數(shù)據(jù)庫理論與技術(shù)的發(fā)展極其迅速，其應(yīng)用日益廣泛，在當(dāng)今的信息社會中，它幾乎無所不在。以關(guān)系型為代表的三大經(jīng)典(層次、網(wǎng)狀、關(guān)系)型數(shù)據(jù)庫在傳統(tǒng)的(商務(wù)和管理的事務(wù)型)應(yīng)用領(lǐng)域獲得了極大成功，然而它們在現(xiàn)代的(非傳統(tǒng))工程和時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用面前卻顯得軟弱無力，面臨著新的嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，由此而導(dǎo)致了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(RealtimeDatabase，RTDB)的產(chǎn)生和發(fā)展。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的發(fā)展

數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用正從傳統(tǒng)領(lǐng)域向新的領(lǐng)域擴(kuò)展，如CAD/CAM、CIMS;數(shù)據(jù)通信、電話交換、電力調(diào)度等網(wǎng)絡(luò)管理;電子銀行事務(wù)、電子數(shù)據(jù)交換與電子商務(wù)、證券與股票交易;交通控制、雷達(dá)跟蹤、空中交通管制;武器制導(dǎo)、實(shí)時(shí)仿真、作戰(zhàn)指揮自動化或C3I系統(tǒng)，等等。這些應(yīng)用有著與傳統(tǒng)應(yīng)用不同的特征，一方面，要維護(hù)大量共享數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù);另一方面，其應(yīng)用活動(任務(wù)或事務(wù))有很強(qiáng)的時(shí)間性，要求在規(guī)定的時(shí)刻和(或)一定的時(shí)間內(nèi)完成其處理;同時(shí)，所處理的數(shù)據(jù)也往往是"短暫"的，即有一定的有效時(shí)間，過時(shí)則有新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，而當(dāng)前的決策或推導(dǎo)變成無效。所以，這種應(yīng)用對數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)處理來支持其任務(wù)(事務(wù))與數(shù)據(jù)的定時(shí)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(jià)，而根本不考慮有關(guān)數(shù)據(jù)及其處理的定時(shí)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(shí)時(shí)應(yīng)用的需要。而傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)(RTS)雖然支持任務(wù)的定時(shí)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(bào)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(shí)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"(SeamlessIntegration)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(RTDB)才能同時(shí)支持定時(shí)和一致性。

因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫就是其數(shù)據(jù)和事務(wù)都有顯式定時(shí)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(shí)間。近年來，RTDB已發(fā)展為現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫研究的主要方向之一，受到了數(shù)據(jù)庫界和實(shí)時(shí)系統(tǒng)界的極大關(guān)注。然而，RTDB并非是數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)系統(tǒng)兩者的簡單結(jié)合，它需要對一系列的概念、理論、技術(shù)、方法和機(jī)制進(jìn)行研究開發(fā)，如數(shù)據(jù)模型及其語言，數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)與組織;事務(wù)的模型與特性，尤其是截止時(shí)間及其軟硬性;事務(wù)的優(yōu)先級分派、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，查詢/事務(wù)處理算法與優(yōu)化;I/O調(diào)度、恢復(fù)、通信的協(xié)議與算法，等等，這些問題之間彼此高度相關(guān)。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與時(shí)間

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在兩方面與時(shí)間相關(guān)：

1.數(shù)據(jù)與時(shí)間相關(guān)

按照與之相關(guān)的時(shí)間的性質(zhì)不同又可分為兩類：

數(shù)據(jù)本身就是時(shí)間即從"時(shí)間域"中取值，如"日期"，稱為"用戶定義的時(shí)間"，也就是用戶自己知道，而系統(tǒng)并不知道它是時(shí)間，系統(tǒng)將毫無區(qū)別地把它像其他數(shù)據(jù)一樣處理。

