41、数据库与万维网交互技术与工具解析

最新推荐文章于 2025-11-30 19:25:58 发布

assembly8low

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分类专栏：数据库系统：从理论到实践文章标签：数据库万维网 CGI

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数据库与万维网交互技术与工具解析

1. 数据库与万维网交互概述

在当今数字化时代，将数据库与万维网进行有效连接是实现动态网站内容展示和交互的关键。通过网络访问数据库，能够为用户提供实时、个性化的信息服务。下面将详细介绍几种常见的数据库与万维网交互技术和工具。

2. 通过 CGI 程序访问数据库

2.1 CGI 协议原理

CGI（Common Gateway Interface）协议是从 Web 访问数据库最简单的技术。其工作原理如下：
- HTTP 服务器接收到请求后，识别出 URL 所指示的资源是一个程序，然后通过 CGI 协议启动该程序。
- 程序访问数据库，将查询结果返回给服务器，服务器再将结果发送给浏览器。

2.2 示例代码

以下是一个用 C 语言编写并嵌入 SQL 的简单 CGI 程序，它以员工姓氏为输入，生成该员工的页面：

main(char Surname[])
{
  char Firstname[20], Department[20], City[20];
  char Address[60];
  int Age, Salary;
  $ open connection to NewCompanyDB
  $ select Firstname, Department, City, Address, Salary
      into :Firstname, :Department, :City, :Address, :Salary
    from Employee E, Branch B
    where E.Branch = B.City
      and Surname = :Surname ;
  $ close connection
  if (sqlcode == 0){
    printf("<html>\n<head><title> %s %s",Firstname,Surname,
           "</title></head>\n<body>\n");
    printf("<H3> %s %s",Firstname,Surname,"</H3>\n");
    printf("<table>\n");
    printf("<tr><td><em>Department</em>:</td><td>%s",
           Department,"</td></tr>\n");
    printf("<tr><td><em>City</em>:</td><td>%s",City,
           "</td></tr>\n");
    printf("<tr><td><em>Address</em>:</td><td>%s",Address,
           "</td></tr>\n");
    printf("<tr><td><em>Salary</em>:</td><td>%u",Salary,
           "</td><tr>\n");
    printf("<tr><td><a href=\"/cgi-bin/ProjOfEmp?Surname=%s",
            Surname,"\">Current projects</a></td>
            <td> </td></tr>\n");
    printf("</table>\n</body>\n</html>");
    }
  else {
    printf("<html>\n<head><title>Not found</title></head>
           \n<body>\n");
    printf("No employee has surname %s\n",Surname,"</body>\n
           </html>");
  }
}

该程序可以通过包含员工姓氏作为输入参数的 URL 调用，例如： http://www.nc.com/cgi-bin/Employee?Surname=Smith 。由于姓氏是关系的键，因此可以保证 select 语句最多返回一个元组，无需使用游标。

2.3 执行流程

程序打开与数据库的连接。
执行查询，将结果存储在合适的局部变量中。
生成 HTML 页面。
将页面传输给 HTTP 服务器，服务器再发送给客户端。

3. 开发工具

3.1 HTML 模板工具

为了方便基于数据库内容构建 Web 页面，出现了许多专门的开发工具，其中 HTML 模板工具是一种常用的方式。例如，下面的模板可以生成与上述 CGI 程序相同的 HTML 源：

<html>
<! tmplSQL connect database NewCompanyDB>
<! tmplSQL query "select Firstname, Department,
                         City, Address, Salary
                  from Employee E, Branch B
                  where E.Branch = B.City
                  and E.Surname = $Surname
                 ">
<head>
<title></title>
</head>
<H3>$1 $Surname</H3>
<table>
<tr><td><em>Department</em> :</td><td> $2</td></tr>
<tr><td><em>City</em> :</td><td>$3</td></tr>
<tr><td><em>Address</em> :</td><td>$4</td></tr>
<tr><td><em>Salary</em> :</td><td> $5 per year</td></tr>
<tr><td><a href="/cgi-bin/tmplSQL?tmpl=ProjOfEmp&Surname=$Surname">
         Current projects</a></td><td> </td></tr>
</table>
</body>
</html>

