XML Schema 与 XML DTD的技术比较与分析

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XML之DTD与Schema XML之DTD与Schema 什么是格式良好的XML DTD Schema 1、什么是格式良好的XML a 有且只有一个根元素 b XML标签大小写正确区分 c 正确使用结束标签 d 正确嵌套标签 e 使用了合法的标签名 f 定义有效的属性 2、DTD DTD简介 DTD的方法及其元素限制应用 1、DTD简介　　DTD（Document Type Definition，文档类型定义） ... 阅读详情

XML Schema 与 XML DTD的技术比较与分析

级别: 初级

周竞涛西北工业大学CAD/CAM国家专业实验室
王明微西北工业大学CAD/CAM国家专业实验室

2002 年 7 月 01 日

XML DTD是目前使用最广泛的一种XML 模式，XML Schema则已经成为W3C的正式推荐标准，并有替代XML DTD的趋势。那么，从技术角度看，XML Schema与XML DTD有那些区别，XML Schema又有那些优势呢？

引言

XML DTD(XML的文档类型定义)是近几年来XML技术领域所使用的最广泛的一种模式。但是，由于XML DTD并不能完全满足XML自动化处理的要求，例如不能很好实现应用程序不同模块间的相互协调，缺乏对文档结构、属性、数据类型等约束的足够描述等等，所以W3C于2001年5月正式推荐XML Schema为XML 的标准模式。显然，W3C希望以XML Schema来作为XML模式描述语言的主流，并逐渐代替XML DTD。那么XML Schema与XML DTD相比到底有哪些优势呢，XML DTD是否真的会在XML的模式描述领域中逐渐消失呢？

XML模式与XML格式

XML模式是指用来描述XML结构、约束等因素的语言，例如XML Schema、XML DTD、XDR，SOX等等。XML格式则是XML文档本身所具有的格式。本文以XML Schema来代表W3C所推荐的XML Schema模式标准，而以"XML模式"来代表所有的XML模式描述语言。

从模式的描述语言来说，XML Schema和XML DTD都属于语法模式。与概念模式不同，语法模式在对同一事物描述时，可以采用不同的语法，例如在对关系模式描述时，无论是使用XML Schema还是XML DTD，都既可以用元素也可以用属性来描述关系模式的列。

模式必须以某种格式来表示，XML Schema的格式与XML DTD的格式有着非常明显的区别，XML Schema事实上也是XML的一种应用，也就是说XML Schema的格式与XML的格式是完全相同的，而作为SGML DTD的一个子集，XML DTD具有着与XML格式完全不同的格式。这种区别会给XML Schema的使用带来许多好处：

XML用户在使用XML Schema的时候，不需要为了理解XML Schema而重新学习，节省了时间；
由于XML Schema本身也是一种XML，所以许多的XML编辑工具、API 开发包、XML语法分析器可以直接的应用到XML Schema，而不需要修改。
作为XML的一个应用，XML Schema理所当然的继承了XML的自描述性和可扩展性，这使得XML Schema 更具有可读性和灵活性。
由于格式完全与XML一样，XML Schema除了可以像XML一样处理外，也可以同它所描述的XML文档以同样的方式存储在一起，方便管理。
XML Schema与XML格式的一致性，使得以XML为数据交换的应用系统之间，也可以方便的进行模式交换。
XML有非常高的合法性要求，XML DTD对XML的描述，往往也被用作验证XML合法性的一个基础，但是XML DTD本身的合法性却缺少较好的验证机制，必需独立处理。XML Schema则不同，它与XML有着同样的合法性验证机制。

数据类型

或许，对于许多开发人员来讲，XML Schema与XML DTD相比的一个最显著的特征，就是其对数据类型的支持了。这完全是因为XML DTD提供的数据类型只有CDATA 、Enumerated、NMTOKEN 、NMTOKENS等十种内置（built-in）数据类型。这样少的数据类型通常无法满足文档的可理解性和数据交换的需要。XML Schema则不同，它内置了三十七种数据类型，如long，int，short，double等常用的数据类型，并通过将数据类型表示为由value space、lexical space和facet三部分组成的三元组而获得更大的灵活性。但是， XML Schema数据类型的真正灵活性来自于其对用户自定义类型的支持。XML Schema提供两种方式来实现数据类型的定义。

1) 简单类型定义（simpleType），即在XML Schema内置的数据类型基础上或其它由XML Schema内置的数据类型继承或定义所得到的简单的数据类型（simpleType）基础上，通过restriction，list 或者 union方式定义新的数据类型。

例如：

源码1 restriction方式的定义

<simpleType name='Sku'>
<restriction base='string'>
<pattern value='/d{3}-[A-Z]{2}'/>
</restriction>
</simpleType>

源码2 list方式的定义

<simpleType name='listOfDouble'>
<list itemType='double'/>
</simpleType>

源码3 union方式的定义

<xsd:attribute name="size">
        <xsd:simpleType>
            <xsd:union>
                <xsd:simpleType>
                    <xsd:restriction base="xsd:positiveInteger">
                        <xsd:minInclusive value="1"/>
                        <xsd:maxInclusive value="12"/>
                    </xsd:restriction>
                </xsd:simpleType>
                <xsd:simpleType>
                    <xsd:restriction base="xsd:string">
                        <xsd:enumeration value="month"/>
                    </xsd:restriction>
                </xsd:simpleType>
            </xsd:union>
        </xsd:simpleType>
    </xsd:attribute>

