面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)引擎設(shè)計(jì)

劉海蓉，朱永昌，胡善岳

(1.黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北黃岡438002；2.甘肅省金昌市公安局龍首分局武威路派出所，甘肅金昌737100；

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)模仿關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于模式的定義與劃分也分為三個(gè)模式：內(nèi)模式、模式和外模式。內(nèi)模式主要和底層數(shù)據(jù)文件打交道，它接受來(lái)自模式的命令并執(zhí)行相關(guān)的操作。模式則是連接外模式和內(nèi)模式之間的橋梁。模式將對(duì)來(lái)自外模式的指令轉(zhuǎn)譯成內(nèi)模式的執(zhí)行命令，并組織和返回適當(dāng)?shù)男畔⒔o外模式。模式是數(shù)據(jù)庫(kù)引擎中最重要的部分，它包含了主要的操作邏輯和對(duì)OQL的編譯功能，以及組織數(shù)據(jù)的功能，是本設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的一部分，詳情請(qǐng)見(jiàn)具體設(shè)計(jì)。外模式負(fù)責(zé)與用戶打交道，相當(dāng)于客戶端，但又不是客戶端。它實(shí)際上接受來(lái)自客戶端的指令信息經(jīng)組織后傳達(dá)給模式。設(shè)計(jì)上將采用的是網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)和客戶端進(jìn)行信息交流，詳情如圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 內(nèi)模式(底層設(shè)計(jì))

本部分用于探討數(shù)據(jù)庫(kù)的物理存取方案，[1]將提供一套接口(見(jiàn)外部接口)用來(lái)與模式交互，接受模式發(fā)來(lái)的指令進(jìn)行操作。具體邏輯見(jiàn)圖2。

圖2 內(nèi)模式時(shí)序圖

2.1 系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)配置主文件(見(jiàn)表1)：這是一張屬性表，將包含以下信息(為簡(jiǎn)易起見(jiàn)，僅包含一些基本信息)，在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)安裝時(shí)進(jìn)行初始化，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)將其讀取到內(nèi)存中并長(zhǎng)久保留。

表1 系統(tǒng)配置表

該配置文件使用的是XML格式來(lái)存儲(chǔ)，下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的樣例文件：

520

d4gg542af4f458g4asfsd84sfsa874d1saf5652dfa1af4

E:lujijiangdata

E:lujijiangdata2

(2)庫(kù)(包)配置文件(見(jiàn)表2)：這也是一個(gè)屬性表，包含的是數(shù)據(jù)庫(kù)的ID 、名稱、物理存儲(chǔ)路徑、用戶信息、可用空間。每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)一個(gè)表，也是在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)即初始化到內(nèi)存中。[2]

表2 庫(kù)配置表

以下是該配置文件的一個(gè)示例：

2.2 模式設(shè)計(jì)(即類的設(shè)計(jì))

每個(gè)類其實(shí)也是一個(gè)XML文件，在每次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)加載到內(nèi)存中，格式如下(具體標(biāo)簽含義請(qǐng)見(jiàn)格式樣例中的注釋)：

其中的方法(即操作)又鏈接到方法描述文件。

方法描述文件也是一個(gè)XML文件，格式如下(具體標(biāo)簽含義請(qǐng)見(jiàn)格式樣例中的注釋)：

1

函數(shù)體描述文件直接就是方法描述，如：

number a = 0;

string b = “123456789”;

return b+a;

2.3 存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

(1)包的存儲(chǔ)[3]

一個(gè)包是一個(gè)文件夾，包中根下有一個(gè)配置文件package.xml,該文件包含了該包的配置信息，就是上述的庫(kù)(包)配置文件。除了該文件外，還有各種類的文件夾(下面會(huì)提到)。

(2)類的存儲(chǔ)

