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嵌入式Java運行平臺數(shù)據(jù)庫引擎的應用研究
摘要：介紹某嵌入式Java運行平臺的總體框架；在此基礎上，詳細討論為該平臺開發(fā)的數(shù)據(jù)庫（DB）引擎組件的框架和結構組成，描述該組件實現(xiàn)的SQL子集和數(shù)據(jù)表達方式以及邏輯算法的設計思路；提出該組件今后的改進設想。關鍵詞：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，面向對象設計技術、組件技術等在嵌入式系統(tǒng)軟件設計中的應用也日益引起人們的重視。
在嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)領域，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，完全按照面向對象思想設計，并且語言引入許多較為先進的特性，如多線程、自動內(nèi)存管理和垃圾回收，非常適合于大規(guī)模復雜軟件系統(tǒng)的開發(fā)。其不足點是與硬件結合不夠緊密，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技術來構造軟件系統(tǒng)。本文在介紹基于日本某自動售貨機產(chǎn)品的控制板的Java運行平臺基礎上，詳細討論筆者為其平臺開發(fā)的DB引擎的組成和設計思路。
(范文先生網(wǎng)www.panasonaic.com收集整理)
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（日本東京大學坂村鍵教授設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的基礎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。該層的上面是應用程序層，用于實現(xiàn)自動售貨機的各種控制、管理機能。
2 嵌入式系統(tǒng)DB引擎
2.1 DB引擎組件的引入
眾所周知，在臺式機領域，DB是一個十分關鍵的基礎軟件。以往嵌入式系統(tǒng)的軟件可能更側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)軟件整體框架結構的組件化與簡單化，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組件設計為3層結構，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，應用程序直接調(diào)用動作執(zhí)行層的API進行數(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，旨在為應用程序提供一個標準的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)了標準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)學表達式求值算法。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)或運算結果。算法的基本思想是：
①首先置操作數(shù)棧為空，表達式起始符“#”為運算棧的棧底元素；
②依此讀入表達式中每個Token。若是操作數(shù)，則進OPND棧adk是運算符，則和OPTR棧的棧頂運算符比較優(yōu)先權后作相應操作，直至整個表達式求值完畢（即OPTR棧的棧頂元素和當前讀入的Token均為“#”。
本
文實現(xiàn)的SQL子集描述如下：
預定義
<DataConst>:=<QUOTE><日期><QUOTE>
<StrConst>:=<QUOTE><SQL轉義文字><QUOTE>
<Const>:=<field>[,<field>[,<field>[…]]]
<valuelist>:=<Const>[,<Const>[…] ]]
<compare>:= =│==│!=│<>│>│>=│<│<=
<setlist>:=<setitem>[,<setitem>[,<setitem>[…]]]
<統(tǒng)計函數(shù)名>：=MIN│MAX│COUNT│SUM
<統(tǒng)計函數(shù)>：=<統(tǒng)計函數(shù)>（<field>）
<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
<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，<>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。下面介紹其主要設計要點和思路。
2.3 數(shù)據(jù)的表達與存儲
由于嵌入式系統(tǒng)的資源十分有限，不能引入復雜的算法和數(shù)據(jù)存儲格式，同時由于Java對二進制數(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。
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換處理，由
JVM平臺本身的功能可以自動完成。
當然，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虛擬機環(huán)境下，沒有多進程的概念，但對于多任務的處理提供了多線程的手段。本DB引擎組件是公共組件，供上層多個應用程序組件共同使用。由于上層的每個應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。關于DB鎖定，進一步細分的話，可區(qū)分為讀鎖和寫鎖；根據(jù)鎖定粒度的粗細可分為按表鎖、按Page鎖、按記錄鎖等，不一而足。
為設計和實現(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操作相關聯(lián)，鎖解除與表的close操作相關聯(lián)。實現(xiàn)時，對應表對象Table的每一個實例，設置一個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);
}
//設定鎖定標志
isLocked=true;
}
//表打開操作
//參數(shù)ro只讀打開標志
void open(Boolean ro)throws DBError{
lock();
readOnly=ro;
//表數(shù)據(jù)讀入
load();
}
//表關閉操作（同時釋放鎖）
public synchronized void close() throws DBError{
if(isLocked==false)return;
//關閉前，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系
2.5 DB組件實現(xiàn)的結構設計
圖3所示為DB引擎組件的主要類之間的關系。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（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，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類對象保存著當前Session打開的Table列表，當用戶提交執(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)在當前Session已打開的Table列表中。如果已經(jīng)被打開，則不需要進行重復的鎖定操作，直接反回對應的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事務處理。能夠在如此微小的DB組件實現(xiàn)事務處理，主要得益于上述的Session管理框架。在Table類commit與rollback處理基礎上，當一個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)行相應的commit或rollback處理即可。
3 結語與展望
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。當然，該DB組件目前仍然存在一些不足：首先，較為關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。第二點需要改進的地方是表鎖定的粒度問題。由于目前只能整個表進行鎖定，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。
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