2) 复合类型定义（complexType），该方法提供了一种功能强大的复杂数据类型定义机制，可以实现包括结构描述在内的复杂的数据类型。下面是一个以 complexType定义实现关系模式中表结构的例子，设有表T_C_Type（Psign，Count），其中Psign为CHAR数据类型， Count为NUMBER数据类型。则有：

源码4 complexType定义

<!--表结构类型定义-->
    <complexType name="T_C_Type">
        <sequence minOccurs="0" maxOccurs="unbounded">
            <element name="Psign">
                <complexType>
                    <simpleContent>
                        <restriction base="string">
                            <attribute name="value" type="string"/>
                        </restriction>
                    </simpleContent>
                </complexType>
            </element>
            <element name="Count" minOccurs="0">
                <complexType>
                    <complexContent>
                        <restriction base="anyType">
                            <attribute name="value" type="int" use="optional"/>
                        </restriction>
                    </complexContent>
                </complexType>
            </element>
        </sequence>
    </complexType>

不仅如此，XML Schema还允许元素的内容取空值，这一点可以扩大XML Schema对数据情况的描述范围，而XML DTD则无能为力。例如：

源码5 XML Schema 元素取空值的定义

<element name='test' nullable='true'/>

元素顺序的支持

XML DTD与XML Schema 都支持对子元素节点顺序的描述，但XML DTD没有提供对于无序情况的描述，也就是如果以XML DTD来描述元素的无顺序出现情况，它必须采用穷举元素各种可能出现的排列顺序的方式来实现，这种方法不仅繁琐，有时甚至是不现实的。例如对于table 的a，b子元素，如果希望它们以任意的顺序出现，用XML DTD来描述：

源码6 a，b子元素任意顺序出现的XML DTD定义

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!ELEMENT ENTER_NAME_OF_ROOT_ELEMENT_HERE EMPTY>
<!ELEMENT table ((a,b)|(b,a))>
<!ELEMENT a  (#PCDATA)>
<!ELEMENT b (#PCDATA)>

XML Schema提供了<all>标记来描述这种情况：

源码7 a，b子元素任意顺序出现的XML Schema定义

<xsd:element name="a" type="xsd:string"/>
    <xsd:element name="b" type="xsd:string"/>
    <xsd:element name="table">
        <xsd:complexType>
            <xsd:all>
                <xsd:element ref="a"/>
                <xsd:element ref="b"/>
            </xsd:all>
        </xsd:complexType>
    </xsd:element>

可见，用XML Schema来实现子元素的无序描述要简单的多。

命名空间

在XML中引入命名空间的目的是为了能够在一个XML文档中使用其它XML文档中的一些具有通用性的定义（通常是一些元素或数据类型等的定义），并保证不产生语义上的冲突。XML DTD并不能支持这一特性，这进一步限制了XML DTD的适用范围。而XML Schema则很好的满足了这一点。

并且， XML Schema还提供了include 和 import两种引用命名空间的方法。下面的例子中XML Schema文档引用了其它两个XML Schema的定义，通过使用import实现了混合使用不同命名空间的目的。例子中还定义了不同命名空间中元素之间的keyref约束。

源码8 XML Schema对命名空间的使用

schema targetNamespace="http://202.117.84.144"
xmlns:xs="http://202.117.84.144"
xmlns="http://www.w3.org/2001/XMLSchema"
xmlns:a="http://202.117.84.228/middlewareSqlServer2000sqlservertest20211784228"
xmlns:b="http://202.117.84.228/middlewareOracle805ioracletest20211784144" 
elementFormDefault="qualified">
<import namespace="http://202.117.84.228/middlewareSqlServer2000sqlservertest20211784228" 
    schemaLocation="F:/xml schema/middlewareSqlServer2000sqlservertest20211784228.xsd"/>
<import namespace="http://202.117.84.228/middlewareOracle805ioracletest20211784144"
    schemaLocation="F:/xml schema/middlewareOrcal805ioracletest20211784144.xsd"/>
    <annotation>
        <documentation xml:lang="cn">
   schema for Middleware
   Copyright 2001 Zhou Jingtao. All rights reserved.
  </documentation>
    </annotation>
    <element name="CombineDatabase">
        <complexType>
            <sequence>
                <element name="CombinGlobeSchema">
                    <complexType>
                        <sequence>
                            <element ref="a:H-Database"/>
                            <element ref="b:H-Database"/>
                        </sequence>
                    </complexType>
                    <keyref name="SqlServerTest_T_C_Psign" refer="b:gz_jgxx_ID_pk">
                        <selector xpath="a:H-Database/a:SqlServerTest/a:T_C/a:Count"/>
                        <field xpath="@value"/>
                    </keyref>
                </element>
            </sequence>
        </complexType>
    </element>
</schema>

