（计算机应用技术专业论文）嵌入式数据库存储管理软件模型研究.pdf

。flk 譬玉摹珞i ， ，。一 i 矗 a n a n ji n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y r e s e a r c ho ne m b e d d e dd a t a b a s es t o r a g e m a n a g e m e n t s o f t w a r em o d e l a t h e s i si n c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y l ul i n g a d v i s e d b y a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a nl i n r u i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g d e c e m b e r , 2 0 0 9 。t 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明 引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印 件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：! 窒缝 日期：兰! ! ! ：墨：壁 卜 囊 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文以嵌入式数据库( e d b ) 的研究开发为背景，研究e d b 存储管理软件模型。借鉴层次 体系结构的设计思想，对e d b 和存储管理器进行功能划分，提出了e d b 和存储管理器的功能 层次模型。然后，引入面向对象方法，借助统一建模语言，对存储管理器进行分析和设计。提 出一种基于池分配模式的内存数据库( m m d b ) 组织管理方法，并用设计模式对其进行优化。 此外，运用业务流程执行语言( b p e l ) 描述活动模型，借助a c m e 语义模板对软件构架进行 形式化描述。具体内容如下。 首先，借鉴层次体系结构的设计理念，提出了e d b 的总体层次结构和存储管理器的功能层 次模型，阐述其设计思想。对比传统数据库系统，深入分析存储管理器的系统模型，并探讨了 存储管理器的交互机制及其关键技术。 其次，重点分析了存储管理器两个重要部件：系统内存管理单元和内存数据库组织单元的 结构设计。根据e d b 存储管理模型理论，提出系统内存分区结构，阐述其设计思想。建立了系 统内存管理单元的领域模型，运用面向对象的模型分析法，分割功能模块，从面向对象建模的 专业角度给出系统内存管理单元的用例模型和活动模型。借助b p e l 描述活动模型。针对e d b 的特点，提出了一种基于池分配模式的内存数据库组织结构和管理方法，阐述了其设计思想。 详细分析了内存数据库的物理结构和数据组织，提出了一种文件一页表的数据组织方法。对内 存数据库管理进行领域建模。 再次，在建立用例模型和活动模型来说明存储管理器相关功能需求的基础上，建立初始类 模型、细化类模型、精化类模型来描述对象的结构关系，并使用交互模型和状态模型来描述对 象的行为。在具体建模过程中，借助设计模式对初始类模型进行优化，完成精化类模型的设计。 最后，从软件构架的角度出发，提出了存储管理器的软件构架，并用a c m e 对典型构件进 行形式化描述。给出了系统典型应用实现。 文章中所分析与讨论的各种模型和结论在e d b 软件开发中得到了应用，具有一定的理论意 义和实用价值。 关键词；存储管理器，内存数据库，池分配模式，文件一页表结构，b p e l 表示，a c m e 表示 嵌入式数据库存储管理软件模型研究 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，r e s e a r c ha n dd e v e l o pas t o r a g em a n a g e m e n ts o f t w a r em o d e la tt h eb a c k g r o u n do f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ne m b e d d e dd a t a b a s e ( e d b ) t h e s i sr e f e r e n c ea r c h i t e c t u r e - l e v e ld e s i g n i d e a ，d e v i c ee d ba n dt h es t o r a g em a n a g e m e n to nf u n c t i o n a ld i v i s i o n , p r o p o s ee d ba n ds t o r a g e m a n a g e rf e a t u r eh i e r a r c h i c a lm o d e l t h e n ，i n t r o d u