元数据的构建

什么是元数据

orm 框架一般需要定义表的模型，然后模型与表生成映射关系，那么就一定少不了解析模型然后找到与之映射的数据库表，所以，元数据是解析模型获得的，这些元数据将被用于构建 SQL、执行校验，以及用于处理结果集。

模型：一般是指对应到数据库表的 Go 结构体定义，也被称为 Schema、Table、Meta 等

开源实例

Beego orm

Gorm

设计总结

不管是哪个框架，要考虑保存对应的表的元数据信息，那就避免不了，Model 和 Field 这两个类，Model 保存表维度的信息；Field 保存字段维度的信息；

Model: 表名、索引、主键、关联关系

Field：列名、Go 类型、数据库类型、是否主键、是否外键……

由此可以推断，开源实例的元数据设计看上去很复杂但其设计的演化过程如下：

解析模型

元数据最简单的版本如下：

// field 字段
type Field struct {colName string
}

type Model struct {// tableName 结构体对应的表名tableName string// 字段名到字段的元数据fieldMap map[string]*Field
}

其实从已有的功能 From 和 Where 来看，那么最少也就需要两个东西：列名、表名；现在如何吧这两个信息解析出来呢？答案就是利用 go 的反射机制；这里可以优先参考常见的开源实例如下，看看这里是怎么做的。

Beego orm

beego orm 采用了用 reflect.Value 接收待解析的模型类参数。

一般来说考虑组合定义的模型时，就难免需要使用递归

Gorm

Gorm 总体上也是设计思想也是相近的，不过它将元数据模型称为 Schema，解析模型得到元数据的代码在 Parse 方法中，方法的逻辑中展示了 Gorm 支持什么样的模型定义。

逐个字段解析，可以清晰看到，它只解析公开字段。 GORM 利用 tag 来允许用户设置一些对字段的描述，例如是否是主键、是否允许自增。从官网也可以看到定义模型，使用 tag。

那么接下来，可以思考一下，实际在自己的 orm 框架中；元数据该怎么定义：

type model struct {// tableName 结构体对应的表名tableName stringfieldMap  map[string]*field
}

// field 字段
type field struct {colName string
}

当模型相关的类型定义好后，就开始着眼于要如何解析模型了，模型解析时要考虑通常在 go 开发中，结构体的命名一般采取驼峰式命名；这时将这个结构体映射到数据库表中，必然要考虑如何将驼峰式的命名作一个转换的问题；这里采用驼峰转下划线的方式将模型名称转换为数据库表名，例如：在用户不特殊指定表名的情况下，如果表模型结构体为 TestModel{} 那么转换到数据库中的表名为 test_model; 包括结构体中的字段也是一样的。

func parseModel(val any) (*Model, error) {if val == nil {return nil, errs.ErrInputNil}ptrTyp := reflect.TypeOf(val)typ := ptrTyp.Elem()if ptrTyp.Kind() != reflect.Ptr || typ.Kind() != reflect.Struct {return nil, errs.ErrPointerOnly}
// 获得字段的数量numField := typ.NumField()fds := make(map[string]*Field, numField)for i := 0; i < numField; i++ {fdType := typ.Field(i)fds[fdType.Name] = &Field{colName: underscoreName(fdType.Name),}}return &Model{tableName: underscoreName(typ.Name()),fieldMap:  fds,}, nil
}

// underscoreName 驼峰转字符串命名
func underscoreName(tableName string) string {var buf []bytefor i, v := range tableName {if unicode.IsUpper(v) {if i != 0 {buf = append(buf, '_')}buf = append(buf, byte(unicode.ToLower(v)))} else {buf = append(buf, byte(v))}}return string(buf)
}

注意：这里模型的解析，只支持一级指针

另外，这里的 error 也是单独拆出来定义的，也叫中心式的 error 定义；从长远维护，或者考虑将来要对 error 进行改造来看，一个集中创建 error 的地方能更高效。

var (// ErrPointerOnly 只支持一级指针作为输入// 看到这个 error 说明你输入了其它的东西// 我们并不希望用户能够直接使用 err == ErrPointerOnly// 所以放在我们的 internal 包里ErrPointerOnly = errors.New("orm: 只支持一级指针作为输入，例如 *User")
)

// NewErrUnknownField 返回代表未知字段的错误
// 一般意味着你可能输入的是列名，或者输入了错误的字段名
func NewErrUnknownField(fd string) error {return fmt.Errorf("orm: 未知字段 %s", fd)
}

