摘 要: 與常見(jiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)相比，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)具有體積小、功能齊備、可移植性、健壯性等特點(diǎn)，本文分析和比較了典型的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite和Berkeley DB。首先從體系結(jié)構(gòu)、子系統(tǒng)間調(diào)用關(guān)系、任務(wù)執(zhí)行過(guò)程等角度對(duì)SQLite和Berkeley DB進(jìn)行了詳細(xì)分析，然后重點(diǎn)從數(shù)據(jù)類型、存儲(chǔ)方式、模式、數(shù)據(jù)庫(kù)引擎和錯(cuò)誤處理及加密功能等方面討論了SQLite和Berkeley DB的異同點(diǎn)，最后列舉了一個(gè)基于ARM—Linux的SQLite應(yīng)用實(shí)例。
關(guān)鍵詞: SQLite、Berkeley DB、SQL、虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)引擎（VDBE）

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與其它學(xué)科間的不斷交融、滲透，數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用的范圍更加深入和具體。那些僅適用于PC機(jī)，體積龐大、延時(shí)較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)已不能滿足針 對(duì)性較強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需求。SOLite和Berkeley DB是目前應(yīng)用較廣泛、技術(shù)較穩(wěn)定的兩種嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的研究起步較晚，還沒(méi)能引起更多人的關(guān)注。更多人熟悉那些基于C/S或B /S結(jié)構(gòu)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索等功能。然而，在嵌入式系統(tǒng)中，由于軟硬件資源有限，不可能安裝龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，而用戶的需求可能由一 個(gè)簡(jiǎn)單的基于磁盤(pán)文件的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)，這僅僅是利用了那些數(shù)據(jù)庫(kù)的基本特性。此時(shí)，對(duì)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的研究就顯得尤為重要了。

1嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)

嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)通常是與嵌入式操作系統(tǒng)及具體的應(yīng)用集成在一起，無(wú)需獨(dú)立運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，由程序直接調(diào)用相應(yīng)的API就可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存取操作。嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境決定了其數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)：

1、  體積適當(dāng)

由于嵌入式系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和程序的運(yùn)行都有較強(qiáng)的空間限制，所以嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)首先應(yīng)該保障的就是適當(dāng)?shù)捏w積。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)就是占用盡量少的ROM、RAM及CPU的資源。

2、  功能齊備

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，用戶需求決定了需要一個(gè)大小適中、功能齊備的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)

管理，這就使得開(kāi)發(fā)人員要采用一個(gè)能夠提供完備開(kāi)發(fā)文檔且易于開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。此外，

國(guó)家863項(xiàng)目2002AA714023，研究生精品課程資助05531451

在嵌入式設(shè)備中，數(shù)據(jù)庫(kù)的管理對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是透明的，這就要求此數(shù)據(jù)庫(kù)能夠自動(dòng)完成啟動(dòng)初始化、日志管理、數(shù)據(jù)壓縮、備份、數(shù)據(jù)恢復(fù)等功能；而且嵌入式設(shè)備經(jīng)常有不可預(yù)料的硬復(fù)位，這就需要此數(shù)據(jù)庫(kù)有高度的健壯性。

3、  可移植性

嵌入式系統(tǒng)的平臺(tái)種類繁多，因此嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)有一定的可移植性，以適用于不同的軟硬件平臺(tái)。

4、代碼開(kāi)源

開(kāi)源的代碼在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中不僅可以減少開(kāi)發(fā)成本，更重要的是為后期的維護(hù)完善和穩(wěn)定運(yùn)行都提供了最為徹底的解決方法。

2 SQLite

    SQLite是D.理查德.希普用一個(gè)小型的C庫(kù)開(kāi)發(fā)的一種強(qiáng)有力的嵌入式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理體制。雖然功能較Berkeley DB稍顯遜色，但它簡(jiǎn)單易學(xué)、速度較快，同時(shí)提供了豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)接口，提供了對(duì)SQL92的大多數(shù)支持：支持多表和索引、事務(wù)、視圖、觸發(fā)和一系列的用戶 接口及驅(qū)動(dòng)。

    SQLite的體系結(jié)構(gòu)大體上可以分成八個(gè)主要的子系統(tǒng)，如圖1所示。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行的各種操作都是按照此順序，逐一執(zhí)行的。頂層是標(biāo)記處理器 （tokenize）和分析器（parser）。SQLite有自己高度優(yōu)化的代碼生成器，可以快速、高效地生產(chǎn)出代碼。底部是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的B樹(shù)，這樣有助 于運(yùn)行在可調(diào)整的頁(yè)面緩沖上時(shí)，對(duì)磁盤(pán)的查找降低到最小。再往下是頁(yè)面高速緩存，它作用在OS的抽象層之上，這樣的體系結(jié)構(gòu)使數(shù)據(jù)庫(kù)的可移植性變?yōu)榭赡堋?/p>

