實(shí)時數(shù)據(jù)庫的特性

1、實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng)及 其 特 征 劉 云 生-盧 炎 生-李 國 徽 返回- 數(shù) 據(jù) 庫 理 論 與 技 術(shù) 的 發(fā) 展 極 其 迅 速， 其 應(yīng) 用 日 益 廣 泛， 在 當(dāng) 今 的 信 息 社 會 中， 它 幾 乎 無 所 不 在。 以 關(guān) 系 型 為 代 表 的 三 大 經(jīng) 典（ 層 次、 網(wǎng) 狀、 關(guān) 系） 型 數(shù) 據(jù) 庫 在 傳 統(tǒng) 的（ 商 務(wù) 和 管 理 的 事 務(wù) 型） 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 獲 得 了 極 大 成 功， 然 而 它 們 在 現(xiàn) 代 的（ 非 傳 統(tǒng)） 工 程 和 時 間 關(guān) 鍵 型 應(yīng) 用 面 前 卻 顯 得 軟 弱 無 力， 面 臨 著 新 的 嚴(yán) 峻 的

2、 挑 戰(zhàn)， 由 此 而 導(dǎo) 致 了 實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫（Real time Database，RTDB） 的 產(chǎn) 生 和 發(fā) 展。 實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫 的 發(fā) 展-數(shù) 據(jù) 庫 的 應(yīng) 用 正 從 傳 統(tǒng) 領(lǐng) 域 向 新 的 領(lǐng) 域 擴(kuò) 展， 如CAD/CAM、CIMS； 數(shù) 據(jù) 通 信、 電 話 交 換、 電 力 調(diào) 度 等 網(wǎng) 絡(luò) 管 理； 電 子 銀 行 事 務(wù)、 電 子 數(shù) 據(jù) 交 換 與 電 子 商 務(wù)、 證 券 與 股 票 交 易； 交 通 控 制、 雷 達(dá) 跟 蹤、 空 中 交 通 管 制； 武 器 制 導(dǎo)、 實(shí) 時 仿 真、 作 戰(zhàn) 指 揮 自 動 化 或C3I 系 統(tǒng)， 等 等

3、。 這 些 應(yīng) 用 有 著 與 傳 統(tǒng) 應(yīng) 用 不 同 的 特 征， 一 方 面， 要 維 護(hù) 大 量 共 享 數(shù) 據(jù) 和 控 制 數(shù) 據(jù)； 另 一 方 面， 其 應(yīng) 用 活 動（ 任 務(wù) 或 事 務(wù)） 有 很 強(qiáng) 的 時 間 性， 要 求 在 規(guī) 定 的 時 刻 和( 或) 一 定 的 時 間 內(nèi) 完 成 其 處 理； 同 時， 所 處 理 的 數(shù) 據(jù) 也 往 往 是 短 暫 的， 即 有 一 定 的 有 效 時 間， 過 時 則 有 新 的 數(shù) 據(jù) 產(chǎn) 生， 而 當(dāng) 前 的 決 策 或 推 導(dǎo) 變 成 無 效。 所 以， 這 種 應(yīng) 用 對 數(shù) 據(jù) 庫 和 實(shí) 時 處 理 兩 者 的 功

4、能 及 特 性 均 有 需 求， 既 需 要 數(shù) 據(jù) 庫 來 支 持 大 量 數(shù) 據(jù) 的 共 享， 維 護(hù) 其 數(shù) 據(jù) 的 一 致 性， 又 需 要 實(shí) 時 處 理 來 支 持 其 任 務(wù)（ 事 務(wù)） 與 數(shù) 據(jù) 的 定 時 限 制。 -但 是， 傳 統(tǒng) 的 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng) 旨 在 處 理 永 久、 穩(wěn) 定 的 數(shù) 據(jù)， 強(qiáng) 調(diào) 維 護(hù) 數(shù) 據(jù) 的 完 整 性、 一 致 性， 其 性 能 目 標(biāo) 是 高 的 系 統(tǒng) 吞 吐 量 和 低 的 代 價， 而 根 本 不 考 慮 有 關(guān) 數(shù) 據(jù) 及 其 處 理 的 定 時 限 制， 所 以， 傳 統(tǒng) 的 數(shù) 據(jù) 庫 管 理 系 統(tǒng)（DBMS） 不

