1 嵌入式內存數據庫技術發展的現狀

　　數據庫理論與技術的發展極其迅速，其應用日益廣泛，在當今的信息社會中，它幾乎無所不在。以關系型為代表的三大經典(層次、網狀、關系)型數據庫在傳統的(商務和管理的事務型)應用領域獲得了極大成功，然而它們在現代的(非傳統)工程和時間關鍵型應用面前卻顯得軟弱無力，面臨著新的嚴峻的挑戰，由此而導致了嵌入式實時數據庫的產生和發展。在實時應用中，事務在運行前的操作邏輯(操作類型、順序等)、數據集及其結構、行為以及時間的相關性等都是可預分析的。然而，對磁盤數據庫而言，數據的I/O 是造成事務執行時間不確定、預報不準確的關鍵因素。為此，要求以大內存作為實時數據庫的主要存儲介質，使一個事務在活動期間沒有I/O，以達到較準確的預報，從而滿足實時事務的定時限制。但這要解決兩個問題，就是適當的數據安置和適時的內外存交換。隨著內存技術的高速發展，內存數據庫技術日益成熟，在非實時系統中也得到了廣泛的應用。

　　內存數據庫(MMDB)把數據庫的主拷貝(即“工作版本”)常駐在內存，使系統性能得到了極大的提高。但是，由于所有操作直接作用于內存中的數據庫主拷貝上，數據庫極易受到操作系統和應用軟件錯誤造成的破壞，而且，數據庫恢復所包含的I/O 操作(如做日志、備份等)在事務運行不需要I/O 操作的內存數據庫系統中也顯得極為突出。因此，內存數據庫的恢復機制對系統性能有重要的影響作用，內存數據庫的恢復較之傳統的磁盤數據庫的恢復要復雜得多，也關鍵得多。數據恢復是內存數據庫可靠、實用的關鍵，恢復技術的研究已成為MMDB 研究領域最熱門的課題。

　　2 內存數據庫的定義

　　內存數據庫的定義不應涉及內存的大小、存取數據所需I/O 的多少、數據何時進入及怎樣才能留駐內存等這些具體的實現技術，而只包含數據庫常駐內存(而不是磁盤)、事務(不是系統)的數據存取只涉及內存的意思。其本質特征是其“主拷貝”或“工作版本”常駐內存，即活動事務只與實時內存數據庫的內存拷貝打交道。顯然，它要求較大的內存量，但并不要求任何時刻整個數據庫都能存放在內存，即內存數據庫系統還是要處理I/O。傳統的磁盤數據庫即使緩沖區足夠大，以致可以容納所有數據也不能算是一個MMDB。因為它是針對磁盤特性、在數據庫常駐磁盤的假定下設計的。例如，索引結構還是針對磁盤存取的，數據的存取仍必須經過緩沖區管理等。內存數據庫的組織與管理要求新的適于內存特點的數據結構和算法，對于數據的組織與安置、數據庫存取、內外存數據交換、查詢處理及優化、并發控制及數據庫恢復都需要研究新的策略與機制。

　　內存數據庫是一個較新的研究領域，結合各方面參考，現給出如下定義：

　　定義：設有數據庫DB，DBM(t)是t 時刻DB 在內存中的數據集，DBM(t)真包含于DB; T S 為所有事務的集合，A T(t)是t 時刻的活動事務集，A T(t)真包含于T S;D t(T)為T 在t 時刻的操作數據集，D t(T)真包含于DB;若在任一時刻t，均有：

　　對任一事務有T∈A T(t)，D t(T)真包含于DBM(t)成立，則稱DB 為一個內存數據庫，簡記為MMDB 。

　　按此定義，MMDB 的“工作版本”(當然也可以是整個數據庫)常駐內存，任何一個事務在執行過程中沒有內外存間的數據I/O。顯然，它需要一定的內存容量，但并不要求整個數據庫都必須常駐在內存。

