基于Web的用戶自適應(yīng)關(guān)系模型的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

， ， ， ，

(1.貴州省煙草科學(xué)研究院，貴陽 550081； 2.中國地質(zhì)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

需求分析一直以來都是軟件工程項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)環(huán)節(jié)，如何做好用戶需求分析，從而盡可能的避免應(yīng)用系統(tǒng)投運(yùn)后再返回修改功能需求，是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的重要問題。當(dāng)前，Internet技術(shù)的發(fā)展，使得基于Web的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用項(xiàng)目數(shù)量激增，且遍布社會(huì)生活的各行各業(yè)，這使得在進(jìn)行項(xiàng)目需求分析時(shí)，用戶類別更加廣泛，用戶需求和數(shù)據(jù)類型則更加多樣和易變，因此，提高數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的用戶適應(yīng)性，進(jìn)而減少用戶需求變化對(duì)軟件工程項(xiàng)目的不良影響，具有重要的研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[1]，在國內(nèi)外都得到了廣泛研究。

對(duì)于用戶多變的數(shù)據(jù)需求或未知的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，常見的處理方法有以下幾類：第一類是把未知的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存為xml格式文件的形式[2-4]；第二類是用鍵-值映射關(guān)系來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)庫的列-屬性映射關(guān)系[5-6]；第三類是采用靜態(tài)表結(jié)構(gòu)描述動(dòng)態(tài)表結(jié)構(gòu)[7-8]；第四類是SaaS(Software as a service, 軟件即服務(wù))模式下多租戶技術(shù)[9-12]中的共享關(guān)系表方法[13]。前兩類方法都存在編碼量大、存取效率低、數(shù)據(jù)不易管理等缺點(diǎn)，第三類方法是比較高效的方法[14]，但是邏輯處理比較復(fù)雜，難以應(yīng)用于大型關(guān)系模式；第四類方法只能在一定范圍內(nèi)滿足有同類數(shù)據(jù)需求的用戶自適應(yīng)性，無法滿足大多數(shù)用戶的數(shù)據(jù)需求，局限性較大。

本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目中所出現(xiàn)的：非信息專業(yè)用戶數(shù)據(jù)庫知識(shí)欠缺，同時(shí)又希望能夠自定義和管理自身數(shù)據(jù)，從而造成用戶需求難以在需求分析階段完全確定等問題，將上述第三類和第四類方法相結(jié)合，使用主、從兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的靜態(tài)關(guān)系表來描述動(dòng)態(tài)表結(jié)構(gòu)，主表用于存儲(chǔ)用戶自定義虛擬關(guān)系表信息；使用多租戶技術(shù)實(shí)現(xiàn)從表的數(shù)據(jù)共享功能，用于存儲(chǔ)所有用戶自定義數(shù)據(jù)。給出了一個(gè)實(shí)際的工程用例，運(yùn)行結(jié)果表明，利用該關(guān)系模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，用戶可以通過瀏覽器自定義并且管理虛擬關(guān)系表，從而有效提高數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)用戶需求變化的適應(yīng)性，同時(shí)改善Web站點(diǎn)的性能。

1 用戶自適應(yīng)關(guān)系模型

多租戶技術(shù)中的共享關(guān)系表可以滿足所有同類租戶的數(shù)據(jù)需求。在沒有單獨(dú)為每個(gè)租戶建立獨(dú)立關(guān)系表的情況下，通過一張共享關(guān)系表來存儲(chǔ)所有同類租戶數(shù)據(jù)，以租戶ID來隔離不同租戶之間的數(shù)據(jù)，同時(shí)每個(gè)租戶擁有自己獨(dú)立的關(guān)系表，但這些獨(dú)立關(guān)系表在數(shù)據(jù)庫中并不是物理存在的，而是一種虛擬或邏輯關(guān)系表。所有虛擬關(guān)系表實(shí)際上共用了共享關(guān)系表的關(guān)系模型，因此不需要再為每個(gè)虛擬關(guān)系表建立獨(dú)立的關(guān)系模型。

本文利用了該方法通過通用關(guān)系模型，在不新建數(shù)據(jù)庫關(guān)系表的情況下可以擁有任意多個(gè)虛擬關(guān)系表的特點(diǎn)，采用靜態(tài)表結(jié)構(gòu)表現(xiàn)動(dòng)態(tài)表結(jié)構(gòu)設(shè)的思想計(jì)出一種基于Web的用戶自適應(yīng)關(guān)系模型，如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫關(guān)系表

