【文章內(nèi)容簡介】 執(zhí)行給系統(tǒng)帶來的不一致限定在一定的范圍內(nèi)，并在一定的時機恢復(fù)數(shù)據(jù)庫到一致狀態(tài)。而實時事務(wù)的時間正確性需要 “識時 ”協(xié)議實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)正確性需要事務(wù)管理檢查事務(wù)間的結(jié)構(gòu)相關(guān)性來實現(xiàn)。 實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)? 一個實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) (RTDBMS)也是一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) (DBMS)，但是有新的特性。 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要問題? 1．數(shù)據(jù)模型及語言? 數(shù)據(jù)模型及其語言是 RTDB領(lǐng)域首先要研究解決的主要問題之一。要開發(fā)實時數(shù)據(jù)模型，就必須設(shè)計好允許用戶說明實時數(shù)據(jù)模型中所含的語義知識的、使用戶能以各種方式使用的實時數(shù)據(jù)定義和查詢語言，以及能說明 “復(fù)雜事務(wù) ”的結(jié)構(gòu)及相互作用的實時事務(wù)執(zhí)行說明語言。? 2．事務(wù)模型與特性? 具有 ACID特性的傳統(tǒng)事務(wù)模型在實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中已不適用，必須進行擴展或開發(fā)新的 “復(fù)雜事務(wù)”模型。與傳統(tǒng)的事務(wù)是原子的、平淡的數(shù)據(jù)操作序列的概念相反，復(fù)雜事務(wù)為可以形成各種 “內(nèi)部結(jié)構(gòu) ”的數(shù)據(jù)操作集合，它可以具有嵌套或?qū)哟蔚膬?nèi)部結(jié)構(gòu)、分裂或合并結(jié)構(gòu)、交互合作或通信結(jié)構(gòu)等，傳統(tǒng)事務(wù)僅是其最簡單的特例情況。? 3．事務(wù)處理? RTDB系統(tǒng)中事務(wù)處理必須要滿足事務(wù)的各種定時限制，并發(fā)控制是實時事務(wù)處理的另一個方面。? 4．數(shù)據(jù)存儲管理? 數(shù)據(jù)庫操作基本上是 I/O受限的，對于實時事務(wù)而言，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的磁盤存取延遲帶來的影響是不能忍受的。 RTDB系統(tǒng)必須考慮如何消除數(shù)據(jù)庫操作中的磁盤存取延遲以滿足實時事務(wù)的定時限制，這將要求 “內(nèi)存數(shù)據(jù)庫 ”的支持。? 5． I/O與緩沖區(qū)管理? 除 CPU與數(shù)據(jù)外，磁盤 I/O和緩沖區(qū)對RTDB系統(tǒng)也是很重要的資源。 I/O調(diào)度對實時系統(tǒng)是一個很重要的研究方面， RTDB系統(tǒng)需要 “識時 ”的 I/O調(diào)度算法，其目標是支持事務(wù)的定時限制。? 緩沖區(qū)是另一重要資源，緩沖區(qū)管理涉及在當前事務(wù)之間的存儲空間分配問題，其目標是高優(yōu)先級的執(zhí)行不因此而受阻。? 6．恢復(fù)問題? 恢復(fù)在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)是一個復(fù)雜的問題，而在 RTDB系統(tǒng)中，會變得更為復(fù)雜。必須要考慮到以下因素：? 恢復(fù)過程會影響正在進行的事務(wù)，使其超過截止期，這對硬實時事務(wù)是不可接受的。? RTDB系統(tǒng)有時寧愿接受部分不一致的數(shù)據(jù)以確保其及時性。? 對于不可逆的事務(wù)、短暫的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)是沒有意義的。 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)? RTDBMS的設(shè)計目標首先是對事務(wù)定時限制的滿足，其基本原則是：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。