　　3 內存數據庫的特點

　　3.1 內存數據庫數據存儲的組織和管理一個MMDB的邏輯整體主要由兩個部分構成，即內存版本與外存版本。主存儲器是易失內存，它存放MMDB的“工作版本”。它在邏輯上被劃分為若干分區，一

　　個分區用來存放一個關系的數據。每個分區又物理地由若干相互鏈接的塊組成。一塊是一個固定長度的連續區域，它是內外存I/O的單位，也是內存分配、回收以及對MMDB進行恢復的單位。索引與數據記錄分離存放。

　　NV-RAM(NO Vola tile RAM)兼有內存讀寫速度快和在后備電池維護的情況下非易失的特點，但價格昂貴，不便插拔，廣泛用于嵌入式系統，并可與Flash-RAM配合使用，充當Flash-RAM 寫緩沖區。NV-RAM是主存儲器的拓延，目前可用UPS、固態磁盤或磁盤Cache等實現。主存數據與NV-RAM數據一起統稱為MMDB的“內存版本”。

　　磁盤存儲器用來存放未在內存的那一部分數據庫數據，同時也用作數據庫恢復的備份，我們稱之為“外存版本”。為便于實現內外存間的數據交換，可將磁盤數據在邏輯上劃分為與內存塊同樣長度的定長塊，建立相同類型的索引。

　　3.2 事務處理

　　當內存數據庫用于非實時系統時，除了日志和系統恢復的具體方式跟傳統數據庫差異比較大以外，事務處理過程與傳統數據庫的事務處理相似;然而，當內存數據庫用于實時系統時，既實時內存數據庫中，事務處理由于受到了時間上的限制，傳統數據庫的事務處理已經不再適用。傳統的“ACID” 的事務概念及模型對實時事務不適合。實時事務表現出了許多不同的特征，如實時性和相關性。雖然實時事務的正確性與傳統事務一樣，也包括數據庫狀態正確性和事務執行正確性兩個方面，但其含義與內容有很大的不同。在實時事務中，數據庫狀態正確性包含內部一致性和時間一致性，事務執行正確性則包含其結果正確性、行為正確性、結構正確性和時間正確性等。事務調度也要采取相關的實時調度算法。本文中討論的內存數據庫引擎針對非實時系統。

　　3. 3 系統恢復

　　數據庫的備份是數據庫的副本以及一些控制信息，在出現故障的情況下，可以隨時用它進行恢復。數據庫備份最小化了數據丟失，能夠讓您使用恢復過程，從備份副本中重新構造失敗的數據庫。有多種類型的失敗導致需要恢復數據庫。其中包括語句失敗、用戶錯誤、進程失敗、數據庫實例失敗、媒介失敗等。但不是所有類型的失敗都需要進行人工交互。但是，在內存數據庫系統中，由于所有操作都直接作用于內存中的數據庫主拷貝上，數據庫極易受到操作系統和應用軟件錯誤造成的破壞，因此MMDB的恢復技術如備份、檢驗點(Checkpoint)和重啟動(restart)等都較常規的磁盤數據庫(DRDB)復雜。人們從體系結構、事務提交、日志系統到備份、檢驗點算法等各個方面進行了大量的研究和探索。日志管理是內存數據庫恢復機制中至關重要的一環。由于內存有易失性，日志最好保存于另一穩妥的介質上(如磁盤、非易失內存等)，而對日志的I/O操作又將在某種程度上影響MMDB的性能，可能成為瓶頸影響系統的事務吞吐量。為此，人們研究了各種各樣的解決辦法，比如構造非易失內存用于保存部分日志;采用“成組提交”的技術，使用影子內存技術等來解決日志瓶頸問題。在檢驗點方面，為了提高系統效率，通常力圖使檢驗點操作和事務處理同時進行。為了提高速度指標和綜合性能，MMDB系統往往利用附加的硬件設備如非易失內存、專用的日志處理器、檢驗點處理器等來支持高效、快速的數據恢復。