c et h eo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d ，u s i n gt h eu n i f i e d m o d e l i n gl a n g u a g e ，a n a l y z ea n dd e s i g nt h es t o r a g em a n a g e r p o o la l l o c a t i o nm o d e li sp r o p o s e db a s e d o nm a i n - m e m o r yd a t a b a s e ( m m d b ) o r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n tm e t h o d s ，a n du s ed e s i g np a t t e r n s t oo p t i m i z ei t i na d d i t i o n ，u s eb u s i n e s sp r o c e s se x e c u t i o nl a n g u a g e ( b p e l ) t od e s c r i b et h ea c t i v i t y m o d e l ，w i t ht h eh e l po fa c m es e m a n t i ct e m p l a t ef o r m a l l yd e s c r i b et h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r e d e t a i l s a r ea sf o l l o w s f i r s t ，t h er e f e r e n c e - l e v e la r c h i t e c t u r ed e s i g nc o n c e p t sp u tf o r w a r dt h eo v e r a l le d bf u n c t i o na n d s t o r a g em a n a g e rf u n c t i o nm o d e l a n dd e s c r i b ei t sd e s i g n c o m p a r e d 、析t l lt h et r a d i t i o n a ld a t a b a s e s y s t e m ，a n a l y z et h es t o r a g em a n a g e m e n td e v i c es y s t e mm o d e l d i s c u s st h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo f s t o r a g em a n a g e ra n di t sk e yt e c h n o l o g i 髓 s e c o n d , f o c u so na n a l y z i n gt w oi m p o r t a n tc o m p o n e n t so fs t o r a g em a n a g e r ：t h es y s t e mm e m o r y m a n a g e m e n tu n i ta n dt h em e m o r yu n i td a t a b a s eo r g a n i z a t i o ns t r u c t u r ed e s i g n a c c o r d i n gt oe d b s t o r a g em a n a g e m e n tm o d e lt h e o r y , e x p l a i n st h ed e s i g n e s t a b l i s h e das y s t e mm e m o r ym a n a g e m e n t u n i td o m a i nm o d e l ，u s i n go b j e c t - o r i e n t e dm o d e lt oa n a l y z es e p a r a t ef u n c t i o n a lm o d u l e s ，g i v eu s ec a s e m o d e la n da c t i v i t ym o d e l d e s c r i b et h ea c t i v i t ym o d e l 、衍t hb p e l p r o p o s e da na l l o c a t i o nm o d e l b a s e do np o o l - m e m o r yd a t a b a s es t r u c t u r ea n dm a n a g e m e n tm e t h o d s ，d e s c r i b e di t sd e s i g n t h i r d , b a s e do nt h ee s t a b l i s h m e n to