輕量級數(shù)據(jù)庫共享資源第一章

嵌入式數(shù)據(jù)庫原理與應用

陸慧娟徐展翼高志剛關偉編著

中國計量學院信息工程學院

ChinaJiliangUniversity2014清華大學出版社嵌入式數(shù)據(jù)庫原理與應用第一章嵌入式數(shù)據(jù)庫概述嵌入式數(shù)據(jù)庫原理與應用1.1嵌入式數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2嵌入式數(shù)據(jù)庫的應用1.3嵌入式數(shù)據(jù)庫的特點1.4嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類1.5簡單的數(shù)據(jù)庫嵌入式實例目前計算機已進入了后PC（PersonalComputer，個人計算機）時代。形式多樣的數(shù)字化產(chǎn)品已經(jīng)開始成為繼PC機之后信息處理的主要工具。手機、PDA（PersonalDigitalAssistant，個人數(shù)碼助理）等手持移動設備，VCD（VideoCompactDisc，視頻壓縮盤）機、機頂盒、網(wǎng)絡冰箱等家電產(chǎn)品，車載GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系統(tǒng)）、數(shù)控機床等先進制造業(yè)中的產(chǎn)品，都采用了嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲和管理以及數(shù)據(jù)查詢等功能的高實時性由嵌入式數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。嵌入式數(shù)據(jù)庫是很多現(xiàn)代數(shù)字化產(chǎn)品的關鍵基礎軟件。例如，新型的汽車上安裝了許多小型的車用計算機部件，用來控制燃料的使用，根據(jù)溫度和氣壓調(diào)整發(fā)動機的運轉。這些部件彼此相連，測出的數(shù)據(jù)能夠作為汽車運行保養(yǎng)的基礎分析數(shù)據(jù)。當汽車修理時，修理人員插入一個計算機連接相關部件，獲取這些數(shù)據(jù)進行故障分析。另外，還可以增加數(shù)據(jù)連接功能，如連接到全球定位系統(tǒng)，讓司機準確獲知當前的位置；與電子地圖相連，輸入目的地，顯示出到達目的地的最佳路徑；以及連上互聯(lián)網(wǎng)獲取其它信息，如天氣預報、飯店的地址和電話等，甚至可以進行移動商務。其中，完善的數(shù)據(jù)庫管理功能是提供上述服務的重要保證。計算的移動性、連接的頻繁斷接性、網(wǎng)絡條件的多樣性、網(wǎng)絡通訊的非對稱性、系統(tǒng)的高伸縮性和低可靠性以及電源能力的有限性等因素對嵌入式數(shù)據(jù)庫的性能提出了非常高的要求。由此可見，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足嵌入式計算環(huán)境的需求。為提高數(shù)字化產(chǎn)品的競爭力，需要針對相關的領域需求，研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。1.1嵌入式數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以從體系結構方面來定義：嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是指支持移動計算或某種特定計算模式的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它通常與操作系統(tǒng)和具體應用集成在一起，運行在智能型嵌入式設備或移動設備上。在不引起混淆的情況下，通常把數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)簡稱為數(shù)據(jù)庫。嵌入式數(shù)據(jù)庫技術涉及數(shù)據(jù)庫、分布式計算以及移動通訊等多個學科領域，是二十世紀九十年代中期開始產(chǎn)生的一個較新的研究領域。最近幾年，隨著移動設備和通信網(wǎng)絡的技術進展以及硬件價格的逐步降低，對適合于移動環(huán)境下應用的數(shù)據(jù)管理技術提出了迫切的需求，并已成為研究的熱點。1.1嵌入式數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢國際上著名的商業(yè)數(shù)據(jù)庫公司如Sybase、Oracle等都已推出了移動/嵌入式數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，以支持嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理需求。國內(nèi)也有單位如中科院、東北大學、浙江大學、中國人民大學等正在開展這方面的研究。