該關(guān)系模型分為兩部分，主關(guān)系模型和從關(guān)系模型，分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫中主、從兩種靜態(tài)關(guān)系表。主表用于存儲(chǔ)用戶自定義關(guān)系表的表名、字段名以及該表在從表中所使用的起止字段等結(jié)構(gòu)信息；從表類似于多租戶技術(shù)中的共享關(guān)系表，用于存儲(chǔ)用戶自定義數(shù)據(jù)，插入的記錄通過表名來隔離、區(qū)分。主表中一條記錄映射到用戶新建虛擬關(guān)系表的結(jié)構(gòu)信息，因此可對(duì)應(yīng)從表中同一表名的多條記錄。

當(dāng)用戶通過瀏覽器網(wǎng)頁新建數(shù)據(jù)庫關(guān)系表時(shí)，新建虛擬關(guān)系表的結(jié)構(gòu)信息存儲(chǔ)在主表中，當(dāng)用戶需要管理自定義虛擬關(guān)系表的數(shù)據(jù)時(shí)，后臺(tái)邏輯就先通過主表查詢到該虛擬關(guān)系表的結(jié)構(gòu)信息，比如該表的字段名、該表在從表中所使用的起止字段等等，然后根據(jù)查詢到的虛擬關(guān)系表結(jié)構(gòu)信息來對(duì)從表進(jìn)行相應(yīng)操作。

1.1 自適應(yīng)關(guān)系模型ER圖

圖2 自適應(yīng)關(guān)系模型ER圖

1.2 主表設(shè)計(jì)

用戶建立的所有虛擬關(guān)系表結(jié)構(gòu)信息都存儲(chǔ)在主表中，表名不允許重復(fù)，故設(shè)置表名tableName為主鍵，主表中還有如下幾個(gè)字段：startColumn、endColumn、columnName。 startColumn字段表示該虛擬關(guān)系表的記錄在從表中是從第幾個(gè)字段開始，endColumn字段表示該虛擬關(guān)系表的記錄在從表中到第幾個(gè)字段結(jié)束，columnName字段表示該虛擬關(guān)系表的字段名，把用戶新建的虛擬關(guān)系表的所有字段名用特殊符號(hào)“|”隔開，連接成字符串存儲(chǔ)在columnName這個(gè)字段。主表的數(shù)據(jù)字典如表1所示。

表1 主表TableInfor數(shù)據(jù)字典

1.3 從表設(shè)計(jì)

從表設(shè)置一個(gè)int類型自增主鍵id，用來表示每條記錄的編號(hào)。由于從表中的記錄通過表名來區(qū)分該條記錄屬于哪個(gè)虛擬關(guān)系表，用戶只有在新建了虛擬關(guān)系表之后才能向新建的虛擬關(guān)系表中插入數(shù)據(jù)，因此設(shè)置主表的主鍵tableName為從表的外鍵，這樣能夠保證所有出現(xiàn)在從表中的記錄的表名都能夠在主表中找到。由于無法預(yù)知用戶新建的虛擬關(guān)系表的字段數(shù)，所以從表的字段數(shù)應(yīng)盡量大，這樣才能夠滿足所有用戶的需求。從表的其他字段就用來存儲(chǔ)用戶插入到虛擬表中的記錄，其他字段的命名方式按照字段編號(hào)來命名，考慮到Java語言中一個(gè)對(duì)象最多只能擁有255個(gè)屬性，這里我們把其他字段分別命名為column1、column2 … column250。從表的數(shù)據(jù)字典如表2。