fu s e 吒a s em o d e la n da c t i v i t ym o d e lo r e a t et h ei n i t i a lc l a s s m o d e la n dr e f i n e dc l a s sm o d e l t h e nu s et h ei n t e r a c t i v em o d e la n ds t a t em o d e lt od e s c r i b et h eo b j e c t b e h a v i o r i ns p e c i f i cm o d e l i n gp r o c e s s ，u s i n gd e s i g np a t t e r n st oo p t i m i z et h ei n i t i a lc l a s sm o d e l c o m p l e t et h er e f i n e dc l a s sm o d e ld e s i g n f i n a l l y , f r o mt h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ep o i n to fv i e w , p u tf o r w a r dt h es t o r a g em a n a g e rs o f t w a r e a r c h i t e c t u r e ，a n du s ea c m et od e s c r i b ei t t h e ng i v et h et y p i c a la p p l i c a t i o n si m p l e m e n t s t h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no fv a r i o u sm o d e l sa n dc o n c l u s i o n si nt h et h e s i sh a sb e e na p p l i e dt o s o f l w a r ed e v e l o p m e n t , a n di th a sac e r t a i nt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ： s t o r a g em a n a g e r , m a i nm e m o r yd a t a b a s e , m e m o r yp o o ld i s t r i b u t i o n ，d o c m n e n t - p a g e t a b l es t r u c t u r e ，b p e lr e p r e s e n t a t i o n , a c m er e p r e 翻m t a t i o n n 囊 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 研究领域的应用与发展概况1 1 2 课题研究意义和研究内容3 1 2 1 研究意义3 1 2 2 研究内容与方法4 1 3 课题研究的主要工作5 第二章e d b 存储管理器的总体结构6 2 1e d b 总体功能的层次体系结构6 2 2 存储管理器系统模型7 2 2 1 系统组成7 2 2 2 系统存储空间模型8 2 2 3 系统体系结构支持1 0 2 3 存储管理器的交互机制1l 2 4 研究领域的关键问题。1 2 2 5 本章小结l3 第三章e d b 系统内存管理单元的功能模型1 5 3 1 嵌入式系统的内存管理特性1 5 3 2 系统内存的分区结构1 6 3 3 系统内存管理领域模型1 7 3 3 1 系统内存管理单元用例模型1 7 3 3 2 系统内存管理单元活动模型。1 9 3 3 3 活动模型的b p e l 描述2 0 3 4 本章小结2 3 第四章基于池分配模式的内存数据库组织结构2 5 4 1 内存数据库定义2 5 4 2 池分配模式特性2 5 4 3 内存数据库的物理结构2 6 4 3 1 内存池的构成2 6 4 3 2 池分配模式结构2 7 嵌入式数据库存储管理软件模型研究 4 3 3 内存文件系统2 8 4 3 4 内存页结构2 9 4 4 内存数据库的数据组织2 9 4 4 1 文件一页表设计2 9 4 4 2 元组存储结构设计3l 4 5 内存数据库管理领域模型3 l 4 5 1 内存数据库管理用例模型3l 4 5 2 内存数据库管理活动模型3 2 4 5 3 活动模型的b p e l 描述3 2 4 6 本章小结3 5 第五章e d b 存储管理器的对象体系结构设计3 6 5 1 对象结构模型设计3 6 5 1 1 初始类模型3 6 5 1 2 细化类模型3 9 5 1 3 精化类模型4 0 5 2 对象行为模型设计4 l 5 2 1 对象交互模型4 2 5 2 2 对象状态模型。4 5 5 3 本章小结5 0 第六章e d b 存储管理器的典型应用实现5 l 6 1 开发环境配置5 l 6 1 1t o r n a d o 开发环境介绍5 l 6 1 - 2t o r n a d o 开发环境配置5 l 6 2 存储管理器构架实现5 3 6 2 1 存储管理器构件图5 4 6 2 2 存储管理器a c m e 描述。