數(shù)據(jù)的值隨時(shí)間而變化數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是對其所服務(wù)的"現(xiàn)實(shí)世界"中對象狀態(tài)的描述，對象狀態(tài)發(fā)生變化則引起數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)數(shù)據(jù)值的變化，因而與數(shù)據(jù)值變化相聯(lián)的時(shí)間可以是現(xiàn)實(shí)對象狀態(tài)的實(shí)際時(shí)間，稱為"真實(shí)"或"事件"時(shí)間(現(xiàn)實(shí)對象狀態(tài)變化的事件發(fā)生時(shí)間)，也可以是將現(xiàn)實(shí)對象變化的狀態(tài)記錄到數(shù)據(jù)庫，即數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)數(shù)據(jù)值變化的時(shí)間，稱為"事務(wù)時(shí)間"(任何對數(shù)據(jù)庫的操作都必須通過一個事務(wù)進(jìn)行)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出數(shù)據(jù)也是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與之相聯(lián)的時(shí)間自然是事務(wù)時(shí)間。

2.實(shí)時(shí)事務(wù)有定時(shí)限制

典型的就是其"截止時(shí)間"。對于RTDB，其結(jié)果產(chǎn)生的時(shí)間與結(jié)果本身一樣重要，一般只允許事務(wù)存取"當(dāng)前有效"的數(shù)據(jù)，事務(wù)必須維護(hù)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的"事件一致性"。另外，外部環(huán)境(現(xiàn)實(shí)世界)的反應(yīng)時(shí)間要求也給事務(wù)施以定時(shí)限制。所以，RTDB系統(tǒng)要提供維護(hù)有效性和事務(wù)及時(shí)性的設(shè)施。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的特征

如上所述，RTDB的特征主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)和事務(wù)的定時(shí)限制上，下面分別介紹。

1.RTDB的數(shù)據(jù)特征

在RTDB中，數(shù)據(jù)隨外部環(huán)境狀態(tài)的變化而快速變化，其值只在一定的時(shí)間內(nèi)是"流行"的，過時(shí)則無效了，故系統(tǒng)除了維護(hù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)部狀態(tài)(數(shù)據(jù)值)的正確性、相容性外，還必須同時(shí)維護(hù)內(nèi)部狀態(tài)與外部環(huán)境實(shí)際狀態(tài)的一致性，以及數(shù)據(jù)用來決策或推導(dǎo)新數(shù)據(jù)時(shí)在時(shí)間上的相互一致性。

RTDB中的一個數(shù)據(jù)對象d由三個分量組成(dv，dtp，devi)，它們分別為d的當(dāng)前值、采樣時(shí)間、外部有效期(外部現(xiàn)實(shí)對象狀態(tài)變化的時(shí)間間隔)，有效期即自dtp算起dv有效的時(shí)間長度。對于RTDB中的每一d，有內(nèi)部一致性、外部一致性和相互一致性特征。

內(nèi)部一致性dv滿足預(yù)先定義的數(shù)據(jù)庫內(nèi)部狀態(tài)的完整性和一致性限制。這就是傳統(tǒng)意義下的數(shù)據(jù)正確性。

外部一致性設(shè)tc為當(dāng)前或檢測時(shí)間，當(dāng)且僅當(dāng)(tc-dtp)≤devi，則說d是外部一致的，即dv和對應(yīng)的外部現(xiàn)實(shí)對象的狀態(tài)是一樣的。

相互一致性用來決策或?qū)С鲂聰?shù)據(jù)的一組相關(guān)數(shù)據(jù)稱為一個相互一致集，記為R，其中的數(shù)據(jù)必須盡可能地在一個允許的公共時(shí)間期內(nèi)被采取(或?qū)С?，這個公共時(shí)間期就稱為R的相互有效期，記為Rmvi，對于R中的任兩個數(shù)據(jù)d和d′,有|dtp-d′tp|≤Rmvi，則說R中的數(shù)據(jù)是相互一致的。

外部一致性和相互一致性都是關(guān)于時(shí)間的，故統(tǒng)稱時(shí)間一致性。既是內(nèi)部一致又是時(shí)間一致的數(shù)據(jù)才是正確的。