表2 從表TableData 數(shù)據(jù)字典

1.4 數(shù)據(jù)庫物理模型

本方法中虛擬關(guān)系表實(shí)際上并不是真正的在數(shù)據(jù)庫中去創(chuàng)建新關(guān)系表，而是通過數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存在的一個(gè)主表TableInfor來存儲(chǔ)用戶自定義關(guān)系表的結(jié)構(gòu)信息，自定義關(guān)系表的結(jié)構(gòu)信息包括：表名、起始字段、終止字段、字段名。把用戶所要插入到自己創(chuàng)建的關(guān)系表的記錄都存儲(chǔ)在從表TableData中，如圖3所示：在TableData表中設(shè)置tableName為外鍵，通過這個(gè)外鍵來約束從表TableData中記錄的tableName字段一定是在主表TableInfor中存在的。主表中的columnName字段是用來存儲(chǔ)用戶創(chuàng)建的關(guān)系表的字段名，把用戶定義的所有字段名通過“|”符號(hào)鏈接成一個(gè)字符串存儲(chǔ)在表中。主表中的startColumn與endColumn字段是通過分割columnName后，根據(jù)得到虛擬關(guān)系表的字段數(shù)目計(jì)算而來。它們代表其對(duì)應(yīng)虛擬關(guān)系表中的記錄在從表TableData中所使用的是哪些字段，為簡單起見，默認(rèn)設(shè)置用戶新建虛擬關(guān)系表中除主鍵id外所有字段為varchar數(shù)據(jù)類型。

圖3 數(shù)據(jù)庫物理模型

2 主、從表邏輯處理

2.1 主表邏輯處理

2.1.1 “新增”自定義虛擬關(guān)系表

通過API(Application Programming Interface，應(yīng)用程序接口)新增虛擬關(guān)系表，用戶通過瀏覽器網(wǎng)頁填寫自定義虛擬關(guān)系表的結(jié)構(gòu)信息確定后，后臺(tái)通過http協(xié)議獲取用戶填寫的關(guān)系表結(jié)構(gòu)信息，并對(duì)用戶填寫的關(guān)系表結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)包括用戶自定義虛擬關(guān)系表表名是否已經(jīng)存在、自定義虛擬關(guān)系表字段名是否符合格式要求，如果校驗(yàn)失敗，提示用戶重新填寫信息，如果校驗(yàn)成功，則向主表插入記錄。

2.1.2 “刪除”自定義虛擬關(guān)系表

通過API刪除某自定義虛擬關(guān)系表，后臺(tái)通過http協(xié)議獲取到要?jiǎng)h除的自定義虛擬關(guān)系表的表名，然后查看從表中是否存在該表名的記錄，若存在則先刪除中該表名的所有記錄，然后再刪除主表中該表名的記錄。

2.1.3 “修改”自定義虛擬關(guān)系表

通過API修改某自定義虛擬關(guān)系表，后臺(tái)查詢主表中該表名的記錄，在前臺(tái)網(wǎng)頁顯示該表的結(jié)構(gòu)信息，前臺(tái)網(wǎng)頁可以對(duì)該表結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行修改后保存，由于主表中表名為從表的外鍵，簡單起見不允許修改自定義虛擬關(guān)系表名，然后跳轉(zhuǎn)到后臺(tái)，對(duì)修改后的表結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)成功后更新主表中該表名的記錄，校驗(yàn)失敗則返回頁面提示用戶校驗(yàn)失敗原因，讓用戶重新修改。

2.1.4 “查詢”自定義虛擬關(guān)系表

通過API查詢自定義虛擬關(guān)系表，自定義虛擬關(guān)系表的信息查詢實(shí)際是對(duì)主表的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，根據(jù)查詢條件生成相應(yīng)的sql查詢語句，執(zhí)行sql查詢語句，遍歷查詢結(jié)果，把查詢結(jié)果賦值給主表對(duì)應(yīng)的對(duì)象實(shí)例，然后通過http協(xié)議把實(shí)例對(duì)象傳到前臺(tái)網(wǎng)頁顯示。

綜上所述，主表的“增、刪、改、查”四種基本操作中除了刪除操作以外，其他三種操作只需要直接對(duì)主表直接操作即可，由于從表外鍵約束的原因，刪除操作必須聯(lián)合從表進(jìn)行相關(guān)檢查后操作，如圖4所示。

圖4 主表的基本操作

2.2 從表邏輯處理

2.2.1 “新增”自定義虛擬關(guān)系表中的記錄

通過API新增某自定義虛擬關(guān)系表中記錄時(shí)，先查詢主表中該虛擬關(guān)系表的結(jié)構(gòu)信息，把查詢結(jié)果傳到前臺(tái)網(wǎng)頁，在前臺(tái)網(wǎng)頁解析該虛擬關(guān)系表的結(jié)構(gòu)信息(主要指字段名)，在網(wǎng)頁上顯示該虛擬關(guān)系表的表結(jié)構(gòu)，以供用戶新增該虛擬關(guān)系表的記錄，在用戶新增記錄提交后，后臺(tái)通過http協(xié)議獲取到用戶新增的數(shù)據(jù)，并給從表對(duì)應(yīng)的對(duì)象實(shí)例進(jìn)行賦值，然后向從表插入記錄。

