實時數據庫技術漫談

王曉東

摘 要：實時應用有很強的時間性，所處理的數據也往往具有一定的時效性。實時數據庫是實時系統和數據庫技術相結合的產物，本文介紹了實時數據庫的基本概念和特征，以及事務模型和數據庫管理系統。

關鍵詞：實時;實時數據庫;事務

一、引言

傳統的數據庫系統不考慮有關數據及其處理的定時限制，無法滿足實時應用的需要。傳統的實時系統不涉及維護大量共享數據及其完整性和一致性，尤其是時間一致性。只有將兩者的概念、技術、方法和機制有機結合形成的實時數據庫，才能同時支持定時和一致性。在傳統數據庫中，事務的原子性和可串行化是普遍接受的正確性和一致性標準。實時數據庫系統和傳統數據庫有著根本性的不同，其本質的區別在于數據與事務的定時限制，實時事務由可見性、正確性、可恢復性、永久性和可預報性等特性確定。

二、特征

實時數據庫的特征主要體現在數據和事務的時間相關方面。在實時數據庫中，數據隨外部環境的變化而快速變化，其值只在一定的時間是有效的。因此系統除了維護數據庫數據值的正確性和相容性之外，還必須同時維護數據值與外部環境實際狀態的一致性，以及數據用來決策或者推導新數據時，在時間上的相互一致性。綜上所述，實時數據庫的數據特征主要有內部一致性、外部一致性、相互一致性、時間一致性和狀態正確性。內部一致性是指當前數值滿足預先定義的數據庫內部狀態的完整性和一致性限制，這就是傳統意義上的數據正確性。外部一致性是指實時數據庫中的數據應與外部數據相一致，即要求數據庫中的數據能及時地反映外部環境的狀態。相互一致性要求用來導出新數據的一組數據在時間上應盡量接近，外部一致性和相互一致性都是關于時間的，因此統稱時間一致性。狀態正確性要求既是內部一致又是時間一致的數據，才是正確的。

由于實時任務往往有內部結構和相互之間的聯系，導致實時數據庫事務表現出了許多與傳統事務不同的特征，主要有定時性、語義相關性和實時事務正確性。定時性是實時數據庫事務的根本特點，它包含定時限制和定時正確性兩方面的含義。定時限制即事務的執行有顯式的時限，要求實時數據庫必須有時間處理機制。實時事務有不同的定時限制，其中最重要的是截止時間、到達時間和期望執行時間。定時正確性即事務能按指定的時間要求正確執行，它需要權衡定時限制與數據一致性要求等多方面因素，提供合適的調度和并發控制算法。

語義相關性是指實時數據庫事務之間存在各種關系，包括結構關系、數據與通信關系和時間關系等等。雖然實時事務正確性與傳統事務一樣，也包括數據庫狀態正確性和事務執行正確性兩個方面，但是其含義和內容有很大不同。數據庫狀態正確性包含內部一致和時間一致，事務執行正確性則包含其結果正確性、行為正確性、結構正確性和時間正確性。

三、實時事務

實時數據庫與普通數據庫的根本性區別在于數據和事務的定時限制，而數據的定時限制最終也要轉化成事務的定時限制。實時事務的分類有許多標準，一般來說可按關鍵性、功能、時間和數據方式等進行分類。按關鍵性分類有硬實時事務、軟實時事務和固實時事務，按功能分類有控制事務、數據接收事務和數據處理事務，按時間分類有周期事務、非周期事務和離散事務，按數據方式分類有只讀事務、只寫事務和更新事務。

與傳統數據庫事務不同，實時數據庫事務還有以下幾個主要特性。（！）功能替代性，功能替代導致事務執行路徑的不確定性，但是增強了實時事務的健壯性。（2）結構復雜性，事務間以及事務內部可能存在著多種結構，例如嵌套、分層、合并、分裂和協同通信等等。（3）語義相關性，由于事務間存在著多種關系，使得事務間存在各種相關性，例如結構相關、數據相關、時間相關和行為相關等等。（4）結果補償性，當實時事務夭折時，需要一種補償活動來抵消它的影響。（5）執行依賴性，它是由實時事務的結構復雜性和語義相關性引起的。實時事務在執行時存在著各種依賴關系，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、數據庫管理系統

實時數據庫管理系統為了滿足數據和事務定時限制要求，需要具有新的特性。其設計的基本原則是寧要部分正確而及時的信息，也不要絕對正確但過時的信息。實時數據庫管理系統除了一般數據庫管理系統的功能之外，還具有以下功能特性。（?。祿鞝顟B的最新性，即盡可能保持數據庫的狀態為不斷變化的現實世界當前最真實狀態的映像。（2）數據值的時間一致性，即確保事務讀取的數據是時間一致的。（3）事務處理的實時性，即確保事務的及時處理，使其定時限制尤其是執行的截止期得以滿足。

描述實時數據庫管理系統運作原理的執行模型包括以下幾種。（！）任務/事務模型。傳統的事務模型對實時數據庫已不適用，需要具有內部構造和彼此相關性的復雜事務模型，即嵌套、合并/分裂、通信和合并事務模型等。實時數據庫管理系統必須支持這種復雜事務，處理事務間的結構、行為和時間相關性。（2）資源模型。它確定系統資源的類型及其管理策略，包括分配、使用與回收策略。實時數據庫管理系統必須采用基于優先級和考慮定時限制尤其是截止期的分配策略。（3）負載模型。它規定各種類型事務的到達（或在系統中生成）、執行期限以及頻率的分布，包括周期、非周期和零星事務，以及軟或硬事務及其延遲的代價計算等等。（4）調度模型。它確定事務的優先級分配策略、調度算法、互相沖突的解決（并發控制）策略及其機制，控制事務正確、有效地執行。實時數據庫管理系統的調度模型還應有一定的可調度性預測能力，以及應急處理能力。（5）執行的正確性。實時數據庫管理系統不但要確保事務執行結果（包括返回數據的狀態及產生的數據庫狀態）的正確性，還要保證其執行在結構、行為和時間上的正確，即要正確實現事務間的結構、行為、時間相關性及執行依賴性。

五、結語

實時數據庫需要采集大量實時系統的數據，進而經過處理形成實時數據庫系統中的歷史數據。實時數據庫更為側重信息的及時性，它的查詢與事務處理都有與之相聯系的定時限制，結果產生的時間與結果本身一樣重要。事務必須維護數據庫對象的時間一致性，所以有時間限制與之聯系。實時數據庫提供維護數據有效性和事務及時性的機制，一般只存取數據庫當前有效的信息。

參考文獻：

[1] 湯庸. 高級數據庫技術與應用[M].北京：高等教育出版社， 2008.