嵌入式Java運行平臺數(shù)據(jù)庫引擎的應(yīng)用研究

摘要：介紹某嵌入式Java運行平臺的總體框架;在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論為該平臺開發(fā)的數(shù)據(jù)庫(DB)引擎組件的框架和結(jié)構(gòu)組成，描述該組件實現(xiàn)的SQL子集和數(shù)據(jù)表達(dá)方式以及邏輯算法的設(shè)計思路;提出該組件今后的改進(jìn)設(shè)想。 關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)庫引擎 Java 嵌入式系統(tǒng) 引言 隨著嵌入式系統(tǒng)CPU硬件從8位到32位的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境也得到迅猛的發(fā)展，編程語言從10多年以前的匯編為主流發(fā)展到現(xiàn)在C、C++、 Java為主流。另外，面向?qū)ο笤O(shè)計技術(shù)、組件技術(shù)等在嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計中的應(yīng)用也日益引起人們的重視。 在嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)領(lǐng)域，Java是一門較新的異軍突起的編程語言。其優(yōu)點是語言本身簡潔優(yōu)美，完全按照面向?qū)ο笏枷朐O(shè)計，并且語言引入許多較為先進(jìn)的特性，如多線程、自動內(nèi)存管理和垃圾回收，非常適合于大規(guī)模復(fù)雜軟件系統(tǒng)的開發(fā)。其不足點是與硬件結(jié)合不夠緊密，同時代碼運行速度較慢。此外，對于內(nèi)存的使用，程序難于管理和控制。 由于采用Java編程具有如上所述的眾多優(yōu)點，越來越多的嵌入式系統(tǒng)采用Java技術(shù)來構(gòu)造軟件系統(tǒng)。本文在介紹基于日本某自動售貨機(jī)產(chǎn)品的控制板的 Java運行平臺基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論筆者為其平臺開發(fā)的DB引擎的組成和設(shè)計思路。

1 Java運行環(huán)境平臺 圖1所示為Java運行環(huán)境的總體框架示意圖。本系統(tǒng)為克服Java的解釋執(zhí)行機(jī)制所引起的執(zhí)行速度慢的問題，在硬件上采用了Sun公司開發(fā)的Pico Java芯片。它能夠直接執(zhí)行Java的二進(jìn)制代碼，使Java的執(zhí)行速度提高一個數(shù)量級以上。在硬件層的上面是OS層，本系統(tǒng)采用的是ITRON(日本東京大學(xué)坂村鍵教授設(shè)計的一種嵌入式操作系統(tǒng)，雖然在日本以外的市場影響不大，但在日本本地市場，占有率達(dá)90%以上)。由于ITRON規(guī)格制定得比較早，并且為兼顧低端嵌入式應(yīng)用的場合，ITRON總體上功能比較簡單，并未把諸如TCP/IP、文件系統(tǒng)等內(nèi)容包含在其里面，因此與嵌入式Linux等不一樣的是，TCP/IP、文件系統(tǒng)是以獨立的組件形式存在的。在OS層的上面是JVM層。與其它一般Java虛擬機(jī)不同的是，本系統(tǒng)的Java執(zhí)行代碼不需要由JVM解釋執(zhí)行，而是由CPU硬件直接執(zhí)行。在JVM的上層是自動售貨機(jī)的基礎(chǔ)平臺類庫和公共組件層。本文介紹的DB引擎組件正是處于這一層。該層的上面是應(yīng)用程序?qū)?，用于實現(xiàn)自動售貨機(jī)的各種控制、管理機(jī)能。 2 嵌入式系統(tǒng)DB引擎 2.1 DB引擎組件的引入 眾所周知，在臺式機(jī)領(lǐng)域，DB是一個十分關(guān)鍵的基礎(chǔ)軟件。以往嵌入式系統(tǒng)的軟件可能更側(cè)重于與硬件的交互與控制，但隨著對嵌入式系統(tǒng)功能需求的日益復(fù)雜化，嵌入式系統(tǒng)軟件中，信息、數(shù)據(jù)的保存與管理的比重也日益增加。