// NewErrUnsupportedExpressionType 返回一个不支持该 expression 错误信息
func NewErrUnsupportedExpressionType(exp any) error {return fmt.Errorf("orm: 不支持的表达式 %v", exp)
}

部分错误需要错误信息，那么也可以用定义方法来创建。 wrap error 也可以;

接下来就是顺着解析模型，去改造 Selector 了:

// Selector 用于构造 SELECT 语句
type Selector[T any] struct {sb    strings.Builderargs  []anytable stringwhere []Predicatemodel *model
}

// From 指定表名，如果是空字符串，那么将会使用默认表名
func (s *Selector[T]) From(tbl string) *Selector[T] {s.table = tblreturn s
}

func (s *Selector[T]) Build() (*Query, error) {var (t   Terr error)s.model, err = parseModel(&t)if err != nil {return nil, err}s.sb.WriteString("SELECT * FROM ")if s.table == "" {s.sb.WriteByte('`')s.sb.WriteString(s.model.tableName)s.sb.WriteByte('`')} else {s.sb.WriteString(s.table)}
// 构造 WHEREif len(s.where) > 0 {// 类似这种可有可无的部分，都要在前面加一个空格s.sb.WriteString(" WHERE ")p := s.where[0]for i := 1; i < len(s.where); i++ {p = p.And(s.where[i])}if err := s.buildExpression(p); err != nil {return nil, err}}s.sb.WriteString(";")return &Query{SQL:  s.sb.String(),Args: s.args,}, nil
}

func (s *Selector[T]) buildExpression(e Expression) error {if e == nil {return nil}switch exp := e.(type) {case Column:fd, ok := s.model.fieldMap[exp.name]if !ok {return errs.NewErrUnknownField(exp.name)}s.sb.WriteByte('`')s.sb.WriteString(fd.colName)s.sb.WriteByte('`')case value:s.sb.WriteByte('?')s.args = append(s.args, exp.val)case Predicate:_, lp := exp.left.(Predicate)if lp {s.sb.WriteByte('(')}if err := s.buildExpression(exp.left); err != nil {return err}if lp {s.sb.WriteByte(')')}
s.sb.WriteByte(' ')s.sb.WriteString(exp.op.String())s.sb.WriteByte(' ')
_, rp := exp.right.(Predicate)if rp {s.sb.WriteByte('(')}if err := s.buildExpression(exp.right); err != nil {return err}if rp {s.sb.WriteByte(')')}default:return errs.NewErrUnsupportedExpressionType(exp)}return nil
}

// Where 用于构造 WHERE 查询条件。如果 ps 长度为 0，那么不会构造 WHERE 部分
func (s *Selector[T]) Where(ps ...Predicate) *Selector[T] {s.where = psreturn s
}


func NewSelector[T any]() *Selector[T] {return &Selector[T]{}
}

元数据注册中心

它有这样一个问题：每个 Selector 都要解析一遍，即便是我们测试的 TestModel 也是重复解析来解析去。能不能一个类型只解析一次？比如说 TestModel 只需要解析一次，后面的就复用前面解析的结果？

func (s *Selector[T]) Build() (*Query, error) {var (t   Terr error)s.model, err = parseModel(&t)  // 这里每个 Selector 都会重复解析if err != nil {return nil, err}s.sb.WriteString("SELECT * FROM ")if s.table == "" {s.sb.WriteByte('`')s.sb.WriteString(s.model.tableName)s.sb.WriteByte('`')} else {s.sb.WriteString(s.table)}
// 构造 WHEREif len(s.where) > 0 {// 类似这种可有可无的部分，都要在前面加一个空格s.sb.WriteString(" WHERE ")p := s.where[0]for i := 1; i < len(s.where); i++ {p = p.And(s.where[i])}if err := s.buildExpression(p); err != nil {return nil, err}}s.sb.WriteString(";")return &Query{SQL:  s.sb.String(),Args: s.args,}, nil
}

答案是可以的，通过一个公共的模块来存放该元数据可以达到该效果，这个公共的模块就叫做元数据注册中心；那元数据注册中心要如何定义？

全局map：

var models = map[reflect.Type]*model{}

缺乏扩展性：无法在 models 上定义任何方法
缺乏隔离性：如果不同 DB 之间需要隔离，那么毫无办法
难以测试：包变量的天然缺点，会间接引起不同测试之间的耦合

