嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫引擎的研究與設(shè)計

1 嵌入式內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀

　　數(shù)據(jù)庫理論與技術(shù)的發(fā)展極其迅速，其應(yīng)用日益廣泛，在當(dāng)今的信息社會中，它幾乎無所不在。以關(guān)系型為代表的三大經(jīng)典（層次、網(wǎng)狀、關(guān)系）型數(shù)據(jù)庫在傳統(tǒng)的（商務(wù)和管理的事務(wù)型）應(yīng)用領(lǐng)域獲得了極大成功，然而它們在現(xiàn)代的（非傳統(tǒng)）工程和時間關(guān)鍵型應(yīng)用面前卻顯得軟弱無力，面臨著新的嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，由此而導(dǎo)致了嵌入式實時數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)生和發(fā)展。在實時應(yīng)用中，事務(wù)在運行前的操作邏輯(操作類型、順序等)、數(shù)據(jù)集及其結(jié)構(gòu)、行為以及時間的相關(guān)性等都是可預(yù)分析的。然而，對磁盤數(shù)據(jù)庫而言，數(shù)據(jù)的I/O 是造成事務(wù)執(zhí)行時間不確定、預(yù)報不準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素。為此，要求以大內(nèi)存作為實時數(shù)據(jù)庫的主要存儲介質(zhì)，使一個事務(wù)在活動期間沒有I/O， 以達(dá)到較準(zhǔn)確的預(yù)報，從而滿足實時事務(wù)的定時限制。但這要解決兩個問題，就是適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)安置和適時的內(nèi)外存交換。隨著內(nèi)存技術(shù)的高速發(fā)展，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)日益成熟，在非實時系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

　　內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(MMDB)把數(shù)據(jù)庫的主拷貝(即“工作版本”)常駐在內(nèi)存，使系統(tǒng)性能得到了極大的提高。但是，由于所有操作直接作用于內(nèi)存中的數(shù)據(jù)庫主拷貝上，數(shù)據(jù)庫極易受到操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件錯誤造成的破壞，而且，數(shù)據(jù)庫恢復(fù)所包含的I/O 操作(如做日志、備份等)在事務(wù)運行不需要I/O 操作的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中也顯得極為突出。因此，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)機(jī)制對系統(tǒng)性能有重要的影響作用，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)較之傳統(tǒng)的磁盤數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)要復(fù)雜得多，也關(guān)鍵得多。數(shù)據(jù)恢復(fù)是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫可靠、實用的關(guān)鍵，恢復(fù)技術(shù)的研究已成為MMDB 研究領(lǐng)域最熱門的課題。

　　2 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的定義

　　內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的定義不應(yīng)涉及內(nèi)存的大小、存取數(shù)據(jù)所需I/O 的多少、數(shù)據(jù)何時進(jìn)入及怎樣才能留駐內(nèi)存等這些具體的實現(xiàn)技術(shù)，而只包含數(shù)據(jù)庫常駐內(nèi)存（而不是磁盤）、事務(wù)（不是系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)存取只涉及內(nèi)存的意思。其本質(zhì)特征是其“主拷貝”或“工作版本”常駐內(nèi)存，即活動事務(wù)只與實時內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的內(nèi)存拷貝打交道。顯然，它要求較大的內(nèi)存量，但并不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)還是要處理I/O。傳統(tǒng)的磁盤數(shù)據(jù)庫即使緩沖區(qū)足夠大，以致可以容納所有數(shù)據(jù)也不能算是一個MMDB。因為它是針對磁盤特性、在數(shù)據(jù)庫常駐磁盤的假定下設(shè)計的。例如，索引結(jié)構(gòu)還是針對磁盤存取的，數(shù)據(jù)的存取仍必須經(jīng)過緩沖區(qū)管理等。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的組織與管理要求新的適于內(nèi)存特點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，對于數(shù)據(jù)的組織與安置、數(shù)據(jù)庫存取、內(nèi)外存數(shù)據(jù)交換、查詢處理及優(yōu)化、并發(fā)控制及數(shù)據(jù)庫恢復(fù)都需要研究新的策略與機(jī)制。

　　內(nèi)存數(shù)據(jù)庫是一個較新的研究領(lǐng)域，結(jié)合各方面參考，現(xiàn)給出如下定義：

　　定義：設(shè)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； T S 為所有事務(wù)的集合，A T(t)是t 時刻的活動事務(wù)集，A T(t)真包含于T S；D t(T)為T 在t 時刻的操作數(shù)據(jù)集，D t(T)真包含于DB；若在任一時刻t，均有：