在這樣的背景下，嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)中，通過引入DB組件，對實現(xiàn)軟件整體框架結(jié)構(gòu)的組件化與簡單化，有著十分明顯而重要的意義。 2.2 DB引擎組件的總體框架 如圖2所示，將整個DB組件設(shè)計為3層結(jié)構(gòu)，分別為JDBC接口層、SQL解釋層和動作執(zhí)行層。這3層之間呈單向依賴關(guān)系。也就是說，SQL解釋層依賴于動作執(zhí)行層，但動作執(zhí)行層不依賴于其上面的兩層，可以單獨存在而直接被使用。如果用戶以使用方便為主要目的，可采用完全配置方式，應(yīng)用程序通過JDBC接口層存取數(shù)據(jù)。反之，如果用戶對空間和效率要求較高，可僅配置動作執(zhí)行層組件，應(yīng)用程序直接調(diào)用動作執(zhí)行層的API進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢過和更新等操作。 (1)JDBC接口層 如前文所述是可選組件，旨在為應(yīng)用程序提供一個標(biāo)準(zhǔn)的DB調(diào)用接口。 (2)SQL解釋層 本DB組件實現(xiàn)的SQL解釋層，只實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)SQL的一個小子集，主要完成select、delete、insert、update、create table、drop table等功能。其中數(shù)據(jù)操作語句(select、delete、insert、update)的解釋要點之一是where條件子句的解釋執(zhí)行，類似于數(shù)學(xué)表達(dá)式求值算法。本文采用簡單直觀的“算符優(yōu)先法”。該算法使用兩個工作棧，一個稱作OPTR棧，用以寄存運算符;另一個稱作OPND棧，用以寄存操作數(shù)或運算結(jié)果。算法的基本思想是： ①首先置操作數(shù)棧為空，表達(dá)式起始符“#”為運算棧的棧底元素;

②依此讀入表達(dá)式中每個Token。若是操作數(shù)，則進(jìn)OPND棧adk是運算符，則和OPTR棧的棧頂運算符比較優(yōu)先權(quán)后作相應(yīng)操作，直至整個表達(dá)式求值完畢(即OPTR棧的棧頂元素和當(dāng)前讀入的Token均為“#”。 本文實現(xiàn)的SQL子集描述如下： 預(yù)定義 :=<日期> := :=[,[,[…]]] :=[,[…] ]] := =│==│!=│<>│>│>=│<│<= :=[,[,[…]]] <統(tǒng)計函數(shù)名>：=MIN│MAX│COUNT│SUM <統(tǒng)計函數(shù)>：=<統(tǒng)計函數(shù)>() <統(tǒng)計list>:=<統(tǒng)計函數(shù)>，[，<統(tǒng)計函數(shù)>[，<統(tǒng)計函數(shù)>[…]]] <數(shù)據(jù)類型>：=INT│UNMBER│CHAR│DATE ：=文遞歸定義式 ：=() ：=NOT ：=OR ：=AND SQL文定義式 ①SELECT*|FROM[WHERE][ORDER BY[ASC|DESC]] ②SELECT<統(tǒng)計list>FROM[WHERE] ③UPDATESET[WHERE] ④INSERT INTO[()]VALUES() ⑤DELETE FROM[WHERE] ⑥CREATE TABLE(<數(shù)據(jù)類型>[，<數(shù)據(jù)類型>[，<數(shù)據(jù)類型>[…]]]) ⑦DROP TABLE注：|表示多選個，<>表示某定義項目，[]表示可選項目，…代表循環(huán)省略表示。 (3)動作執(zhí)行層 動作執(zhí)行層是整個DB組件的核心和關(guān)鍵，因為所有的DB操作最終都由該層完成，同時用戶也可以跳過上面的兩層，直接調(diào)用該層的API，以實現(xiàn)相同的數(shù)據(jù)操作功能。下面介紹其主要設(shè)計要點和思路。 