面向?qū)ο蟮耐ㄓ脭?shù)據(jù)庫訪問接口泛化方法研究*

雷明濤，李 瓊，施榮榮，周 剛，王 磊

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007；2.武警江蘇省總隊(duì)，江蘇 南京 210019）

0 引 言

面向?qū)ο笞鳛橐环N軟件開發(fā)方法，其概念和應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了軟件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)的范疇，擴(kuò)展到如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、交互式解碼、應(yīng)用平臺和分布式系統(tǒng)等領(lǐng)域[1]。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫訪問技術(shù)是支持將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)當(dāng)做對象來模擬和創(chuàng)造的一種數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，而面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型是構(gòu)成面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫訪問技術(shù)的基礎(chǔ)[2]，面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫訪問接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是其新型的數(shù)據(jù)模型對象設(shè)計(jì)，以及數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)之間的對象匹配。

目前，常用的數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)之間的對象匹配方法主要有基于OMG的CORBA、Sun的J2EE 和Microsoft DNA的對象關(guān)系映射（Object Relational Mapping，ORM）、基于數(shù)據(jù)字典的對象化匹配和模糊對象匹配。模糊對象匹配方法基于可能性理論和模糊數(shù)據(jù)的語義測度，通過計(jì)算兩個(gè)模糊對象等價(jià)度和必要度實(shí)現(xiàn)模糊對象匹配[3]，這種方法一般應(yīng)用于異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成和清洗，不適用于通用數(shù)據(jù)庫訪問；基于CORBA/J2EE/DNA的ORM技術(shù)通過使用描述對象和數(shù)據(jù)庫之間映射的元數(shù)據(jù)，將面向?qū)ο笳Z言程序中的對象自動(dòng)持久化到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的自動(dòng)匹配[4-8]，但當(dāng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)需要重新構(gòu)建描述對象，可擴(kuò)展性較差；而基于數(shù)據(jù)字典的對象化匹配方法根據(jù)數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)字典[9-12]，由數(shù)據(jù)字典自動(dòng)構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，特別是通過自適應(yīng)數(shù)據(jù)字典技術(shù)在數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型之間建立“動(dòng)態(tài)耦合”的方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)模型隨數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的變化而變化的自適應(yīng)對象匹配[11]。

本文正是基于數(shù)據(jù)字典的自動(dòng)對象匹配方法提出了一種面向?qū)ο蟮耐ㄓ脭?shù)據(jù)庫訪問接口泛化方法，通過基于數(shù)據(jù)字典的編解碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問請求泛化、數(shù)據(jù)庫訪問處理泛化和數(shù)據(jù)庫訪問結(jié)果泛化。

1 數(shù)據(jù)字典技術(shù)

本文提出的這種通用數(shù)據(jù)庫訪問接口泛化方法基于自建的數(shù)據(jù)字典技術(shù)，數(shù)據(jù)字典可以從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)目錄中自動(dòng)化提取，數(shù)據(jù)字典分為用戶數(shù)據(jù)字典、表/視圖數(shù)據(jù)字典和字段數(shù)據(jù)字典三類[11]，三類數(shù)據(jù)字典生成后以文件的形式存儲，并在數(shù)據(jù)庫訪問接口初始化時(shí)加載到內(nèi)存中。數(shù)據(jù)字典結(jié)構(gòu)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)字典結(jié)構(gòu)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系

數(shù)據(jù)字典文件分為文件頭和數(shù)據(jù)字典內(nèi)容兩部分，文件頭的格式相同，文件頭和數(shù)據(jù)字典內(nèi)容如下：

（1）數(shù)據(jù)字典文件頭：包括文件名、文件長度、記錄個(gè)數(shù)、單個(gè)記錄的長度，校驗(yàn)碼和記錄起始位置的偏移量；

（2）用戶數(shù)據(jù)字典：包括用戶名、用戶ID和用戶下的表/視圖數(shù)目；

（3）表數(shù)據(jù)字典：包括表名、用戶的ID、表ID、表的字段數(shù)目、表的主鍵字段數(shù)目和表的主鍵字段ID；

（4）字段數(shù)據(jù)字典：包括字段名、用戶ID、表ID、字段ID、字段類型和字段長度。

數(shù)據(jù)字典中的字段類型是與數(shù)據(jù)庫字段類型對應(yīng)的編程語言中的類型，比如：數(shù)據(jù)庫的整數(shù)對應(yīng)編程語言的整數(shù)類型，浮點(diǎn)數(shù)對應(yīng)浮點(diǎn)數(shù)，字符串對應(yīng)字符數(shù)組，時(shí)間對應(yīng)時(shí)間結(jié)構(gòu)體，字段長度為編程語言中的類型長度。這樣根據(jù)數(shù)據(jù)字典就可以自動(dòng)生成編程語言的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2 技術(shù)原理

