【转】实 时 数 据 库 系 统
实 时 数 据 库 的 发 展
----数 据 库 的 应 用 正 从 传 统 领 域 向 新 的 领 域 扩 展， 如CAD/CAM、CIMS； 数 据 通 信、 电 话 交 换、 电 力 调 度 等 网 络 管 理； 电 子 银 行 事 务、 电 子 数 据 交 换 与 电 子 商 务、 证 券 与 股 票 交 易； 交 通 控 制、 雷 达 跟 踪、 空 中 交 通 管 制； 武 器 制 导、 实 时 仿 真、 作 战 指 挥 自 动 化 或C3I 系 统， 等 等。 这 些 应 用 有 着 与 传 统 应 用 不 同 的 特 征， 一 方 面， 要 维 护 大 量 共 享 数 据 和 控 制 数 据； 另 一 方 面， 其 应 用 活 动（ 任 务 或 事 务） 有 很 强 的 时 间 性， 要 求 在 规 定 的 时 刻 和( 或) 一 定 的 时 间 内 完 成 其 处 理； 同 时， 所 处 理 的 数 据 也 往 往 是" 短 暂" 的， 即 有 一 定 的 有 效 时 间， 过 时 则 有 新 的 数 据 产 生， 而 当 前 的 决 策 或 推 导 变 成 无 效。 所 以， 这 种 应 用 对 数 据 库 和 实 时 处 理 两 者 的 功 能 及 特 性 均 有 需 求， 既 需 要 数 据 库 来 支 持 大 量 数 据 的 共 享， 维 护 其 数 据 的 一 致 性， 又 需 要 实 时 处 理 来 支 持 其 任 务（ 事 务） 与 数 据 的 定 时 限 制。
----但 是， 传 统 的 数 据 库 系 统 旨 在 处 理 永 久、 稳 定 的 数 据， 强 调 维 护 数 据 的 完 整 性、 一 致 性， 其 性 能 目 标 是 高 的 系 统 吞 吐 量 和 低 的 代 价， 而 根 本 不 考 虑 有 关 数 据 及 其 处 理 的 定 时 限 制， 所 以， 传 统 的 数 据 库 管 理 系 统（DBMS） 不 能 满 足 这 种 实 时 应 用 的 需 要。 而 传 统 的 实 时 系 统（RTS） 虽 然 支 持 任 务 的 定 时 限 制， 但 它 针 对 的 是 结 构 与 关 系 很 简 单、 稳 定 不 变 和 可 预 报 的 数 据， 不 涉 及 维 护 大 量 共 享 数 据 及 它 们 的 完 整 性 和 一 致 性， 尤 其 是 时 间 一 致 性。 因 此， 只 有 将 两 者 的 概 念、 技 术、 方 法 与 机 制" 无 缝 集 成"（Seamless Integration） 的 实 时 数 据 库（RTDB） 才 能 同 时 支 持 定 时 和 一 致 性。
----因 此， 实 时 数 据 库 就 是 其 数 据 和 事 务 都 有 显 式 定 时 限 制 的 数 据 库， 系 统 的 正 确 性 不 仅 依 赖 于 事 务 的 逻 辑 结 果， 而 且 依 赖 于 该 逻 辑 结 果 所 产 生 的 时 间。 近 年 来，RTDB 已 发 展 为 现 代 数 据 库 研 究 的 主 要 方 向 之 一， 受 到 了 数 据 库 界 和 实 时 系 统 界 的 极 大 关 注。 然 而，RTDB 并 非 是 数 据 库 和 实 时 系 统 两 者 的 简 单 结 合， 它 需 要 对 一 系 列 的 概 念、 理 论、 技 术、 方 法 和 机 制 进 行 研 究 开 发， 如 数 据 模 型 及 其 语 言， 数 据 库 的 结 构 与 组 织； 事 务 的 模 型 与 特 性， 尤 其 是 截 止 时 间 及 其 软 硬 性； 事 务 的 优 先 级 分 派、 调 度 和 并 发 控 制 协 议 与 算 法； 数 据 和 事 务 特 性 的 语 义 及 其 与 一 致 性、 正 确 性 的 关 系， 查 询/ 事 务 处 理 算 法 与 优 化；I/O 调 度、 恢 复、 通 信 的 协 议 与 算 法， 等 等， 这 些 问 题 之 间 彼 此 高 度 相 关。
