作？

SELECT max(localID), min(localID) FROM message;

若以此规则，继续封装为：

StatementSelect getMaxAndMinOfColumnFromTable(const char* columnName, const char* tableName);

那同时查询最大值、最小值和总数怎么办？

SELECT max(localID), min(localID), count(localID) FROM message;

显然，“常用接口”的定义在不断地扩大，接口的复杂性也在增加。以后维护起来，就会疲于加新接口，并且没有边界。

### 问题四：特殊场景所暴露的底层接口，应该以什么形式存在？ ###

若底层接口还是接受字符串参数的传入，那么前面所思考的一切都是徒劳。

因此，这里就需要一个理论的基础，去支持 WCDB 封装是合理的，而不仅仅是堆砌接口。

于是，我就去找了 SQL 千变万化组合的根源 — SQL 语法规则。

# SQL 语法规则 #

SQLite 官网提供了 SQL 的语法规则：[http://www.sqlite.org/lang.html][http_www.sqlite.org_lang.html]

例如，这是一个`SELECT`语句的语法规则：

![20170615163807579][]

SQLite 按照图示箭头流向的语法规则解析传入的 SQL 字符串。每个箭头都有不同的流向可选。

例如，`SELECT`后，可以直接接`result-column`，也可以插入`DISTINCT`或者`ALL`。

语法规则中的每个字段都有其对应涵义，其中

*  `SELECT`、`DISTINCT`、`ALL`等等大写字母是`keyword`，属于 SQL 的保留字。
 *  ```result-column、``table-or-subquery```、`expr`等等小写字母是 token。token 可以再进一步地展开其构成的语法规则。

例如，在`WHERE`、`GROUP BY`、`HAVING`、`LIMIT`、`OFFSET`后所跟的参数都是`expr`，它的展开如下：

![20170615163934471][]

可以看到，`expr`有很多种构成方式，例如：

*  `expr`: `literal-value`。`literal-value`可以进一步展开，它是纯粹的数值。  
    
    
     *  如数字 1、数字 30、字符串”Hello”等都是`literal-value`，因此它们也是`expr`。
 *  `expr`: `expr (binary operator) expr`。两个`expr`通过二元操作符进行连接，其结果依然属于`expr`。  
    
    
     *  如 1+”Hello”。1 和”Hello”都是`literal-value`，因此它们都是`expr`，通过二元操作符”+”号连接，其结果仍然是一个`expr`。尽管 1+”Hello”看上去没有实质的意义，但它仍是 SQL 正确的语法。

以刚才那个复杂的 SQL 中的查询语句为例：

content IS NOT NULL 
    AND createTime!=modifiedTime 
    OR type NOT BETWEEN 0 AND 2

1.  `content IS NOT NULL`，符合 `expr IS NOT NULL`的语法，因此其可以归并为`expr`
2.  `createTime!=modifiedTime`，符合 `expr (binary operator) expr`的语法，因此其可以归并为`expr`
3.  `type NOT BETWEEN 0 AND 2`，符合 `expr NOT BETWEEN expr AND expr`的语法，因此其可以归并为`expr`
4.  `1. AND 2.`，符合`expr (binary operator) expr`的语法，因此其可以归并为`expr`
5.  `4. OR 3.`，符合`expr (binary operator) expr`的语法，因此其可以归并为`expr`

最终，这么长的条件语句归并为了一个`expr`，符合`SELECT`语法规则中`WHERE expr`的语法，因此是正确的 SQL 条件语句。

也正是基于此，可以得出：只要按照 SQL 的语法封装，就可以保留其组合的能力，就不会错过任何接口，落入疲于加接口的陷阱。

WCDB 的具体做法是：

1.  将固定的 keyword，封装为函数名，作为连接。
2.  将可以展开的 token，封装为类，并在类内实现其不同的组合。

以 SELECT 语句为例：

class StatementSelect : public Statement {
    public:
        //...
        StatementSelect &where(const Expr &where);
        StatementSelect &limit(const Expr &limit);
        StatementSelect &having(const Expr &having);
        //...
    };

在语法规则中，`WHERE`、`LIMIT`等都接受`expr`作为参数。因此，不管 SQL 多么复杂，`StatementSelect`也只接受`Expr`的参数。而其组合的能力，则在`Expr`类内实现。

class Expr : public Describable {
    public:
        Expr(const Column &column);
        template <typename T>
        Expr(const T &value,
             typename std::enable_if<std::is_arithmetic<T>::value ||
                                     std::is_enum<T>::value>::type * = nullptr)
            : Describable(literalValue(value))
        {
        }
        Expr(const std::string &value);
    
        Expr operator||(const Expr &operand) const;
        Expr operator&&(const Expr &operand) const;
        Expr operator!=(const Expr &operand) const;
    
        Expr between(const Expr &left, const Expr &right) const;
        Expr notBetween(const Expr &left, const Expr &right) const;
    
        Expr isNull() const;
        Expr isNotNull() const;
    
        //...
    };

`Expr`通过构造函数和 C++的偏特化模版，实现了从字符串和数字等进行初始化的效果。同时，通过 C++运算符重载的特性，可以将 SQL 的运算符无损地移植到过来，使得语法上也可以更接近于 SQL。

在对应函数里，再进行 SQL 的字符串拼接即可。同时，所有传入的字符串都会在这一层预处理，以防注入。如：

Expr::Expr(const std::string &value) : Describable(literalValue(value))
    {
    }
    
    std::string Expr::literalValue(const std::string &value)
    {
      //SQL anti-injection
        return "'" + stringByReplacingOccurrencesOfString(value, "'", "''") + "'";
    }
    
    Expr Expr::operator&&(const Expr &operand) const
    {
        Expr expr;
        expr.m_description.append("(" + m_description + " AND " +