由于嵌入式產(chǎn)品具備硬件平臺多樣性和應用個性化的特點，因此嵌入式軟件呈現(xiàn)出一種高度細分的市場格局，國外產(chǎn)品也很難壟斷整個市場，這為我國的嵌入式軟件行業(yè)提供了一個難得的發(fā)展機遇。1.1嵌入式數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢近年來，嵌入式數(shù)據(jù)庫的研究取得不少進展，以下幾個趨勢值得關注：(1)智能化和主動化。以往的嵌入式數(shù)據(jù)庫往往是以存儲為目的的被動型數(shù)據(jù)庫，只能被動地接受操作系統(tǒng)和應用程序的調(diào)用來執(zhí)行相應的動作。能夠根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的情況和自身特點，適當?shù)刈龀鰞?yōu)化來滿足不同條件下的應用需求的智能化、主動型嵌入式數(shù)據(jù)庫是未來研究的熱點；1.1嵌入式數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(2)多媒體嵌入式數(shù)據(jù)庫。隨著高檔電子消費品日益受到人們的青睞，能夠對視頻、音頻、文字、圖像進行存儲和快速檢索的嵌入式數(shù)據(jù)庫將具有更大的市場，并成為人們研究的熱點；(3)時空數(shù)據(jù)庫。導航設備、水文、地質、地形地貌相關電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，迫切需要能夠同時處理時間和空間數(shù)據(jù)的時空數(shù)據(jù)庫。當然，除了上述嵌入式數(shù)據(jù)庫的發(fā)展方向以外，還有很多新的方向，例如當前盛行的云嵌入式數(shù)據(jù)庫等。1.1嵌入式數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢嵌入式數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)技術的改進和升級可以從以下幾點尋找突破口：(1)數(shù)據(jù)庫內(nèi)核。由于嵌入式系統(tǒng)可用資源的受限性，嵌入式數(shù)據(jù)庫內(nèi)核的大小是一個關鍵的問題，那種以犧牲數(shù)據(jù)庫的功能來換取較小的內(nèi)核顯然與發(fā)展趨勢相背離；(2)數(shù)據(jù)庫的可靠性。嵌入式數(shù)據(jù)庫的應用越來越廣泛，也越來越復雜，其功能已經(jīng)從傳統(tǒng)的添加、刪除等操作轉向對聲音、視頻、三維或多維數(shù)據(jù)、智能控制等方向發(fā)展，因此可靠性的提高也是至關重要的一環(huán)；1.1嵌入式數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(3)數(shù)據(jù)庫的可移植性。盡管目前的嵌入式數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品可以支持多種不同的操作系統(tǒng)，但在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中，開發(fā)人員仍需充分考慮硬件平臺、操作系統(tǒng)平臺以及它們的接口定義，如果有能適用于絕大多數(shù)操作系統(tǒng)平臺，或者對操作系統(tǒng)平臺透明的嵌入式數(shù)據(jù)庫，勢必可以大大地提高開發(fā)效率。1.1嵌入式數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢隨著互聯(lián)網(wǎng)、高速無線互連、廉價內(nèi)存及高速處理器的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)對數(shù)據(jù)管理的要求越來越高。高性能、高可靠性、具有實時處理和自動恢復功能的嵌入式數(shù)據(jù)庫，已成為眾多移動應用的基礎支撐。嵌入式數(shù)據(jù)庫技術正逐漸成為先進制造重點產(chǎn)業(yè)、重大產(chǎn)品的關鍵、共性技術之一，它的應用能極大地提高數(shù)字化產(chǎn)品的附加值，拓寬以數(shù)字電視、移動通信設備、數(shù)字儀表、網(wǎng)絡通訊設備、安全設備、工控系統(tǒng)及智能家電為代表的數(shù)字產(chǎn)品的發(fā)展空間。1.2嵌入式數(shù)據(jù)庫的應用嵌入式數(shù)據(jù)庫在國外已經(jīng)有30多年的歷史，應用領域非常廣泛。下面介紹它的一些主要應用領域：1.3嵌入式數(shù)據(jù)庫的特點與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相比，嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有以下幾個主要特點：1.4嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類方法很多，可以按照嵌入對象的不同分為：軟件嵌入數(shù)據(jù)庫、設備嵌入數(shù)據(jù)庫、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫；也可以按照系統(tǒng)結構分為：嵌入數(shù)據(jù)庫、移動數(shù)據(jù)庫、小型的C/S（Client/Server，客戶機/服務器）結構數(shù)據(jù)庫等。