5、 能 滿 足 這 種 實(shí) 時 應(yīng) 用 的 需 要。 而 傳 統(tǒng) 的 實(shí) 時 系 統(tǒng)（RTS） 雖 然 支 持 任 務(wù) 的 定 時 限 制， 但 它 針 對 的 是 結(jié) 構(gòu) 與 關(guān) 系 很 簡 單、 穩(wěn) 定 不 變 和 可 預(yù) 報 的 數(shù) 據(jù)， 不 涉 及 維 護(hù) 大 量 共 享 數(shù) 據(jù) 及 它 們 的 完 整 性 和 一 致 性， 尤 其 是 時 間 一 致 性。 因 此， 只 有 將 兩 者 的 概 念、 技 術(shù)、 方 法 與 機(jī) 制 無 縫 集 成（Seamless Integration） 的 實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫（RTDB） 才 能 同 時 支 持 定 時 和 一 致 性。 -因 此，

6、實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫 就 是 其 數(shù) 據(jù) 和 事 務(wù) 都 有 顯 式 定 時 限 制 的 數(shù) 據(jù) 庫， 系 統(tǒng) 的 正 確 性 不 僅 依 賴 于 事 務(wù) 的 邏 輯 結(jié) 果， 而 且 依 賴 于 該 邏 輯 結(jié) 果 所 產(chǎn) 生 的 時 間。 近 年 來，RTDB 已 發(fā) 展 為 現(xiàn) 代 數(shù) 據(jù) 庫 研 究 的 主 要 方 向 之 一， 受 到 了 數(shù) 據(jù) 庫 界 和 實(shí) 時 系 統(tǒng) 界 的 極 大 關(guān) 注。 然 而，RTDB 并 非 是 數(shù) 據(jù) 庫 和 實(shí) 時 系 統(tǒng) 兩 者 的 簡 單 結(jié) 合， 它 需 要 對 一 系 列 的 概 念、 理 論、 技 術(shù)、 方 法 和 機(jī) 制 進(jìn) 行 研 究

7、 開 發(fā)， 如 數(shù) 據(jù) 模 型 及 其 語 言， 數(shù) 據(jù) 庫 的 結(jié) 構(gòu) 與 組 織； 事 務(wù) 的 模 型 與 特 性， 尤 其 是 截 止 時 間 及 其 軟 硬 性； 事 務(wù) 的 優(yōu) 先 級 分 派、 調(diào) 度 和 并 發(fā) 控 制 協(xié) 議 與 算 法； 數(shù) 據(jù) 和 事 務(wù) 特 性 的 語 義 及 其 與 一 致 性、 正 確 性 的 關(guān) 系， 查 詢/ 事 務(wù) 處 理 算 法 與 優(yōu) 化；I/O 調(diào) 度、 恢 復(fù)、 通 信 的 協(xié) 議 與 算 法， 等 等， 這 些 問 題 之 間 彼 此 高 度 相 關(guān)。 實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫 與 時 間-實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng) 在 兩 方 面 與 時

8、間 相 關(guān)： -1. 數(shù) 據(jù) 與 時 間 相 關(guān) -按 照 與 之 相 關(guān) 的 時 間 的 性 質(zhì) 不 同 又 可 分 為 兩 類： -數(shù) 據(jù) 本 身 就 是 時 間 即 從 時 間 域 中 取 值， 如 日 期， 稱 為 用 戶 定 義 的 時 間， 也 就 是 用 戶 自 己 知 道， 而 系 統(tǒng) 并 不 知 道 它 是 時 間， 系 統(tǒng) 將 毫 無 區(qū) 別 地 把 它 像 其 他 數(shù) 據(jù) 一 樣 處 理。 -數(shù) 據(jù) 的 值 隨 時 間 而 變 化 數(shù) 據(jù) 庫 中 的 數(shù) 據(jù) 是 對 其 所 服 務(wù) 的 現(xiàn) 實(shí) 世 界 中 對 象 狀 態(tài) 的 描 述， 對 象 狀 態(tài) 發(fā) 生 變 化 則