    該體系結(jié)構(gòu)的核心是虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)引擎（VDBE）。VDBE完成與數(shù)據(jù)操作相關(guān)的全部任務(wù)，并且是客戶和存儲(chǔ)之間信息交換的中間單元。從各個(gè)角度分析，它都 是SQLite的核心。當(dāng)SQL語(yǔ)句被分析后，VDBE便開(kāi)始工作。代碼生成器將分析樹(shù)翻譯成一個(gè)袖珍程序，隨后這些袖珍程序又被組合成VDBE的虛擬機(jī) 器語(yǔ)言表示的一系列指令。如此反復(fù)，VDBE執(zhí)行每條指令，最終完成SQL語(yǔ)句指定的查詢要求。

    SQLite有以下特性：支持ACID事務(wù)、零配置―無(wú)需安裝和管理配置、存儲(chǔ)在單一磁盤(pán)文件中的一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)文件可以在不同字節(jié)順序的機(jī)器 間自由共享、支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)大小至2TB、足夠小、全部源碼大致3萬(wàn)行C代碼，250KB、比目前流行的大多數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行速度快，提供了對(duì)事務(wù)功能和并發(fā)處理的 支持、應(yīng)用Transaction既保證了數(shù)據(jù)的完整性，也會(huì)提高運(yùn)行速度，因?yàn)槎鄺l語(yǔ)句一起提交給數(shù)據(jù)庫(kù)的速度會(huì)比逐一提交的方式更快、獨(dú)立、沒(méi)有額外 依賴。

3 Berkeley DB

Berkeley DB是由sleepycat software開(kāi)發(fā)的輕量級(jí)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，它不僅適用于嵌入式系統(tǒng)，而且可以直接連接到應(yīng)用程序內(nèi)部，和應(yīng)用程序運(yùn)行在同一地址空間。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)一般 作為獨(dú)立服務(wù)器工作，而B(niǎo)erkeley DB是軟件開(kāi)發(fā)庫(kù)，開(kāi)發(fā)者將它嵌入到應(yīng)用程序中，應(yīng)用程序本身就是一個(gè)服務(wù)器，而只是利用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)定制的數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯，避免了與應(yīng)用服務(wù)器進(jìn) 程間通信的開(kāi)銷，因此Berkeley DB具有較高的運(yùn)行效率，適用于資源受限的嵌入式系統(tǒng)。

一般而言，Berkeley DB數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以大致分為五個(gè)子系統(tǒng)，如圖2所示。

1、  存取管理子系統(tǒng)（Access Methods）

該子系統(tǒng)為創(chuàng)建和訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)文件提供基本的支持。在沒(méi)有事務(wù)管理的情況下，該子系統(tǒng)中的模塊可單獨(dú)使用，為應(yīng)用程序提供快速高效的數(shù)據(jù)存取服務(wù)。

2、  內(nèi)存池管理子系統(tǒng)（Memory Pool）

該子系統(tǒng)就是Berkeley DB所使用的通用共享內(nèi)存緩沖區(qū)，該子系統(tǒng)可以被應(yīng)用程序單獨(dú)使用。

3、  事務(wù)子系統(tǒng)（Transaction）

該子系統(tǒng)為Berkekey DB提供事務(wù)管理功能，保證操作的原則性、一致性和孤立性。事務(wù)子系統(tǒng)適用于對(duì)需要事務(wù)保證的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改的場(chǎng)合。

4、  鎖子系統(tǒng)（Locking）

該子系統(tǒng)提供進(jìn)程之間以及進(jìn)程內(nèi)部的并發(fā)管理機(jī)制，為系統(tǒng)提供多用戶讀取和單用戶修改同一對(duì)象的共享控制。該子系統(tǒng)可以被應(yīng)用程序單獨(dú)使用。

5、  日志子系統(tǒng)（Logging）

該子系統(tǒng)采用的是先寫(xiě)日志的策略，支持事務(wù)子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，保證數(shù)據(jù)一致性。

 

4、SQLite與Berkeley DB的異同

   通過(guò)上面的一些介紹，也許會(huì)對(duì)SQLite和Berkeley DB有了一定的了解。從目前的趨勢(shì)看，這兩款嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)有著旺盛的生命力，較好的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展空間。筆者翻閱了大量的資料，從各個(gè)角度，對(duì)它們的異同進(jìn)行了多方面，多層次的比較，如表1所示。

表1 SQLite與Berkeley DB的異同

特性

SQLite
Berkeley DB

是否為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)

是否支持SQL

開(kāi)發(fā)語(yǔ)言

數(shù)據(jù)類型

存儲(chǔ)方式

存儲(chǔ)模式

數(shù)據(jù)庫(kù)引擎

適用系統(tǒng)