按照數(shù)據(jù)庫存儲位置的不同而進行分類是目前廣泛采用的分類方法，它可以劃分為基于內(nèi)存方式、基于文件方式和基于網(wǎng)絡方式三類。下面對這三類數(shù)據(jù)庫進行介紹。1.4嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類1.4.1基于內(nèi)存方式基于內(nèi)存的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(MainMemoryDatabaseSystem)是實時系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的有機結合。實時事務要求系統(tǒng)能較準確地預測事務的運行時間，但對磁盤數(shù)據(jù)庫而言，由于磁盤存取、內(nèi)外存的數(shù)據(jù)傳遞、緩沖區(qū)管理、排隊等待及鎖的延遲等，使得事務實際平均執(zhí)行時間與估算的最壞情況執(zhí)行時間相差很大。如果將整個數(shù)據(jù)庫或其主要的“工作”部分放入內(nèi)存，使每個事務在執(zhí)行過程中沒有I/O，則為系統(tǒng)較準確估算和安排事務的運行時間具有較好的動態(tài)可預測性提供了有力的支持，同時也為實現(xiàn)事務的定時限制打下了基礎。1.4嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類1.4.1基于內(nèi)存方式內(nèi)存數(shù)據(jù)庫是支持實時事務的最佳技術，其本質特征是以其“主拷貝”或“工作版本”常駐內(nèi)存，即活動事務只與實時內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的內(nèi)存拷貝打交道。對內(nèi)存數(shù)據(jù)庫可歸納出如下定義：設有數(shù)據(jù)庫DB，DBM(t)是t時刻DB在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)集，DBM(t)真包含于DB；TS為所有事務的集合，AT(t)是t時刻的活動事務集，AT(t)真包含于TS；Dt(T)為T在t時刻的操作數(shù)據(jù)集，Dt(T)真包含于DB；若在任一時刻t，均有：對任一事務AT(t)，Dt(T)真包含于DBM(t)成立，則稱DB為一個內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，簡記為MMDB。1.4嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類1.4.1基于內(nèi)存方式按此定義，MMDB的“工作版本”(當然也可以是整個數(shù)據(jù)庫)常駐內(nèi)存，任何一個事務在執(zhí)行過程中沒有內(nèi)外存間的數(shù)據(jù)I/O。顯然，它要求較大的內(nèi)存量，但并不是要求任何時刻整個數(shù)據(jù)庫都能存放在內(nèi)存，即內(nèi)存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也要處理I/O事件。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫已脫離傳統(tǒng)磁盤數(shù)據(jù)庫的概念，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫適用的數(shù)據(jù)結構、事務處理算法與優(yōu)化、并發(fā)控制及恢復等技術對內(nèi)存數(shù)據(jù)庫不一定合適，需獨立設計。1.4嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類1.4.1基于內(nèi)存方式實時內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的設計應該打破傳統(tǒng)磁盤數(shù)據(jù)庫的設計觀念，考慮內(nèi)存直接快速存取的特點，以CPU和內(nèi)存空間的高效利用為目標，來重新設計、開發(fā)各種策略與算法、方法及機制。目前，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已廣泛應用于航空、軍事、電信、電力、工業(yè)控制等眾多領域，而這些應用領域大部分都是分布式的，因此分布式內(nèi)存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)成為新的研究熱點。