【正文】 第 4章 實時數(shù)據(jù)庫技術(shù) 實時應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理? 隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，實時系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)信息量越來越大，對數(shù)據(jù)處理的功能要求也越來越高。這些應(yīng)用有著與傳統(tǒng)應(yīng)用不同的特征，主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面，要維護(hù)大量共享數(shù)據(jù)和控制知識；另一方面，其應(yīng)用活動 (任務(wù)或事務(wù) )有很強(qiáng)的時間性，要求在規(guī)定的時刻和 (或 )一定的時間內(nèi)完成其處理；所以，這種應(yīng)用對數(shù)據(jù)庫和實時處理兩者的功能及特性均有需求，既需要數(shù)據(jù)庫來支持大量數(shù)據(jù)的共享，維護(hù)其數(shù)據(jù)的一致性，又需要實時處理來支持其任務(wù) (事務(wù) )與數(shù)據(jù)的定時限制。? 但是，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)旨在處理永久、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，強(qiáng)調(diào)維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性、一致性，其性能目標(biāo)是高的系統(tǒng)吞吐量和低的代價，并不考慮有關(guān)數(shù)據(jù)及其處理的定時限制，所以，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) (DBMS)不能滿足這種實時應(yīng)用的需要。? 而傳統(tǒng)的實時系統(tǒng) (RTS)雖然支持任務(wù)的定時限制，但它針對的是結(jié)構(gòu)與關(guān)系很簡單、穩(wěn)定不變和可預(yù)報的數(shù)據(jù)，不涉及維護(hù)大量共享數(shù)據(jù)及它們的完整性和一致性，尤其是時間一致性。? 因此，只有將兩者的概念、技術(shù)、方法與機(jī)制 “無縫集成 ”(Seamless Integration)的實時數(shù)據(jù)庫才能同時支持定時和一致性。 實時數(shù)據(jù)庫簡介 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)定義? 實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)是實時系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。概括地講，實時數(shù)據(jù)庫 (Real Time Database， RTDB)就是其數(shù)據(jù)和事務(wù)都有顯式定時限制的數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)的正確性不僅依賴于事務(wù)的邏輯結(jié)果，而且依賴于該邏輯結(jié)果所產(chǎn)生的時間。? 但是，必須注意的是：實時數(shù)據(jù)庫并非實時系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)在概念、結(jié)構(gòu)和方法上的簡單集成。它在概念、理論、技術(shù)、方法和機(jī)制方面具備自身特點。如：數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)與組織；數(shù)據(jù)處理的優(yōu)先級控制、調(diào)度和并發(fā)控制協(xié)議與算法；數(shù)據(jù)和事務(wù)特性的語義及其與一致性、正確性的關(guān)系；數(shù)據(jù)查詢 /事務(wù)處理算法與優(yōu)化； I/O調(diào)度、恢復(fù)和通信的協(xié)議與算法等，這些問題之間彼此高度相關(guān)。需要針對不同的應(yīng)用需求和應(yīng)用特點，對實時數(shù)據(jù)模型、實時事務(wù)調(diào)度與資源分配策略、實時數(shù)據(jù)查詢語言、實時數(shù)據(jù)通信等大量問題作深入的理論研究。 實時系統(tǒng)的主要特性? 實時應(yīng)用系統(tǒng)主要特性包括及時性、可預(yù)測性和可靠性等。? 1. 及時性? 實時系統(tǒng)所產(chǎn)生的結(jié)果在時間上有著嚴(yán)格的要求，只有符合時間約束的結(jié)果才是正確的。在實時系統(tǒng)中，每個任務(wù)都有一個截止期，截止期內(nèi)完成任務(wù)所得到的結(jié)果才是正確的結(jié)果。具體應(yīng)用實現(xiàn)時必須落實到實時任務(wù)（事務(wù)）的各項定時特性：事務(wù)的松緩度、截止期的粒度和嚴(yán)格性（事務(wù)軟、硬性）、優(yōu)先順序限制、起點到終點的定時限制、價值函數(shù)的形狀（任務(wù)價值隨時間的變化情況）等。