　　對任一事務(wù)有T∈A T(t)，D t(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 。

　　按此定義，MMDB 的“工作版本”(當(dāng)然也可以是整個數(shù)據(jù)庫)常駐內(nèi)存，任何一個事務(wù)在執(zhí)行過程中沒有內(nèi)外存間的數(shù)據(jù)I/O。顯然，它需要一定的內(nèi)存容量，但并不要求整個數(shù)據(jù)庫都必須常駐在內(nèi)存。

　　3 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的特點

　　3.1 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)存儲的組織和管理一個MMDB的邏輯整體主要由兩個部分構(gòu)成，即內(nèi)存版本與外存版本。 主存儲器是易失內(nèi)存，它存放MMDB的“工作版本”。它在邏輯上被劃分為若干分區(qū)，一個分區(qū)用來存放一個關(guān)系的數(shù)據(jù)。每個分區(qū)又物理地由若干相互鏈接的塊組成。一塊是一個固定長度的連續(xù)區(qū)域，它是內(nèi)外存I/O的單位，也是內(nèi)存分配、回收以及對MMDB進(jìn)行恢復(fù)的單位。索引與數(shù)據(jù)記錄分離存放。

　　NV-RAM(NO Vola tile RAM)兼有內(nèi)存讀寫速度快和在后備電池維護(hù)的情況下非易失的特點，但價格昂貴，不便插拔，廣泛用于嵌入式系統(tǒng)，并可與Flash-RAM配合使用，充當(dāng)Flash-RAM 寫緩沖區(qū)。NV-RAM是主存儲器的拓延，目前可用UPS、固態(tài)磁盤或磁盤Cache等實現(xiàn)。主存數(shù)據(jù)與NV-RAM數(shù)據(jù)一起統(tǒng)稱為MMDB的“內(nèi)存版本”。

　　磁盤存儲器用來存放未在內(nèi)存的那一部分?jǐn)?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，同時也用作數(shù)據(jù)庫恢復(fù)的備份，我們稱之為“外存版本”。為便于實現(xiàn)內(nèi)外存間的數(shù)據(jù)交換，可將磁盤數(shù)據(jù)在邏輯上劃分為與內(nèi)存塊同樣長度的定長塊，建立相同類型的索引。

　　3.2 事務(wù)處理

　　當(dāng)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫用于非實時系統(tǒng)時，除了日志和系統(tǒng)恢復(fù)的具體方式跟傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫差異比較大以外，事務(wù)處理過程與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的事務(wù)處理相似；然而，當(dāng)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫用于實時系統(tǒng)時，既實時內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中，事務(wù)處理由于受到了時間上的限制，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的事務(wù)處理已經(jīng)不再適用。傳統(tǒng)的“ACID” 的事務(wù)概念及模型對實時事務(wù)不適合。實時事務(wù)表現(xiàn)出了許多不同的特征，如實時性和相關(guān)性。雖然實時事務(wù)的正確性與傳統(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)行正確性兩個方面，但其含義與內(nèi)容有很大的不同。在實時事務(wù)中，數(shù)據(jù)庫狀態(tài)正確性包含內(nèi)部一致性和時間一致性，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)正確性和時間正確性等。事務(wù)調(diào)度也要采取相關(guān)的實時調(diào)度算法。本文中討論的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫引擎針對非實時系統(tǒng)。

3. 3 系統(tǒng)恢復(fù)