9、引 起 數(shù) 據(jù) 庫 中 相 應(yīng) 數(shù) 據(jù) 值 的 變 化， 因 而 與 數(shù) 據(jù) 值 變 化 相 聯(lián) 的 時 間 可 以 是 現(xiàn) 實(shí) 對 象 狀 態(tài) 的 實(shí) 際 時 間， 稱 為 真 實(shí) 或 事 件 時 間（ 現(xiàn) 實(shí) 對 象 狀 態(tài) 變 化 的 事 件 發(fā) 生 時 間）， 也 可 以 是 將 現(xiàn) 實(shí) 對 象 變 化 的 狀 態(tài) 記 錄 到 數(shù) 據(jù) 庫， 即 數(shù) 據(jù) 庫 中 相 應(yīng) 數(shù) 據(jù) 值 變 化 的 時 間， 稱 為 事 務(wù) 時 間（ 任 何 對 數(shù) 據(jù) 庫 的 操 作 都 必 須 通 過 一 個 事 務(wù) 進(jìn) 行）。 實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 的 導(dǎo) 出 數(shù) 據(jù) 也 是 實(shí) 時 數(shù) 據(jù)， 與 之 相 聯(lián)

10、 的 時 間 自 然 是 事 務(wù) 時 間。 -2 實(shí) 時 事 務(wù) 有 定 時 限 制 -典 型 的 就 是 其 截 止 時 間。 對 于RTDB， 其 結(jié) 果 產(chǎn) 生 的 時 間 與 結(jié) 果 本 身 一 樣 重 要， 一 般 只 允 許 事 務(wù) 存 取 當(dāng) 前 有 效 的 數(shù) 據(jù)， 事 務(wù) 必 須 維 護(hù) 數(shù) 據(jù) 庫 中 數(shù) 據(jù) 的 事 件 一 致 性。 另 外， 外 部 環(huán) 境（ 現(xiàn) 實(shí) 世 界） 的 反 應(yīng) 時 間 要 求 也 給 事 務(wù) 施 以 定 時 限 制。 所 以，RTDB 系 統(tǒng) 要 提 供 維 護(hù) 有 效 性 和 事 務(wù) 及 時 性 的 設(shè) 施。 實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫 的 特 征

11、-如 上 所 述，RTDB 的 特 征 主 要 表 現(xiàn) 在 數(shù) 據(jù) 和 事 務(wù) 的 定 時 限 制 上， 下 面 分 別 介 紹。 -1.RTDB 的 數(shù) 據(jù) 特 征 -在RTDB 中， 數(shù) 據(jù) 隨 外 部 環(huán) 境 狀 態(tài) 的 變 化 而 快 速 變 化， 其 值 只 在 一 定 的 時 間 內(nèi) 是 流 行 的， 過 時 則 無 效 了， 故 系 統(tǒng) 除 了 維 護(hù) 數(shù) 據(jù) 庫 內(nèi) 部 狀 態(tài)（ 數(shù) 據(jù) 值） 的 正 確 性、 相 容 性 外， 還 必 須 同 時 維 護(hù) 內(nèi) 部 狀 態(tài) 與 外 部 環(huán) 境 實(shí) 際 狀 態(tài) 的 一 致 性， 以 及 數(shù) 據(jù) 用 來 決 策 或 推 導(dǎo) 新 數(shù)