系統(tǒng)性能指標是滿足定時限制的事務(wù)的比率，它要求必須確保硬實時事務(wù)的截止期，必要時寧肯犧牲數(shù)據(jù)的準確性與一致性。軟實時事務(wù)滿足截止期的比率相對較高，當然 100％滿足截止期是非常困難的。因此，除了上述一般 DBMS的功能外， RTDBMS還具有以下功能特性：? (1) 數(shù)據(jù)庫狀態(tài)的最新性，即盡可能地保持數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)為不斷變化的現(xiàn)實世界當前最真實狀態(tài)的映像。? (2) 數(shù)據(jù)值的時間一致性，即確保事務(wù)讀取的數(shù)據(jù)是時間一致的。? (3) 事務(wù)處理的 “識時 ”性，即確保事務(wù)的及時處理，使其定時限制尤其是執(zhí)行的截止期得以滿足。? 因此， RTDBMS是傳統(tǒng) DBMS與實時處理兩者功能特性的完善或無縫集成 (Seamless Integration)。它與傳統(tǒng) DBMS的根本區(qū)別就在于具有對數(shù)據(jù)與事務(wù)施加和處理 “顯式 ”定時限制的能力，即使用 “識時協(xié)議 ”來進行有關(guān)數(shù)據(jù)事務(wù)的處理。? (1) 實時應(yīng)用：是指具有定時限制的數(shù)據(jù)庫任務(wù)，是實時事務(wù)產(chǎn)生源。? (2) 實時事務(wù)管理：管理實時事務(wù)的生存期，包括產(chǎn)生、執(zhí)行和結(jié)束。? (3) 識時并發(fā)控制：實現(xiàn)識時的并法控制算法。? (4) 識時調(diào)度：實現(xiàn)識時的優(yōu)先級調(diào)度算法。? (5) 實時資源管理：包括 CPU管理、緩沖區(qū)管理、實時數(shù)據(jù)管理、實時數(shù)據(jù)管理又包括數(shù)據(jù)操作、存儲和恢復(fù)管理等。? (6) 實時 I/O調(diào)度：實現(xiàn)定時限制的磁盤調(diào)度算法。 實時數(shù)據(jù)庫執(zhí)行模型? 1. 任務(wù) /事務(wù)模型? 傳統(tǒng)的 ACID(原子、一致、隔離和永久 )性的事務(wù)模型對 RTDB已不適用，需要具有內(nèi)部構(gòu)造和 /或彼此相關(guān)性的 “復(fù)雜 ”事務(wù)模型，即嵌套、合并 /分裂、通信和合作事務(wù)模型等。故 RTDBMS必須支持這種復(fù)雜事務(wù)，處理事務(wù)間的結(jié)構(gòu)、行為和時間相關(guān)性。? 2. 資源模型? 它確定系統(tǒng)資源的類型及其管理策略，包括分配、使用與回收策略。 RTDBMS必須采用基于優(yōu)先級和考慮定時限制尤其是截止期的分配策略；資源使用的 “中斷 ”策略也是優(yōu)先級式的，即高優(yōu)先級可搶占 (中斷 )低優(yōu)先級的資源，具體又可以有多種不同的搶占方式及其各方面的代價，需要RTDBMS仔細決策。? 3. 負載模型? 它規(guī)定各種類型事務(wù)的到達 (或在系統(tǒng)中生成 )、執(zhí)行期限及頻率的分布，包括周期、非周期及零星事務(wù)，軟或硬事務(wù)及其延遲的代價計算等。? 4. 調(diào)度模型? 它確定事務(wù)的優(yōu)先級分配策略、調(diào)度算法、互相沖突的解決 (并發(fā)控制 )策略及其機制，控制事務(wù)正確、有效地執(zhí)行。 RTDBMS的調(diào)度模型還應(yīng)有一定的 “可調(diào)度性 ”預(yù)測能力及 “應(yīng)急處理 ”能力。? 5. 執(zhí)行的正確性? 相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫而言， RTDBMS執(zhí)行的正確性在概念、內(nèi)容與準則上都有根本性的不同，RTDBMS不但要確保事務(wù)執(zhí)行結(jié)果 (包括返回數(shù)據(jù)的狀態(tài)及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)庫狀態(tài) )的正確性，還要保證其執(zhí)行在結(jié)構(gòu)、行為、時間上的正確，即要正確實現(xiàn)事務(wù)間的結(jié)構(gòu)、行為、時間相關(guān)性及執(zhí)行依賴性。 