實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)漫談

王曉東

摘 要：實(shí)時(shí)應(yīng)用有很強(qiáng)的時(shí)間性，所處理的數(shù)據(jù)也往往具有一定的時(shí)效性。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是實(shí)時(shí)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，本文介紹了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本概念和特征，以及事務(wù)模型和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí);實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫;事務(wù)

一、引言

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不考慮有關(guān)數(shù)據(jù)及其處理的定時(shí)限制，無法滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的需要。傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)不涉及維護(hù)大量共享數(shù)據(jù)及其完整性和一致性，尤其是時(shí)間一致性。只有將兩者的概念、技術(shù)、方法和機(jī)制有機(jī)結(jié)合形成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，才能同時(shí)支持定時(shí)和一致性。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，事務(wù)的原子性和可串行化是普遍接受的正確性和一致性標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫有著根本性的不同，其本質(zhì)的區(qū)別在于數(shù)據(jù)與事務(wù)的定時(shí)限制，實(shí)時(shí)事務(wù)由可見性、正確性、可恢復(fù)性、永久性和可預(yù)報(bào)性等特性確定。

二、特征

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的特征主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)和事務(wù)的時(shí)間相關(guān)方面。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)隨外部環(huán)境的變化而快速變化，其值只在一定的時(shí)間是有效的。因此系統(tǒng)除了維護(hù)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)值的正確性和相容性之外，還必須同時(shí)維護(hù)數(shù)據(jù)值與外部環(huán)境實(shí)際狀態(tài)的一致性，以及數(shù)據(jù)用來決策或者推導(dǎo)新數(shù)據(jù)時(shí)，在時(shí)間上的相互一致性。綜上所述，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)特征主要有內(nèi)部一致性、外部一致性、相互一致性、時(shí)間一致性和狀態(tài)正確性。內(nèi)部一致性是指當(dāng)前數(shù)值滿足預(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制，這就是傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)正確性。外部一致性是指實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)應(yīng)與外部數(shù)據(jù)相一致，即要求數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)能及時(shí)地反映外部環(huán)境的狀態(tài)。相互一致性要求用來導(dǎo)出新數(shù)據(jù)的一組數(shù)據(jù)在時(shí)間上應(yīng)盡量接近，外部一致性和相互一致性都是關(guān)于時(shí)間的，因此統(tǒng)稱時(shí)間一致性。狀態(tài)正確性要求既是內(nèi)部一致又是時(shí)間一致的數(shù)據(jù)，才是正確的。

由于實(shí)時(shí)任務(wù)往往有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互之間的聯(lián)系，導(dǎo)致實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫事務(wù)表現(xiàn)出了許多與傳統(tǒng)事務(wù)不同的特征，主要有定時(shí)性、語義相關(guān)性和實(shí)時(shí)事務(wù)正確性。定時(shí)性是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫事務(wù)的根本特點(diǎn)，它包含定時(shí)限制和定時(shí)正確性兩方面的含義。定時(shí)限制即事務(wù)的執(zhí)行有顯式的時(shí)限，要求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫必須有時(shí)間處理機(jī)制。實(shí)時(shí)事務(wù)有不同的定時(shí)限制，其中最重要的是截止時(shí)間、到達(dá)時(shí)間和期望執(zhí)行時(shí)間。定時(shí)正確性即事務(wù)能按指定的時(shí)間要求正確執(zhí)行，它需要權(quán)衡定時(shí)限制與數(shù)據(jù)一致性要求等多方面因素，提供合適的調(diào)度和并發(fā)控制算法。

語義相關(guān)性是指實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫事務(wù)之間存在各種關(guān)系，包括結(jié)構(gòu)關(guān)系、數(shù)據(jù)與通信關(guān)系和時(shí)間關(guān)系等等。雖然實(shí)時(shí)事務(wù)正確性與傳統(tǒng)事務(wù)一樣，也包括數(shù)據(jù)庫狀態(tài)正確性和事務(wù)執(zhí)行正確性兩個(gè)方面，但是其含義和內(nèi)容有很大不同。數(shù)據(jù)庫狀態(tài)正確性包含內(nèi)部一致和時(shí)間一致，事務(wù)執(zhí)行正確性則包含其結(jié)果正確性、行為正確性、結(jié)構(gòu)正確性和時(shí)間正確性。

三、實(shí)時(shí)事務(wù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與普通數(shù)據(jù)庫的根本性區(qū)別在于數(shù)據(jù)和事務(wù)的定時(shí)限制，而數(shù)據(jù)的定時(shí)限制最終也要轉(zhuǎn)化成事務(wù)的定時(shí)限制。實(shí)時(shí)事務(wù)的分類有許多標(biāo)準(zhǔn)，一般來說可按關(guān)鍵性、功能、時(shí)間和數(shù)據(jù)方式等進(jìn)行分類。按關(guān)鍵性分類有硬實(shí)時(shí)事務(wù)、軟實(shí)時(shí)事務(wù)和固實(shí)時(shí)事務(wù)，按功能分類有控制事務(wù)、數(shù)據(jù)接收事務(wù)和數(shù)據(jù)處理事務(wù)，按時(shí)間分類有周期事務(wù)、非周期事務(wù)和離散事務(wù)，按數(shù)據(jù)方式分類有只讀事務(wù)、只寫事務(wù)和更新事務(wù)。