2.3 數(shù)據(jù)的表達(dá)與存儲 由于嵌入式系統(tǒng)的資源十分有限，不能引入復(fù)雜的算法和數(shù)據(jù)存儲格式，同時由于Java對二進(jìn)制數(shù)據(jù)的處理十分不便，本文最終采用CSV格式來保存表數(shù)據(jù)。其要點是： ①各字段數(shù)據(jù)之間采用「，」分開; ②如果字段數(shù)據(jù)本身包含有「，」，則將整個字段數(shù)據(jù)用引號「」括起來; ③如果字段數(shù)據(jù)本身包含有引號「”」，則將引號「”」改寫為兩個重疊的引號「””」，依次類推。其次，每個記錄占文本文件的個行，每一個數(shù)據(jù)表與一個物理數(shù)據(jù)文件一一對應(yīng)。 采用這種方式處理的優(yōu)點是： ①全部數(shù)據(jù)都是采用字符串保存，Java處理起來十分方便; ②對不定長字段的保存處理與定長字段處理統(tǒng)一，不需要額外的附加處理，而且存儲效率高; ③對多字節(jié)文字的處理程序不需要額外的編碼轉(zhuǎn)換處理，由JVM平臺本身的功能可以自動完成。 當(dāng)然，采用這種處理方式也存在其不足之處： ①由于在數(shù)據(jù)文件中，每條記錄的長度不定，數(shù)據(jù)即使局部更新，也必須重寫整個文件; ②由于同樣原因，單條記錄的檢索難于直接定位，而必須讀入整個數(shù)據(jù)文件。 為彌補(bǔ)由此產(chǎn)生的性能下降，本文采用數(shù)據(jù)Cache加以克服。也就是說，盡可能將數(shù)據(jù)緩存在內(nèi)存中，通過減少對物理文件的讀寫操作來提高數(shù)據(jù)的性能。 2.4 多線程數(shù)據(jù)存取的同步與互斥 在Java虛擬機(jī)環(huán)境下，沒有多進(jìn)程的概念，但對于多任務(wù)的處理提供了多線程的手段。本DB引擎組件是公共組件，供上層多個應(yīng)用程序組件共同使用。由于上層的每個應(yīng)用程序組件本身由一個或數(shù)個線程來執(zhí)行，因此，DB引擎組件必須考慮多個線程同時存取某個數(shù)據(jù)時可能引起的沖突問題。對于該問題的解決辦法，一般是采用DB鎖定的方法。關(guān)于DB鎖定，進(jìn)一步細(xì)分的話，可區(qū)分為讀鎖和寫鎖;根據(jù)鎖定粒度的粗細(xì)可分為按表鎖、按Page鎖、按記錄鎖等，不一而足。 為設(shè)計和實現(xiàn)的簡單起見，本DB引擎組件提供按表鎖定的方式，同時不區(qū)分讀寫鎖之間的區(qū)別。這樣，大大簡化了SQL語句的分析和處理過程，并且可以直接把鎖定操作與表的open操作相關(guān)聯(lián)，鎖解除與表的close操作相關(guān)聯(lián)。實現(xiàn)時，對應(yīng)表對象Table的每一個實例，設(shè)置一個field變量，用于保存鎖定狀態(tài)，再利用Java語言提供的synchronized手段同，可以較為方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)表的鎖定功能。代表示例如下： //表鎖定。為了避免死鎖，有超時判斷邏輯 synchronized void lock()throws DBError{ long t2,t1; t1=System.currentTimeMillis(); //由于可能出現(xiàn)在wait語句被喚醒而卻得不到表鎖的情況，為提高超時邏輯判斷精度，采用循環(huán) while(isLocked){ try{ wait(DBError.TIMEOUT/10); }catch(Exception e){e.printStackTrace();} //超時判斷 t2=System.currentTimeMillis(); if(t2-t1>DBError.TIMEOUT)break; } //發(fā)生超時退出循環(huán)情況，拋出例外 if(isLocked){ throw new DBError(DBError.TIMEOUT_ERR,name); } //設(shè)定鎖定標(biāo)志 isLocked=true; } //表打開操作 //參數(shù)ro只讀打開標(biāo)志 void open(Boolean ro)throws