实 时 数 据 库 与 时 间
----实 时 数 据 库 系 统 在 两 方 面 与 时 间 相 关：
----1. 数 据 与 时 间 相 关
----按 照 与 之 相 关 的 时 间 的 性 质 不 同 又 可 分 为 两 类：
----数 据 本 身 就 是 时 间 即 从" 时 间 域" 中 取 值， 如" 日 期"， 称 为" 用 户 定 义 的 时 间"， 也 就 是 用 户 自 己 知 道， 而 系 统 并 不 知 道 它 是 时 间， 系 统 将 毫 无 区 别 地 把 它 像 其 他 数 据 一 样 处 理。
----数 据 的 值 随 时 间 而 变 化 数 据 库 中 的 数 据 是 对 其 所 服 务 的" 现 实 世 界" 中 对 象 状 态 的 描 述， 对 象 状 态 发 生 变 化 则 引 起 数 据 库 中 相 应 数 据 值 的 变 化， 因 而 与 数 据 值 变 化 相 联 的 时 间 可 以 是 现 实 对 象 状 态 的 实 际 时 间， 称 为" 真 实" 或" 事 件" 时 间（ 现 实 对 象 状 态 变 化 的 事 件 发 生 时 间）， 也 可 以 是 将 现 实 对 象 变 化 的 状 态 记 录 到 数 据 库， 即 数 据 库 中 相 应 数 据 值 变 化 的 时 间， 称 为" 事 务 时 间"（ 任 何 对 数 据 库 的 操 作 都 必 须 通 过 一 个 事 务 进 行）。 实 时 数 据 的 导 出 数 据 也 是 实 时 数 据， 与 之 相 联 的 时 间 自 然 是 事 务 时 间。
----2 ． 实 时 事 务 有 定 时 限 制
----典 型 的 就 是 其" 截 止 时 间"。 对 于RTDB， 其 结 果 产 生 的 时 间 与 结 果 本 身 一 样 重 要， 一 般 只 允 许 事 务 存 取" 当 前 有 效" 的 数 据， 事 务 必 须 维 护 数 据 库 中 数 据 的" 事 件 一 致 性"。 另 外， 外 部 环 境（ 现 实 世 界） 的 反 应 时 间 要 求 也 给 事 务 施 以 定 时 限 制。 所 以，RTDB 系 统 要 提 供 维 护 有 效 性 和 事 务 及 时 性 的 设 施。
实 时 数 据 库 的 特 征
----如 上 所 述，RTDB 的 特 征 主 要 表 现 在 数 据 和 事 务 的 定 时 限 制 上， 下 面 分 别 介 绍。
----1.RTDB 的 数 据 特 征
----在RTDB 中， 数 据 随 外 部 环 境 状 态 的 变 化 而 快 速 变 化， 其 值 只 在 一 定 的 时 间 内 是" 流 行" 的， 过 时 则 无 效 了， 故 系 统 除 了 维 护 数 据 库 内 部 状 态（ 数 据 值） 的 正 确 性、 相 容 性 外， 还 必 须 同 时 维 护 内 部 状 态 与 外 部 环 境 实 际 状 态 的 一 致 性， 以 及 数 据 用 来 决 策 或 推 导 新 数 据 时 在 时 间 上 的 相 互 一 致 性。