1.4嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類1.4.2基于文件方式文件型數(shù)據(jù)庫就是以文件(File-Based)為組織方式，數(shù)據(jù)按照一定格式儲存在磁盤中，使用時由應用程序通過相應的驅動程序甚至直接對數(shù)據(jù)文件進行讀取。這種數(shù)據(jù)庫的訪問方式是被動式的，只要了解其文件格式，任何程序都可以直接讀取，因此它的安全性很低。雖然文件數(shù)據(jù)庫存在諸多弊端，但針對嵌入式系統(tǒng)在空間、時間方面的特殊要求，基于文件方式的數(shù)據(jù)庫還有一定的用武之地。DBF(Dbase/Foxbase/Foxpro)、Access、Paradox數(shù)據(jù)庫都是文件型數(shù)據(jù)庫，嵌入式數(shù)據(jù)庫PocketAccess也是文件型數(shù)據(jù)庫。1.4嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類1.4.3基于網(wǎng)絡方式根據(jù)數(shù)據(jù)庫與應用程序是否存放在一起，可以將嵌入式數(shù)據(jù)庫簡單地分為嵌入式本地數(shù)據(jù)庫和嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫。前面介紹的基于內(nèi)存方式和基于文件方式的數(shù)據(jù)庫屬于嵌入式本地數(shù)據(jù)庫，下面介紹以網(wǎng)絡方式存在的嵌入式數(shù)據(jù)庫。1.嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是指客戶端為嵌入式設備，數(shù)據(jù)存放在遠程服務器上的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)?？蛻舳送ㄟ^網(wǎng)絡協(xié)議，可以使用SQL（StructuredQueryLanguage，結構化查詢語言）接口或者其他接口訪問遠程數(shù)據(jù)信息?？蛻舳说闹饕夹g在于網(wǎng)絡協(xié)議的實現(xiàn)；遠程服務器除了提供基本的數(shù)據(jù)服務外，關鍵需要處理好多用戶并發(fā)問題，并維護數(shù)據(jù)的一致性。1.4嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類1.4.3基于網(wǎng)絡方式嵌入式設備的通信方式有串口通信、紅外通信、藍牙通信、GPRS（GeneralPacketRadioService，通用無線分組業(yè)務）、CDMA（CodeDivisionMultipleAccess，碼分多址）撥號通信等。前三種通信方式的通信距離都非常短，串口通信受制于串口線，紅外通信只有數(shù)米，藍牙通信理論上僅能達到30米以內(nèi)。GPRS/CDMA原來只用于手機上的語音通信，最近幾年也用于嵌入式設備間以及嵌入式設備與遠程服務器之間的數(shù)據(jù)通信，這種通信方式?jīng)]有距離限制從而可以真正實現(xiàn)遠距離通信，嵌入式設備可以通過GPRS/CDMA撥號連入Internet網(wǎng)絡，通過Intemet作為中介與其它嵌入式設備、遠程服務器通信。1.4嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類1.4.3基于網(wǎng)絡方式嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基于GPRS/CDMA撥號通信基礎之上。在邏輯上可以把嵌入式設備看作遠程服務器的一個客戶端。實際上，嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫是把功能強大的遠程數(shù)據(jù)庫映射到本地數(shù)據(jù)庫，使嵌入式設備訪問遠程數(shù)據(jù)庫就像訪問本地數(shù)據(jù)庫一樣方便。嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫主要由三部分組成：客戶端、通信協(xié)議和遠程服務器?？蛻舳酥饕撠熖峁┙涌诮o嵌入式程序，通信協(xié)議負責規(guī)范客戶端與遠程服務器之間的通信，遠程服務器除了需要提供客戶端所請求的服務外，還需要解決多客戶端的并發(fā)問題。1.4嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類1.4.3基于網(wǎng)絡方式2.嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要功能是使嵌入式設備訪問遠程服務器上的數(shù)據(jù)。與嵌入式本地數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相比，嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有下面的特點：(1)無需解析SQL語句。嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的客戶端只需要把SQL語句(或者有關數(shù)據(jù))略加處理后通過有關協(xié)議發(fā)給遠程服務器；遠程服務器收到該SQL語句(或者有關數(shù)據(jù))后再交給后臺的大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)處理。1.4嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類1.4.3基于網(wǎng)絡方式(2)支持更多的SQL操作。因為嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫只是負責轉發(fā)SQL語句(或者有關數(shù)據(jù))，因此理論上遠程的后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持的SQL語句，嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫都支持。(3)客戶端小，無需支持可裁剪性。嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的客戶端只需要負責實現(xiàn)協(xié)議并通過該協(xié)議轉發(fā)SQL語句(或者有關數(shù)據(jù))，因此客戶端非常小，這有利于嵌入式的應用。(4)有利于代碼重用，可移植性強。因為嵌入式設備采用統(tǒng)一的協(xié)議，因此，采用嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，有利于代碼重用，可移植性強。1.4嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類1.4.3基于網(wǎng)絡方式嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫、嵌入式本地數(shù)據(jù)庫、嵌入式Web服務器等構成了綜合的嵌入式綜合信息系統(tǒng)，如手機移動應用、電子地圖系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、移動警務系統(tǒng)等。在這樣的綜合信息系統(tǒng)中，嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫起著至關重要的橋梁作用。目前，通過GPRS/CDMA撥號上網(wǎng)的速度還比較慢，因此，嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫只能應用于數(shù)據(jù)流量較小的領域。但是，隨著3G網(wǎng)絡的應用，嵌入式設備上網(wǎng)的速度將越來越快，包括圖像、音樂、視頻會議等多媒體應用將在嵌入式設備中迅速普及，高速的數(shù)據(jù)訪問將是嵌入式網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫領域的發(fā)展方向之一。1.5簡單的數(shù)據(jù)庫嵌入式實例以上介紹了嵌入式數(shù)據(jù)庫的發(fā)展、應用、特點以及分類，本節(jié)首先描述一個具體案例的背景、數(shù)據(jù)需求、方案和結果，后續(xù)章節(jié)中將引用這個案例對嵌入式數(shù)據(jù)庫的相關知識進行探討。有關具體嵌入式數(shù)據(jù)庫開發(fā)的方法和過程將在第六章中進行詳細闡述。1.5簡單的數(shù)據(jù)庫嵌入式實例學生成績管理系統(tǒng)是目前學校必不可少的信息管理系統(tǒng)，能夠提高學校管理的工作效率，也是學生在校學習過程中經(jīng)常接觸到的管理系統(tǒng)。因此本書采用一個簡單的學生選課系統(tǒng)作為例子，它簡化為學生和課程兩個實體，其實體聯(lián)系圖（EntityRelationshipDiagram，簡稱E-R圖）如圖1-1所示，使讀者能夠快速地理解系統(tǒng)需求，掌握系統(tǒng)內(nèi)部的基本邏輯。其規(guī)定如下：1.5.1功能需求1.5簡單的數(shù)據(jù)庫嵌入式實例1.5.1功能需求(1)某大學有學生若干名，每個學生選修若干門課程，每門課程可以被若干個學生選修；(2)每個學生有學號、姓名、性別、年齡、電話等基本信息；(3)每門課程有課程號、課程名稱、學分等信息；(4)學校需要對每個學生的基本信息、所學課程、成績進行統(tǒng)一管理，以便于對信息進行查詢、瀏覽和修改。1.5簡單的數(shù)據(jù)庫嵌入式實例1.5.1功能需求1.5簡單的數(shù)據(jù)庫嵌入式實例1.5.2數(shù)據(jù)需求學生成績管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表可簡化為：學生表、課程表和選修表?？砂聪旅娴牟襟E來分析：(1)確定學生的屬性，如學號、姓名、性別、年齡、電話等；(2)確定課程的屬性，如課程號、課程名稱、學分等；(3)確定學生和課程兩個實體間為多對多聯(lián)系，并確定聯(lián)系