嵌入式Java運(yùn)行平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)引擎的應(yīng)用研究
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關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)庫(kù)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(yǔ)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(jì)技術(shù)、組件技術(shù)等在嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(yǔ)言。其優(yōu)點(diǎn)是語(yǔ)言本身簡(jiǎn)潔優(yōu)美，完全按照面向?qū)ο笏枷朐O(shè)計(jì)，并且語(yǔ)言引入許多較為先進(jìn)的特性，如多線程、自動(dòng)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(diǎn)是與硬件結(jié)合不夠緊密，同時(shí)代碼運(yùn)行速度較慢。此外，對(duì)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(diǎn)，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(dòng)售貨機(jī)產(chǎn)品的控制板的Java運(yùn)行平臺(tái)基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論筆者為其平臺(tái)開發(fā)的DB引擎的組成和設(shè)計(jì)思路。
1 Java運(yùn)行環(huán)境平臺(tái)
圖1所示為Java運(yùn)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(gè)數(shù)量級(jí)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(jì)的一種嵌入式操作系統(tǒng)，雖然在日本以外的市場(chǎng)影響不大，但在日本本地市場(chǎng)，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(chǎng)合，ITRON總體上功能比較簡(jiǎn)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(dú)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(dòng)售貨機(jī)的基礎(chǔ)平臺(tái)類庫(kù)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?shí)現(xiàn)自動(dòng)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(tái)式機(jī)領(lǐng)域，DB是一個(gè)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(duì)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(duì)實(shí)現(xiàn)軟件整體框架結(jié)構(gòu)的組件化與簡(jiǎn)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(gè)DB組件設(shè)計(jì)為3層結(jié)構(gòu)，分別為JDBC接口層、SQL解釋層和動(dòng)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(dòng)作執(zhí)行層，但動(dòng)作執(zhí)行層不依賴于其上面的兩層，可以單獨(dú)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(duì)空間和效率要求較高，可僅配置動(dòng)作執(zhí)行層組件，應(yīng)用程序直接調(diào)用動(dòng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的DB調(diào)用接口。
（2）SQL解釋層
本DB組件實(shí)現(xiàn)的SQL解釋層，只實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)SQL的一個(gè)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(yǔ)句（select、delete、insert、update）的解釋要點(diǎn)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(jiǎn)單直觀的“算符優(yōu)先法”。該算法使用兩個(gè)工作棧，一個(gè)稱作OPTR棧，用以寄存運(yùn)算符；另一個(gè)稱作OPND棧，用以寄存操作數(shù)或運(yùn)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(yùn)算棧的棧底元素；
②依此讀入表達(dá)式中每個(gè)Token。若是操作數(shù)，則進(jìn)OPND棧adk是運(yùn)算符，則和OPTR棧的棧頂運(yùn)算符比較優(yōu)先權(quán)后作相應(yīng)操作，直至整個(gè)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(shí)現(xiàn)的SQL子集描述如下：
預(yù)定義
<DataConst>:=<QUOTE><日期><QUOTE>
<StrConst>:=<QUOTE><SQL轉(zhuǎn)義文字><QUOTE>
<Const>:=<field>[,<field>[,<field>[…]]]
<valuelist>:=<Const>[,<Const>[…] ]]
<compare>:= =│==│!=│<>│>│>=│<│<=
<setlist>:=<setitem>[,<setitem>[,<setitem>[…]]]
<統(tǒng)計(jì)函數(shù)名>：=MIN│MAX│COUNT│SUM
<統(tǒng)計(jì)函數(shù)>：=<統(tǒng)計(jì)函數(shù)>（<field>）
<統(tǒng)計(jì)list>:=<統(tǒng)計(jì)函數(shù)>，[，<統(tǒng)計(jì)函數(shù)>[，<統(tǒng)計(jì)函數(shù)>[…]]]
<數(shù)據(jù)類型>：=INT│UNMBER│CHAR│DATE
<Where文> ：=文遞歸定義式
<Where文>：=（<Where>）
<Where文>：=NOT<Where文>
<Where文>：=<Where文>OR<Where文>
<Where文>：=<Where文>AND<Where文>
SQL文定義式
①SELECT*|<fieldlist>FROM<table>[WHERE<Where文>][ORDER BY<field>[ASC|DESC]]
②SELECT<統(tǒng)計(jì)list>FROM<table>[WHERE<Where文>]
③UPDATE<table>SET<setlist>[WHERE<Where文>]
④INSERT INTO<table>[(<fieldlist>)]VALUES(<valuelist>)
⑤DELETE FROM<table>[WHERE<Where文>]
⑥CREATE TABLE<table>(<field><數(shù)據(jù)類型>[，<field><數(shù)據(jù)類型>[，<field><數(shù)據(jù)類型>[…]]])
⑦DROP TABLE<table>
注：|表示多選個(gè)，<>表示某定義項(xiàng)目，[]表示可選項(xiàng)目，…代表循環(huán)省略表示。