一個(gè)類是一個(gè)名為*.class的文件夾，就存放在包文件夾的根下。其中*號(hào)是該類的標(biāo)識(shí)符。類文件夾的根下有一個(gè)類配置文件，就是以上所說(shuō)的class.xml，可能還有方法描述文件夾*.method。該文件夾根下有一個(gè)方法描述文件method.xml，還有方法體描述文件如*.body文件。除此之外，就是該類的各個(gè)實(shí)例對(duì)象文件夾了。

(3)對(duì)象的存儲(chǔ)

每個(gè)對(duì)象也是一個(gè)文件夾，就存放在類文件夾的根下，命名規(guī)則是*.object，其中*表示該對(duì)象的標(biāo)識(shí)號(hào)。該文件夾的根下是各種字段文件。[4]

(4)字段的存儲(chǔ)

字段文件的文件名是*.field，其中*是字段名。

2.4 加載策略

系統(tǒng)采用的是深度遍歷樹(shù)的方式遍歷加載數(shù)據(jù)庫(kù)信息的，即必須先把一個(gè)包中的類的實(shí)例全部加載完畢后才可能加載其他的包信息。

系統(tǒng)配置加載：數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)啟動(dòng)之初，系統(tǒng)將事先加載系統(tǒng)配置文件，即sys.xml文件，該文件位于源根目錄下(Java版本)。通過(guò)加載此文件，系統(tǒng)將獲知系統(tǒng)的一些屬性信息如系統(tǒng)名、端口號(hào)、管理員信息以及包的存儲(chǔ)路徑。

包信息加載：在獲取了各包的存儲(chǔ)路徑后，系統(tǒng)將開(kāi)始掃描這個(gè)包路徑。首先先加載包配置文件——即包文件夾根下的package.xml文件，從而獲取該包的相關(guān)信息，包括包的ID號(hào)、包名、用戶列表、可用最大空間等。然后掃描該文件夾下所有以“.class”結(jié)尾的文件夾，開(kāi)始加載類的信息。[5]

類信息加載：緊接著上一步，系統(tǒng)開(kāi)始從類文件夾中加載類的信息。首先讀取類文件夾根下的class.xml文件，并獲取類的字段，方法等信息。然后開(kāi)始掃描所有以“.object”結(jié)尾的文件夾，開(kāi)始加載對(duì)象信息。

對(duì)象信息加載：粗略地將對(duì)象的ID信息與地址的對(duì)應(yīng)的信息加載到內(nèi)存中即完成本次深度遍歷加載過(guò)程。然后開(kāi)始加載其它類，其它包的信息。

提供服務(wù)：當(dāng)系統(tǒng)全部加載所有信息后開(kāi)始提供數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)服務(wù)。

2.5 外部接口

從模式中獲取相關(guān)操作信息，然后掃描內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)信息，再根據(jù)這些信息進(jìn)行相關(guān)操作，最后將操作的結(jié)果返回給模式。

3 模式(中層設(shè)計(jì))

3.1 內(nèi)部接口

本接口主要是用來(lái)與內(nèi)模式打交道的。接口將從管理者那里接受指令并轉(zhuǎn)換為內(nèi)模式可識(shí)別的具體操作，交由內(nèi)模式處理，然后將結(jié)果返回給管理者。

3.2 管理者

在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)便加載了必要的信息并保存在內(nèi)存中，主要供編譯器調(diào)用相關(guān)信息。

3.3 執(zhí)行者

相應(yīng)編譯器發(fā)來(lái)的偽字節(jié)碼，采用命令模式生成一些調(diào)用策略。這里指的是為將編譯器發(fā)來(lái)的具體操作通過(guò)反射模式調(diào)用Java中的相關(guān)類的相關(guān)方法執(zhí)行調(diào)用方法，其中還要引用管理者持有的數(shù)據(jù)庫(kù)信息資源。

3.4 編譯器

編譯器是本系統(tǒng)的重頭戲，主要包括以下幾個(gè)功能(編譯器的具體設(shè)計(jì)見(jiàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槠浔容^依賴于語(yǔ)言以及技巧)：