定义了 registry，但是维持全局一个实例:

难以测试：包变量的天然缺点，会间接引起不同测试之间的耦合

在 Go 的 SDK 里面经常能见到类似的设计。大概可以看做：

有一个接口
有一个默认实现
维持一个包变量的默认实例
提供包方法，直接操作默认实例

Beego 里面的 modelCache 就是维持了一个全局变量，所以它的 ORM 单元测试很难独立运行，互相之间都会有影响。

个人看法：不到逼不得已，不要使用包变量。所以我们需要考虑把注册中心交给一个东西来维护，那么给谁呢？当然是 DB 模块了。

为什么说 DB 是最佳选择？

DB 在 ORM 中的地位，就相当于 HTTPServer 在 Web 框架中的地位。

允许用户使用多个 DB 实例
每个 DB 实例可以单独配置，例如配置元数据中心
DB 就是天然的隔离和治理单位
- 例如超时配置
- 方言：例如 MySQL DB 和 SQLite DB
- 慢查询阈值

创建DB

type DBOption func(*DB)

type DB struct {r  *registry
}

func NewDB(opts ...DBOption) (*DB, error) {db := &DB{r: &registry{},}for _, opt := range opts {opt(db)}return db, nil
}

暂时设计一个 NewDB 的方法，并且留下了 Option 模式的口子，为将来留下扩展性的口子。后面支持更多功能的时候，会在 DB 里面不断添加字段。

registry 定义

理论上来说，models 的 key 有三种选择：

结构体名字（类型名字）：例如 User。其实不太行，因为用户有同名结构体但是表名不一样的需求，例如 buyer 包下面的 User 和 seller 包下面的 User。
表名：例如 user_t。这个肯定不行，因为在拿到元数据之前我们都不知道表名是什么。
reflect.Type：唯一的选择

type registry struct {// model key 是类型名// 这种定义方式是不行的// 1. 类型名冲突，例如都是 User，但是一个映射过去 buyer_t// 一个映射过去 seller_t// 2. 并发不安全// model map[string]*model
lock   sync.RWMutexmodels map[reflect.Type]*Model
使用 sync.Map//model sync.Map
}

models 字段：采用的是反射类型 => 元数据的映射关系
get 方法：会首先查找 models，没有找到就会开始解析，解析完放回去 models

// 使用读写锁的并发安全解决思路
func (r *registry) get(val any) (*Model, error) {if val == nil {return nil, errs.ErrInputNil}r.lock.RLock()typ := reflect.TypeOf(val)m, ok := r.models[typ]r.lock.RUnlock()if ok {return m, nil}
r.lock.Lock()defer r.lock.Unlock()m, ok = r.models[typ]if ok {return m, nil}var err errorif m, err = r.parseModel(typ); err != nil {return nil, err}r.models[typ] = mreturn m, nil
}

最后再一次改造 Selector；构造 SELECT 语句的时候从 registry 里面拿元数据。

// Selector 用于构造 SELECT 语句
type Selector[T any] struct {sb    strings.Builderargs  []anytable stringwhere []Predicatemodel *model
db *DB
}

func (s *Selector[T]) Build() (*Query, error) {var (t   Terr error)s.model, err = s.db.r.get(&t)if err != nil {return nil, err}s.sb.WriteString("SELECT * FROM ")if s.table == "" {s.sb.WriteByte('`')s.sb.WriteString(s.model.tableName)s.sb.WriteByte('`')} else {s.sb.WriteString(s.table)}
// 构造 WHEREif len(s.where) > 0 {// 类似这种可有可无的部分，都要在前面加一个空格s.sb.WriteString(" WHERE ")p := s.where[0]for i := 1; i < len(s.where); i++ {p = p.And(s.where[i])}if err := s.buildExpression(p); err != nil {return nil, err}}s.sb.WriteString(";")return &Query{SQL:  s.sb.String(),Args: s.args,}, nil
}

自定义表名和列名

目前我们的策略是驼峰转下划线命名，例如 FirstName 变成 first_name。但是用户会有各种个性化的需求：

自定义表名：比如说有些公司认为，User 结构体对应的表名应该是 user_t
自定义列名：比如说字段 Status，在 user_t 里面可能就叫做 user_statu