这个模板使用简化的语法，不依赖于 C 语言（或其他编程语言）。浏览器会忽略 <!…> 形式的 HTML 元素，因此可以显示模板，方便调试页面结构。

3.2 模板工具工作流程

URL 指向一个特定的程序（模板管理器）。
模板管理器接收模板名称和所需参数（如姓氏）。
访问数据库，返回 HTML 页面作为结果。

3.3 其他开发工具

除了 HTML 模板工具，还有许多其他开发工具被提出，例如 PL/SQL 语言最近增加了生成 HTML 接口的功能，以支持使用类似于传统数据库应用程序的工具访问网站。

4. CGI 协议的局限性

4.1 事务管理困难

由于 HTTP 是无状态的，管理需要多次访问数据库的事务变得不直观。例如，在一个购物车系统中，用户添加商品、修改数量、结算等操作可能需要多次与数据库交互，但 HTTP 无法自动跟踪这些操作的连续性。

4.2 性能问题

内存分配延迟 ：每次执行 CGI 程序时，操作系统都需要为其分配主内存空间。如果程序较大，内存分配延迟可能会很高。
进程开销大 ：不同的请求会生成不同的进程，对于请求频繁且 CGI 程序较大的系统，这种开销会非常大。

4.3 数据库连接成本高

CGI 程序每次启动时都会请求与数据库管理系统（DBMS）建立新的连接，并且在程序结束前关闭会话。频繁的连接和关闭操作会增加数据库的负载，特别是在请求较多的情况下，可能会导致数据库过载。

4.4 关键词搜索服务难以实现

标准的搜索工具通常只能对网站上静态存储的文件进行搜索，而无法对动态生成的文件进行搜索。要在数据库中实现关键词搜索，需要引入额外的应用模块。

5. 解决 CGI 协议局限性的方法

5.1 模拟长连接进行事务处理

5.1.1 用户标识符方法

要求用户指定一个标识符，并在每个页面请求中重复使用该标识符，将其“隐藏”在 HTML 代码中。这样服务器可以通过标识符识别用户的连续操作。

5.1.2 Cookie 方法

Cookie 是服务器可以在 HTTP 响应头的合适字段中发送给客户端的一小段数据（最多 4K 字节）。浏览器会将 Cookie 内容存储为其配置的一部分，并在每次连接到生成该 Cookie 的服务器时将其发送回去。因此，Cookie 可以用于识别用户，从而在同一会话中识别连续的操作。

5.2 基于服务器的替代方案

5.2.1 页面物化

将网站的 HTML 页面基于数据库内容进行物化，即提前将数据库中的数据“推送”到网站上。这种方法可以消除 CGI 进程激活和终止带来的性能问题，减轻数据库的负载。但缺点是网站上的信息可能会过时。

5.2.2 扩展 HTTP 服务器功能

通过与 HTTP 服务器关联的库实现直接访问数据库的功能，称为服务器 API（Application Programming Interface）。这种方法可以减少激活操作，提高性能，但不同服务器提供的 API 可能不同，导致应用程序的可移植性较差。

5.2.3 瘦 CGI

使用微小的 CGI 程序（瘦 CGI）接收 Web 服务器请求，并打开与另一个模块（CGI 服务器）的连接。CGI 服务器是一个永久活动的进程，可以管理事务和安全，同时避免了大进程的性能问题。

5.3 基于客户端的替代方案

5.3.1 浏览器扩展

浏览器可以执行动态库形式的软件模块，其中一些模块可用于访问远程数据库。这些模块可以存储在客户端机器上，也可以嵌入 HTML 代码中。

5.3.2 外部助手

浏览器可以启动或将控制权交给外部工具（助手或查看器），如 SQL 解释器或本地应用程序，以访问远程数据库。

5.3.3 专用浏览器

一些数据库管理系统供应商曾尝试开发专门用于数据库访问的浏览器，但由于用户通常更倾向于使用通用浏览器，这种方法并未取得显著成功。

5.4 客户端解决方案的编程语言

5.4.1 Java

Java 是一种现代的面向对象语言，具有可移植性和安全性。其程序以字节码形式存在，许多机器上都有对应的解释器。Java 常用于开发 applets，可嵌入 Web 页面中为客户端提供扩展功能。