2.1 數(shù)據(jù)庫訪問請求自動(dòng)適配對象

假設(shè)用戶U有一張數(shù)據(jù)庫表T，表T有m個(gè)字段，分別為（T1,T2,…,Tm），根據(jù)數(shù)據(jù)字典生成的編程語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為S，S的m個(gè)數(shù)據(jù)成員分別為（S1,S2,…,Sm）。表T和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S的對象關(guān)系映射示意圖如圖2所示。

圖2 表T和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S的對象關(guān)系映射

用戶U的數(shù)據(jù)字典為Du，表T的表數(shù)據(jù)字典為DT，則字段（T1,T2,…,Tm）的字段數(shù)據(jù)字典分別為，字段數(shù)據(jù)字典中字段（T1,T2,…,Tm）的字段長度為（L1,L2,…,Lm），數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S的長度為L。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S的內(nèi)存存儲示意圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S的內(nèi)存存儲示意

由圖3可知：

數(shù)據(jù)庫訪問請求的入?yún)⒅泻瑪?shù)據(jù)訪問的用戶U、表T和泛化后的S的對象指針PS，將數(shù)據(jù)庫訪問請求自適應(yīng)對象的方法為：先通過用戶名U找到該用戶的數(shù)據(jù)字典Du，然后根據(jù)用戶名查到用戶U的數(shù)據(jù)字典Du，再根據(jù)表名在Du中找到表T的數(shù)據(jù)字典DT，進(jìn)而可以獲取表T的字段（T1,T2,…,Tm）的字段字典（DT1,DT2,…,DTm），從字段數(shù)據(jù)字典中即可獲取（S1,S2,…,Sm）在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S中的存儲長度（L1,L2,…,Lm）。由公式（1）可知數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S的長度L，從指針PS起始的L個(gè)字節(jié)存儲的即為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S的對象。

設(shè)（B1,B2,…,Bm）為（S1,S2,…,Sm）在PS中存儲的起始字節(jié)，則：

則從PS的起始地址，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S的成員（S1,S2,…,Sm）的長度（L1,L2,…,Lm）按位讀取，即可獲取PS指向的類型為S的對象的成員（S1,S2,…,Sm）的值。

設(shè)f(x,y)(x＜y)表示起始地址為x、結(jié)束地址為y的一段內(nèi)存的存儲值，當(dāng)1≤i≤m時(shí)有：

將根據(jù)公式（3）獲取的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S的成員（S1,S2,…,Sm）與數(shù)據(jù)庫用戶U的表T的字段（T1,T2,…,Tm）一一對應(yīng)匹配，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問請求中編程語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)自動(dòng)適配。

2.2 數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果自動(dòng)適配對象

當(dāng)數(shù)據(jù)庫請求為查詢請求時(shí)，需要將從數(shù)據(jù)庫中查詢到的每條記錄轉(zhuǎn)換成編程語言的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的格式。假設(shè)：查詢所有字段的內(nèi)容，泛化的指針Po為查詢結(jié)果起始地址，將查詢結(jié)果轉(zhuǎn)化為編程語言的數(shù)據(jù)對象的過程即為將查詢到的字段（T1,T2,…,Tm）的值轉(zhuǎn)換成指針Po指向的數(shù)據(jù)對象S的數(shù)據(jù)成員（S1,S2,…,Sm）的過程。

使用同2.1中方法同樣獲取到表T的字段（T1,T2,…,Tm）的字段字典（DT1,DT2,…,DTm）和輸出結(jié)果的數(shù)據(jù)類型S，以及其對應(yīng)的編程語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S的成員（S1,S2,…,Sm）及其數(shù)據(jù)長度（L1,L2,…,Lm），依次提取數(shù)據(jù)庫中字段（T1,T2,…,Tm）的值，并將其賦給（S1,S2,…,Sm），然后將Si(1≤i≤m)按位賦給起始地址為Po的地址，即：