----RTDB 中 的 一 个 数 据 对 象d 由 三 个 分 量 组 成（dv，dtp，devi）， 它 们 分 别 为d 的 当 前 值、 采 样 时 间、 外 部 有 效 期（ 外 部 现 实 对 象 状 态 变 化 的 时 间 间 隔）， 有 效 期 即 自dtp 算 起dv 有 效 的 时 间 长 度。 对 于RTDB 中 的 每 一d， 有 内 部 一 致 性、 外 部 一 致 性 和 相 互 一 致 性 特 征。
----内 部 一 致 性 dv 满 足 预 先 定 义 的 数 据 库 内 部 状 态 的 完 整 性 和 一 致 性 限 制。 这 就 是 传 统 意 义 下 的 数 据 正 确 性。
----外 部 一 致 性 设tc 为 当 前 或 检 测 时 间， 当 且 仅 当（tc －dtp） ≤devi， 则 说d 是 外 部 一 致 的， 即dv 和 对 应 的 外 部 现 实 对 象 的 状 态 是 一 样 的。
----相 互 一 致 性 用 来 决 策 或 导 出 新 数 据 的 一 组 相 关 数 据 称 为 一 个 相 互 一 致 集， 记 为R， 其 中 的 数 据 必 须 尽 可 能 地 在 一 个 允 许 的 公 共 时 间 期 内 被 采 取（ 或 导 出）， 这 个 公 共 时 间 期 就 称 为R 的 相 互 有 效 期， 记 为Rmvi， 对 于R 中 的 任 两 个 数 据d 和d ′, 有|dtp －d ′tp| ≤Rmvi， 则 说R 中 的 数 据 是 相 互 一 致 的。
----外 部 一 致 性 和 相 互 一 致 性 都 是 关 于 时 间 的， 故 统 称 时 间 一 致 性。 既 是 内 部 一 致 又 是 时 间 一 致 的 数 据 才 是 正 确 的。
----2. RTDB 的 事 务 特 征
----由 于 实 时 任 务 往 往 有 内 部 结 构 和 相 互 之 间 的 联 系， 传 统 的" 原 子 的、 平 淡 的 数 据 库 操 作 序 列" 的 事 务 概 念 及 模 型 对 实 时 事 务 不 适 合。RTDB 事 务 表 现 出 了 许 多 不 同 的 特 征， 这 里 只 给 出 其 标 识 性 特 征 定 时 性， 其 余 的 在 后 面 的 文 章" 实 时 数 据 库 的 事 务 处 理" 中 讨 论。
----定 时 可 以 是 绝 对、 相 对 或 周 期 时 间。 RTDB 的 定 时 性 一 方 面 由 数 据 的 时 间 一 致 性 引 起， 此 时 它 往 往 取 周 期 或 定 期 性 限 制 的 形 式， 如" 每5 秒 取 样 一 次"、"7 ∶00 启 动 机 器 人 " 等； 定 时 性 的 另 一 根 源 是 对 现 实 世 界 施 加 于 系 统 的 反 应 时 间 的 要 求， 这 时 它 典 型 地 取 施 加 于 非 周 期 事 务 的 截 止 时 间 限 制 的 形 式， 如" 若 温 度 达 到1000 度， 则 在5 秒 内 加 冷 却 剂 到 反 应 堆"。
----定 时 性 包 含 两 方 面 的 含 义：
----定 时 限 制 即 事 务 的 执 行 有 显 式 的 时 限， 如 指 定 的 开 始 时 间、 截 止 时 间 等， 它 要 求RTDB 必 须 有 时 间 处 理 机 制。
----定 时 正 确 性 即 事 务 能 按 指 定 的 时 间 要 求 正 确 执 行， 它 要 求 权 衡 定 时 限 制 与 数 据 一 致 性 要 求 等 多 方 面 因 素， 提 供 合 适 的 调 度 与 并 发 控 制 算 法。
实 时 数 据 库 系 统 的 主 要 技 术