DBError{ lock(); readOnly=ro; //表數(shù)據(jù)讀入 load(); } //表關(guān)閉操作(同時釋放鎖) public synchronized void close() throws DBError{ if(isLocked==false)return; //關(guān)閉前，保存數(shù)據(jù) if(isDirty)save(); if(isUnload)unload(); //釋放鎖，通知其它等待線程 isLocked=false; notify(); } 圖3 DB引擎組件主要類的關(guān)系 2.5 DB組件實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖3所示為DB引擎組件的主要類之間的關(guān)系。其中，Database為數(shù)據(jù)庫類，用于描述和管理整個數(shù)據(jù)庫對象Table為數(shù)據(jù)表類，用于描述和管理表對象;TableData用于描述和管理保存表數(shù)據(jù)的物理介質(zhì)(文件);Field為字段類，用于描述和管理字段類型信息;Record為記錄類，描述一條數(shù)據(jù)記錄。為簡化處理，本組件將Database類設(shè)計為singleton模式，即本組件只能創(chuàng)建一個Database實例。這對于嵌入式系統(tǒng)來說，大部分場合已經(jīng)足夠。與數(shù)據(jù)庫的一般物理概念相對應(yīng)，1個Database實例包含n個Table實例，1個Table實例包含n個Field實例。同時，1個Table實例包含1個TableData實例，1個TableData實例包含n個Record實例。 Connection類用于管理用戶訪問數(shù)據(jù)庫的會話(Session)過程。對應(yīng)一個用戶的一次會話過程，生成一個Connection實例。 Connection類對象保存著當(dāng)前Session打開的Table列表，當(dāng)用戶提交執(zhí)行某SQL語句而需要鎖定某個Table時，系統(tǒng)首先檢查該表是否已經(jīng)在當(dāng)前Session已打開的Table列表中。如果已經(jīng)被打開，則不需要進(jìn)行重復(fù)的鎖定操作，直接反回對應(yīng)的Table對象實例。反之，如果尚未包含在打開的Table列表中，表明當(dāng)前Session尚未打開和鎖定該表，必須執(zhí)行該表的打開和鎖定操作(如果該表已被其它Session打開，則必須等待到其它Session翻放該表為止)。 本DB組件還支持commit與rollback事務(wù)處理。能夠在如此微小的DB組件實現(xiàn)事務(wù)處理，主要得益于上述的Session管理框架。在 Table類commit與rollback處理基礎(chǔ)上，當(dāng)一個Session執(zhí)行commit或rollback操作時，對包含在打開列表中的每個 Table實例，調(diào)用執(zhí)行相應(yīng)的commit或rollback處理即可。 3 結(jié)語與展望 本DB組件已實際運行了大約兩年時間。這期間除了對該組件進(jìn)行一些功能追加以外，主體框架上基本保持不變，從而在一定程序上表明了該設(shè)計框架的可行性和合理性。該組件編譯以后，class文件形成的jar包大小約為68KB，短小精度悍，便于使用。當(dāng)然，該DB組件目前仍然存在一些不足：首先，較為關(guān)鍵的一點是速度問題。一直以來，Java的執(zhí)行速度問題就是受批語的缺點所在，因此采用它實現(xiàn)自然也避免不了這人瓶頸。今后改進(jìn)的思路之一是，將其中Java 處理效率不高的部分移出Java，采用C實現(xiàn);二者通過JNI手段加以連接，以提高總體的運行速度。第二點需要改進(jìn)的地方是表鎖定的粒度問題。由于目前只能整個表進(jìn)行鎖定，并且不區(qū)分讀鎖定與寫鎖定，因此粒度較粗。雖然這樣實現(xiàn)起來較為簡單，但在多任務(wù)處理環(huán)境中可能增加不必要的時間等待。最后，JDBC 接口的實現(xiàn)目前還不完全，需要加以完善。