嵌入式数据库系统查询机制研究与实现

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.39MB 63 页 15积分

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摘要

作为移动计算、移动商务和信息电器的核心技术，嵌入式数据库管理系统是

最近几年才兴起的一项新的数据管理技术。它以目前成熟的数据库技术为基础，

针对具体的嵌入式设备与系统特点，结合实际应用需求，主要实现对嵌入式设备

上数据的存储、组织和管理，以及同后台主数据源的数据交换。

本文分析了嵌入式数据库系统的特点和技术发展现状，并根据嵌入式系统的

应用需求和嵌入式系统普遍特征指出:基于内存操作的嵌入式数据库性能的决定因

素是系统运行时资源开销而非传统的数据 I/O 操作次数。在这个思想的指导下，

本文重点考虑了基于内存的嵌入式数据库管理系统的体系结构，对嵌入式数据库

系统的查询机制以及实现技术做了详细的探讨,以及对嵌入式数据库系统查询优化

技术也进行了细致的讨论和研究。

针对具体的嵌入式系统环境及其应用特点，嵌入式数据库提供一套查询系

统，在不同的嵌入式数据库系统中查询处理的方式都不一样，本文提供的一种类

似于 SQL 的一套面向对象的查询机制，采取该查询机制可以更有效的、快速的对

数据库中的数据进行查询。采取这样的方法不仅可以提高整个数据库的性能，另

外对嵌入式开发人员也提供了很大的便利。

对于查询优化，与传统的关系数据库管理系统执行查询相比，当所有的数据

存在内存中时，查询的执行速度是非常快速的。另外也不产生庞大的查询中间结

果，只产生指向查询对象的指针，这样也大大提高了系统性能。很显然对于传统

数据库系统的查询优化技术在嵌入式数据库系统中不再实用。目前对于嵌入式数

据库系统查询优化技术没有统一完备的查询优化算法。针对不同的数据库系统特

别是存储方式的不同上一般会选择适合自身系统特点的查询优化机制。一个好的

存储机制对查询速度的提高有很大的帮助。本文主要从查询实现上通过只取出指

向查询结果的指针减少查询中间结果，以及采取一种智能索引的方式和通过并行

查询这些技术来进行讨论。

关键词：嵌入式数据库系统查询查询处理查询优化

ABSTRACT

As the core technique of mobile-computing, mobile-commerce and informative

electrical appliances, the Embedded Database Management System appears recently

which is a newly data management technology. The EDBMS which based on the

mature technology of DBMS and aimed at the idiographic embedded system and device,

implements the embedded system data store, data organize, data management and data

exchange with the background data source according practical requirement.

The particularity and the advanced technology of the embedded system and

EDBMS are introduced firstly. This dissertation proposes that the capability of EDBMS

is decided by the spending of system resource but not the traditional numbers of I/O

operations according to the peculiarity of embedded system and the appliances

requirement. In this dissertation, the system architecture of the EDBMS based on the

EMS memory is pinpointed. Those pivotal techniques in the development of the system,

including query process and query optimization are further discussed.

In view of the embedded system environment and its application characteristics,

the embedded database system provides one set of query subsystems. Different EDBMS

has its own way of query processing. An object-oriented query mechanism has proposed

in this dissertation, which is similar to the SQL and can query data from the database

rapidly and effectively. Not only enhance the entire database performance, this method

also can provide the convenience to the developers of embedded application systems.

The execution of queries, when all data is present in memory, is very fast,

compared with the time for query execution in a traditional RDBMS. But EDBMS even

more increases the speed for query execution by applying several optimizations: using

indices, inverse references and query parallelization.

Key words：Embedded Database Management System (EDBMS),

query, query process, query optimization.