---- 实 时 数 据 库 系 统 与 传 统 的 数 据 库 系 统 有 着 根 本 性 的 不 同。 要 实 现 一 个 实 时 数 据 库 系 统， 除 了 一 般 数 据 库 的 问 题 外， 还 要 研 究 一 系 列 关 键 理 论 与 技 术 问 题。 主 要 有：
----1 ． 实 时 数 据 模 型 及 其 语 言
----到 目 前 为 止， 研 究 实 时 数 据 库 的 文 献 鲜 有 专 门 讨 论 数 据 建 模 问 题 的， 大 多 数 文 献， 尤 其 是 关 于 实 时 事 务 处 理 的 都 假 定 其 具 有 有 变 化 颗 粒 的 数 据 项 的 数 据 模 型。 但 这 种 方 法 有 局 限 性， 因 为 它 没 有 使 用 一 般 的 及 时 间 的 语 义 知 识， 而 这 对 系 统 满 足 事 务 截 止 时 间 是 很 有 用 的。 一 般RTDB 都 使 用 传 统 的 数 据 模 型， 还 没 有 引 入 时 间 维， 而 即 使 是 引 入 了 时 间 维 的" 时 态 数 据 模 型" 与" 时 态 查 询 语 言" 也 没 有 提 供 事 务 定 时 限 制 的 说 明 机 制。
----系 统 应 该 给 用 户 提 供 事 务 定 时 限 制 说 明 语 句， 其 格 式 可 以 为：
----< 事 务 事 件>IS< 时 间 说 明>
----< 事 务 事 件> 为 事 务 的" 开 始"、" 提 交"、" 夭 折" 等。< 时 间 说 明> 指 定 一 个 绝 对、 相 对 或 周 期 时 间。
----2 ． 实 时 事 务 的 模 型 与 特 性
----前 面 已 说 过， 传 统 的 原 子 事 务 模 型 已 不 适 用， 必 须 使 用 复 杂 事 务 模 型， 即 嵌 套、 分 裂/ 合 并、 合 作、 通 信 等 事 务 模 型。 因 此， 实 时 事 务 的 结 构 复 杂， 事 务 之 间 有 多 种 交 互 行 动 和 同 步， 存 在 结 构、 数 据、 行 为、 时 间 上 的 相 关 性 以 及 在 执 行 方 面 的 依 赖 性， 具 体 可 参 考 后 面" 实 时 数 据 库 的 事 务 处 理" 一 文。
----3 ． 实 时 事 务 的 处 理
----RTDB 中 的 事 务 有 多 种 定 时 限 制， 其 中 最 典 型 的 是 事 务 截 止 期， 系 统 必 须 能 让 截 止 期 更 早 或 更 紧 急 的 事 务 较 早 地 执 行， 换 句 话 说， 就 是 能 控 制 事 务 的 执 行 顺 序， 所 以， 又 需 要 基 于 截 止 期 和 紧 迫 度 来 标 明 事 务 的 优 先 级， 然 后 按 优 先 级 进 行 事 务 调 度。
----另 一 方 面， 对 于RTDB 事 务， 传 统 的 可 串 行 化 并 发 控 制 过 严， 且 也 不 一 定 必 要， 它 们" 宁 愿 要 部 分 正 确 而 及 时 的 数 据， 而 不 愿 要 绝 对 正 确 但 过 时 的 数 据"， 故 应 允 许" 放 松 的 可 串 行 化" 或" 暂 缓 可 串 行 化" 并 发 控 制， 于 是 需 要 开 发 新 的 并 发 控 制 正 确 性 的 概 念、 标 准 和 实 现 技 术。
----4 ． 数 据 存 储 与 缓 冲 区 管 理