2.RTDB的事務(wù)特征

由于實(shí)時(shí)任務(wù)往往有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互之間的聯(lián)系，傳統(tǒng)的"原子的、平淡的數(shù)據(jù)庫操作序列"的事務(wù)概念及模型對實(shí)時(shí)事務(wù)不適合。RTDB事務(wù)表現(xiàn)出了許多不同的特征，這里只給出其標(biāo)識性特征定時(shí)性，其余的在后面的文章"實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的事務(wù)處理"中討論。

定時(shí)可以是絕對、相對或周期時(shí)間。RTDB的定時(shí)性一方面由數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性引起，此時(shí)它往往取周期或定期性限制的形式，如"每5秒取樣一次"、"7∶00啟動機(jī)器人"等;定時(shí)性的另一根源是對現(xiàn)實(shí)世界施加于系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間的要求，這時(shí)它典型地取施加于非周期事務(wù)的截止時(shí)間限制的形式，如"若溫度達(dá)到1000度，則在5秒內(nèi)加冷卻劑到反應(yīng)堆"。

定時(shí)性包含兩方面的含義：

定時(shí)限制即事務(wù)的執(zhí)行有顯式的時(shí)限，如指定的開始時(shí)間、截止時(shí)間等，它要求RTDB必須有時(shí)間處理機(jī)制。

定時(shí)正確性即事務(wù)能按指定的時(shí)間要求正確執(zhí)行，它要求權(quán)衡定時(shí)限制與數(shù)據(jù)一致性要求等多方面因素，提供合適的調(diào)度與并發(fā)控制算法。

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實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要技術(shù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有著根本性的不同。要實(shí)現(xiàn)一個實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，除了一般數(shù)據(jù)庫的問題外，還要研究一系列關(guān)鍵理論與技術(shù)問題。主要有：

1.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模型及其語言

到目前為止，研究實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的文獻(xiàn)鮮有專門討論數(shù)據(jù)建模問題的，大多數(shù)文獻(xiàn)，尤其是關(guān)于實(shí)時(shí)事務(wù)處理的都假定其具有有變化顆粒的數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)模型。但這種方法有局限性，因?yàn)樗鼪]有使用一般的及時(shí)間的語義知識，而這對系統(tǒng)滿足事務(wù)截止時(shí)間是很有用的。一般RTDB都使用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，還沒有引入時(shí)間維，而即使是引入了時(shí)間維的"時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)模型"與"時(shí)態(tài)查詢語言"也沒有提供事務(wù)定時(shí)限制的說明機(jī)制。

系統(tǒng)應(yīng)該給用戶提供事務(wù)定時(shí)限制說明語句，其格式可以為：

<事務(wù)事件>IS<時(shí)間說明>

<事務(wù)事件>為事務(wù)的"開始"、"提交"、"夭折"等。<時(shí)間說明>指定一個絕對、相對或周期時(shí)間。

2.實(shí)時(shí)事務(wù)的模型與特性

前面已說過，傳統(tǒng)的原子事務(wù)模型已不適用，必須使用復(fù)雜事務(wù)模型，即嵌套、分裂/合并、合作、通信等事務(wù)模型。因此，實(shí)時(shí)事務(wù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，事務(wù)之間有多種交互行動和同步，存在結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)、行為、時(shí)間上的相關(guān)性以及在執(zhí)行方面的依賴性，具體可參考后面"實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的事務(wù)處理"一文。

3.實(shí)時(shí)事務(wù)的處理

RTDB中的事務(wù)有多種定時(shí)限制，其中最典型的是事務(wù)截止期，系統(tǒng)必須能讓截止期更早或更緊急的事務(wù)較早地執(zhí)行，換句話說，就是能控制事務(wù)的執(zhí)行順序，所以，又需要基于截止期和緊迫度來標(biāo)明事務(wù)的優(yōu)先級，然后按優(yōu)先級進(jìn)行事務(wù)調(diào)度。