5 5 6 3e d b 系统内存分区分配实现5 8 6 4 本章小结6 2 第七章总结与展望6 3 参考文献6 5 1 改谢6 9 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 0 r 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图2 1e d b 层次结构6 图2 2 存储管理器层次结构图8 图2 3e m m d b 存储空间模型。9 图3 1e d b 系统内存组织结构1 7 图3 2 系统内存管理用例图1 8 图3 3 系统内存控制器活动图2 l 图4 1 内存池构成2 7 图4 2 池分配模式2 8 图4 3 内存文件的组织结构2 8 图4 4 文件一页式数据组织结构3 0 图4 5 元组存储结构3l 图4 6 内存数据库管理用例图3 l 图4 7 系统内存池化器活动图：3 3 图5 1e d b 存储管理初始类模型3 7 图5 2 池分配模式结构4 l 图5 3 系统内存管理顺序图。4 3 图5 4 内存数据库管理顺序图4 5 图5 5 系统内存管理状态图4 7 图5 6 内存数据库管理状态图4 9 图6 1t o r n a d o 开发环境5 2 图6 2e d b 存储管理系统构件图5 5 表5 1 对象属性表3 9 表5 2 对象操作表4 0 v 嵌入式数据库存储管理软件模型研究 注释表 le d be m b e d d e dd a t a b a s e 2m m d bm a i nm e m o r yd a t a b a s e 3m d b m e m o r yd a t a b a s e 4s d b s e c o n d a r yd a t a b a s e 5r d br e l a t i o n a ld a t a b a s e 6u m lu n i f o r mm o d e l i n gl a n g u a g e 7a p i a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e 8 s q l s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e 9d b m sd a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m 1 0 d b s d a t a b a s es y s t e m l lr d m sr e l a t i o n a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m 1 2m m 【u m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t 1 3u p su n i v e r s a lp o w e rs u p p l y 1 4p r o m p r o g r a m m a b l er e a do n l ym e m o r y 擘、 南京航空航天大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究领域的应用与发展概况 数据库技术是近代计算机科学技术的核心技术，是发展最快的领域之一，也是应用最广泛 的技术之一。数据库技术从上世纪6 0 年代发展到现在虽然仅仅4 0 多年的历史，但已经历了三 代的演变。为了适应数据库应用多元化的要求，结合各个应用领域的特点，人们广泛研究了适 合特定领域的数据库技术。 在数据库发展过程中出现了许多非传统的数据库应用。例如，生产过程控制、电力、数据 网管理、空中交通管制、办公室工作流程控制、紧急情况的分析和估计、协同处理和证券交易 等等。这些嵌入式环境下的现代应用除了具有传统事务型应h j 的特征外，还具有实时的要求和 特征。即一方面需要维护大量共享数据和控制知识：另一方面其应用活动具有很强的时间性， 要求在一定的时刻或在一定的时间区段内自外部环境采集数据，按彼此间的联系存取已获得的 数据和处理采集的数据，并及时做出响应。另外，它们所处理的数据往往是“短暂”的，即只是 在一定的时间范围内有效，过时则对当前的决策或推导无意义。所以，这种应片 同时需要数据 库技术和实时数据处理技术的支持。但传统的数据库系统旨在处理永久性数据，其设计与开发 主要强调维护数据的完整性、一致性，提高系统的吞吐量和降低系统代价，根本不考虑与数据 及其处理相关联的定时限制，因而传统的商务和管理事务型数据库系统( d b s ) 不能满足这种 实时应用的需求。传统的实时系统虽然支持数据及其处理的定时限制，但它们是典型地针对具 有简单结构与联系和可预报数据要求的任务的，不涉及维护共享数据的完整性、一致性【1 扪。 e d b 已经发展了多年，涉及医疗领域、军事设备和系统、地理信息系统、工业控制、网络 通讯、空间探索、消费类电子产品等众多领域。在不久的将来e d b 必将广泛地被应用。 