12、據(jù) 時 在 時 間 上 的 相 互 一 致 性。 -RTDB 中 的 一 個 數(shù) 據(jù) 對 象d 由 三 個 分 量 組 成（dv，dtp，devi）， 它 們 分 別 為d 的 當(dāng) 前 值、 采 樣 時 間、 外 部 有 效 期（ 外 部 現(xiàn) 實(shí) 對 象 狀 態(tài) 變 化 的 時 間 間 隔）， 有 效 期 即 自dtp 算 起dv 有 效 的 時 間 長 度。 對 于RTDB 中 的 每 一d， 有 內(nèi) 部 一 致 性、 外 部 一 致 性 和 相 互 一 致 性 特 征。 -內(nèi) 部 一 致 性 dv 滿 足 預(yù) 先 定 義 的 數(shù) 據(jù) 庫 內(nèi) 部 狀 態(tài) 的 完 整 性 和 一 致 性 限

13、制。 這 就 是 傳 統(tǒng) 意 義 下 的 數(shù) 據(jù) 正 確 性。 -外 部 一 致 性 設(shè)tc 為 當(dāng) 前 或 檢 測 時 間， 當(dāng) 且 僅 當(dāng)（tc dtp） devi， 則 說d 是 外 部 一 致 的， 即dv 和 對 應(yīng) 的 外 部 現(xiàn) 實(shí) 對 象 的 狀 態(tài) 是 一 樣 的。 -相 互 一 致 性 用 來 決 策 或 導(dǎo) 出 新 數(shù) 據(jù) 的 一 組 相 關(guān) 數(shù) 據(jù) 稱 為 一 個 相 互 一 致 集， 記 為R， 其 中 的 數(shù) 據(jù) 必 須 盡 可 能 地 在 一 個 允 許 的 公 共 時 間 期 內(nèi) 被 采 ?。?或 導(dǎo) 出）， 這 個 公 共 時 間 期 就 稱 為R 的 相 互

14、 有 效 期， 記 為Rmvi， 對 于R 中 的 任 兩 個 數(shù) 據(jù)d 和d , 有|dtp d tp| Rmvi， 則 說R 中 的 數(shù) 據(jù) 是 相 互 一 致 的。 -外 部 一 致 性 和 相 互 一 致 性 都 是 關(guān) 于 時 間 的， 故 統(tǒng) 稱 時 間 一 致 性。 既 是 內(nèi) 部 一 致 又 是 時 間 一 致 的 數(shù) 據(jù) 才 是 正 確 的。 -2. RTDB 的 事 務(wù) 特 征 -由 于 實(shí) 時 任 務(wù) 往 往 有 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 和 相 互 之 間 的 聯(lián) 系， 傳 統(tǒng) 的 原 子 的、 平 淡 的 數(shù) 據(jù) 庫 操 作 序 列 的 事 務(wù) 概 念 及 模 型 對 實(shí) 時

15、事 務(wù) 不 適 合。RTDB 事 務(wù) 表 現(xiàn) 出 了 許 多 不 同 的 特 征， 這 里 只 給 出 其 標(biāo) 識 性 特 征 定 時 性， 其 余 的 在 后 面 的 文 章 實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫 的 事 務(wù) 處 理 中 討 論。 -定 時 可 以 是 絕 對、 相 對 或 周 期 時 間。 RTDB 的 定 時 性 一 方 面 由 數(shù) 據(jù) 的 時 間 一 致 性 引 起， 此 時 它 往 往 取 周 期 或 定 期 性 限 制 的 形 式， 如 每5 秒 取 樣 一 次、7 00 啟 動 機(jī) 器 人 等； 定 時 性 的 另 一 根 源 是 對 現(xiàn) 實(shí) 世 界 施 加 于 系 統(tǒng) 的 反 應(yīng)

16、 時 間 的 要 求， 這 時 它 典 型 地 取 施 加 于 非 周 期 事 務(wù) 的 截 止 時 間 限 制 的 形 式， 如 若 溫 度 達(dá) 到1000 度， 則 在5 秒 內(nèi) 加 冷 卻 劑 到 反 應(yīng) 堆。 -定 時 性 包 含 兩 方 面 的 含 義： -定 時 限 制 即 事 務(wù) 的 執(zhí) 行 有 顯 式 的 時 限， 如 指 定 的 開 始 時 間、 截 止 時 間 等， 它 要 求RTDB 必 須 有 時 間 處 理 機(jī) 制。 -定 時 正 確 性 即 事 務(wù) 能 按 指 定 的 時 間 要 求 正 確 執(zhí) 行， 它 要 求 權(quán) 衡 定 時 限 制 與 數(shù) 據(jù) 一 致 性 要 求