另一方面，對于RTDB事務(wù)，傳統(tǒng)的可串行化并發(fā)控制過嚴(yán)，且也不一定必要，它們"寧愿要部分正確而及時(shí)的數(shù)據(jù)，而不愿要絕對正確但過時(shí)的數(shù)據(jù)"，故應(yīng)允許"放松的可串行化"或"暫緩可串行化"并發(fā)控制，于是需要開發(fā)新的并發(fā)控制正確性的概念、標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

4.數(shù)據(jù)存儲與緩沖區(qū)管理

傳統(tǒng)的磁盤數(shù)據(jù)庫的操作是受I/O限制的，其I/O的時(shí)間延遲及其不確定性對實(shí)時(shí)事務(wù)是難以接受的，因此，RTDB中數(shù)據(jù)存儲的一個主要問題就是如何消除這種延遲及其不確定性，這需要底層的"內(nèi)存數(shù)據(jù)庫"支持，因而內(nèi)存緩沖區(qū)的管理就顯得更為重要。這里所說的內(nèi)存緩沖區(qū)除"內(nèi)存數(shù)據(jù)庫"外，還包括事務(wù)的執(zhí)行代碼及其工作數(shù)據(jù)等所需的內(nèi)存空間。此時(shí)的管理目標(biāo)是高優(yōu)先事務(wù)的執(zhí)行不應(yīng)因此而受阻，它要解決以下問題：

(1)如何保證事務(wù)執(zhí)行時(shí),只存取"內(nèi)存數(shù)據(jù)庫"，即其所需數(shù)據(jù)均在內(nèi)存(因而它本身沒有I/O)。

(2)如何給事務(wù)及時(shí)分配所需緩沖區(qū)。

(3)必要時(shí)，如何讓高優(yōu)先級事務(wù)搶占低優(yōu)先級事務(wù)的緩沖區(qū)。因此，傳統(tǒng)的管理策略也不適用，必須開發(fā)新的基于優(yōu)先級的算法。

5.恢復(fù)

在RTDB中，恢復(fù)顯得更為復(fù)雜。這是因?yàn)椋?/p>

(1)恢復(fù)過程影響處于活躍狀態(tài)的事務(wù)，使有的事務(wù)超截止期，這對硬實(shí)時(shí)事務(wù)是不能接受的。

(2)RTDB中的數(shù)據(jù)不一定總是永久的，為了保證實(shí)時(shí)限制的滿足，也不一定是一致和絕對正確的，而有的是短暫的，有的是暫時(shí)不一致或非絕對正(準(zhǔn))確的。

(3)有的事務(wù)是"不可逆"的，所以，傳統(tǒng)的還原/重啟動是無意義的，可能要用"補(bǔ)償"、"替代"事務(wù)。

因此，必須開發(fā)新的恢復(fù)技術(shù)與機(jī)制，應(yīng)考慮到時(shí)間與資源兩者的可用性，以確定最佳恢復(fù)時(shí)機(jī)與策略，而不致太傷害事務(wù)實(shí)時(shí)性的滿足。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用與研究

RTDB無縫地集成了數(shù)據(jù)庫與定時(shí)性，在對數(shù)據(jù)庫能力和實(shí)時(shí)處理技術(shù)兩者均有要求的各種領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用前景，對多種工程或過程及時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用更是必要而迫切的，為國家的現(xiàn)代化尤其是國防現(xiàn)代化建設(shè)及國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供有力的、必不可少的支持，在信息技術(shù)、信息高速公路及信息產(chǎn)業(yè)的建設(shè)中必將起到重大作用。

國外對RTDB的研究非常關(guān)注，尤其是美國、英國、德國、瑞典等國起步較早，現(xiàn)已有許多成功的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，有的甚至已商品化，典型的有HiPAC、ZipRTDBMS等系統(tǒng)。國內(nèi)的研究起步稍晚，基本上是在80年代末、90年代初才開始，但發(fā)展很快，目前已有成功的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，但尚未形成正式產(chǎn)品，其主要原因是國內(nèi)缺乏合適的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這已成為RTDB發(fā)展的重要障礙，希望能引起有關(guān)方面的重視。
 

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