數(shù)據(jù)庫機(jī)體系結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)庫)

時間：2022-11-18 02:30:01 | 來源：信息時代

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    數(shù)據(jù)庫機(jī)體系結(jié)構(gòu) : 一種用于支持?jǐn)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的計算機(jī)(或稱數(shù)據(jù)庫機(jī))體系結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫機(jī)或數(shù)據(jù)庫計算機(jī)是專門用來完成數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的全部或部分功能,以提高其數(shù)據(jù)處理能力的。在一般的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中,中央處理機(jī)執(zhí)行全部數(shù)據(jù)庫的操作,數(shù)據(jù)處理效率低、軟件系統(tǒng)復(fù)雜。數(shù)據(jù)庫機(jī)或數(shù)據(jù)庫計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)是將計算機(jī)中涉及的數(shù)據(jù)庫操作轉(zhuǎn)移到一個與主計算機(jī)相連的專用計算機(jī)上去執(zhí)行。這種數(shù)據(jù)庫機(jī)可以用專用的硬件或固件來實現(xiàn),也可以用通用計算機(jī)配置專用的軟件或硬件設(shè)備來完成。
研究數(shù)據(jù)庫機(jī)的體系結(jié)構(gòu)可以從數(shù)據(jù)庫機(jī)的分類、(硬件與軟件)組成、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方案與方法等方面來進(jìn)行。
1.數(shù)據(jù)庫機(jī)的分類
實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫機(jī)DBM的方案,基本上可以分為兩類:
(1)面向軟件的DBM: 采用多臺通用處理機(jī)以各種互聯(lián)方式構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng),再根據(jù)機(jī)器結(jié)構(gòu)配以專門的數(shù)據(jù)庫處理軟件或固件來完成數(shù)據(jù)庫操作。
(2)面向硬件的DBM: 它充分利用VLSI和微電子技術(shù),并直接采用硬件構(gòu)成某些數(shù)據(jù)庫操作或存儲部件,然后基于這些硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作和處理。除此以外,有人建議將數(shù)據(jù)庫機(jī)劃分為有限格式和格式化兩類。有限格式數(shù)據(jù)庫主要以字符串形式構(gòu)成正文信息;格式化數(shù)據(jù)庫有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),以支持多種數(shù)據(jù)模型。
2.早期數(shù)據(jù)庫機(jī)的體系結(jié)構(gòu)
20世紀(jì)70年代,數(shù)據(jù)庫機(jī)DBM的研制是從實施關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能作為其研究與開發(fā)目標(biāo)而開始的。因此,當(dāng)初DBM的體系結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)途徑主要是采用了馮·諾依曼系統(tǒng)計算機(jī)結(jié)構(gòu)中的協(xié)處理器、關(guān)聯(lián)處理機(jī)和后端機(jī)等概念結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。
(1)協(xié)處理器(coprocessor): 所謂協(xié)處理器指為彌補(bǔ)處理器在數(shù)值計算方面的不足,引入?yún)f(xié)同處理的概念,即由多臺處理器構(gòu)成協(xié)同處理器完成計算機(jī)的運算與數(shù)據(jù)處理任務(wù),以提高運算速度和機(jī)器的執(zhí)行效率。