17、 等 多 方 面 因 素， 提 供 合 適 的 調(diào) 度 與 并 發(fā) 控 制 算 法。 實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng) 的 主 要 技 術(shù)- 實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng) 與 傳 統(tǒng) 的 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng) 有 著 根 本 性 的 不 同。 要 實(shí) 現(xiàn) 一 個 實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng)， 除 了 一 般 數(shù) 據(jù) 庫 的 問 題 外， 還 要 研 究 一 系 列 關(guān) 鍵 理 論 與 技 術(shù) 問 題。 主 要 有： -1 實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 模 型 及 其 語 言 -到 目 前 為 止， 研 究 實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫 的 文 獻(xiàn) 鮮 有 專 門 討 論 數(shù) 據(jù) 建 模 問 題 的， 大 多 數(shù) 文 獻(xiàn)， 尤

18、其 是 關(guān) 于 實(shí) 時 事 務(wù) 處 理 的 都 假 定 其 具 有 有 變 化 顆 粒 的 數(shù) 據(jù) 項 的 數(shù) 據(jù) 模 型。 但 這 種 方 法 有 局 限 性， 因 為 它 沒 有 使 用 一 般 的 及 時 間 的 語 義 知 識， 而 這 對 系 統(tǒng) 滿 足 事 務(wù) 截 止 時 間 是 很 有 用 的。 一 般RTDB 都 使 用 傳 統(tǒng) 的 數(shù) 據(jù) 模 型， 還 沒 有 引 入 時 間 維， 而 即 使 是 引 入 了 時 間 維 的 時 態(tài) 數(shù) 據(jù) 模 型 與 時 態(tài) 查 詢 語 言 也 沒 有 提 供 事 務(wù) 定 時 限 制 的 說 明 機(jī) 制。 -系 統(tǒng) 應(yīng) 該 給 用 戶 提

19、供 事 務(wù) 定 時 限 制 說 明 語 句， 其 格 式 可 以 為： -IS - 為 事 務(wù) 的 開 始、 提 交、 夭 折 等。 指 定 一 個 絕 對、 相 對 或 周 期 時 間。 -2 實(shí) 時 事 務(wù) 的 模 型 與 特 性 -前 面 已 說 過， 傳 統(tǒng) 的 原 子 事 務(wù) 模 型 已 不 適 用， 必 須 使 用 復(fù) 雜 事 務(wù) 模 型， 即 嵌 套、 分 裂/ 合 并、 合 作、 通 信 等 事 務(wù) 模 型。 因 此， 實(shí) 時 事 務(wù) 的 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜， 事 務(wù) 之 間 有 多 種 交 互 行 動 和 同 步， 存 在 結(jié) 構(gòu)、 數(shù) 據(jù)、 行 為、 時 間 上 的 相 關(guān) 性

20、 以 及 在 執(zhí) 行 方 面 的 依 賴 性， 具 體 可 參 考 后 面 實(shí) 時 數(shù) 據(jù) 庫 的 事 務(wù) 處 理 一 文。 -3 實(shí) 時 事 務(wù) 的 處 理 -RTDB 中 的 事 務(wù) 有 多 種 定 時 限 制， 其 中 最 典 型 的 是 事 務(wù) 截 止 期， 系 統(tǒng) 必 須 能 讓 截 止 期 更 早 或 更 緊 急 的 事 務(wù) 較 早 地 執(zhí) 行， 換 句 話 說， 就 是 能 控 制 事 務(wù) 的 執(zhí) 行 順 序， 所 以， 又 需 要 基 于 截 止 期 和 緊 迫 度 來 標(biāo) 明 事 務(wù) 的 優(yōu) 先 級， 然 后 按 優(yōu) 先 級 進(jìn) 行 事 務(wù) 調(diào) 度。 -另 一 方 面， 對