2.2.2 “刪除”自定義虛擬關(guān)系表中的記錄

通過API刪除某自定義虛擬關(guān)系表中記錄時(shí)，先查詢主表中該虛擬關(guān)系表的結(jié)構(gòu)信息，同時(shí)查詢從表中該表名的記錄，分別給主表與從表對(duì)應(yīng)的實(shí)例對(duì)象賦值，傳到前臺(tái)網(wǎng)頁，在網(wǎng)頁上解析主表的結(jié)構(gòu)信息，在網(wǎng)頁上顯示該虛擬關(guān)系表的表結(jié)構(gòu)，并遍歷從表實(shí)例對(duì)象，把遍歷結(jié)果一一對(duì)應(yīng)放在已經(jīng)解析好的虛擬關(guān)系表中，選中記錄刪除后，后臺(tái)通過http協(xié)議獲取到需要?jiǎng)h除的記錄的id，然后刪除從表中對(duì)應(yīng)的記錄。

2.2.3 “修改”自定義虛擬關(guān)系表中的記錄

通過API點(diǎn)擊修改某自定義虛擬關(guān)系表中記錄時(shí)，先查詢主表中該虛擬關(guān)系表的結(jié)構(gòu)信息，同時(shí)查詢從表中該表名的記錄，分別給主表與從表對(duì)應(yīng)的實(shí)例對(duì)象賦值，傳到前臺(tái)網(wǎng)頁，在網(wǎng)頁上解析主表的結(jié)構(gòu)信息，在網(wǎng)頁上顯示出該虛擬關(guān)系表的表結(jié)構(gòu)，并遍歷從表實(shí)例對(duì)象，把遍歷結(jié)果一一對(duì)應(yīng)放在已經(jīng)解析好的虛擬關(guān)系表中，修改保存后，后臺(tái)通過http協(xié)議獲取到修改后的數(shù)據(jù)，并保存到數(shù)據(jù)庫從表中。

2.2.4 “查詢”自定義虛擬關(guān)系表中的記錄

通過API點(diǎn)擊查詢某自定義虛擬關(guān)系表中記錄時(shí)，先查詢主表中該虛擬關(guān)系表的結(jié)構(gòu)信息，同時(shí)查詢從表中該表名的記錄，分別給主表與從表對(duì)應(yīng)的實(shí)例對(duì)象賦值，傳到前臺(tái)網(wǎng)頁，在網(wǎng)頁上解析主表的結(jié)構(gòu)信息，在網(wǎng)頁上顯示出該虛擬關(guān)系表的表結(jié)構(gòu)，并遍歷從表實(shí)例對(duì)象，把遍歷結(jié)果一一對(duì)應(yīng)放在已經(jīng)解析好的虛擬關(guān)系表中。

從表的“增、刪、改、查”操作如圖5所示。

圖5 從表的基本操作

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 用戶需求

“煙草業(yè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)”是一個(gè)基于Web的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)上傳接口把煙葉生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的測試或試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)與管理，并經(jīng)過一定的關(guān)聯(lián)性分析與數(shù)據(jù)挖掘，從而達(dá)到指導(dǎo)煙葉生產(chǎn)的目的。

在“煙草業(yè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)”項(xiàng)目開發(fā)需求調(diào)研階段，有著這樣一種用戶需求：研究人員為了找出彰顯煙葉風(fēng)格特色相關(guān)因素，會(huì)對(duì)各個(gè)地區(qū)的煙葉樣品采摘回來進(jìn)行化學(xué)成分分析、代謝物質(zhì)分析、評(píng)析指標(biāo)分析等幾十種甚至上百種測試或試驗(yàn)分析。然而像化學(xué)成分分析與物質(zhì)代謝分析是無法預(yù)先知道化學(xué)成分與代謝物質(zhì)的，有時(shí)會(huì)為了單獨(dú)分析某種因素而臨時(shí)增加一些試驗(yàn)，這就需要提供用戶在瀏覽器網(wǎng)頁上可以隨時(shí)新建并修改數(shù)據(jù)庫關(guān)系表的功能。