(1)詞法分析器

這是OODB語(yǔ)言語(yǔ)句進(jìn)入的第一步。首先，識(shí)別所有標(biāo)識(shí)符和關(guān)鍵字，將其返回給語(yǔ)法分析器。詞法分析器將使用外部描述文件來(lái)定義，該文件是一個(gè)XML文件，文件示例如下：

…

(2)語(yǔ)法分析器

檢查看有沒(méi)有缺括號(hào)，漏定義等。如果成功，則進(jìn)入語(yǔ)義分析器。

(3)語(yǔ)義分析器

對(duì)照管理者提供的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)信息，看有沒(méi)有語(yǔ)義錯(cuò)誤，沒(méi)有則進(jìn)行優(yōu)化處理。

(4)生成偽字節(jié)碼

如果以上幾關(guān)都過(guò)了，則生成字節(jié)碼文件。

3.5 外部接口

用于接收來(lái)自外模式的信息(信息僅包含OODB語(yǔ)言程序)，然后轉(zhuǎn)發(fā)給編譯器。

4 外模式(外層設(shè)計(jì))

4.1 內(nèi)部接口

用于將信息轉(zhuǎn)發(fā)給模式中的外部接口。

4.2 組織者

獲取操作信息，提取信息，包括提取OQL程序、用戶名、密碼、IP和時(shí)間等信息并進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)則命令內(nèi)部接口將OQL程序轉(zhuǎn)發(fā)給模式，并記錄日志。

4.3 接收者

通過(guò)Socket接受來(lái)自客戶端的命令。

5 OODB語(yǔ)言設(shè)計(jì)

5.1 數(shù)據(jù)查詢(OQL)

作為數(shù)據(jù)庫(kù)，最重要的估計(jì)是數(shù)據(jù)查詢了，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)同樣如此。在這里，我設(shè)計(jì)了以下查詢語(yǔ)法：get(…)if(…),其中g(shù)et里面是要查詢的類，類的屬性等，相當(dāng)于SQL里面的select … where …。比如有類A，A中有一個(gè)屬性a(數(shù)字型，關(guān)于類型后面再講)。則獲取所有A類實(shí)例中所有a的值小于0的實(shí)例集合的查詢語(yǔ)句是：

get(A)if(A.a<0);

執(zhí)行該語(yǔ)句應(yīng)該要返回所有類A實(shí)例中所有a小于0的實(shí)例集合。具體使用方法如下：

(1)單類查詢

即在一個(gè)類中進(jìn)行查詢。如：get(A)if(A.a<0);返回的是所有類A實(shí)例中所有a小于0的實(shí)例集合。而不帶條件的查詢是get(A);這將返回類A的所有實(shí)例。

(2)多類查詢

如：get(A,B)；將返回類A和類B的所有實(shí)例的數(shù)據(jù)。

(3)方法查詢(暫不實(shí)現(xiàn))

(4)表達(dá)式計(jì)算

如：get(3+3);返回的將是6。

(5)復(fù)雜查詢

如：get(A.a+B.b,C,C.a/A.a)if(A.a5);這個(gè)查詢語(yǔ)句將返回的是類A的a字段和類B的b字段的相加之和，類C的實(shí)例以及C類字段a與A類字段a的商，并且盡在類A的a字段小于類B的b字段并且(##是并號(hào))類C的字段a的值小于5。此類操作可能比較耗時(shí)，并且可能返回重復(fù)的數(shù)據(jù)。如在A類實(shí)例和B類實(shí)例確定的情況下C類實(shí)例變化時(shí)將返回多個(gè)相同結(jié)果的A.a+B.b的值。注意返回的都是集合。

5.2 數(shù)據(jù)操作(OML)

(1)插入數(shù)據(jù)：new 類名(構(gòu)造函數(shù)參數(shù)列表)；這樣即生成了一個(gè)實(shí)例(即插入一個(gè)實(shí)例)。舉例如下：