 

錯(cuò)誤處理

加密功能

是否免費(fèi)

難易程度

是

是

C語(yǔ)言

無(wú)

轉(zhuǎn)換成ASCII碼

Btree

虛擬

從ARM/Linux到SPARC/Solaris多種硬件平臺(tái)

較少

弱

全部

較易

否

否

C、Java語(yǔ)言

無(wú)

原樣存儲(chǔ)

Btree、Hash、Queue和Recno

無(wú)

UNIX/POSIX systems、Win32及嵌入式系統(tǒng)WinCE、VxWorks等

較詳細(xì)

強(qiáng)

部分

較難

 

通過(guò)此表我們可以較為直觀地看到，SQLite和Berkeley DB在數(shù)據(jù)庫(kù)類型、開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、存儲(chǔ)方式、模式等方面有著較大的差異。下面筆者就對(duì)其中某些重要方面進(jìn)行相對(duì)詳細(xì)的論述：
1、  數(shù)據(jù)庫(kù)類型

SQLite基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式，支持絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的SQL92語(yǔ)句,在很大程度上實(shí)現(xiàn)了ANSI SQL92標(biāo)準(zhǔn)，特別是支持視圖、觸發(fā)器、事務(wù)，支持嵌套SQL。它通過(guò)SQL編譯器(SQL Complier)來(lái)實(shí)現(xiàn)SQL語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，采用單文件存放數(shù)據(jù)庫(kù)。在操作語(yǔ)句上更類似關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的產(chǎn)品使用,非常方便。這也就使得那些曾經(jīng) 有過(guò)PC機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)驗(yàn)的人，對(duì)SQLite的學(xué)習(xí)變得易如反掌。

此外，SQLite也有API的概念，而且極其易于使用,只需要三個(gè)用來(lái)執(zhí)行SQL和獲得數(shù)據(jù)的函數(shù)。它還是可以擴(kuò)展的,允許程序員自定義函數(shù)，然 后以callback的形式集合進(jìn)去。Ｃ語(yǔ)言API是腳本接口的基礎(chǔ),如已經(jīng)發(fā)布的(Tcl接口)。開(kāi)放源碼團(tuán)體已經(jīng)擴(kuò)展了眾多的客戶接口、適配器、驅(qū)動(dòng) 等,這就使得其他語(yǔ)言對(duì)SQLite的使用也成為可能。

Berkeley DB不是關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫(kù)，不能應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的SQL語(yǔ)句對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作，對(duì)它的操作要調(diào)用專用的API實(shí)現(xiàn)。這些API提供了查詢、插入、刪除等功能。使用 Berkeley DB提供的函數(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)和管理并不復(fù)雜。在大多數(shù)場(chǎng)合下，只需按照統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)用就可以完成最基本的操作。

2、  存儲(chǔ)方式及模式

SQLite只提供了Btree存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的模式。對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，SQLite不能直接保存；但可以先將二進(jìn)制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCII編碼，然后再保 存。Base64編碼機(jī)制是最常見(jiàn)的把二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCII編碼的手段。在SQLite的C語(yǔ)言代碼encode.c中，提供了Base64編碼的 功能。

Berkeley DB對(duì)任何存入的數(shù)據(jù)都是按原樣直接存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)文件中去，無(wú)論其是二進(jìn)制數(shù)據(jù)還是ASCII或Unicode等編碼的文本。Berkeley DB提供了四種存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的模式：Btree、Hash、Queue和Recno。在打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候，要指定一種存儲(chǔ)模式。

對(duì)于以上各種存儲(chǔ)模式的具體定義、優(yōu)缺點(diǎn)、及適用范圍，由于篇幅有限，在此就不過(guò)多敘述，如有需要可參閱相關(guān)資料。

3、  數(shù)據(jù)類型

SQLite最大的特點(diǎn)在于其數(shù)據(jù)類型為無(wú)數(shù)據(jù)類型(typelessness)。這意味著可以保存任何類型的數(shù)據(jù)到所想要保存的任何表的任何列 中，無(wú)論這列聲明的數(shù)據(jù)類型是什么。雖然在生成表結(jié)構(gòu)的時(shí)候，要聲明每個(gè)域的數(shù)據(jù)類型，但SQLite并不做任何檢查。開(kāi)發(fā)人員要靠自己的程序來(lái)控制輸入 與讀出數(shù)據(jù)的類型。這里有一個(gè)例外，就是當(dāng)主鍵為整型值時(shí)，如果要插入一個(gè)非整型值時(shí)會(huì)產(chǎn)生異常。