先来看看 Beego 和 Gorm 是怎么做的

Beego orm

Beego orm 里面提供了两种方式：

标签（Tag）：用户可以在标签里面指定很多东西，列名只是其中之一

实现特定接口：例如实现了 TableNameI 就可以自定义表名

这两种做法都有限制，比如它们对 protobuf 生成的结构体，就不太好用。自己手写的结构体就没什么问题。

Gorm

Gorm 和 Beego 差不多，都是标签和接口两种形态。

这里参考 beego 和 Grom 的策略 主要就是两个步骤： 定义标签的语法：这个完全就是个人偏好 解析标签：也就是利用反射提取到完整标签，然后按照我们的需要进行切割

func (r *registry) parseTag(tag reflect.StructTag) (map[string]string, error) {ormTag := tag.Get("orm")if ormTag == "" {// 返回一个空的 map，这样调用者就不需要判断 nil 了return map[string]string{}, nil}// 这个初始化容量就是我们支持的 key 的数量，// 现在只有一个，所以我们初始化为 1res := make(map[string]string, 1)
// 接下来就是字符串处理了pairs := strings.Split(ormTag, ",")for _, pair := range pairs {kv := strings.Split(pair, "=")if len(kv) != 2 {return nil, errs.NewErrInvalidTagContent(pair)}res[kv[0]] = kv[1]}return res, nil
}

接口自定义表名

支持标签有一个很尴尬的问题：

Go 的标签只支持声明在字段上，也就是说你无法为类型定义标签

所以在采用标签方案的时候，意味着我们只能支持字段。结构体级别（或者说表级别），需要额外的手段。很显然，可以参考 Beego 和 ORM 的做法。相比原来， parseModel 多调用了一次 reflect.Type，但是这一点点性能消耗，完全不用在意。

// TableName 用户实现这个接口来返回自定义的表名
type TableName interface {TableName() string
}

// parseModel 支持从标签中提取自定义设置
// 标签形式 orm:"key1=value1,key2=value2"
// 改为接收最原始的 val
func (r *registry) parseModel(val any) (*model, error) {  typ := reflect.TypeOf(val)if typ.Kind() != reflect.Ptr ||typ.Elem().Kind() != reflect.Struct {return nil, errs.ErrPointerOnly}typ = typ.Elem()
// 获得字段的数量numField := typ.NumField()fds := make(map[string]*field, numField)for i := 0; i < numField; i++ {fdType := typ.Field(i)// 解析 tagtags, err := r.parseTag(fdType.Tag)if err != nil {return nil, err}colName := tags[tagKeyColumn]if colName == "" {colName = underscoreName(fdType.Name)}fds[fdType.Name] = &field{colName: colName,}}var tableName string// 判断是否实现了 TableName 接口if tn, ok := val.(TableName); ok {tableName = tn.TableName()}
if tableName == "" {tableName = underscoreName(typ.Name())}
return &model{tableName: tableName,fieldMap:  fds,}, nil
}

总结

ORM 框架是怎么将一个结构体映射为一张表的（或者反过来）？核心就是依赖于元数据，元数据描述了两者之间的映射关系。
ORM 的元数据有什么用？在构造 SQL 的时候，用来将 Go 类型映射为表；在处理结果集的时候，用来将表映射为 Go结构体。
ORM 的元数据一般包含什么？一般包含表信息、列信息、索引信息。在支持关联关系的时候，还包含表之间的关联关系。
ORM 的表信息包含什么？主要就是表级别上的配置，例如表名。如果 ORM 本身支持分库分表，那么还包含分库分表信息。
ORM 的列信息包含什么？主要就是列名、类型（和对应的 Go 类型）、索引、是否主键，以及关联关系。
ORM 的索引信息包含什么？主要就是每一个索引的列，以及是否唯一。
ORM 如何获得模型信息？主要是利用反射来解析 Go 类型，同时可以利用 Tag，或者暴露编程接口，允许用户额外定制模型（例如指定表名）。
Go 字段上的 Tag（标签）有什么用？用来描述字段本身的额外信息，例如使用 json 来指示转化 json 之后的字段名字，或者如 GORM 使用 Tag 来指定列的名字、索引等。这种问题可能出在面试官问 Go 语法上。
GORM（Beego）是如何实现的？只要回答构造 SQL + 处理结果集 + 元数据就可以了。剩下的可能就是进一步问 SQL 怎么构造，以及结果集是如何被处理的。