Test t = new Test(1,2,3);//假如類Test的構(gòu)造參數(shù)是三個(gè)數(shù)字類型的參數(shù)。

(2)更新數(shù)據(jù)：直接調(diào)用該類實(shí)例引用的屬性復(fù)制即可實(shí)現(xiàn)更新。舉例如下：

t．a(chǎn) = 3;//假如類Test有個(gè)公有成員a且是數(shù)字型的。

可以有更復(fù)雜的、有邏輯的更新，如：

if(Test.a>3){

Test.a = 1;//將所有符合條件的Test類的實(shí)例的a字段復(fù)制為1，是集合操作。

};

又如：

while(t.a>0){

Test.a --;

//只要實(shí)例t的字段a的值還大于0，則所有Test的實(shí)例的值繼續(xù)減一。

}

(3)刪除數(shù)據(jù)：free(類名)if(刪除條件表達(dá)式)。如果沒(méi)有if，則刪除此類的所有實(shí)例。

free(Test)if(Test.a>0);這將刪除類Test的實(shí)例t。

(4)數(shù)據(jù)定義(ODL)

定義語(yǔ)言包括類的定義和對(duì)象的定義，其語(yǔ)法模仿Java的語(yǔ)法。具體如下：

定義類：

class :定義類，語(yǔ)法如下：class 類名{

屬性定義：其中包括變量權(quán)限聲明，值定義，類型聲明，目前僅支持三種類型，字符串型，數(shù)字型和比特型。

方法定義：方法定義，跟Java類似，但目前僅留接口，不做實(shí)現(xiàn)。

}

下面是一個(gè)實(shí)例：

class Test{

private num a;//數(shù)字型

public str b;//字符串型

protected byte c;//比特型，變長(zhǎng)比特型，用來(lái)存儲(chǔ)大容量數(shù)據(jù)

public void testMethod(num a){//方法定義，目前暫不實(shí)現(xiàn)

a++;

this.a = a;

}

};//一定要加;號(hào)，否則不能結(jié)束

alter：更新類。語(yǔ)法如下：alter 類名.字段名或者方法名 =

{//字段或者方法的新式描述，如果沒(méi)有任何信息，則表示刪除該字段或者方法};舉例如下：

alter Test.a {

public num a;//如果不是命名為a，而是b，則將刪除a字段，新建b字段。

}//該語(yǔ)句將把字段a的訪問(wèn)權(quán)限從私有變?yōu)楣?。下面是更新方法?/p>

alter Test. testMethod {

public void testMethod(num a){//方法更新，目前暫不實(shí)現(xiàn)

a++;

this.a = a--;

}

};

drop:刪除類。此關(guān)鍵字只有一個(gè)語(yǔ)法，即：

drop 類名;如：

drop Test;//即表示刪除Test類。

(5)數(shù)據(jù)控制

使用

try{

//行為

}catch(){

}

的語(yǔ)法形式，用來(lái)控制事務(wù)。在try塊中的行為必須全部執(zhí)行成功數(shù)據(jù)庫(kù)才會(huì)更改，相當(dāng)于事務(wù)提交。如果發(fā)生異常(即不能全部執(zhí)行成功)，則事務(wù)回滾。同時(shí)還要執(zhí)行catch塊中的信息。一般說(shuō)來(lái)，catch塊中留空則只回滾事務(wù)。

由于應(yīng)用的日趨復(fù)雜和智能化，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)可以作為適應(yīng)這種形勢(shì)的一種解決方案，有可能成為今后數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展的方向。本人由于時(shí)間和精力有限，無(wú)法完成一個(gè)完整的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，所做的僅僅是數(shù)據(jù)庫(kù)底層實(shí)現(xiàn)和編譯器的部分實(shí)現(xiàn)。我國(guó)目前在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)方面嚴(yán)重依賴于他國(guó)，缺少自己成功的作品，需要志同道合者能夠相互協(xié)作，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)完整的、功能強(qiáng)大的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]Dittrich K(Editor).Advances in Object-Oriented Database Systems.Lecture Nodes in Computer Science 334,Springer-Verlag,1988.

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