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实 时 数 据 库
系 统 结 构

★ 刘 云 生--李 国 徽-- 卢 炎 生

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RTDBMS 的 功 能 特 性

---- 一 个 实 时 数 据 库 管 理 系 统(RTDBMS) 也 是 一 个 数 据 库 管 理 系 统(DBMS)， 所 以， 它 也 具 有 一 般DBMS 的 基 本 功 能：

---- 永 久 数 据 管 理 包 括 数 据 库 的 定 义、 存 储、 维 护 等。

---- 有 效 的 数 据 存 取 各 种 数 据 操 作、 查 询 处 理、 存 取 方 法、 完 整 性 检 查。

---- 事 务 管 理 事 务 的 概 念、 调 度 与 并 发 控 制、 执 行 管 理。

---- 存 取 控 制 安 全 性 检 验。

---- 数 据 库 的 可 靠 性 恢 复 机 制。

---- 但 传 统 的DBMS 的 设 计 目 标 是 维 护 数 据 的 绝 对 正 确 性、 保 证 系 统 的 低 代 价、 提 供 友 好 的 用 户 接 口。 这 种 数 据 库 系 统 对 传 统 的 商 务 和 事 务 型 应 用 是 有 效 的、 成 功 的， 然 而， 它 不 适 合 实 时 应 用， 这 关 键 在 于 它 不 考 虑 与 数 据 及 事 务 相 联 的 定 时 限 制， 其 系 统 的 性 能 指 标 是 吞 吐 量 和 平 均 响 应 时 间， 而 不 是 数 据 及 事 务 相 联 的 定 时 限 制， 调 度 与 处 理 决 策 根 本 不 管 各 种 实 时 特 性。

----与 之 相 反，RTDBMS 的 设 计 目 标 首 先 是 对 事 务 定 时 限 制 的 满 足， 其 基 本 原 则 是： 宁 要 部 分 正 确 而 及 时 的 信 息， 也 不 要 绝 对 正 确 但 过 时 的 信 息。 系 统 性 能 指 标 是 满 足 定 时 限 制 的 事 务 的 比 率， 它 要 求 必 须 确 保 硬 实 时 事 务 的 截 止 期， 必 要 时 宁 肯 牺 牲 数 据 的 准 确 性 与 一 致 性。 软 实 时 事 务 满 足 截 止 期 的 比 率 相 对 较 高， 但 要100 ％ 满 足 截 止 期 很 难 或 几 乎 不 可 能。 因 此， 除 了 上 述 一 般DBMS 的 功 能 外， 一 个RTDBMS 还 具 有 以 下 功 能 特 性：

---- 数 据 库 状 态 的 最 新 性 即 尽 可 能 地 保 持 数 据 库 的 状 态 为 不 断 变 化 的 现 实 世 界 当 前 最 真 实 状 态 的 映 像。

---- 数 据 值 的 时 间 一 致 性 即 确 保 事 务 读 取 的 数 据 是 时 间 一 致 的。

---- 事 务 处 理 的" 识 时" 性 即 确 保 事 务 的 及 时 处 理， 使 其 定 时 限 制 尤 其 是 执 行 的 截 止 期 得 以 满 足。

---- 因 此，RTDBMS 是 传 统DBMS 与 实 时 处 理 两 者 功 能 特 性 的 完 善 或 无 缝 集 成(Seamless Integration)。 它 与 传 统DBMS 的 根 本 区 别 就 在 于 具 有 对 数 据 与 事 务 施 加 和 处 理" 显 式" 定 时 限 制 的 能 力， 即 使 用" 识 时 协 议"(Time cognizant Protocol) 来 进 行 有 关 数 据 事 务 的 处 理。

RTDBMS 的 体 系 结 构

---- 从 系 统 的 组 成 结 构 来 看，RTDBMS 与 传 统DBMS 没 有 什 么 大 的 区 别。 下 图 给 出 了 它 的 主 要 功 能 部 件 及 其 组 成。