這些都是定義和處理實時事務(wù)以及實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本因素。? 2. 可預(yù)測性? 實時系統(tǒng)的行為必須在一定的時間限度內(nèi)，而這個限度是可以從系統(tǒng)的定義獲得的。這意味著系統(tǒng)對來自于外部輸入的反應(yīng)必須全部是可預(yù)測的，就算在最壞的條件下，系統(tǒng)也必須嚴(yán)格遵守時間約束。因此，在出現(xiàn)過載時，系統(tǒng)必須要能以一種可預(yù)測的方式來降低它的性能級別。這就要求事先知道任務(wù)（事務(wù)）的最壞情況執(zhí)行時間及所需的數(shù)據(jù)與資源，并要求這種最壞情況的預(yù)測與實際的的差別盡可能小。? 3. 可靠性? 實時系統(tǒng)的可靠性主要是系統(tǒng)的正確性，即系統(tǒng)所產(chǎn)生的結(jié)果不僅在值上是正確的，而且在時間上也是正確的。? 4. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜性? 實時任務(wù)（事務(wù)）往往具有各種結(jié)構(gòu)上的相互聯(lián)系，無結(jié)構(gòu)的、原子和隔離的傳統(tǒng)事務(wù)模型不完全適用，而實時系統(tǒng)有時要求嵌套或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)事務(wù)，有時要求分裂和合并、通信與數(shù)據(jù)交換等，因此必須研究適應(yīng)實時系統(tǒng)要求的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的事務(wù)模型。? 5. 分布規(guī)律性? 實時任務(wù)（事務(wù)）通常是按一定周期執(zhí)行的，但也有非周期或隨機(jī)的，還有一些是長壽（循環(huán)或無終止事務(wù)）的。為了實現(xiàn)有效調(diào)度，必須事先知道各種任務(wù)（事務(wù)）的類型及其到達(dá)的分布規(guī)律。長壽事務(wù)和周期事務(wù)的實現(xiàn)比較容易，而非周期和隨機(jī)事務(wù)則很困難。處理時可以將一個非周期事務(wù)的兩次執(zhí)行間的最小間隔時間視作其周期，從而將其當(dāng)作周期事務(wù)來調(diào)度；而對于隨機(jī)事務(wù)就只能由系統(tǒng)動態(tài)地進(jìn)行處理。? 6. 不可逆性? 實時應(yīng)用中有很多活動是不可逆的，如過程控制的器件加工、物料投放等活動，記錄飛行體的位置、速度、方向的事務(wù)等，它們都是不可逆的。還原或重啟動對于不可逆事務(wù)是毫無意義的，因此必須為實時事務(wù)的恢復(fù)開發(fā)新的概念、技術(shù)和方法。? 7. 替代性? 當(dāng)實時系統(tǒng)認(rèn)定某個任務(wù)不能按時完成時，可以調(diào)用其它活動進(jìn)行替代或補(bǔ)償，這稱為實時系統(tǒng)的應(yīng)急計劃，它可以提供雖非最佳但可用的結(jié)果。如何確定應(yīng)急計劃以及應(yīng)急計劃的選擇評估及實施都是實時系統(tǒng)應(yīng)該考慮的部分。 實時數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫? 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的事務(wù)具有 ACID（Atomaicity,Consistency,Isolation,Durability）特征，其特點如下：? 1．強(qiáng)調(diào)一致性、可恢復(fù)性和永久性；? 2．事務(wù)無內(nèi)部構(gòu)造，是平坦的，彼此間無合作（交互作用、通信）；? 3．事務(wù)執(zhí)行時沒有可預(yù)測性，其執(zhí)行時間不可預(yù)測；? 4．無 “時間維 ”，更不顯式地考慮時間。? 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)。? 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫有著根本性的不同，實時事務(wù)由以下特性確定：? 1．可見性：事務(wù)執(zhí)行時可以查看另一事務(wù)的操作結(jié)果的能力；? 2．正確性：事務(wù)本身的正確性及提交事務(wù)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)一致性；? 3．可恢復(fù)性：發(fā)生故障時使數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到某種認(rèn)為是正確狀態(tài)的能力；? 4．永久性：事務(wù)記錄其結(jié)果到數(shù)據(jù)庫及識別其中數(shù)據(jù)的有效期的能力；? 5．可預(yù)報性：事先預(yù)測一個事務(wù)是否會滿足其時限的能力。? 最根本的區(qū)別在于數(shù)據(jù)與事務(wù)的定時限制。 實時數(shù)據(jù)庫與其它高級數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系? 1. 實時數(shù)據(jù)庫與內(nèi)存數(shù)據(jù)庫? 