(2) 關(guān)聯(lián)處理機(jī)(associative processor): 或稱聯(lián)想處理器,是使用并行操作存儲器的一種單指令流多數(shù)據(jù)流并行處理機(jī)。關(guān)聯(lián)存儲器可根據(jù)所存儲信息的全部或部分特征(而不是根據(jù)地址)對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問,以實現(xiàn)存儲器的并行操作。而且,來自控制器的一條命令能對許多符合檢索條件的數(shù)據(jù)同時執(zhí)行算術(shù)或邏輯運算。因此,基于關(guān)聯(lián)處理機(jī)的DBM結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)的處理能力會大幅度提高。
在這種DBM體系結(jié)構(gòu)中,關(guān)聯(lián)處理機(jī)把對數(shù)據(jù)的檢索等操作與從磁盤讀寫數(shù)據(jù)的過程結(jié)合起來,構(gòu)成所謂的智能控制磁盤器,從而將數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的某些功能(存取、檢索數(shù)據(jù))下放到磁盤控制器,并通過硬連邏輯來實現(xiàn)。如在采用關(guān)聯(lián)處理機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫機(jī)CAFS、DIRECT中,可根據(jù)用戶提供的檢索條件,按照關(guān)鍵字或給定的數(shù)據(jù)匹配模式,通過數(shù)據(jù)過濾器(data filter)從數(shù)據(jù)庫文件中檢索出相關(guān)的記錄或數(shù)據(jù)。
(3)后端機(jī)(back-end processor): 這種數(shù)據(jù)庫機(jī)體系結(jié)構(gòu)適合于分時、多任務(wù)、多處理機(jī)和需要大量頻繁與數(shù)據(jù)庫交換信息的場合。其基本思想是將數(shù)據(jù)庫管理任務(wù)全部交給另外一個計算機(jī)進(jìn)行集中處理,從而使主機(jī)系統(tǒng)從繁忙的數(shù)據(jù)庫管理任務(wù)中解脫出來,以支持多進(jìn)程、多任務(wù)的運行。這里,最簡便的后端機(jī)實施方案就是用一臺通用計算機(jī)專門完成DBMS的任務(wù),完全為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)。由于后端機(jī)(back-end processor)數(shù)據(jù)庫機(jī)體系結(jié)構(gòu)采用較多,術(shù)語back-end machine曾一度作為早期數(shù)據(jù)庫機(jī)的同義詞使用。
3.數(shù)據(jù)庫機(jī)體系結(jié)構(gòu)的功能劃分與實施方案作為一種用于支持?jǐn)?shù)據(jù)庫管理功能的數(shù)據(jù)庫機(jī),可以按體系結(jié)構(gòu)方式(計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計)或按功能方式(即處于軟件控制之下)來劃分。按體系結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)庫機(jī)是指設(shè)計新的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。它把一些原來由軟件執(zhí)行的管理功能用硬件來實現(xiàn),把原來由CPU包辦的數(shù)據(jù)庫操作分散給一些局部部件來執(zhí)行,或轉(zhuǎn)移到一個與主計算機(jī)相連的專用計算機(jī)去執(zhí)行,以利用它們的聯(lián)想功能及并行處理能力來提高數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的有效性。
按功能劃分,數(shù)據(jù)庫機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以分為: ①單處理機(jī)間接檢索型: 用通用處理機(jī)作主計算機(jī)的后端機(jī),利用固件實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫處理功能。例如,智能數(shù)據(jù)庫機(jī)IDM500;②單處理機(jī)直接檢索型:利用專用處理機(jī)實現(xiàn)直接檢索,同時采用散列位陣列技術(shù)提高檢索效率; ③多處理機(jī)直接檢索型: 采用多處理機(jī)組成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),在磁盤等輔存旋轉(zhuǎn)時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理; ④多處理機(jī)間接檢索型: 將數(shù)據(jù)從輔存讀入緩沖存儲器,由多處理機(jī)并行處理。這種數(shù)據(jù)庫機(jī)結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)多指令流、多數(shù)據(jù)流操作,以支持關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng); ⑤多處理機(jī)組合檢索型: 由具有專門功能的多處理機(jī)組合實現(xiàn),如俄亥俄州州立大學(xué)的DBC數(shù)據(jù)庫機(jī)。