RTDBMS 执 行 模 型

---- 执 行 模 型 描 绘 数 据 库 管 理 系 统 的 运 作 原 理， 它 包 括：

----1 ． 任 务/ 事 务 模 型

---- 传 统 的ACID（ 原 子、 一 致、 隔 离、 永 久） 性 的 事 务 模 型 对RTDB 已 不 适 用， 需 要 具 有 内 部 构 造 和/ 或 彼 此 相 关 性 的" 复 杂" 事 务 模 型， 即 嵌 套、 合 并/ 分 裂、 通 信 和 合 作 事 务 模 型 等。 故RTDBMS 必 须 支 持 这 种 复 杂 事 务， 处 理 事 务 间 的 结 构、 行 为 和 时 间 相 关 性。

----2 ． 资 源 模 型

---- 它 确 定 系 统 资 源 的 类 型 及 其 管 理 策 略， 包 括 分 配、 使 用 与 回 收 策 略。RTDBMS 必 须 采 用 基 于 优 先 级 和 考 虑 定 时 限 制 尤 其 是 截 止 期 的 分 配 策 略； 资 源 使 用 的" 中 断" 策 略 也 是 优 先 级 式 的， 即 高 优 先 级 可 抢 占（ 中 断） 低 优 先 级 的 资 源， 具 体 又 可 以 有 多 种 不 同 的 抢 占 方 式 及 其 各 方 面 的 代 价， 需 要RTDBMS 仔 细 决 策。

----3 ． 负 载 模 型

---- 它 规 定 各 种 类 型 事 务 的 到 达（ 或 在 系 统 中 生 成）、 执 行 期 限 及 频 率 的 分 布， 包 括 周 期、 非 周 期 及 零 星 事 务， 软 或 硬 事 务 及 其 延 迟 的 代 价 计 算 等。

----4 ． 调 度 模 型

---- 它 确 定 事 务 的 优 先 级 分 配 策 略、 调 度 算 法、 互 相 冲 突 的 解 决（ 并 发 控 制） 策 略 及 其 机 制， 控 制 事 务 正 确、 有 效 地 执 行。RTDBMS 的 调 度 模 型 还 应 有 一 定 的" 可 调 度 性" 预 测 能 力 及 " 应 急 处 理" 能 力。

----5 ． 执 行 的 正 确 性

---- 相 对 于 传 统 数 据 库 而 言，RTDBMS 执 行 的 正 确 性 在 概 念、 内 容 与 准 则 上 都 有 根 本 性 的 不 同，RTDBMS 不 但 要 确 保 事 务 执 行 结 果（ 包 括 返 回 数 据 的 状 态 及 产 生 的 数 据 库 状 态） 的 正 确 性， 还 要 保 证 其 执 行 在 结 构、 行 为、 时 间 上 的 正 确， 即 要 正 确 实 现 事 务 间 的 结 构、 行 为、 时 间 相 关 性 及 执 行 依 赖 性。

实 现RTDBMS 的 关 键 问 题

----RTDBMS 与 一 般DBMS 的 根 本 性 区 别 在 于 数 据 和 事 务 的 定 时 限 制， 而 数 据 的 定 时 限 制 最 终 也 要 转 嫁 成 事 务 的 定 时 限 制。 因 此， 较 之 一 般DBMS 的 实 现，RTDBMS 有 下 列 关 键 性 技 术 问 题 需 要 解 决：

----1 ． 事 务 定 时 特 性 说 明

---- 即 要 有 一 种 实 时 事 务 说 明 语 言， 用 来 说 明 事 务 的 截 止 期 等 定 时 限 制， 其 说 明 语 句 格 式 一 般 形 为：

< 事 务 事 件 名>IS< 时 间 事 件 说 明>

---- 其 中< 事 务 事 件 名> 有 事 务 的BEGIN、 COMMIT、ABORT 等。< 时 间 事 件 说 明> 则 指 定 一 个 绝 对、 相 对 或 周 期 时 间。 例 如" 事 务t1 在 事 务t2 提 交5 秒 后 开 始" 说 明 为：

