嵌入式實時數據庫管理系統的設計
2006-12-31 00:00:00劉云生丁力
計算機應用研究 2006年8期
（華中科技大學 計算機科學與技術學院， 湖北 武漢 430074）
摘 要： 在嵌入式實時環境中，傳統的數據庫已經不能滿足人們對數據處理實時的需求；而一般的嵌入式實時數據庫由于受資源的限制只能偏向于某個應用，不能滿足嵌入式環境復雜多變的情況。因此，介紹了一個基于QNX操作系統設計出來的基于組件的嵌入式實時數據庫管理系統，討論了該數據庫如何實現事務的實時處理策略，描述了該系統的開發過程和現有的功能屬性。
關鍵詞： 實時; 事務; 組件; 數據庫管理系統
中圖法分類號： TP311.13文獻標識碼： A
文章編號： 1001 3695(2006)08 0192 02
Design of Embedded Real time Database Manage System
LIU Yun sheng， DING li
(College of Computer Science Technology， Huazhong University of Science Technology， Wuhan Hubei 430074， China)
Abstract: In embedded real time enviroment，the conventional database is not satisfied with the need of manage data real time，but general embedded real time database is developed for special application， not suited to the complex changes in embedded real time enviroment.This Paper introduce a compent based embedded real time database which is based on the operation system of QNX，we discribe how we deal with transactions with deadline，and the characteristics of function and the development of architecture.
Key words: Rreal time; Transaction; Component; DBMS
近年來，對嵌入式實時數據庫的研發越來越引起人們的關注。因為需要實時系統管理的數據量在不斷增加，數據結構逐漸復雜化，所以需要一個有效的、結構化的數據管理系統。因此，在嵌入式實時系統中對數據的存儲和操作需要數據庫功能的支持，但是它一定要滿足嵌入式和實時的要求。
在一個嵌入式實時系統中設計一個數據庫管理系統有兩方面值得注意，即時間和空間。進一步概括為：①功能性上實時需求的有效性；②功能性和數據庫大小的平衡；③軟件的開發代價。
為了應對這些挑戰，我們提出了一個實時數據庫平臺，它是基于組件概念構成的。為了減少產品的代價，重用性是關鍵。
嵌入式系統中的嵌入式實時數據庫管理系統受到資源的限制，但我們可以選擇能夠滿足我們需求的組件來構成一個系統。為了保證事務執行的實時性，我們將充分利用QNX進程調度及線程調度具有實時性的特點來保證高優先級的事務先執行。
1 事務執行的實時性保障
嵌入式數據庫系統中一般對事務的實時性提出了很高的要求，即要求事務在截止期內完成。實時性根據事務的性質可分為硬實時和軟實時：硬實時事務指如果事務沒有在截止期內完成就會對系統造成災難性的不可恢復的影響；軟實時事務指如果沒有在截止期內完成，雖然也會對系統造成影響，但不會是災難性的。
為了確保事務執行的實時性，同時考慮嵌入式環境下的資源有限性的特殊情況，我們采取以下措施。
1.1 事務執行的優先級調度
定義1 事務T=
定義2 按照空余時間最短最優先的策略（Least Slack First，LSF）分配優先級，優先級分配函數PRI=f（wtime atime）。