　　數(shù)據(jù)庫的備份是數(shù)據(jù)庫的副本以及一些控制信息，在出現(xiàn)故障的情況下，可以隨時用它進(jìn)行恢復(fù)。數(shù)據(jù)庫備份最小化了數(shù)據(jù)丟失，能夠讓您使用恢復(fù)過程，從備份副本中重新構(gòu)造失敗的數(shù)據(jù)庫。有多種類型的失敗導(dǎo)致需要恢復(fù)數(shù)據(jù)庫。其中包括語句失敗、用戶錯誤、進(jìn)程失敗、數(shù)據(jù)庫實例失敗、媒介失敗等。但不是所有類型的失敗都需要進(jìn)行人工交互。但是，在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，由于所有操作都直接作用于內(nèi)存中的數(shù)據(jù)庫主拷貝上，數(shù)據(jù)庫極易受到操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件錯誤造成的破壞，因此MMDB的恢復(fù)技術(shù)如備份、檢驗點(Checkpoint)和重啟動(restart)等都較常規(guī)的磁盤數(shù)據(jù)庫(DRDB)復(fù)雜。人們從體系結(jié)構(gòu)、事務(wù)提交、日志系統(tǒng)到備份、檢驗點算法等各個方面進(jìn)行了大量的研究和探索。日志管理是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫恢復(fù)機(jī)制中至關(guān)重要的一環(huán)。由于內(nèi)存有易失性，日志最好保存于另一穩(wěn)妥的介質(zhì)上(如磁盤、非易失內(nèi)存等)，而對日志的I/O操作又將在某種程度上影響MMDB的性能，可能成為瓶頸影響系統(tǒng)的事務(wù)吞吐量。為此，人們研究了各種各樣的解決辦法，比如構(gòu)造非易失內(nèi)存用于保存部分日志；采用“成組提交”的技術(shù)，使用影子內(nèi)存技術(shù)等來解決日志瓶頸問題。在檢驗點方面，為了提高系統(tǒng)效率，通常力圖使檢驗點操作和事務(wù)處理同時進(jìn)行。為了提高速度指標(biāo)和綜合性能，MMDB系統(tǒng)往往利用附加的硬件設(shè)備如非易失內(nèi)存、專用的日志處理器、檢驗點處理器等來支持高效、快速的數(shù)據(jù)恢復(fù)。

　　4 面向3G平臺嵌入式內(nèi)存數(shù)據(jù)庫引擎的設(shè)計

　　4.1 3G平臺中數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)整體架構(gòu)

　　4.1.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)各功能模塊在3G平臺系統(tǒng)中的位置

3G軟件平臺包括圖1所示的除OS和BSP外的6大軟件子系統(tǒng)。

圖1 3G 軟件平臺系統(tǒng)分布圖

　　DataBase 子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理平臺的物理資源和平臺實現(xiàn)的信令、協(xié)議的配置信息，同時向其它子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫訪問接口。它工作于操作系統(tǒng)之上。 承載子系統(tǒng)向業(yè)務(wù)子系統(tǒng)、信令子系統(tǒng)、OAM和網(wǎng)管子系統(tǒng)提供ATM、IP、等方面的承載服務(wù)。它工作于操作系統(tǒng)和DataBase 子系統(tǒng)之上。 信令子系統(tǒng)實現(xiàn)窄帶No.7 信令、寬帶No.7 信令、IP信令、網(wǎng)關(guān)控制信令，向業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)提供服務(wù)。它工作于操作系統(tǒng)、DataBase子系統(tǒng)和承載子系統(tǒng)之上。 系統(tǒng)控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控、啟動、版本下載等。它工作于操作系統(tǒng)和DataBase 子系統(tǒng)之上。

　　OAM 和網(wǎng)管子系統(tǒng)提供平臺與網(wǎng)管后臺的統(tǒng)一接口，負(fù)責(zé)對平臺的協(xié)議、信令進(jìn)行配置和管理，以及提供必要的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。它工作于操作系統(tǒng)、承載子系統(tǒng)、DataBase子系統(tǒng)之上。

　　業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)提供的各種業(yè)務(wù)。它工作于操作系統(tǒng)、承載子系統(tǒng)、信令子系統(tǒng)、DataBase子系統(tǒng)之上。

　　數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)分布在3G 平臺各處理器上。從結(jié)構(gòu)上看數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)屬于分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；主要為平臺各個子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，并為將來其上的擴(kuò)展業(yè)務(wù)提供支持易擴(kuò)充機(jī)制的數(shù)據(jù)庫模型。

　　4.1.2 數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)內(nèi)部模塊劃分

　　數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)內(nèi)部劃分五大功能模塊，支持?jǐn)?shù)據(jù)來源為RAM、FLASH、硬盤特定格式以及商用數(shù)據(jù)庫等多種介質(zhì)。五大功能模塊分別是：輸入輸出模塊、對象管理模塊、業(yè)務(wù)處理模塊、維護(hù)管理模塊及平臺系統(tǒng)工具包。

　　輸入輸出模塊（I／O模塊）負(fù)責(zé)完成整個平臺所有與硬件介質(zhì)相關(guān)的數(shù)據(jù)、裝載、轉(zhuǎn)儲、存儲空間管理等等相關(guān)功能。

　　對象管理模塊是整個平臺的核心模塊(DBCORE)，完成主體功能，即對內(nèi)存數(shù)據(jù)、表、索引、鎖等等系列對象的核心組織功能，對整個系統(tǒng)的性能高低有決定性的影響。提供簡易的內(nèi)部并發(fā)控制手段。