----BEGIN（t1）IS 5s AFTER COMMIT（t2）

----" 事 务X 在 每 天 九 点 后10 秒 内 完 成" 说 明 为：

----COMMIT(X) IS EVERY 9:00 WITHIN 10s

----2 ． 事 务/ 查 询 的 接 纳 管 理

---- 它 包 括 同 时 在 系 统 中 的 事 务 数 的 控 制 策 略 和 内 存 资 源 的 管 理( 分 配 与 再 分 配) 策 略。 一 般 可 以 接 纳 比 实 际 有 效 内 存 更 大 的 事 务 数， 以 提 高 并 发 度， 从 而 获 得 较 好 的 事 务 性 能。 但 接 纳 的 事 务 过 多， 会 引 起 过 多 的I/O 而 导 致" 抖 动"， 从 而 不 利 于 事 务 性 能 和 定 时 限 制 的 满 足。 这 种RTDBMS 必 须 对 接 纳 多 少 和 接 纳 谁 作 出 决 策。 另 外 的 问 题 是， 内 存 资 源 的 分 配、 抢 占/ 中 断、 " 动 态 释 放" 与 回 收 策 略。 这 些 都 属 于 事 务 的 执 行 控 制， 直 接 与 实 时 事 务 的 优 先 级 和 定 时 限 制 紧 密 相 关。

----3 ． 事 务 处 理 的 可 预 报 与 应 急 计 划

---- 一 个RTDBMS 应 具 有 一 定 的 事 务 处 理 的 预 报 能 力， 即 能 进 行 可 调 度 性 预 测。 事 先 知 道 一 个 实 时 事 务 能 按 截 止 期 完 成 的 可 能 性， 若 完 全 可 能， 则 按 正 常 处 理； 若 存 在 危 险， 则 采 取 一 定 的 措 施( 如 提 高 优 先 级 或 必 要 时 牺 牲 数 据 的 一 致 性 等)； 若 绝 无 可 能， 则 现 在 就 夭 折 它 而 执 行 替 代 或 补 偿 事 务， 否 则， 采 取" 脚 踩 西 瓜 皮"( 滑 到 哪 里 算 哪 里) 策 略， 这 时， 事 务 的 定 时 性 无 任 何 保 证， 则RTDBMS 也 无 实 用 价 值 可 言。

---- 一 个RTDBMS 还 应 具 有 一 定 的" 应 急 处 理" 能 力。 由 于 种 种 原 因， 系 统 难 免 会 出 现 一 些 事 务 已 经 或 即 将 超 截 止 期， 此 时RTDBMS 必 须 启 动" 应 急 计 划"， 执 行 替 代、 补 偿 或 应 急 处 理 活 动。 这 些 活 动 由 用 户 说 明， 但RTDBMS 必 须 提 供 其 说 明 和 与 之 通 信、 连 接 的 工 具 与 机 制。

----4 ． 结 果 正 确 性 与 实 时 性 的 折 衷

---- 与 传 统DBMS 一 切 为 了 保 证 结 果 的 绝 对 正 确 性 相 反，RTDBMS 将 实 时 性 看 得 比 结 果 的 正 确 性 还 重 要， 即 有 时 通 过 折 衷 和 权 衡 结 果 的 完 全 性、 准 确 性、 一 致 性、 流 行 性 来 求 得 及 时 性。 所 谓 结 果 的 不 完 全 性 乃 指 通 过 部 分( 非 精 确) 计 算/ 处 理 所 得 的 结 果。 对 于 一 致 性， 传 统 的DBMS 用 可 串 行 化 来 保 证。 然 而， 可 串 行 化 在 传 统 数 据 库 中 也 是 一 致 性 的 充 分( 而 非 必 要) 条 件， 在 RTDB 中 不 但 没 有 必 要， 有 时 是 不 可 能 的( 如 有 事 务 执 行 的 先 后 次 序 限 制)， 故RTDBMS 往 往 采 用" 放 松 的 可 串 行 化" 的 概 念、 技 术 与 机 制。 对 于 流 行 性( 外 部 一 致 性) 总 是 需 要 的， 尤 其 对 于 那 些 为 抽 样 检 验、 规 律 分 析、 变 化 趋 势 模 拟 等 事 务， 可 以 用" 过 时" 数 据 或 导 出 数 据 来 进 行。 所 以， 一 个RTDBMS 应 具 有 这 些 折 衷 权 衡 的 能 力 与 设 施。