e d b 的特点主要有以下几点【6 】。 ( 1 ) 微小内核，占用磁盘空间小，占用系统资源少。 ( 2 ) 具有可靠性，可管理性和安全性。 ( 3 ) 具有互操作性和可移植性。 ( 4 ) 具有专用性，与专用应用软件相结合。 ( 5 ) 具有实时性。 目前，国内外市场上有很多种嵌入式数据库系统( e d b s ) ，而每种数据库系统在技术与性 能上都有不同的侧重点。下面是一些现在比较流行的e d b ，通过分析比较它们的特点，可以了 解到e d b 的发展趋势。 嵌入式数据库存储管理软件模型研究 ( 1 ) b e r k e l e y d b b e r k e l e yd b 是一个高性能的，嵌入数据库编程库，和c 语言，c _ h ，j a v a ，p e r l ，p y t h o n ， p h p ，t c l 以及其他很多语言都有绑定。b e r k e l e yd b 采用的数据模型既不属于关系型，也不属 于面向对象型。它采用k e y d a t a ( 关键值数据) 来区分数据库中的数据。k e y d a t a 对是b e r k e l e y d b 的基本组成成分，通过该关键词可找到想要操作的数据。b e r k e l e yd b 可以保存任意类型的 键值对，而且可以为一个键保存多个数据。b e r k e l e yd b 可以支持数千的并发线程同时操作数 据库，支持最大2 5 6 t b 的数据，广泛用于各种操作系统包括大多数u n i x 类操作系统和w i n d o w s 操作系统以及实时操作系统。它为应用程序提供可伸缩的、高性能的、有事务保护功能的数据 管理服务。b e r k e l e yd b 为数据的存取和管理提供了一组简洁的函数调用a p i 接口。 ( 2 ) s q l i t e s q l i t e 是一款轻型的数据库，是遵守a c i d 的关联式数据库管理系统。它的设计目标是嵌 入式的，并且目前已经在很多嵌入式产品中使用了它。它占用资源非常的低，在嵌入式设备中， 可能只需要儿卣k 的内存就够了。它能够支持w i n d o w s l i n u x u n i x 等主流的操作系统，也可与 很多程序语言相结合，比如t c l 、p h p 、j a v a 等。还有o d b c 接口，与m y s q l 、p o s t g r e s q l 这 两款开源世界著名的数据库管理系统相比，它的处理速度比他们都快。 s q l i t e 是一个简单易用完全开放源码的e d b 管理系统。它具有以下特性：支持a c i d 事务；零配置，无需安装和管理配置；存储在单一磁盘文件中；数据库文件可在不同机器间自 由共享；内核精小；数据操作速度快；提供对事务功能和并发处理的支持：独立，没有额外依 赖。 ( 3 ) o p e n b a s em “ 嵌入式数据库系统o i a c n b a s em i n i 最初设计时定位在易学、易用、安全、标准的前提上。 它可以在医疗、保险、零售、金融、电信、军事领域中得到广泛的应用。 o p e n b a s em i n i 具有微小内核结构，最小的应用系统可以达到5 0 k 左右；提供了对标准 s q l 的支持：具有事务处理功能；具有完善的数据同步机制，支持主动同步，支持与异构数据 源的同步，实现了冲突检测并提供了多种冲突解决方案；具有强大的系统管理工具，方便实现 系统的建立和管理：提供了多种灵活的编程接口，方便嵌入式应用的开发；支持多种嵌入式操 作系统，目前系统可以支持w i n d o 粥c e 和p a l mo s 两种主流的嵌入式操作系统。 o p e a b a s em i n i 系统主要包括两个部分，其中o p e n b a s em i n is e r v e r 主要运行在w i n d o w s n t 服务器上：而o p e n b a s em i n is a t e l l i t e 则可以在w i n d o w sc e ( 包括运行在手持设备和掌上 设备上的两种系统) 、p a l mo s 等主流嵌入式操作平台上运行。o p e n b a s em i n i 支持t c p 仰网 络通信协议、串行连接等多种连接方式。o p e n b a s em i n i 为开发者提供了三种不同的嵌入式应 用开发接口：c 语言例行程序接口、模块s q l 接口和嵌入式s q l 接口 2 、时效等 特性。传统数据库基于磁盘的特性导致其不能作为嵌入式的应用，而内存数据库冈其高速存取 等特性，自然作为对这些特性的底层支持。 8 0 年代以来，人们在嵌入式内存数据库的体系结构、数据组织、存取方法、查询与事务处 理、并发控制以及恢复技术等方面进行了大量的探讨与研究，取得了丰富的成果。在体系结构 方面，为了支持内存数据库的恢复，从系统的硬件和软件支持上下手，开发出了多种结构。例 如使用多处理机结构，以“后援”处理机专用于有关恢复方面的处理；以专用的n v r a m 做活动 日志、工作区等【7 1 。 1 2 课题研究意义和研究内容 1 2 1 研究意义 多年来，针对e d b 的特点，对数据库一般采用人内存的方法来保证实时性和高效性，并使 用大缓冲池来保证事务所需数据都在内存。