                                  operand.m_description + ")");
        return expr;
    }

基于这个抽象方式，就可以对复杂查询中的条件语句进行重写为：

Column content("content");
    Column createTime("createTime");
    Column modifiedTime("modifiedTime");
    Column type("type");
    StatementSelect select;
    //...
    //WHERE content IS NOT NULL 
    // AND createTime!=modifiedTime 
    // OR type NOT BETWEEN 0 AND 2
    select.where(Expr(content).isNotNull()
                &&Expr(createTime)!=Expr(modifiedTime)
                ||Expr(type).notBetween(0, 2));
    //...

首先通过`Column`创建对应数据库字段的映射，再转换为`Expr`，调用对应封装的函数或运算符，即可完成字符串拼接操作。

这个抽象便是 WCDB 的语言集成查询的特性 —— WINQ（WCDB、Integrated、Query）。

更进一步，由于 WCDB 在接口层的 ORM 封装，使得开发者可以直接通过`className.propertyName`的方式，拿到字段的映射。因此连上述的转换操作也可以省去，查询代码可以在一行代码内完成。

以下是 WCDB 在接口层和 WINQ 的支持下，对前面所提到的 SQL 语句的代码示例：

//SELECT * FROM message;
    [db getAllObjectsOfClass:Message.class
                   fromTable:@"message"];
    
    /* SELECT max(localID), count(content) FROM message WHERE content IS NOT NULL AND createTime!=modifiedTime OR type NOT BETWEEN 0 AND 2 GROUP BY type HAVING localID>0 ORDER BY createTime ASC LIMIT (SELECT count(*) FROM contact, contact_ext WHERE contact.username==contact_ext.username) */
    [[[[[[db prepareSelectRowsOnResults:{Message.localID.max(), Message.content.count()}
                              fromTable:@"message"]
                                  where:Message.content.isNotNull() 
                                        && Message.createTime != Message.modifiedTime 
                                        || Message.type.notBetween(0, 2)]
                                groupBy:{Message.type}]
                                 having:Message.localID > 0]
                                orderBy:Message.createTime.order(WCTOrderedAscending)]
                                  limit:[[[WCTSelectBase alloc] initWithResultList:Contact.AnyProperty.count()
                                                                        fromTables:@[ @"contact", @"contact_ext" ]]
                                                                             where:Contact.username.inTable(@"contact") == ContactExt.username.inTable(@"contact_ext")]];
    
    /* SELECT max(localID) FROM message; */
    [db getOneValueOnResult:Message.localID.max()
                  fromTable:@"message"];
    /* SELECT min(localID) FROM message; */
    [db getOneValueOnResult:Message.localID.min()
                  fromTable:@"message"];
    /* SELECT max(localID), min(localID) FROM message; */
    [db getOneRowOnResults:{Message.localID.max(), Message.localID.min()}
                 fromTable:@"message"];
    /* SELECT max(localID), min(localID), count(localID) FROM message */
    [db getOneRowOnResults:{Message.localID.max(), Message.localID.min(), Message.localID.count()}
                 fromTable:@"message"];

# 总结 #

WCDB 通过 WINQ 抽象 SQLite 语法规则，使得开发者可以告别字符串拼接的胶水代码。通过和接口层的 ORM 结合，使得即便是很复杂的查询，也可以通过一行代码完成。并借助 IDE 的代码提示和编译检查的特性，大大提升了开发效率。同时还内建了反注入的保护。

![20170615164204440][]

代码提示

![20170615164300675][]

编译时检查

虽然 WINQ 在实现上使用了 C++11 特性和模版等，但在使用过程并不需要涉及。对于熟悉 SQL 的开发，只需按照本能即可写出 SQL 对应的 WINQ 语句。最终达到提高 WCDB 易用性的目的。

同时，基于 C++的实现也使得 WINQ 在性能可以期待。

后续我们还将分享 WCDB 在多线程管理上的思考，欢迎访问 [WCDB 的 Github 仓库][WCDB _ Github]，先睹为快！

> 作者：张三华  
> 责编：唐门教主

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[http_www.sqlite.org_lang.html]: http://www.sqlite.org/lang.html
[20170615163807579]: /images/20210907/50115ab1fa3147b2a0019ff1bb66906e.png
[20170615163934471]: /images/20210907/cf0d684daf6c4491a4ec15ca59d3b7a0.png
[20170615164204440]: /images/20210907/26ca44c3c43a4fa5a5cb4c6006e723b0.png
[20170615164300675]: /images/20210907/18f70f72424644d38d8dd5e513dd6433.png
[WCDB _ Github]: https://github.com/WeMobileDev/article
[20170615164947334]: /images/20210907/76d25bfdcb0a472096e0fb7f4b5c657e.png