淺析實時數據庫管理系統設計與實現

王軼宏

（大慶油田勘探開發研究院信息室，黑龍江大慶 163000）

在數據庫系統設計時，要綜合考慮組成數據庫系統功能模塊的具體描述，主要包括系統數據描述、數據字典的定義、系統數據正確性維護、數據存取分析、查詢與事務的執行、處理以及系統數據的安全與可靠性保護設計等相關功能。

1 實時數據庫系統概述

實時數據庫管理系統（RTDBMS）是根據系統運行的特點，系統執行的事務和數據處理都具有定時限制的數據庫管理系統。RTDBMS中通過數據庫處理事務的時間來實現數據處理時間限制的，所以可以將數據處理的時間限制的數據庫系統成為RTDBMS，很明顯，RTDBMS的正確性不僅依賴與系統處理數據的正確性和邏輯性，還依賴與系統處理數據的時間性。RTDBMS的設計目標是通過時間的限制，來完成數據處理的工作，要求系統返回正確及時的信息，而不要正確但是不及時的信息，它可以通過犧牲系統處理數據的準確性和一致性，但必須保證數據處理的及時性。

2 系統執行事務的實時性保障

RTDBMS對事務的處理能夠在規定的時間內完成，保證系統在執行事務的實時性，根據實時數據庫管理系統執行事務的特點，事務執行的性質可分為硬實時和軟實時兩種類型，硬實時要求事務的執行必須在系統規定的時間內完成，否則將會對系統造成災難性的后果。軟實時是指在限制時間內，如果事務的處理沒有完成，會對系統造成一定的影響，但是其結果不是災難性。

2.1 執行事務的優先級調度

根據數據處理的需要，首先進行事務執行的定義方式：

定義1：事務T=＜id，a time，w time＞，id為要處理事務的ID號，a time表示事務執行的規定時刻，w time表示事務的執行時刻。

定義2：事務執行處理的最優先策略的事務級別分配，相應的分配函數為 PRI=f（wtime-atime）。

根據定義，對系統執行的事務按照優先級進行分配，系統在處理時，會根據事務的優先級別進行分析執行，在高優先級的事務執行時，系統會按照優先級對事物進行執行，RTDBMS在執行事務時，一次只能執行一個事務，而不能同時并發執行兩個或以上的同級別的事務，這樣就弱化了系統并發控制功能，避免了對系統大量數據的上鎖和解鎖的操作，保證系統在執行事務時能夠在限定的時間內完成，由于系統處理事務的內存有限，通過對事務執行的優先級進行分配，有效的防止了多個事務的并發執行，節約了系統的內存資源，提高事務處理的效率。

2.2 事務預處理的提供

RTDBMS在處理數據時，通過系統的預處理器對處理的事務進行分析，將具有操作程序的數據進行分析，將執行事務需要訪問的數據源進行處理，將需要處理的數據信息源和具體的操作信息提取的系統的內存，當下次執行該事務時，系統可以預先把事務要訪問的數據裝入系統的內存，在執行該事務時，不要進行語法分析和數據的重新調用，就可以直接執行該事務，并傳遞給信息查詢模塊。相應的數據記錄集的定義為：

定義3：系統在執行事務時的存取記錄數據集的定義為：D=＜aid，data＞，aid為存取記錄集的應用程序ID，data執行事務的具體的數據記錄集，其中：

式中的n為調用系統數據庫中數據表的最大數目，mi為數據tablei中的數據塊的具體數目。

2.3 系統數據裝入的優化策略分析

在RTDBMS中，系統通過對數據庫的應用程序的執行，規定事務執行的完成時間，并對事務執行的優先級進行分配和定義，根據系統處理事務的要求，數據庫會調用一個事務檢測器記錄事務執行的記錄集，將事務按照系統執行的優先級別進行管理和分配，系統數據調用程序在執行前，會按照記錄器檢測的程序進行執行，利用系統的預處理信息，將優先級高的信息提前裝入內存，有效的保證了高優先級的事務，在事務執行前，數據已就經在系統內存中，能夠有效的節省在執行事務時的系統處理的時間，確保優先級高的事務在執行的規定期與截止期內能盡快完成。