根據(jù)公式（4）將Po起始的內(nèi)存地址分為了m份，每份的長度依次為（L1,L2,…,Lm），將Si(1≤i≤m)的值存在第i個(gè)單元即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果自動(dòng)適配編程語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對象。

當(dāng)查詢數(shù)據(jù)表T的部分字段時(shí)，將查詢結(jié)果自動(dòng)適配對象的方法與查詢?nèi)繒r(shí)類似，假設(shè)表T的某個(gè)成員Tn(1≤n≤m)沒有被查詢，則只需要進(jìn)行查詢結(jié)果對象化時(shí)跳過Sn字段長度為Ln的內(nèi)存地址，即在1≤i≤n和n＜i≤m兩個(gè)區(qū)間分別按照公式（4）為指針Po指向的內(nèi)存地址賦值，即可實(shí)現(xiàn)將查詢數(shù)據(jù)庫表部分字段的結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)適配對象。

3 實(shí)現(xiàn)方法

3.1 數(shù)據(jù)庫訪問請求泛化

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問請求的統(tǒng)一，采用數(shù)據(jù)字典技術(shù)對數(shù)據(jù)庫訪問請求進(jìn)行重新編碼的方法進(jìn)行泛化，這種方法將數(shù)據(jù)庫訪問請求泛化為根據(jù)數(shù)據(jù)字典打包后的一段內(nèi)存指針。數(shù)據(jù)訪問請求要素主要有數(shù)據(jù)庫名稱、數(shù)據(jù)庫表/視圖名稱，數(shù)據(jù)庫操作類型（插入、刪除、修改和查詢）、表記錄數(shù)據(jù)和查詢條件（刪除、修改和查詢）。數(shù)據(jù)庫請求泛化后的數(shù)據(jù)請求由數(shù)據(jù)庫請求數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)庫表記錄數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)庫表字段數(shù)據(jù)頭和字段數(shù)據(jù)值組成。

數(shù)據(jù)庫請求數(shù)據(jù)頭如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)庫請求數(shù)據(jù)頭

數(shù)據(jù)庫表記錄數(shù)據(jù)頭如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)庫表記錄數(shù)據(jù)頭

數(shù)據(jù)庫表字段數(shù)據(jù)頭如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)庫表字段數(shù)據(jù)頭

數(shù)據(jù)庫請求泛化首先根據(jù)數(shù)據(jù)庫名稱和表/視圖名稱獲取數(shù)據(jù)字典中的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)字典、表/視圖數(shù)據(jù)字典和字段數(shù)據(jù)字典，根據(jù)這些數(shù)據(jù)字典打包請求數(shù)據(jù)包頭和表記錄數(shù)據(jù)包頭，然后根據(jù)字段數(shù)據(jù)字典的順序依次打包字段數(shù)據(jù)包頭和字段值，字段值為按照字段數(shù)據(jù)字典和圖2描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S讀取的S的成員值，泛化后的數(shù)據(jù)庫請求內(nèi)存存儲示意圖如圖4所示。

圖4 泛化后的數(shù)據(jù)庫請求內(nèi)存存儲示意

3.2 數(shù)據(jù)庫訪問處理泛化

數(shù)據(jù)庫訪問處理泛化是數(shù)據(jù)庫訪問請求泛化的反過程，首先解析數(shù)據(jù)庫請求包頭，獲取請求中攜帶的數(shù)據(jù)請求數(shù)目，然后根據(jù)數(shù)據(jù)字典獲取數(shù)據(jù)請求記錄操作的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)表/視圖、操作類型、字段名、字段值，然后根據(jù)這些要素構(gòu)建數(shù)據(jù)庫方法訪問數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫訪問處理泛化的流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫訪問處理泛化的流程

由于采用了基于數(shù)據(jù)字典的訪問處理機(jī)制，對數(shù)據(jù)訪問的處理流程不依賴于數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫表，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)庫訪問接口、一個(gè)處理流程處理所有數(shù)據(jù)庫表的訪問，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫訪問處理的泛化。數(shù)據(jù)庫訪問處理泛化的具體流程如下：