　　業(yè)務(wù)處理模塊是針對數(shù)據(jù)庫平臺的用戶提供的使用接口層，完成對內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的訪問服務(wù)。可以支持API 方式及類SQL 訪問方式。支持分布式數(shù)據(jù)訪問方式。 維護(hù)管理模塊完成對整個平臺系統(tǒng)的監(jiān)控及管理，包括探針、告警、日志、實時業(yè)務(wù)跟蹤、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問等等系列功能的實施。 平臺系統(tǒng)工具包針對各模塊均有完善的工具支持，具體如下： 介質(zhì)層工具：各類特定介質(zhì)的數(shù)據(jù)存儲文件檢索、修改、生成。 對象管理模塊工具：根據(jù)對象屬性區(qū)別性選擇生成主體程序框架，若無特殊要求，生成的代碼可直接用于對象管理。 I／O 模塊工具：根據(jù)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫分布模型，生成數(shù)據(jù)裝載、轉(zhuǎn)儲及內(nèi)存數(shù)據(jù)存儲空間管理等框架代碼；業(yè)務(wù)處理子系統(tǒng)工具，常規(guī)API 代碼生成。 維護(hù)管理模塊工具：接口跟蹤、日志等輸出文件的檢索、管理工具。 其他：各類對象（表、索引……）設(shè)計及相關(guān)說明文檔生成。

　　4. 2 系統(tǒng)對象設(shè)計原理和處理流程

本子系統(tǒng)是按照面對對象的方法進(jìn)行設(shè)計的，因此在敘述系統(tǒng)處理流程時以子系統(tǒng)的各個對象為主線，而同步流程和監(jiān)控流程設(shè)計上有其自身特點，對它們的敘述以過程為主線。

　　本子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分為數(shù)據(jù)表、索引、隊列、同步實例、監(jiān)控實例、單向資源隊列六大類。其中數(shù)據(jù)表為數(shù)據(jù)庫組織的核心，然后為數(shù)據(jù)定位的方便建立索引，為資源管理的方便建立了隊列，出于數(shù)據(jù)同步的需要建立了同步實例，出于資源監(jiān)控的需要，建立了監(jiān)控實例，而單向資源隊列作為輔助數(shù)據(jù)表和同步實例的內(nèi)存管理之用。

　　以上除單向資源隊列外每一類數(shù)據(jù)都定義為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對象類，系統(tǒng)對于同一對象類的數(shù)據(jù)統(tǒng)一定義，統(tǒng)一管理。一個具體的數(shù)據(jù)對象稱為某一數(shù)據(jù)對象類的數(shù)據(jù)實例。系統(tǒng)為表、索引、隊列、同步、監(jiān)控的所有數(shù)據(jù)實例統(tǒng)一分配唯一一個32 位整數(shù)加以標(biāo)識，稱為數(shù)據(jù)實例句柄。對數(shù)據(jù)實例的存取都是通過數(shù)據(jù)實例句柄進(jìn)行的。采用這種方式的一個優(yōu)點是數(shù)據(jù)管理的穩(wěn)定性不隨著數(shù)據(jù)實例的增加而變化，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。另一個優(yōu)點是便于數(shù)據(jù)對象類的擴(kuò)充，由于不同數(shù)據(jù)對象類別分別管理，數(shù)據(jù)對象類之間的獨立性確保在擴(kuò)充數(shù)據(jù)對象類后，不破壞原有數(shù)據(jù)的安全性。

　　單向資源隊列作為在表對象和同步對象內(nèi)部使用的對象。沒有統(tǒng)一分配句柄，相關(guān)的表通過保存單向資源隊列對象的指針實現(xiàn)操作。

　　5 小結(jié):

　　本文作者創(chuàng)新點是本文首先介紹了嵌入式內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)現(xiàn)狀，然后簡單介紹了內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)的特點等并提出了一個適用于3G平臺的嵌入式內(nèi)存數(shù)據(jù)庫引擎，隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展和人們對信息處理速度不斷增長的需求，大容量的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫和經(jīng)過精簡的嵌入式內(nèi)存數(shù)據(jù)庫將會有越來越大的應(yīng)用空間。目前，還沒有比較好的通用的嵌入式內(nèi)存數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，進(jìn)行這方面的開發(fā)和實現(xiàn)將會有很大的市場潛力和空間。