这种方法实际上与传统的磁盘数据库没有本质的区 别，数据仍常驻磁盘，需要时取到内存；数据库“主版本”或“工作版本”仍是磁盘版本；算法设 计的主要目标仍然是减少磁盘i o 量，只不过是缓冲区设置得很大而已。这不能算嵌入式内存 数据库，不能给嵌入式系统带来实质性能的提升。如何设计e d b 的数据存储结构，组织内存数 据库的数据，使其能满足特定领域的嵌入式应用需求，并符合e d b 实时性、高效性、稳定性的 特点，已经成为现阶段e d b 研究的热点问题。 本文设计的e d b 是一种常驻内存的数据库，即数据库的内存版本是“主版本”，内存成为数 据库的主要存储介质，而磁盘只是后援，外存的阴) 不再是系统的“瓶颈”。这样，“时空”矛盾 反转，数据的存储结构和存取方法、查询处理、并发控制和恢复等的算法都和传统数据库有很 大的区别，以c p u 和内存的高效使用而不是磁盘i o 为研究目标，相关的策略与技术都不一样， 从某种意义上来说这才是真正的嵌入式内存数据库，最能体现嵌入式系统的特点。因此，它的 研究意义不言而喻1 8 】。 本课题的研究意义总结如下。 ( 1 ) 选题内容较新。e d b 是一项新的专用数据库系统，也是近几年的研究热点。目前， 还处于研究发展阶段，关于它的论文资料和软件产品均不多，也没有传统数据库体系那么完善。 ( 2 ) 作为e d b 底层基础的存储管理器是e d b 的特征技术和基础，最能体现嵌入式软件的 特点，对e d b 的效率起着重要作用，对其软件模型的研究有很大的意义和价值。 ( 3 ) 传统嵌入式软件一般采用过程化、结构化的设计思想，开发周期长，难于适应环境变 化，这不符合当代软件开发的发展趋势。本文将面向对象面向构件的软件开发方法论引入e d b 的研究开发，并借助软件模型理论和优化方法进行建模和优化，实现软件复用，简化程序设计， 3 嵌入式数据库存储管理软件模型研究 系统更易于维护。 ( 4 ) 由于嵌入式系统资源受限，使用开发语言如c h 、j a v a 在嵌入式设备上直接进行开 发比较困难。本文建立了一种交叉编译环境，在这种开发环境下有宿主机和目标机的角色之分。 经研究这种开发模式运用在嵌入式软件上是高效的，可行的。 综合以上四方面的观点，本课题的研究具有较深的理论意义与较高的实用价值。 1 2 2 研究内容与方法 本课题来源于某飞机显控系统对e d b 应用需求的预研项目。本文主要研究该e d b 存储管 理模块的设计与实现。 本文提出了一种e d b 存储管理软件的体系结构，研究了其系统组成，并且在对比传统数据 库的基础上进行结构优化，使之更能符合嵌入式系统软件实时性、高效性、稳定性的要求。然 后采用面向对象的软件开发方法学进行设计开发，把模型理论具体化、软件化。论文首先根据 e d b 的特点提出了一种e d b 的整体层次结构；然后详细分析了存储管理模块，并提出存储管 理器的层次结构；接着对存储管理器的系统内存分配管理和内存数据库数据组织管理这两大重 要功能模块进行了深入分析与探讨，提出了一种池分配的模式来组织管理内存数据库，并通过 u m l 建模方法对模型进行了分析和设计，通过b p e l 语言描述活动模型：此外，还设计了一种 文件一页表的结构米组织内存数据库中的数据；最后借助a c m e 语义模板对其进行描述。论文 分为七章，具体章节内容如下。 第一章：绪论。系统阐述e d b 领域中与本文相关的研究内容发展概况，说明本课题的研究 背景和研究目标，以及论文研究的主要内容和章节安排。 第二章：e d b 存储管理器的总体结构。提出了e d b 的总体层次结构和存储管理器的层次 结构，从存储空间的角度提出e d b 存储空间模型，阐述了存储管理器与其他部件的联系。对比 传统数据库系统的技术特点，探讨了本领域开发过程中将涉及到的关键问题。 第三章：e d b 系统内存管理单元功能模型。根据e d b 存储管理模型理论，提出系统内存 分区结构，阐述其设计思想。建立了系统内存管理单元的领域模型，运用面向对象的模型分析 法，分割功能模块，从面向对象建模的专业角度给出系统内存管理单元的用例模型和活动模型。 最后借助b p e l 描述活动模型。 第四章：基于池分配模式的内存数据库组织结构。对比传统数据库的特点，给出内存数据 库的定义。提出了一种基于池分配模式的内存数据库组织结构和管理方法，阐述了其设计思想。 详细分析了内存数据库的物理结构和数据组织，提出了一种文件一页表的数据组织方法。建立 了内存数据库管理的领域模型，给出了内存数据库管理的用例模型和活动模型。最后借助b p e l 描述活动模型。 4 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 第五章：e d b 存储管理器的对象体系结构设计。使用u m l 统一建模语言，在建立用例模 型和活动模型来说明的系统内存管理单元和内存数据库管理功能需求的基础上，给出其对象体 系结构模型，建立初始类模型、细化类模型、精化类模型来描述对象的结构关系，并使用交互 模型和状态模型来描述对象的行为。在具体建模过程中，借助设计模式对初始类模型进行优化， 完成精化类模型的设计。 第六章：e d b 存储管理器的典型应用实现。