在實際開發(fā)中,有時按功能或按體系結(jié)構(gòu)來劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫機(jī),并沒有明確的界限,以下為一些常見的數(shù)據(jù)庫機(jī)DBM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實施方案。
(1)并行數(shù)據(jù)庫機(jī)結(jié)構(gòu): 將硬件與軟件相結(jié)合,采用高度并行的數(shù)據(jù)庫機(jī)(massive parallel database machine)技術(shù)實現(xiàn)對巨量數(shù)據(jù)(massive data)進(jìn)行有效存儲和處理的新型高度并行的數(shù)據(jù)庫機(jī)。這種并行數(shù)據(jù)庫機(jī)的結(jié)構(gòu)主要有兩種: ①多處理機(jī)并行處理結(jié)構(gòu),又稱為share everything結(jié)構(gòu),它由多處理機(jī)共享內(nèi)存和磁盤來實現(xiàn); ②多計算機(jī)并行處理結(jié)構(gòu),稱為share nothing結(jié)構(gòu),它由多個獨立的計算機(jī)通過高速網(wǎng)相連。由于多處理機(jī)并行處理的吞吐量會隨著處理機(jī)數(shù)的增加而迅速飽和,目前大都采用后者。
(2)客戶/服務(wù)器數(shù)據(jù)庫機(jī)(client/server database machine)結(jié)構(gòu):又稱為并行分布式數(shù)據(jù)庫機(jī)結(jié)構(gòu)。這是一種在網(wǎng)絡(luò)及分布式環(huán)境下,基于并行機(jī)制的數(shù)據(jù)庫機(jī)或數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。其基本思想是基于硬件價格的下降,而把對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用程序的處理,分給不同的計算機(jī)系統(tǒng)或部件來擔(dān)任。其中用于處理數(shù)據(jù)庫任務(wù)的計算機(jī)稱為數(shù)據(jù)服務(wù)器(data server),它實際上就是數(shù)據(jù)庫機(jī),不過它是由通用的處理機(jī)(如RISC處理機(jī))構(gòu)成的,而且該數(shù)據(jù)庫機(jī)本身不只是一臺計算機(jī),而是由多臺計算機(jī)構(gòu)成的并行計算機(jī)系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)服務(wù)器專門承擔(dān)數(shù)據(jù)處理任務(wù),其DBMS的設(shè)計將完全擺脫原有DBMS的限制和不足。
(3)共享庫(share base,SB)結(jié)構(gòu):一種新穎的數(shù)據(jù)庫機(jī)組織結(jié)構(gòu),它將網(wǎng)絡(luò)及分布式環(huán)境下的多臺類型不同的計算機(jī)及其數(shù)據(jù)庫(稱為純軟件DB或孤立的DB)作為客戶端,用一臺數(shù)據(jù)庫機(jī)DBM作為服務(wù)器,并通過通信網(wǎng)絡(luò)或計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)起來,以實現(xiàn)多用戶對數(shù)據(jù)庫的共享。
(4)數(shù)據(jù)流體系結(jié)構(gòu)(data flow architecture): 一種采用非馮·諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫機(jī)結(jié)構(gòu),它通過數(shù)據(jù)而不是指令來驅(qū)動程序的執(zhí)行。與傳統(tǒng)的馮·諾依曼計算機(jī)“存儲程序概念”不同,指令已不再對數(shù)據(jù)進(jìn)行順序處理。在數(shù)據(jù)流計算機(jī)中,只要一個操作的所有操作數(shù)均已到達(dá),則此操作就執(zhí)行。因此,當(dāng)有多個操作同時滿足這個條件時,這個操作就可以并行執(zhí)行,而不受程序指令順序執(zhí)行的限制。這就提高了數(shù)據(jù)庫機(jī)的并行處理特性。數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)庫機(jī)的基本思想是操作的執(zhí)行順序取決于數(shù)據(jù)的依賴性與資源的有效性。數(shù)據(jù)驅(qū)動是用一種令牌(token)標(biāo)記來指示數(shù)據(jù)在指令間的流動。