（3）動(dòng)作執(zhí)行層
動(dòng)作執(zhí)行層是整個(gè)DB組件的核心和關(guān)鍵，因?yàn)樗械腄B操作最終都由該層完成，同時(shí)用戶也可以跳過上面的兩層，直接調(diào)用該層的API，以實(shí)現(xiàn)相同的數(shù)據(jù)操作功能。下面介紹其主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)和思路。
2.3 數(shù)據(jù)的表達(dá)與存儲(chǔ)
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(chǔ)格式，同時(shí)由于Java對(duì)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(diǎn)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(gè)字段數(shù)據(jù)用引號(hào)「」括起來；
③如果字段數(shù)據(jù)本身包含有引號(hào)「”」，則將引號(hào)「”」改寫為兩個(gè)重疊的引號(hào)「””」，依次類推。其次，每個(gè)記錄占文本文件的個(gè)行，每一個(gè)數(shù)據(jù)表與一個(gè)物理數(shù)據(jù)文件一一對(duì)應(yīng)。
采用這種方式處理的優(yōu)點(diǎn)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(duì)不定長(zhǎng)字段的保存處理與定長(zhǎng)字段處理統(tǒng)一，不需要額外的附加處理，而且存儲(chǔ)效率高；
③對(duì)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(tái)本身的功能可以自動(dòng)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(zhǎng)度不定，數(shù)據(jù)即使局部更新，也必須重寫整個(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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(gè)應(yīng)用程序組件共同使用。由于上層的每個(gè)應(yīng)用程序組件本身由一個(gè)或數(shù)個(gè)線程來執(zhí)行，因此，DB引擎組件必須考慮多個(gè)線程同時(shí)存取某個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)可能引起的沖突問題。對(duì)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(jì)和實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單起見，本DB引擎組件提供按表鎖定的方式，同時(shí)不區(qū)分讀寫鎖之間的區(qū)別。這樣，大大簡(jiǎn)化了SQL語(yǔ)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(shí)現(xiàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)表對(duì)象Table的每一個(gè)實(shí)例，設(shè)置一個(gè)field變量，用于保存鎖定狀態(tài)，再利用Java語(yǔ)言提供的synchronized手段同，可以較為方便地實(shí)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(shí)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(yǔ)句被喚醒而卻得不到表鎖的情況，為提高超時(shí)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(shí)判斷
t2=System.currentTimeMillis();
if(t2-t1>DBError.TIMEOUT)break;
}
//發(fā)生超時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(kù)類，用于描述和管理整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象Table為數(shù)據(jù)表類，用于描述和管理表對(duì)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(jiǎn)化處理，本組件將Database類設(shè)計(jì)為singleton模式，即本組件只能創(chuàng)建一個(gè)Database實(shí)例。這對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來說，大部分場(chǎng)合已經(jīng)足夠。與數(shù)據(jù)庫(kù)的一般物理概念相對(duì)應(yīng)，1個(gè)Database實(shí)例包含n個(gè)Table實(shí)例，1個(gè)Table實(shí)例包含n個(gè)Field實(shí)例。同時(shí)，1個(gè)Table實(shí)例包含1個(gè)TableData實(shí)例，1個(gè)TableData實(shí)例包含n個(gè)Record實(shí)例。
Connection類用于管理用戶訪問數(shù)據(jù)庫(kù)的會(huì)話（Session）過程。對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶的一次會(huì)話過程，生成一個(gè)Connection實(shí)例。Connection類對(duì)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(yǔ)句而需要鎖定某個(gè)Table時(shí)，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(duì)應(yīng)的Table對(duì)象實(shí)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(shí)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(gè)Session執(zhí)行commit或rollback操作時(shí)，對(duì)包含在打開列表中的每個(gè)Table實(shí)例，調(diào)用執(zhí)行相應(yīng)的commit或rollback處理即可。
3 結(jié)語(yǔ)與展望
本DB組件已實(shí)際運(yùn)行了大約兩年時(shí)間。這期間除了對(duì)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(jì)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(diǎn)是速度問題。一直以來，Java的執(zhí)行速度問題就是受批語(yǔ)的缺點(diǎn)所在，因此采用它實(shí)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(shí)現(xiàn)；二者通過JNI手段加以連接，以提高總體的運(yùn)行速度。第二點(diǎn)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(gè)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(shí)現(xiàn)起來較為簡(jiǎn)單，但在多任務(wù)處理環(huán)境中可能增加不必要的時(shí)間等待。最后，JDBC接口的實(shí)現(xiàn)目前還不完全，需要加以完善。
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