21、于RTDB 事 務(wù)， 傳 統(tǒng) 的 可 串 行 化 并 發(fā) 控 制 過 嚴(yán)， 且 也 不 一 定 必 要， 它 們 寧 愿 要 部 分 正 確 而 及 時 的 數(shù) 據(jù)， 而 不 愿 要 絕 對 正 確 但 過 時 的 數(shù) 據(jù)， 故 應(yīng) 允 許 放 松 的 可 串 行 化 或 暫 緩 可 串 行 化 并 發(fā) 控 制， 于 是 需 要 開 發(fā) 新 的 并 發(fā) 控 制 正 確 性 的 概 念、 標(biāo) 準(zhǔn) 和 實(shí) 現(xiàn) 技 術(shù)。 -4 數(shù) 據(jù) 存 儲 與 緩 沖 區(qū) 管 理 -傳 統(tǒng) 的 磁 盤 數(shù) 據(jù) 庫 的 操 作 是 受I/O 限 制 的， 其I/O 的 時 間 延 遲 及 其 不 確 定 性 對 實(shí)

22、 時 事 務(wù) 是 難 以 接 受 的， 因 此，RTDB 中 數(shù) 據(jù) 存 儲 的 一 個 主 要 問 題 就 是 如 何 消 除 這 種 延 遲 及 其 不 確 定 性， 這 需 要 底 層 的 內(nèi) 存 數(shù) 據(jù) 庫 支 持， 因 而 內(nèi) 存 緩 沖 區(qū) 的 管 理 就 顯 得 更 為 重 要。 這 里 所 說 的 內(nèi) 存 緩 沖 區(qū) 除 內(nèi) 存 數(shù) 據(jù) 庫 外， 還 包 括 事 務(wù) 的 執(zhí) 行 代 碼 及 其 工 作 數(shù) 據(jù) 等 所 需 的 內(nèi) 存 空 間。 此 時 的 管 理 目 標(biāo) 是 高 優(yōu) 先 事 務(wù) 的 執(zhí) 行 不 應(yīng) 因 此 而 受 阻， 它 要 解 決 以 下 問 題： -(1)

23、 如 何 保 證 事 務(wù) 執(zhí) 行 時, 只 存 取 內(nèi) 存 數(shù) 據(jù) 庫， 即 其 所 需 數(shù) 據(jù) 均 在 內(nèi) 存（ 因 而 它 本 身 沒 有I/O）。 -(2) 如 何 給 事 務(wù) 及 時 分 配 所 需 緩 沖 區(qū)。 -(3) 必 要 時， 如 何 讓 高 優(yōu) 先 級 事 務(wù) 搶 占 低 優(yōu) 先 級 事 務(wù) 的 緩 沖 區(qū)。 因 此， 傳 統(tǒng) 的 管 理 策 略 也 不 適 用， 必 須 開 發(fā) 新 的 基 于 優(yōu) 先 級 的 算 法。 -5 恢 復(fù) -在RTDB 中， 恢 復(fù) 顯 得 更 為 復(fù) 雜。 這 是 因 為： -(1) 恢 復(fù) 過 程 影 響 處 于 活 躍 狀 態(tài) 的 事 務(wù)， 使 有 的 事 務(wù) 超 截 止 期， 這 對 硬 實(shí) 時 事 務(wù) 是 不 能 接 受 的。 -(2) RTDB 中 的 數(shù) 據(jù) 不 一 定 總 是 永 久 的， 為 了 保 證 實(shí) 時 限 制 的 滿 足， 也 不 一 定 是 一 致 和 絕 對 正 確 的， 而 有 的 是 短 暫 的， 有 的 是 暫 時 不 一 致 或 非 絕 對 正（ 準(zhǔn)） 確 的。 -(3) 有 的 事 務(wù) 是 不 可 逆 的， 所 以， 傳 統(tǒng) 的 還 原/ 重 啟 動