為了實現(xiàn)實時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和事務(wù)的實時（及時）性，必須盡可能加快實時數(shù)據(jù)庫的響應(yīng)和處理速度，同時實時數(shù)據(jù)庫中的實時事務(wù)要求系統(tǒng)能較準(zhǔn)確地預(yù)報事務(wù)的運行時間。但對磁盤數(shù)據(jù)庫而言，由于磁盤存取、內(nèi)外存的數(shù)據(jù)傳遞、緩沖區(qū)管理、排隊等待及鎖的延遲等使得事務(wù)實際平均執(zhí)行時間與估算的最壞情況執(zhí)行時間相差很大，不能滿足部分實時系統(tǒng)的 “及時性 ”要求。如果將整個數(shù)據(jù)庫或其主要的 “工作 ”部分放入內(nèi)存 。使每個事務(wù)在執(zhí)行過程中沒有磁盤 I/O，則為系統(tǒng)較準(zhǔn)確估算和安排事務(wù)的運行時間，使之具有較好的動態(tài)可預(yù)報性提供了有力的支持，同時也為實現(xiàn)事務(wù)的定時限制打下了基礎(chǔ)。? 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的設(shè)計應(yīng)該打破傳統(tǒng)磁盤數(shù)據(jù)庫的設(shè)計觀念，考慮內(nèi)存直接快速存取的特點，以 CPU和內(nèi)存空間的高效利用為目標(biāo)來重新設(shè)計開發(fā)各種策略與算法、技術(shù)、方法及機(jī)制。也可以說，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫是在實際應(yīng)用系統(tǒng)的實時性要求下而產(chǎn)生的。? 2. 實時數(shù)據(jù)庫與主動數(shù)據(jù)庫? 今后，實時數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用可能越來越復(fù)雜，為了滿足各種復(fù)雜的應(yīng)用要求，有必要使實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具備高度的動態(tài)性、自適應(yīng)性和智能行為。而主動數(shù)據(jù)庫（ ADB）技術(shù)與實時數(shù)據(jù)庫（ RTDBS）的結(jié)合為RTDBS的自適應(yīng)性及智能性的實現(xiàn)創(chuàng)造了合理的機(jī)制。主動數(shù)據(jù)庫（ ADB）技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)在實時數(shù)據(jù)庫（ RTDBS）領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。? 3. 實時數(shù)據(jù)庫與分布式數(shù)據(jù)庫? 隨著 Inter的迅速推廣，實時系統(tǒng)應(yīng)用范圍和規(guī)模不斷擴(kuò)大，也對實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提出了分布式計算的要求，因而有必要將分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)運用于實時系統(tǒng)中。為了滿足對數(shù)據(jù)的實時和分布的要求 ,分布式實時數(shù)據(jù)庫(DRTDB)將具有執(zhí)行期限的數(shù)據(jù)和事務(wù)分布在不同的結(jié)點上，由分布式實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來統(tǒng)一管理、調(diào)度執(zhí)行。國內(nèi)的實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品與國外的產(chǎn)品相比，都有一定的差距 ,主要體現(xiàn)在其事務(wù)處理層并沒有實現(xiàn)完全的分布式事務(wù)處理 ,與實時數(shù)據(jù)庫的理論有一定的距離。實時數(shù)據(jù)庫與內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、主動數(shù)據(jù)庫、分布式數(shù)據(jù)庫的有效集成才可以滿足現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫的需求。? 4. 實時數(shù)據(jù)庫與時態(tài)數(shù)據(jù)庫? 與時態(tài)數(shù)據(jù)庫相同之處是，實時數(shù)據(jù)庫也涉及時間信息。但是，時態(tài)數(shù)據(jù)庫與實時數(shù)據(jù)庫存在區(qū)別，主要表現(xiàn)在：? 時態(tài)數(shù)據(jù)庫目的在于處理包含隨時間變化的信息，維護(hù)數(shù)據(jù)庫中對象經(jīng)歷的歷史變化；而實時數(shù)據(jù)庫則更側(cè)重考慮信息的 “及時 ”性，它的查詢與事務(wù)處理都有與之相聯(lián)系的定時限制，結(jié)果產(chǎn)生的時間與結(jié)果本身一樣重要。? 時態(tài)數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)庫對象隨著時間變化的特征，但缺乏維護(hù)數(shù)據(jù)有效性的