5.4.2 JavaScript

JavaScript 是一种脚本语言，可用于动态扩展和修改 HTML 页面内容。它具有丰富的浏览器特定命令，无需像 Java 那样的执行环境。

5.4.3 Microsoft ActiveX

这是一种扩展浏览器功能的架构，允许浏览器执行应用程序。它利用了 Windows 平台的普及性，性能较好，但通常无法保证可移植性和安全性。

5.4.4 JDBC 协议

JDBC（Java Data Base Connectivity）协议的目标是允许 Java 应用程序以类似于 ODBC 协议的方式访问关系数据库，而不依赖于特定的数据库管理系统。其架构包括一个驱动管理器层，将应用程序与服务器隔离开来。具体有以下两种实现方式：
- JDBC 原生驱动 ：Java 模块将 JDBC 驱动管理器生成的 Java 调用转换为 Java 环境外部驱动（通常是用机器原生语言编写的现有数据库驱动）使用的格式。
- JDBC/ODBC 桥 ：这是上述架构的一种特殊情况，使用 ODBC 驱动代替通用数据库驱动。JDBC/ODBC 桥将 JDBC 驱动管理器生成的 Java 调用转换为 ODBC 协议的调用，因此需要目标数据库管理系统的 ODBC 驱动。

综上所述，在数据库与万维网交互的过程中，不同的技术和工具各有优缺点。开发者需要根据具体的应用场景和需求，选择合适的方法来实现高效、稳定的交互。例如，对于对数据实时性要求不高的网站，可以考虑使用页面物化的方法；而对于需要频繁更新数据和进行复杂事务处理的应用，则可能需要采用更高级的技术，如服务器 API 或客户端解决方案。同时，在选择编程语言和协议时，也要充分考虑可移植性、安全性和性能等因素。

通过以上的分析和总结，希望能帮助开发者更好地理解和选择适合自己项目的数据库与万维网交互技术和工具。

下面是一个 mermaid 格式的流程图，展示了 CGI 程序访问数据库的基本流程：

graph LR
    A[浏览器发送请求] --> B[HTTP 服务器接收请求]
    B --> C{URL 资源是否为程序}
    C -- 是 --> D[通过 CGI 协议启动程序]
    D --> E[程序访问数据库]
    E --> F[程序将结果返回给服务器]
    F --> G[服务器将结果发送给浏览器]
    C -- 否 --> H[返回静态资源]

这个流程图清晰地展示了 CGI 程序在数据库与万维网交互中的工作流程，有助于进一步理解其原理。

6. 不同解决方案的适用场景分析

6.1 基于业务类型的选择

静态内容为主的网站 ：对于新闻网站、企业宣传网站等以静态内容为主的网站，页面物化是一个不错的选择。这些网站的数据更新频率相对较低，提前将数据库中的数据生成 HTML 页面可以减少服务器的负载，提高响应速度。例如，一个新闻网站每天更新的新闻数量有限，通过定期从数据库生成页面，可以避免每次用户访问都进行数据库查询。
实时交互性强的应用 ：对于电子商务网站、在线游戏等实时交互性强的应用，需要采用更灵活的解决方案。服务器 API 或客户端解决方案可以更好地满足这类应用的需求。例如，在电子商务网站中，用户添加商品到购物车、下单等操作需要实时更新数据库，服务器 API 可以快速处理这些请求，而客户端解决方案可以减少服务器的负担，提高用户体验。

6.2 基于用户规模和访问量的选择

小规模用户和低访问量 ：对于个人博客、小型企业网站等用户规模较小、访问量较低的网站，CGI 程序或 HTML 模板工具就可以满足需求。这些技术实现简单，成本较低。例如，一个个人博客网站，每天的访问量可能只有几十次，使用 CGI 程序就可以轻松实现文章的展示和查询。
大规模用户和高访问量 ：对于大型门户网站、社交网络等用户规模大、访问量高的网站，需要采用更高效的解决方案。瘦 CGI、服务器 API 或客户端解决方案可以更好地应对高并发请求。例如，一个社交网络网站每天有几百万甚至几千万的用户访问，采用瘦 CGI 可以减少进程开销，提高服务器的处理能力。

6.3 基于安全性和可移植性的选择

对安全性要求高的场景 ：在金融、医疗等对安全性要求较高的领域，Java 或 JDBC 协议是比较合适的选择。Java 具有良好的安全性机制，JDBC 协议可以独立于特定的数据库管理系统，减少了安全漏洞的风险。例如，在网上银行系统中，用户的账户信息和交易记录需要高度的安全性，使用 Java 和 JDBC 可以确保数据的安全传输和存储。
对可移植性要求高的场景 ：对于跨平台的应用程序，Java 和 JavaScript 是不错的选择。Java 的字节码可以在不同的操作系统上运行，JavaScript 可以在各种浏览器中执行。例如，一个企业开发的内部管理系统需要在不同的部门和设备上使用，采用 Java 或 JavaScript 可以确保系统的可移植性。