實時事務(wù)模型? RTDBMS與一般 DBMS的根本性區(qū)別在于數(shù)據(jù)和事務(wù)的定時限制，而數(shù)據(jù)的定時限制最終也要轉(zhuǎn)嫁成事務(wù)的定時限制。因此，實時事務(wù)模型是 RTDBMS需要解決的關(guān)鍵問題。 實時事務(wù)的建模特性? 1. 定時性? 定時限制：即事務(wù)的執(zhí)行有顯式的時限，如指定的開始時間、截止時間等，它要求RTDB必須有時間處理機制。實時事務(wù)的定時限制劃分為：? 截止時間：事務(wù)完成的最后時間；? 到達時間：事務(wù)在系統(tǒng)中生成的時間；? 期望執(zhí)行時間：估算的最壞執(zhí)行時間。? 2. 關(guān)鍵性? 實時事務(wù)的關(guān)鍵性指滿足其截止時間的重要性，用價值函數(shù)表示。價值函數(shù)是 “事務(wù)的完成對系統(tǒng)的價值 ”關(guān)于 “完成時間 ”的函數(shù)。一個事務(wù)在 t時刻的價值函數(shù)表示事務(wù)在 t時刻完成對系統(tǒng)所產(chǎn)生的價值，事務(wù)在截止時間前完成，價值函數(shù)取正值；否則，根據(jù)不同關(guān)鍵性逐漸減小，或取 0、負數(shù)等。? 3. 行為語義? 行為語義包括了與事務(wù)相聯(lián)的各種行為和它的發(fā)生時間。? 4. 資源要求? 實時事務(wù)所需資源的類型、數(shù)量、使用方式和時間決定了事務(wù)的功能、特性和處理方式。資源分為主動資源 (可單獨使用 )和被動使用 (一般使用時具有獨占性和排他性 )。? 5. 相關(guān)性? 實時事務(wù)間的相關(guān)性是由事務(wù)在內(nèi)部、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)共享、同步通信和執(zhí)行先后的限制引起的，一般分為結(jié)構(gòu)相關(guān)性、數(shù)據(jù)相關(guān)性、行為相關(guān)性和時間相關(guān)性等。 實時事務(wù)的分類? 1. 按關(guān)鍵性分類? 硬實時事務(wù)：用于安全緊急性活動，超過截止期則價值函數(shù)取負值。硬實時事務(wù)在錯失執(zhí)行期限后將會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因此，在系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)事務(wù)具有很大的負值時，必須采取預(yù)定的緊急措施。? 軟實時事務(wù)：這類事務(wù)在超截止期后，價值函數(shù)會不斷下降，到被稱為最終有效時間的某一時刻時，價值函數(shù)取 0。軟實時事務(wù)允許其執(zhí)行有一定程度的超期。? 固實時事務(wù)：一旦到達截止時間，價值函數(shù)取 0，但不為負值。? 圖 2中 (a)~(c)分別描述硬、軟、固實時事務(wù)的典型例子。其中， v、 t兩坐標軸分別為價值函數(shù)和時間； d為截止期； e為 “最終有效時間 ”； r為放行或啟動時間，當 tr時， v(t)=0，意思是在事務(wù)未準備好以前啟動是無價值的。? 2. 按功能分類? 控制事務(wù)：控制事務(wù)是引起現(xiàn)實中活動執(zhí)行的有關(guān)事務(wù)。事務(wù)時間較短，屬于硬實時，可以作為事務(wù)處理的子事務(wù)調(diào)用，本身也可觸發(fā)子事務(wù)。? 數(shù)據(jù)接收事務(wù)：數(shù)據(jù)接收事務(wù)在數(shù)據(jù)庫中記錄了現(xiàn)實中的狀態(tài)或發(fā)生事件，一般為簡單的只寫事務(wù)，較短并有周期性，這樣能保持數(shù)據(jù)庫的 “外部一致 ”，屬于硬實時。? 數(shù)據(jù)處理事務(wù)：數(shù)據(jù)處理事務(wù)類似傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫事務(wù)結(jié)構(gòu)相關(guān)，可用來恢復(fù)數(shù)據(jù)庫的一致性，可長可短。? 3. 按時間分類? 周期事務(wù)：以一定周期循環(huán)到達并被執(zhí)行。? 非周期事務(wù)：非周期事務(wù)由內(nèi)外部事件動態(tài)驅(qū)動。? 離散事務(wù)：非預(yù)先安排、離散的、一次性