（1）數(shù)據(jù)庫訪問接口收到泛化后的數(shù)據(jù)庫訪問請求；

（2）根據(jù)請求中攜帶的數(shù)據(jù)庫ID和表/視圖ID查詢數(shù)據(jù)字典；

（3）獲取到指定數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)字典、指定表/視圖的數(shù)據(jù)字典以及表/視圖下的所有字段的數(shù)據(jù)字典；

（4）基于數(shù)據(jù)字典根據(jù)圖2和圖3構(gòu)造請求對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

（5）根據(jù)圖3將泛化后的數(shù)據(jù)訪問請求中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S還原，獲取到每個(gè)成員的值；

（6）根據(jù)圖2將還原后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S的數(shù)據(jù)成員與數(shù)據(jù)庫表的字段自動(dòng)適配；

（7）根據(jù)請求中的數(shù)據(jù)庫操作類型構(gòu)造數(shù)據(jù)庫方法并訪問數(shù)據(jù)庫。

3.3 數(shù)據(jù)庫訪問結(jié)果泛化

當(dāng)數(shù)據(jù)庫訪問請求為插入、更新和刪除等數(shù)據(jù)操縱語言（Data Manipulation Language，DML）操作時(shí)，直接返回?cái)?shù)據(jù)庫訪問成功與否即可，此處不再贅述；當(dāng)為數(shù)據(jù)查詢語言（Data Query Language，DQL）查詢操作時(shí)，數(shù)據(jù)庫訪問接口除返回成功與否外，還需要提供查詢結(jié)果的提取功能，基于數(shù)據(jù)字典的數(shù)據(jù)庫訪問處理機(jī)制，同樣可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果提取接口、一個(gè)查詢結(jié)果提取流程適用于所有數(shù)據(jù)庫表的查詢結(jié)果提取，將查詢結(jié)果轉(zhuǎn)化為編程語言數(shù)據(jù)對象的格式，可以供編程語言以該數(shù)據(jù)對象的形式直接訪問，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果的泛化。數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果泛化的處理流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果泛化處理流程

數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果泛化的具體流程如下：

（1）根據(jù)數(shù)據(jù)庫用戶名和表/視圖名查詢數(shù)據(jù)字典；

（2）獲取到指定數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)字典、指定表/視圖的數(shù)據(jù)字典以及表/視圖下的所有字段的數(shù)據(jù)字典；

（3）基于數(shù)據(jù)字典根據(jù)圖2和圖3構(gòu)造查詢結(jié)果在編程語言中對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

（4）逐個(gè)提取查詢結(jié)果的字段值；

（5）根據(jù)圖2和圖3中所建立的數(shù)據(jù)庫表字段與編程語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)成員的對象化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果與編程語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)適配，將查詢結(jié)果轉(zhuǎn)化為編程語言數(shù)據(jù)對象的格式；

（6）將所有字段提取完畢后，數(shù)據(jù)訪問接口以編程語言對象的形式向應(yīng)用返回查詢結(jié)果。

4 結(jié) 語

本文基于數(shù)據(jù)字典技術(shù)，提出了一種通用數(shù)據(jù)庫訪問接口的泛化方法，通過數(shù)據(jù)庫請求的泛化實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫訪問接口的標(biāo)準(zhǔn)化，通過對數(shù)據(jù)庫訪問處理的泛化實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫訪問處理流程的標(biāo)準(zhǔn)化，通過數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果的泛化實(shí)現(xiàn)了查詢結(jié)果提取接口的標(biāo)準(zhǔn)化，通過對數(shù)據(jù)庫訪問處理的泛化和數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果的泛化實(shí)現(xiàn)了對所有數(shù)據(jù)庫表處理的標(biāo)準(zhǔn)化，從而實(shí)現(xiàn)了同一套數(shù)據(jù)庫接口對數(shù)據(jù)庫所有表的DML和DQL操作。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，基于數(shù)據(jù)字典的通用數(shù)據(jù)庫訪問接口泛化方法能夠?qū)崿F(xiàn)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫訪問中間件與數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的“解耦和”，具有良好的通用性。