从开发环境的建立与配置、系统构件图、a c m e 模板描述出发，展现e d b 存储管理器的实现过程，并给出典型模块实现。 第七章：总结与展望。阐述本研究工作带来的学术价值和应用价值，总结工作收效与创新 之处，并对未来可能的应用与发展提出了新的研究方向。 1 3 课题研究的主要工作 本课题研究从开题、资料的收集与学习、功能需求分析、模型研究与设计、软件系统实现， 到总结撰写论文，历时一年多。 在这一年多的时问里，课题研究涉及大量的专业二伟籍与论文资料。首先，从e d b 领域知识 的学习开始，通过与传统数据库系统的对比分析，找出其特点，加深自己对e d b 领域的理解。 主要针对e d b 中的存储管理模块进行深入学习，从数据库整体构架到存储管理器的结构模型， 层层分析。通过前期的资料收集和深入学习，清晰地理解和掌握了系统的需求和工作流程。其 次，通过阅读面向对象软件设计方法、软件体系结构、设计模式等方面的书，深刻体会到软件 构架设计的博大精深，及时进行了学习总结，加深了理解，从而为e d b 存储管理软件模型的分 析设计打下了坚实的基础。结合i n 咀可视化和a c m e 形式化等描述方法，不断地进行实践、 总结，从而提高了自身的能力。在软件的实现阶段，阅读了大量的c h 、t o m a d o 平台技术资 料，将理论知识运用于实践应用中，并通过项目实践再次加深了对该理论的理解。在以上学习 与工作的基础上，最终完成了毕业论文。 5 嵌入式数据库存储管理软件模型研究 第二章e d b 存储管理器的总体结构 e d b 是指可在嵌入式设备中独立运行的一种数据库系统，用来处理大量实效性强且有严格 时序的数据。它以高可靠性、高实时性和高信息吞吐量为目标，其体系结构和特性都与传统数 据库系统有很大的区别，尤其是e d b 底层数据存储模块更能体现嵌入式软件的特点。 2 1e d b 总体功能的层次体系结构 传统数据库的体系结构显然不能满足嵌入式系统的需求。针对这些特定的需求【9 14 】，提出 了一种四层结构的e d b 层次体系结构，如图2 1 所示。该结构由应用请求生成器、任务执行器、 事务管理器、文件管理器、日志管理器和存储管理器等六部分组成。下面分别阐述了各部件的 主要功能。 请求处理器 任务执行器 事务管理器状态监控器 文件管理器 存储管理器 图2 1e d b 层次结构 ( 1 ) 请求处理器。请求处理器主要对用户的a p i 输入进行有限处理，将需要处理的用户 输入转化为数据库内部可处理的数据结构。用户或应用程序是通过请求处理器来使用e d b 提供 的a p i 调用请求数据库的操作处理。请求处理器首先根据用户输入的请求的类型进行类型映射， 将不同的访问数据库方式抽象为统一的访问方式，将不周的请求类型经过接口抽象处理器的处 理类化为对同一类型的操作，从而可以用同样的方式调用相同的接口函数来完成数据库操作。 ( 2 ) 任务执行器。任务执行器是该e d b 系统的总控模块。任务执行器根据请求处理器提 供的操作信息将数据库操作引导到相应的处理模块，同时可进行安全性控制和存取权限控制， 并且最终生成任务执行表提供给事务管理器。它还将对数据库操作的结果集进行管理和调配， 对输出缓冲区进行管理等等。 ( 3 ) 事务管理器。事务管理器接收任务执行器提供的任务执行表，完成事务管理功能。即 对输入的事务进行分派优先级、调度和并发控制的操作，以保证事务的时间性约束，形成执行 事务队列输出给存储管理器。 ( 4 ) 状态监控器。状态监控器对用户选择的监控对象，实施状态监控和系统维护的工作。 状态监控器对接收到的监控对象的状态数据进行特征值提取整合、状态特性分析、统计等操作， 6 t f 南京航空航天大学硕士学位论文 向用户输出分析数据和统计结果并实现容错恢复等功能。 ( 5 ) 文件管理器。文件管理器对各种数据库文件的组织和访问路径进行管理，包括对数据 库中记录文件、索引文件、日志文件等组织和管理。同时，文件管理器还实现了数据库中文件 的存取、共享和保护等功能。 ( 6 ) 存储管理器。存储管理器主要组织管理数据在内外存中的存储，处理的对象是共享内 存区、缓冲区和外存。主要完成共享内存区的组织与分配、内外存交换、外存的数据管理等功 能，为上层提供数据物理存储的支持。 2 2 存储管理器系统模型 嵌入式数据库系统和通常的常驻磁盘数据库系统的主要区别是存储管理器的区别。在磁盘 数据库系统中，数据常驻磁盘，磁盘拷贝的数据需按一定的数据交换策略被调到内存缓冲区后 才能被存取。而在嵌入式数据库系统中，数据库的内存版本为主拷贝。是系统的“工作版本”， 其中的数据可被事务直接存取，磁盘拷贝主要用于恢复和转存。虽然在两种系统中，对于一个 给定的数据对象，都可能存在内存和磁盘两个拷贝，但两者的性质和作用、结构与存取方法都 有根本的不同。在嵌入式数据库系统中，事务的“工作数据”在内存，而它是针对数据库系统的 内存拷贝工作的，在其执行过程中没有内外存的i o 。这样就消除了事务处理的f o 问题，从而 也极大地提高了系统的性能和吞吐量。 2 2 1 系统组成 基于内存的数据库系统是实时系统和数据库系统的有机结合。实时事务要求系统能较准确 地预报事务的运行时间，但对磁盘数据库而言，由于磁盘存取、内外存的数据传递、缓冲区管 理、排队等待及锁