將事務按照優先級分類，每個事務在請求執行時都會給它分配一個優先級，當一個高優先級的事務到來時就會掛起優先級比它低的事務搶先運行，而每次只允許系統中有一個事務執行，不允許兩個優先級相同的事務并發執行，這就弱化了并發控制，避免了大量的數據上鎖和解鎖操作，同時也避免了由于事務并發操作而引起的事務回滾操作。在嵌入式環境中，內存資源極其寶貴，不允許對多個事務并發操作，避免了將大量的數據讀入內存及數據換出操作（I/O操作），節約了內存資源，也縮短了事務執行的時間。
1.2 提供了事務預處理
實時數據庫系統中設計了事務預處理器，通過預處理器逐一分析含有數據庫操作（ESQL）的各個程序模塊，可預先得到事務要訪問資源的信息及事務中各個操作的信息。下次在該事務執行時，可以預先把它所要訪問的數據全部裝入內存并在該事務執行時，不需要重新調用詞語法分析程序，就可以直接利用預處理時保留的信息得到信息，傳遞給查詢處理模塊。
一般事務預處理是將應用程序執行時所需要的數據集保存下來，因為只有應用程序才可能具有軟實時或硬實時的特性，需要提前裝入數據。
數據庫中記錄存取數據集的定義為
定義3 一個應用程序的存取數據集的定義為D=
1.3 數據裝入的優化策略
在系統中，通過對應用程序的執行設定截止期來定義優先級，用一個事務監測器來記錄不同應用程序的優先級，程序執行前，按照事務監測器的記錄，并利用預處理系統保留的資源信息來裝入數據，這就保證了高優先級的事務執行時數據已經在內存中，不需要再進行磁盤I/O操作，確保優先級高的事務能在截止期內盡快完成。
事務檢測器的一條記錄的定義為
定義4 一條事務檢測器的記錄定義為一個四元組
2 嵌入式實時數據庫體系結構設計
我們將在功能分解的基礎上講述數據庫的體系結構設計，在設計時要考慮到嵌入和實時的特性。
功能分解是將一個數據庫分解成一個個組件，組件是功能的單元，它包含了數據庫系統的主要結構、執行系統的核心功能等。
嵌入式實時數據庫允許以組件的方式來增加和替換其體系結構上的功能，這樣做的好處有以下幾個原因：①數據庫系統的復雜性和維護的代價將會降低;②應用程序不用因為使用不需要的功能而付出性能和沉重的代價，因為不需要的組件不用加在系統中;③系統的演化將變得簡單，因為由于新功能的需求而增加的新部件可以加到整個系統中。
2.1 嵌入式實時數據庫組件的設計
組件是嵌入式實時數據庫的核心。在軟件體系結構里面，一個組件被認為是一個合成的單元，它有明顯的專用接口和質量屬性，如性能、實時、可靠性。所有類型的組件均通過已經定義好的接口和環境進行通信。每個組件有三個接口
獨立于應用領域，每個軟件模塊被認為具有黑盒屬性，每個模塊只能看到對其他模塊的接口，而其內部屬性和狀態則被封裝起來。每個模塊實現各自域的功能，而域可被分為低等級的域，即軟件可以分層組織，如一些組件可以由子組件構成。因此在設計組件大小時，需要根據具體情況掌握好平衡。
2.2 嵌入式實時數據庫的開發流程
本系統基于組件的開發流程如圖2所示。
首先是頂層設計，即概要設計，然后是詳細設計。在細節的設計過程中要考慮調度/接口的問題，并要包含實時特性；然后，根據設計進行組件的開發；最后，驗證設計的組件是否滿足要求。在設計中，不斷根據下層的開發經驗來修正頂層設計。
2.3現已設計的嵌入式實時數據庫體系結構
在初試的設計中，我們定義了八大模塊（圖3）：①用戶接口，一個可以使用戶訪問數據庫中數據的組件；②優先級調度器，執行調度的組件；③鎖管理器，一個管理數據鎖的組件；④引管理器，一個處理數據索引的管理組件；⑤預處理器，操作預處理的組件；⑥查詢處理器，負責查詢處理；⑦恢復模塊，數據庫中掌管恢復和數據日志的組件；⑧存儲管理器，一個允許訪問存儲在不同介質中的數據的組件。
3 結束語
通過對嵌入式實時數據庫功能和特性的研究，我們成功開發出了基于QNX的嵌入式實時數據庫管理系統，它采用基于組件的方式，在各種實時環境下應用非常廣泛。
今后，我們將對系統進行進一步完善，以期成為實用產品。
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[4] 劉云生. 現代數據庫技術[M].北京:國防工業出版社， 2001.108-196.
作者簡介：劉云生(1940-)， 男， 教授，博導，研究方向為現代數據庫理論與技術及其集成實現、數據庫與信息系統開發、實時數據庫工程軟件方法與軟件開發;丁力(1981-)， 男，碩士研究生，研究方向為現代數據庫技術、移動、實時數據庫系統等。
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