7. 实际案例分析

7.1 某电商网站的数据库与万维网交互方案

某电商网站为了提高用户体验和系统性能，采用了以下数据库与万维网交互方案：
- 商品展示 ：对于商品列表页面，采用页面物化的方式。每天凌晨系统自动从数据库中提取商品信息，生成 HTML 页面并存储在服务器上。用户访问商品列表页面时，直接返回静态页面，减少了数据库查询的次数，提高了页面加载速度。
- 购物车和订单处理 ：采用服务器 API 技术。当用户添加商品到购物车、修改购物车内容或下单时，服务器 API 直接处理这些请求，与数据库进行交互。服务器 API 可以管理事务和授权，确保数据的一致性和安全性。
- 用户评论和搜索功能 ：采用客户端解决方案。用户在商品详情页面发表评论或进行搜索时，浏览器通过 JavaScript 与服务器进行异步通信，减少了页面的刷新次数，提高了用户体验。同时，服务器端使用专门的搜索引擎模块对数据库进行搜索，提高了搜索的准确性和效率。

7.2 某在线教育平台的数据库与万维网交互方案

某在线教育平台为了满足不同用户的需求，采用了多种数据库与万维网交互方案：
- 课程展示 ：采用 HTML 模板工具。平台根据课程分类和标签，使用 HTML 模板生成课程列表页面和课程详情页面。这样可以方便地对页面进行修改和维护，同时提高了开发效率。
- 学习记录和作业提交 ：采用 CGI 程序。当用户学习课程、提交作业时，CGI 程序将用户的操作记录到数据库中。由于这些操作相对较少，CGI 程序可以满足需求，同时实现简单。
- 实时答疑和讨论区 ：采用客户端解决方案。用户在实时答疑和讨论区进行交流时，浏览器通过 WebSocket 与服务器进行实时通信，确保消息的即时性。服务器端使用数据库存储用户的聊天记录和讨论内容。

8. 总结与展望

8.1 总结

数据库与万维网的交互技术和工具多种多样，每种技术都有其优缺点和适用场景。在实际应用中，需要根据业务需求、用户规模、安全性和可移植性等因素综合考虑，选择合适的解决方案。例如，对于静态内容为主的网站，可以采用页面物化；对于实时交互性强的应用，可以采用服务器 API 或客户端解决方案；对于对安全性要求高的场景，可以采用 Java 或 JDBC 协议。

8.2 展望

随着互联网技术的不断发展，数据库与万维网的交互技术也将不断创新和完善。未来可能会出现以下趋势：
- 更高效的数据库访问协议 ：为了提高数据库访问的性能和安全性，可能会出现更高效的数据库访问协议，如基于区块链技术的数据库访问协议。
- 人工智能与数据库的结合 ：人工智能技术可以用于优化数据库查询、预测用户需求等。例如，通过机器学习算法对用户的行为数据进行分析，为用户提供个性化的推荐服务。
- 跨平台和跨设备的统一解决方案 ：随着移动设备的普及，需要开发跨平台和跨设备的统一解决方案，使用户可以在不同的设备上无缝访问数据库。

下面是一个 mermaid 格式的流程图，展示了根据不同因素选择解决方案的过程：

graph LR
    A[业务类型] --> B{静态内容为主?}
    B -- 是 --> C[页面物化]
    B -- 否 --> D{实时交互性强?}
    D -- 是 --> E[服务器 API 或客户端解决方案]
    D -- 否 --> F[用户规模和访问量]
    F --> G{小规模用户和低访问量?}
    G -- 是 --> H[CGI 程序或 HTML 模板工具]
    G -- 否 --> I[瘦 CGI、服务器 API 或客户端解决方案]
    J[安全性要求] --> K{要求高?}
    K -- 是 --> L[Java 或 JDBC 协议]
    M[可移植性要求] --> N{要求高?}
    N -- 是 --> O[Java 或 JavaScript]

这个流程图可以帮助开发者在实际应用中根据不同的因素选择合适的数据库与万维网交互解决方案。通过对各种技术和工具的深入了解和合理应用，可以实现高效、稳定的数据库与万维网交互，为用户提供更好的服务。