----传 统 的 磁 盘 数 据 库 的 操 作 是 受I/O 限 制 的， 其I/O 的 时 间 延 迟 及 其 不 确 定 性 对 实 时 事 务 是 难 以 接 受 的， 因 此，RTDB 中 数 据 存 储 的 一 个 主 要 问 题 就 是 如 何 消 除 这 种 延 迟 及 其 不 确 定 性， 这 需 要 底 层 的" 内 存 数 据 库" 支 持， 因 而 内 存 缓 冲 区 的 管 理 就 显 得 更 为 重 要。 这 里 所 说 的 内 存 缓 冲 区 除" 内 存 数 据 库 " 外， 还 包 括 事 务 的 执 行 代 码 及 其 工 作 数 据 等 所 需 的 内 存 空 间。 此 时 的 管 理 目 标 是 高 优 先 事 务 的 执 行 不 应 因 此 而 受 阻， 它 要 解 决 以 下 问 题：
----(1) 如 何 保 证 事 务 执 行 时, 只 存 取" 内 存 数 据 库"， 即 其 所 需 数 据 均 在 内 存（ 因 而 它 本 身 没 有I/O）。
----(2) 如 何 给 事 务 及 时 分 配 所 需 缓 冲 区。
----(3) 必 要 时， 如 何 让 高 优 先 级 事 务 抢 占 低 优 先 级 事 务 的 缓 冲 区。 因 此， 传 统 的 管 理 策 略 也 不 适 用， 必 须 开 发 新 的 基 于 优 先 级 的 算 法。
----5 ． 恢 复
----在RTDB 中， 恢 复 显 得 更 为 复 杂。 这 是 因 为：
----(1) 恢 复 过 程 影 响 处 于 活 跃 状 态 的 事 务， 使 有 的 事 务 超 截 止 期， 这 对 硬 实 时 事 务 是 不 能 接 受 的。
----(2) RTDB 中 的 数 据 不 一 定 总 是 永 久 的， 为 了 保 证 实 时 限 制 的 满 足， 也 不 一 定 是 一 致 和 绝 对 正 确 的， 而 有 的 是 短 暂 的， 有 的 是 暂 时 不 一 致 或 非 绝 对 正（ 准） 确 的。
----(3) 有 的 事 务 是" 不 可 逆" 的， 所 以， 传 统 的 还 原/ 重 启 动 是 无 意 义 的， 可 能 要 用" 补 偿"、" 替 代" 事 务。
----因 此， 必 须 开 发 新 的 恢 复 技 术 与 机 制， 应 考 虑 到 时 间 与 资 源 两 者 的 可 用 性， 以 确 定 最 佳 恢 复 时 机 与 策 略， 而 不 致 太 伤 害 事 务 实 时 性 的 满 足。
实 时 数 据 库 应 用 与 研 究
----RTDB 无 缝 地 集 成 了 数 据 库 与 定 时 性， 在 对 数 据 库 能 力 和 实 时 处 理 技 术 两 者 均 有 要 求 的 各 种 领 域 有 着 极 其 广 泛 的 应 用 前 景， 对 多 种 工 程 或 过 程 及 时 间 关 键 型 应 用 更 是 必 要 而 迫 切 的， 为 国 家 的 现 代 化 尤 其 是 国 防 现 代 化 建 设 及 国 民 经 济 的 发 展 提 供 有 力 的、 必 不 可 少 的 支 持， 在 信 息 技 术、 信 息 高 速 公 路 及 信 息 产 业 的 建 设 中 必 将 起 到 重 大 作 用。
----国 外 对RTDB 的 研 究 非 常 关 注， 尤 其 是 美 国、 英 国、 德 国、 瑞 典 等 国 起 步 较 早， 现 已 有 许 多 成 功 的 实 验 系 统， 有 的 甚 至 已 商 品 化， 典 型 的 有HiPAC、Zip RTDBMS 等 系 统。 国 内 的 研 究 起 步 稍 晚， 基 本 上 是 在80 年 代 末、90 年 代 初 才 开 始， 但 发 展 很 快， 目 前 已 有 成 功 的 实 验 系 统， 但 尚 未 形 成 正 式 产 品， 其 主 要 原 因 是 国 内 缺 乏 合 适 的 实 时 操 作 系 统， 这 已 成 为RTDB 发 展 的 重 要 障 碍， 希 望 能 引 起 有 关 方 面 的 重 视。