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

1.1 研究背景 ..................................................... 1

1.2 嵌入式数据库系统 ............................................. 2

1.2.1 概述 .................................................... 2

1.2.2 嵌入式数据库系统特点 .................................... 3

1.2.3 与传统数据库系统的关键差异 .............................. 4

1.2.4 嵌入式数据库系统发展方向 ................................ 7

1.2.5 嵌入式数据库系统发展现状与应用前景 ...................... 8

1.2.6 嵌入式数据库系统的一个典型应用案例——IP 路由器 ..........9

1.3 论文的研究内容 .............................................. 10

1.4 论文结构及章节安排 .......................................... 10

第二章 Tern 系统概述 ............................................... 12

2.1 系统简介 .................................................... 12

2.2 Tern 系统总体需求 ............................................ 12

2.3 Tern 系统设计和实现的总体目标 ................................ 13

2.4 Tern 系统体系结构 ........................................... 14

2.4.1 命令引擎（查询语言） ................................... 14

2.4.2 事务、日志 ............................................. 15

2.4.3 系统安全 ............................................... 15

2.4.4 存储 ................................................... 16

2.4.5 Tern 数据库管理工具 .....................................16

2.4.6 数据访问接口 ........................................... 16

2.4.7 支撑组件 ............................................... 16

2.4.8 各模块之间的交互关系 ................................... 16

第三章 Tern 系统查询处理器 .......................................... 18

3.1 Tern 查询处理体系结构 ........................................ 18

3.1.1 传统数据库查询体系及处理流程 ........................... 18

3.1.2 Tern 查询体系 ...........................................19

3.2 应用举例 .................................................... 20

第四章 Tern 系统查询编译器 .......................................... 24

4.1 语法及词法分析 .............................................. 25

4.1.1 概述 ................................................... 25

4.1.2 词法分析 ............................................... 25

4.1.2 语法分析 ............................................... 27

4.2 语义及类型检查 .............................................. 30

4.2.1 类型检查 ............................................... 31

4.2.2 系统元数据表 ............................................31

4.3 查询转换 .................................................... 32

第五章 Tern 查询实现 ................................................ 34

5.1 Tern 系统查询实现相关说明 .................................... 34

5.1.1 结构 ................................................... 34

5.1.2 数组 ................................................... 35

5.1.3 字符串 ................................................. 36

5.1.4 指针 ................................................... 36

5.1.5 函数 ................................................... 38

5.2 Tern 查询实现部分细节 ........................................ 40

5.2.1 游标 ................................................... 40

5.2.2 单表所有记录查询实现 ................................... 42

5.2.3 单表带条件查询实现 ..................................... 43

5.2.4 多表连接查询实现 ....................................... 43

5.3 实时性问题 .................................................. 45

5.4 简单的数据库管理工具 ........................................ 46