3 實時數據庫體系結構設計

根據上面的事務執行的過程進行分析，在對RTDBMS的具體功能和相應的書屋執行的數據集進行定義的基礎上，對RTDBMS體系結構設計進行分析設計，以便確定系統的詳細結構。由于數據庫系統的實時特性，需要將系統的處理功能分成一個個的組件進行處理復雜的事務，因此，在對系統進行架構時，將組成作為實時數據庫系統的重要組成部分，能夠更好的實現系統的基本功能。

3.1 RTDBMS組件的設計

在系統架構時，組件是實時數據庫的核心，能夠按照系統數據調度的基本要求，對事務的優先級進行分配處理，組件根據需要具有明顯的專用接口和質量屬性，用于專門的功能處理，保證數據處理的實時性、可靠性、穩定性。系統事務的執行主要是通過組建進行交換，并且通過組建事先定義好的接口和環境進行數據交換和通信。組建一般有供應接口、需求接口與配置接口三個接口，各自根據需要完成不同的功能，在組件的供應接口和需求接口中，根據數據傳輸的方式，可以存在一對多和多對多的關系。由于不同的系統的不同組件之間，它們所提供的需求接口和供應接口可能存在句法上的不匹配，不能夠直接進行相互通信，或者它們之間的語法上可能使匹配的，可以通過一個適應器的使用，在不同的數據模塊之間以實現模塊間語句的翻譯，完成數據通信。具體功能示意圖如下圖1所示：

圖1 不同組件之間的通信實現

圖2 基于組件的實時數據庫管理開發流程

圖3 實時數據庫系統體系結構

由于每個組件具有獨立于應用領域和不同的功能，因此，每個軟件模塊與組件可以認為它具有黑盒屬性，具體的事務執行處理的過程不需要進行考慮，每個模塊只需要與其他的功能模塊的接口進行連接，而其內部的功能和具體的數據狀態被封裝起來，共同完成一個事務的執行就能夠滿足需要，并能夠進行及時的通信。

3.2 RTDBMS的開發流程

RTDBMS的開發主要是基于組件的思想進行開發的，本系統詳細具體的開發流程如下圖2所示。

首先需要對設計的實時數據庫管理系統進行分析，然后根據系統數據庫管理的需要，對系統數據進行頂層設計，即完成數據庫的概要設計，根據數據字典的定義，對系統數據庫進行詳細的分析和設計，也就是要完成系統數據的詳細設計，在系統數據進行調用的過程中，要對系統的數據調用方法與詳細的接口進行設計和分析，能夠實時的進行數據傳遞，分析事物執行的具體方式，進行相應的程序的調用和管理，完成系統的驗證功能，驗證設計的組件是否能夠滿足系統的需求，在上述的一系列的工作完成之后，就可以對相關組件進行開發和設計，并在設計的過程中，不斷的根據下層開發的實際問題，不斷的修正頂層設計，直至完成實時數據庫管理系統的開發。

4 RTDBMS體系結構

在對RTDBMS的體系結構的設計過程中，我們定義了實時數據庫管理的八大功能模塊，詳細的設計見下圖3所示。

4.1 系統的用戶接口，是實現用戶對數據庫系統進行訪問的數據庫組件。

4.2 優先級調度器，對事務執行的優先級進行判斷分析，并執行調度的組件。

4.3 鎖管理器，對優先級的事物進行鎖定，在限定時間內執行數據鎖的組件。

4.4 引管理器，主要負責數據索引處理的管理組件。

4.5 預處理器，對事物執行的預處理功能，將信息資源提前裝入系統的內存。

4.6 查詢處理器，復雜對預處理器的相關資源進行處理的組件。

4.7 恢復模塊，主要用于對系統數據庫的回復和數據日志管理的組件。

4.8 存儲管理器，對不同系統之間進行訪問的數據組件。

5 小結

通過實施數據庫管理系統的設計進行了詳細的探討和分析，對數據庫系統的開發和管理、功能、數據的傳輸機制以及系統數據的優先級程序的調用方式進行了探討。RTDBMS的開發采用了組件的思想，有效的解決了實時數據庫系統的數據優先級的傳輸機制，系統的主動定時限制的方法，保證事務在規定的時間內執行完成。

[1]盧炎生，劉云生，張文彬，李震宇.一個主動實時數據庫管理系統的實現[J]，華中理工大學學報，2009（11）.

[2]彭茹.實時數據庫管理系統的分析和研究[J].北京城市學院學報，2010（12）.