雖然，SQLite允許忽略數(shù)據(jù)類型，但是，仍然建議在Create Table語(yǔ)句中指定數(shù)據(jù)類型，因?yàn)閿?shù)據(jù)類型有利于增強(qiáng)程序的可讀性。另外，雖然在插入或讀出數(shù)據(jù)的時(shí)候是不區(qū)分類型的，但在比較的時(shí)候，不同數(shù)據(jù)類型是有區(qū)別的。

在Berkeley DB中關(guān)鍵字(key)和數(shù)據(jù)(data)是用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理的基礎(chǔ)，由這兩者構(gòu)成的key/data對(duì)，組成了數(shù)據(jù)庫(kù)中的一個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元。通過(guò)使用 這種方式，用API函數(shù)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，只需提供關(guān)鍵字就能夠訪問(wèn)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。關(guān)鍵字和數(shù)據(jù)在Berkeley DB中都是用一個(gè)名為DBT的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)來(lái)表示的，它的作用主要是保存相應(yīng)的內(nèi)存地址及其長(zhǎng)度。

5 應(yīng)用

SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)提供了以源碼發(fā)布的方式,要在眾多的硬件平臺(tái)進(jìn)行移植,可以根據(jù)不同平臺(tái)對(duì)源碼進(jìn)行交叉編譯來(lái)實(shí)現(xiàn)。編譯主要有以下幾個(gè)步驟:

1、到http://www.sqlite.org/的cvs中下載最新的源代碼包,解壓后將生成sqlite目錄,另外新建并轉(zhuǎn)到一個(gè)與sqlite目錄平行的同級(jí)目錄,如make目錄。

2、用“echo$PATH”命令查看PATH中是否已經(jīng)包含交叉編譯工具arm-linux-gcc。

3、為了在ARM-Linux下能正常運(yùn)行sqlite,需要對(duì)sqlite/src/sqliteInt.h作一定的修改,以確保btree(Ｂ 樹(shù))有正確的變量大小,如“ptr”和“char”。不同體系結(jié)構(gòu)的Linux,如X86和ARM,會(huì)有些差別。對(duì)于ARM-Linux可以找到如下部 分:

# ifndef INTPTR_TYPE

# if SQLITE_PTR_SZ==4

# define INTPTR_TYPE int

# else

# define INTPTR_TYPE long long

# endif

在上面的代碼前加上一句

# define SQLITE_PTR_SZ 4

這樣后面的“typedef INTPTR_TYPE ptr;”就是定義的“int”類型，而不是“long long”。

4、使用configure進(jìn)行一些配置。修改sqlite目錄下的configure,讓configure不去檢查交叉編譯環(huán)境。由于篇幅有限不再詳述。

5、修改Makefile文件。將代碼行BCC=arm-linux-gcc-g-O2改成BCC=gcc-g-O2。另外,一般是以靜態(tài)鏈接的形 式將sqlite放到ARM-Linux的硬件板上運(yùn)行的,所以繼續(xù)修改Makefile,找到標(biāo)記為sqlite:的代碼段,將其中的 libsqlite.la改成.libs/libsqlite.a。做完上述修改,用make生成sqlite、libsqlite.a、 libsqlite.so。為了減小執(zhí)行文件大小可以用strip處理,去掉其中的調(diào)試信息。

6、在ARM板上運(yùn)行sqlite。將sqlite拷貝到ARM板上,方法很多,需要根據(jù)具體的情況來(lái)選擇。如ftp、cm-dftp、wget等。將sqlite下載到ARM板的/tmp目錄,因?yàn)榇四夸浭强蓪?xiě)的。修改權(quán)限并運(yùn)行:

chmod+wx sqlite

./sqlite test.sqlite

會(huì)出現(xiàn)

       sqlite>

如果一切正常，現(xiàn)在sqlite已經(jīng)在ARM-Linux下跑了起來(lái)，然后就可以基于此進(jìn)行下一步的應(yīng)用開(kāi)發(fā)了。

6 結(jié)語(yǔ)

嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite和Berkeley DB，在體積上、功能上、運(yùn)行速度及難易程度都存在著或多或少的異同。但它們都有能夠充分適應(yīng)硬件的能力，能很好地適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)的需要。就筆者來(lái) 看，SQLite功能雖不及Berkeley DB強(qiáng)大,但它的設(shè)計(jì)思想是小型、快速和最小化的管理。這就使得SQLite在大小和功能之間找到了一個(gè)理想的平衡點(diǎn),而且完全的開(kāi)源代碼使其可以稱得上 是理想的“嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)”。當(dāng)然在具體的嵌入式應(yīng)用中可以根據(jù)具體情況選擇應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

1、http://www.sqlite.org ， SQLite的官方主頁(yè)

2、http://www.sleepycat.com ，Berkeley DB的官方主頁(yè)

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4、薛啟康.Linux環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫(kù).中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào),2001總期號(hào):1009

5、張孝.嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J/OL]. http://www.basesoft.com