5.4.1 TernUtility 的语法结构 ..................................46

5.4.2 数据备份和还原 ......................................... 48

第六章 Tern 查询优化 ................................................ 50

6.1 缓存编译好的查询 ............................................ 50

6.2 智能索引 .................................................... 50

6.3 反向引用 .................................................... 52

6.4 查询并行化 .................................................. 53

第七章全文总结 ..................................................... 54

7.1 实现成果与特色 .............................................. 54

7.2 不足与发展方向 .............................................. 54

参考文献 ............................................................ 56

在读期间公开发表的论文和承担项目及取得成果 .......................... 59

致谢 ............................................................... 60

第一章绪论

1.1 研究背景

数据库技术是应数据管理任务的需要而产生的。60 年代后期，随着计算机技

术从科学计算向数据处理的扩展，数据库系统应运而生。数据库系统的出现使信

息系统的重心发生了转移，从以加工数据的程序为中心转向以数据共享为核心。

随后，不断涌现的新应用需求又推动着数据库技术向前发展，从第一代的网状、

层次数据库系统，第二代的关系数据库系统，发展到了第三代面向对象模型为主

要特征的数据库系统。今天，新的数据管理需求推动着数据库技术向深度计算

（deep computing）和“普及计算”（pervasive computing）两端发展。高端的超

大型数据库系统（VLDB）解决复杂数据类型如视频音频数据、多媒体数据、军

事上“过程”或“行为”数据的处理问题，满足海量数据的存储和存取，他们将

运行在固定的下一代巨型主机服务器上，其特点是大、强、快；而低端的精小型

设备中，其特点是小、灵、易。

当今数据库技术的这两个发展方向的形成与数据仓库技术和嵌入式的发展紧

密相关。

在深度计算方面，信息化浪潮使数据库的数量和容量越来越惊人，人们在拥

有丰富数据的同时发现缺乏有用的信息和知识。数据仓库以数据库技术作为存储

数据和管理资源的基本手段，以统计分析技术作为分析数据和提取信息的有效方

法，以人工智能技术作为挖掘知识和发现规律的科学途径。因此，它是诸多学科

相互结合、综合应用的技术。数据仓库的研究和创建，能充分利用已有的数据资

源，把数据转换为信息，从中挖掘出知识，提炼成智慧，最终创造出效益。数据

仓库、联机分析处理和数据挖掘技术的研究方兴未艾，在深度计算领域发挥着重

要作用。

在“普及计算”方面，微处理器和嵌入式软件的发展加上网络通信技术的进

步适应了社会的需求，推动了嵌入式移动数据库技术的发展。微软中国研发中心

总经理张湘辉博士曾说：如果说从 1984 年的 PC/XT 和DOS，发展到今天的奔腾

和Win98/NT,计算机是经历了从原始初级到复杂而功能强大的过程的话，那么今

嵌入式数据库系统查询机制研究与实现

天计算机的发展又开始了一个新的历程，即从复杂到更高层次的简单的回归，出

现了微型化、家电化和专用化的趋势。张博士的话精辟的概括了计算机系统的发

展历程，同时也揭示了数据库系统的发展趋势。近年来，嵌入式设备的市场快速

增长，据 IDC 的统计，非 PC 的专用嵌入式设备目前销售 401 亿。当前的嵌入式

设备种类繁多，用途各异。尽管如此，它们有一个共同的特点，就是需要一个精

小型的数据库管理系统嵌入其中来管理数据，以达到智能化的要求。这样随着嵌

入式技术的发展和嵌入式设备的普及，数据库在“普及计算”方向上也得到迅猛

发展。

在任何数据库系统中，不管是针对大型应用的数据仓库还是小型应用的嵌入

式数据库，查询是其必不可少且及其关键的一个环节。本文结合我们提出的一个

嵌入式数据库系统模型，命名为 Tern，对嵌入式数据库查询机制进行深入探讨和

研究。下面首先对嵌入式数据库及其主要特点、发展现状及发展方向做简单的介

绍。

1.2 嵌入式数据库系统

1.2.1 概述

数据库技术总是与计算环境的一定发展阶段相适应，新的计算环境和需求促

成数据库技术的形成和发展。计算环境从集中式、分布式、网络环境到目前深受

瞩目的移动计算环境 MICE (Mobile Computing Environment)和普遍化计算环境

PCE(Pervasive Computing Enviroment)等多种计算环境。在分布计算的基础上，计

算环境进一步扩展包含为各种移动设备、具有无线通信能力的服务网络，构成了

移动计算环境。随着移动计算环境发展，数据库系统也从集中式、分布式、

B/A/S 多层结构数据库系统发展到今天的嵌入式数据库系统。当前采用标准的关

系数据库和数据同步/复制技术，嵌入式数据库管理系统己成为数据库领域的新焦

点。

与通用的桌面系统不同，由于嵌入式系统没有充足的内存和磁盘资源(或者

没有磁盘)，所以，不论是嵌入式的操作系统还是数据库管理系统，都要占用最小

的内存和磁盘空间。如果采用文件系统或大型关系型数据库管理系统，都不可避

免地产生大量的冗余数据、数据管理效率低下等，所以，他们不能应用于嵌入式

系统的数据管理。而长期以来，商业数据库行业都在不停的追逐高性能的事务处

理以及复杂的查询处理能力，并制定了相应的行业标准。但是对于嵌入式数据库

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摘要作为移动计算、移动商务和信息电器的核心技术，嵌入式数据库管理系统是最近几年才兴起的一项新的数据管理技术。它以目前成熟的数据库技术为基础，针对具体的嵌入式设备与系统特点，结合实际应用需求，主要实现对嵌入式设备上数据的存储、组织和管理，以及同后台主数据源的数据交换。本文分析了嵌入式数据库系统的特点和技术发展现状，并根据嵌入式系统的应用需求和嵌入式系统普遍特征指出:基于内存操作的嵌入式数据库性能的决定因素是系统运行时资源开销而非传统的数据I/O操作次数。在这个思想的指导下，本文重点考虑了基于内存的嵌入式数据库管理系统的体系结构，对嵌入式数据库系统的查询机制以及实现技术做了详细的探讨,以及对嵌入式...

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