(5)智能數(shù)據(jù)庫機(jī)體系結(jié)構(gòu)(intelligent database machine architecture):指采用邏輯推理、知識處理等技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫機(jī)結(jié)構(gòu)。這類數(shù)據(jù)庫機(jī)體系結(jié)構(gòu)有: ①歸約機(jī)(reduction machine): 基于歸約模型的數(shù)據(jù)庫機(jī)結(jié)構(gòu)。其基本思想是在函數(shù)計算的過程中通過替換不斷修改計算目標(biāo),直到被計算的目標(biāo)為最小的單元為止。這一過程與純函數(shù)的遞歸計算過程的代入方法類似。因此,對歸約機(jī)的研究常常與函數(shù)程序語言相結(jié)合。研制成功的歸約機(jī)有北卡羅納大學(xué)的樹結(jié)構(gòu)歸約機(jī)Cellular、我國清華大學(xué)的并行圖歸約機(jī)。②LISP機(jī):LISP是一種基于人工智能的表處理語言,LISP的邏輯基礎(chǔ)是等詞邏輯,其操作語義是歸約(reduction)。這種數(shù)據(jù)庫機(jī)結(jié)構(gòu)是通過硬件執(zhí)行通常由LISP解釋器所要完成的表處理操作和存儲管理功能。系統(tǒng)中硬堆棧和帶標(biāo)志的存儲器是LISP機(jī)的主要特點。Xerox公司研制的Alto,MIT的CONS/CADR都是LISP數(shù)據(jù)庫機(jī)結(jié)構(gòu)的典型代表。③邏輯推理機(jī)(logic inference machine): 以產(chǎn)生式系統(tǒng)為計算模型的一種數(shù)據(jù)庫機(jī)結(jié)構(gòu),也是知識庫和知識庫系統(tǒng)的重要組成部分。它能直接支持基于謂詞邏輯的演繹推理過程。目前,可以采用PROLOG、DATALOG等邏輯語言來開發(fā)邏輯推理機(jī)。PROLOG的邏輯基礎(chǔ)是一階謂詞邏輯,其操作語義是歸結(jié)(resolution)。如以PROLOG為核心來設(shè)計邏輯推理部件,可以將其與知識庫、用戶接口、操作系統(tǒng)等相結(jié)合,組成PROLOG數(shù)據(jù)庫機(jī)。此外,日本ICOT研制最早的PSI就是以PROLOG實現(xiàn)的。
(6)面向?qū)ο篌w系結(jié)構(gòu)(object oriented architecture):采用Smalltalk、C++、VC等面向?qū)ο笳Z言及面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法開發(fā)數(shù)據(jù)庫機(jī)的新方案。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法的基本思想是客觀世界是由對象組成的,若干本質(zhì)相同的對象可以構(gòu)成類,若干本質(zhì)相同的類可以構(gòu)成超類。一個對象不能訪問或改變另一個對象的內(nèi)部狀態(tài)或操作,但是對象之間可以通過發(fā)送消息而發(fā)生聯(lián)系。在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法中,僅用對象、類、方法、消息和繼承5個基本概念即可完成對客觀世界的描述。面向?qū)ο笳Z言的邏輯基礎(chǔ)是反射邏輯,其操作語義為高階演繹。采用抽象數(shù)據(jù)類型、封裝性、繼承性、多態(tài)性、動態(tài)聯(lián)編等多種面向?qū)ο筇匦?非常適于用來開發(fā)數(shù)據(jù)庫機(jī)。在20世紀(jì)80年代早期曾開發(fā)了Smalltalk-80數(shù)據(jù)庫機(jī),該系統(tǒng)由虛擬機(jī)、工具集和虛擬對象三個部分組成。后來,又用其他面向?qū)ο笳Z言開發(fā)了一些新的數(shù)據(jù)庫機(jī)。
以上幾種數(shù)據(jù)庫機(jī)體系結(jié)構(gòu)和實施方案(如并行與分布式結(jié)構(gòu)、面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)、智能數(shù)據(jù)庫機(jī)結(jié)構(gòu))既適用于數(shù)據(jù)庫機(jī),也適用于知識庫機(jī)。