傳統(tǒng)Web開發(fā)關(guān)系模型設(shè)計(jì)方式顯然難以滿足這樣不確定的用戶數(shù)據(jù)需求，然而本文提出的自適應(yīng)關(guān)系模型能夠提供用戶通過瀏覽器網(wǎng)頁自定義數(shù)據(jù)庫關(guān)系表，解決了不明確的用戶需求給項(xiàng)目開發(fā)帶來的困擾。

3.2 開發(fā)環(huán)境

項(xiàng)目在Windows 7平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)中使用Eclipse作為集成開發(fā)工具，Tomcat 7作為Web服務(wù)器，SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫。

3.3 應(yīng)用實(shí)例及結(jié)果分析

下面通過煙“草業(yè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)”項(xiàng)目中自適應(yīng)關(guān)系模型的應(yīng)用實(shí)例來對(duì)自適應(yīng)關(guān)系模型進(jìn)行分析說明，表3、4分別為主表TableInfor與從表TableData中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)例。

由主表實(shí)例可以看出，自定義虛擬關(guān)系表“代謝物質(zhì)”的起始字段為1，終止字段為2，字段名為“草酸(mg/g) | 煙堿(mg/g)”，意思是從表中tableName為“代謝物質(zhì)”的記錄中column1的值即為虛擬關(guān)系表“代謝物質(zhì)”中“草酸(mg/g)”字段的值，column2的值即為虛擬關(guān)系表“代謝物質(zhì)”中“煙堿(mg/g)”字段的值；自定義虛擬關(guān)系表“化學(xué)成分”的起始字段為1，終止字段為3，字段名為“鉀(mg/g) | 氯(mg/g) | 磷(mg/g)”，意思是從表中tableName為“化學(xué)成分”的記錄中column1的值即為虛擬關(guān)系表“化學(xué)成分”中“鉀(mg/g)”字段的值，column2的值即為虛擬關(guān)系表“化學(xué)成分”中“氯(mg/g)”字段的值, column3的值即為虛擬關(guān)系表“化學(xué)成分”中“磷(mg/g)”字段的值；自定義虛擬關(guān)系表“感官評(píng)價(jià)”的起始字段為1，終止字段為3，字段名為“香氣量 | 雜氣 | 甜度”，意思是從表中tableName為“感官評(píng)價(jià)”的記錄中column1的值即為虛擬表關(guān)系“感官評(píng)價(jià)”中“香氣量”字段的值，column2的值即為虛擬關(guān)系表“感官評(píng)價(jià)”中“雜氣”字段的值，column3的值即為虛擬關(guān)系表“感官評(píng)價(jià)”中“甜度”字段的值。

表3 主表TableInfor 實(shí)例

表4 從表TableData實(shí)例

idtableNamecolumn1column2column3…column2501代謝物質(zhì)3.242.87NULLNULLNULL2代謝物質(zhì)3.152.56NULLNULLNULL3化學(xué)成分0.150.650.34NULLNULL4化學(xué)成分0.240.530.28NULLNULL5感官質(zhì)量6.075.715.93NULLNULL6感官質(zhì)量7.265.675.84NULLNULL

從以上實(shí)例可以看出用戶自定義虛擬關(guān)系表的表結(jié)構(gòu)信息都存儲(chǔ)在表3中，而對(duì)應(yīng)的記錄存儲(chǔ)在表4中，同時(shí)，用戶可以隨意建立滿足自己需求的虛擬關(guān)系表。

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的用戶往往不具有信息專業(yè)的相關(guān)知識(shí)和技能，系統(tǒng)開發(fā)過程中用戶的需求也經(jīng)常發(fā)生變化，從而嚴(yán)重影響了軟件工程項(xiàng)目的進(jìn)度和質(zhì)量。針對(duì)這一問題，本文提出了一種基于web的用戶自適應(yīng)關(guān)系模型，該方法通過特殊的關(guān)系模型設(shè)計(jì)，以及建立虛擬關(guān)系表的思想，使用靜態(tài)表結(jié)構(gòu)來表現(xiàn)動(dòng)態(tài)表結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了用戶可根據(jù)自身需要在網(wǎng)頁上新建以及動(dòng)態(tài)管理數(shù)據(jù)表及其數(shù)據(jù)的功能，一定程度上提高了對(duì)用戶需求的自適應(yīng)。在“煙草業(yè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)”數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果表明了本文所提方法的有效性，對(duì)一類具有需求不確定軟件工程項(xiàng)目的研發(fā)具有參考和應(yīng)用價(jià)值。