與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫事務(wù)不同，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫事務(wù)還有以下幾個(gè)主要特性。（！）功能替代性，功能替代導(dǎo)致事務(wù)執(zhí)行路徑的不確定性，但是增強(qiáng)了實(shí)時(shí)事務(wù)的健壯性。（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，事務(wù)間以及事務(wù)內(nèi)部可能存在著多種結(jié)構(gòu)，例如嵌套、分層、合并、分裂和協(xié)同通信等等。（3）語義相關(guān)性，由于事務(wù)間存在著多種關(guān)系，使得事務(wù)間存在各種相關(guān)性，例如結(jié)構(gòu)相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、時(shí)間相關(guān)和行為相關(guān)等等。（4）結(jié)果補(bǔ)償性，當(dāng)實(shí)時(shí)事務(wù)夭折時(shí)，需要一種補(bǔ)償活動(dòng)來抵消它的影響。（5）執(zhí)行依賴性，它是由實(shí)時(shí)事務(wù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和語義相關(guān)性引起的。實(shí)時(shí)事務(wù)在執(zhí)行時(shí)存在著各種依賴關(guān)系，一般分為開始依賴、提交依賴、夭折依賴、成功依賴和外部依賴等等。

四、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為了滿足數(shù)據(jù)和事務(wù)定時(shí)限制要求，需要具有新的特性。其設(shè)計(jì)的基本原則是寧要部分正確而及時(shí)的信息，也不要絕對(duì)正確但過時(shí)的信息。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)除了一般數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能之外，還具有以下功能特性。（！）數(shù)據(jù)庫狀態(tài)的最新性，即盡可能保持?jǐn)?shù)據(jù)庫的狀態(tài)為不斷變化的現(xiàn)實(shí)世界當(dāng)前最真實(shí)狀態(tài)的映像。（2）數(shù)據(jù)值的時(shí)間一致性，即確保事務(wù)讀取的數(shù)據(jù)是時(shí)間一致的。（3）事務(wù)處理的實(shí)時(shí)性，即確保事務(wù)的及時(shí)處理，使其定時(shí)限制尤其是執(zhí)行的截止期得以滿足。

描述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)運(yùn)作原理的執(zhí)行模型包括以下幾種。（?。┤蝿?wù)/事務(wù)模型。傳統(tǒng)的事務(wù)模型對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫已不適用，需要具有內(nèi)部構(gòu)造和彼此相關(guān)性的復(fù)雜事務(wù)模型，即嵌套、合并/分裂、通信和合并事務(wù)模型等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)必須支持這種復(fù)雜事務(wù)，處理事務(wù)間的結(jié)構(gòu)、行為和時(shí)間相關(guān)性。（2）資源模型。它確定系統(tǒng)資源的類型及其管理策略，包括分配、使用與回收策略。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)必須采用基于優(yōu)先級(jí)和考慮定時(shí)限制尤其是截止期的分配策略。（3）負(fù)載模型。它規(guī)定各種類型事務(wù)的到達(dá)（或在系統(tǒng)中生成）、執(zhí)行期限以及頻率的分布，包括周期、非周期和零星事務(wù)，以及軟或硬事務(wù)及其延遲的代價(jià)計(jì)算等等。（4）調(diào)度模型。它確定事務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配策略、調(diào)度算法、互相沖突的解決（并發(fā)控制）策略及其機(jī)制，控制事務(wù)正確、有效地執(zhí)行。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的調(diào)度模型還應(yīng)有一定的可調(diào)度性預(yù)測(cè)能力，以及應(yīng)急處理能力。（5）執(zhí)行的正確性。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)不但要確保事務(wù)執(zhí)行結(jié)果（包括返回?cái)?shù)據(jù)的狀態(tài)及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)）的正確性，還要保證其執(zhí)行在結(jié)構(gòu)、行為和時(shí)間上的正確，即要正確實(shí)現(xiàn)事務(wù)間的結(jié)構(gòu)、行為、時(shí)間相關(guān)性及執(zhí)行依賴性。

五、結(jié)語

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫需要采集大量實(shí)時(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而經(jīng)過處理形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫更為側(cè)重信息的及時(shí)性，它的查詢與事務(wù)處理都有與之相聯(lián)系的定時(shí)限制，結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間與結(jié)果本身一樣重要。事務(wù)必須維護(hù)數(shù)據(jù)庫對(duì)象的時(shí)間一致性，所以有時(shí)間限制與之聯(lián)系。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫提供維護(hù)數(shù)據(jù)有效性和事務(wù)及時(shí)性的機(jī)制，一般只存取數(shù)據(jù)庫當(dāng)前有效的信息。

參考文獻(xiàn)：

[1] 湯庸. 高級(jí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社， 2008.