对于API的支持

在掌握和使用XML技术时，DOM和SAX可能是技术人员最常使用到的XML API。DOM和SAX只对XML实例文档有效，虽然可以通过它们实现以XML DTD来验证XML文档,但是DOM和SAX却没有提供解析XML DTD文档内容的功能，也就是说我们无法通过DOM或SAX来得到DTD中元素、属性的声明和约束的描述。但是在基于XML+DTD的数据交换过程中，一些应用程序需要得到DTD本身的描述内容和结构，以方便对XML文档中数据的处理，例如在使用关系数据库存储XML 文档的过程中就涉及到如何将XML DTD映射为关系模式描述的问题。为了实现对XML DTD的解读，研究人员必须为XML DTD开发新的接口或者专用工具，带来了很大的不便。

由于XML Schema本身就是一个XML 文档，所以我们可以通过使用DOM、SAX或JDOM等XML API很容易的解析XML Schema，这就实现了XML文档与其描述模式处理方式的一致性，利于数据的传输和交换。

更加清晰的属性出现情况的限制、以及缺省值和枚举

XML DTD以关键字#IMPlIED、#FIXED和#REQUIRED来指定属性是否出现，并支持属性缺省值的定义。XML Schema则提供了更明确的标记来实现清晰易懂的表示。XML Schema废弃了XML DTD的#IMPlIED，不再支持属性的隐含状态，而要求必须给出明确的状态，并以prohibited来表示属性的禁用。对于缺省值的表达则更为直观，用default来直接给出。

源码9 XML DTD 、XML Schema对属性出现情况的限制

<!ATTLIST TestDTD testAr1 CDATA  #IMPLIED>
<!ATTLIST TestDTD testAr2 CDATA  #REQUIRED>
<!ATTLIST TestDTD testAr3 CDATA  #FIXED "3">
<!ATTLIST TestDTD testAr4 CDATA  "3">

<xsd:attribute name="TestAr1" type="xsd:string" use="optional" default="3"/>
<xsd:attribute name="TestAr2" type="xsd:string" use="prohibited"/>
<xsd:attribute name="TestAr3" type="xsd:string" use="required" fixed="3"/>

对于XML Schema在枚举方面的改进，请参见参考资料中"XML 问题 #7 W3C XML Schema 与文档类型定义 (DTD) 比较"一文（文献9）。

注释

XML DTD和XML Schema都支持<!-注释内容-->这样的注释方法，但是XML Schema提供了更灵活和有用的注释方式：documentation和appinfo。它们提供了面向读者和应用的注释。

源码10 XML Schema的注释

<xsd:annotation>
<xsd:documentation>面向用户和应用的注释</xsd:documentation>
<xsd:appinfo>
//这是一段C语言代码。
#include stdio.h
void main()
{
int i,j;
i =1;
j=i+1;
}
</xsd:appinfo>

对数据库的支持

目前如何将关系数据表示为XML数据和如何实现基于关系数据库的XML数据存储、查询和更新已经成为了研究的热点。Deutsh，Florescu [5]，Kossman[5]，Shanmugasundaram[6,7]和D W Lee[8]等人都在XML与关系数据的相互转化问题方面作了较深入的研究。然而由于XML Schema成为正式推荐标准的时间较晚，加之XML DTD语法相对简单，所以现在大部分的研究和应用都是基于XML DTD展开的。但是，XML DTD在对关系数据的描述方面明显存在着不足，例如XML DTD有限的数据类型根本无法完成对关系数据数据类型的一一映射，也无法实现大部分的数据规则的描述。XML Schema提供了更多的内建数据类型，并支持用户对数据类型的扩展，基本上满足了关系模式在数据描述上的需要，这一点可以作为XML Schema比XML DTD更适合描述关系数据的一个主要的原因。

一个结论

通过比较，可以看出，XML Schema比XML DTD具有更强的表现力，能够更好的满足不同领域应用的需求。那么，是不是可以说XML DTD会很快被XML Schema替代并最终消失呢。从作者的观点来看，XML Schema虽然在大多数的应用领域都有替代XML DTD的趋势，但是XML DTD仍然有它的适用范围，并不可能被XML Schema完全替代：

XML DTD是作为XML 标准的一部分发布的，W3C似乎并没有准备将其从XML标准中废除掉，对于XML DTD的支持还将持续。
目前大多数的面向XML应用，都对XML DTD做了很好的支持，XML DTD的工具也相对较为成熟，一般情况下，这些应用和工具并不会选择以XML Schema替换XML DTD的方式对其升级，更多的选择应该是二者都支持。当然，对于那些对数据交换或者描述能力要求较高、XML DTD已不能满足功能需求的应用来说，以XML Schema来代替XML DTD已经成为一种必然趋势。
当前大多数与XML 模式相关的算法研究都是基于XML DTD展开的，作为一种研究的延续，并不会放弃XML DTD的研究成果，但是，针对XML Schema的研究将会成为一个新的热点。
在一些相对要求简单的处理环境中，XML DTD仍然会占有它的一席之地。
同其他技术的发展一样，由于新标准的出现，XML DTD的作用会逐渐减弱，但正如层次数据库在今天仍然在使用一样，对XML Schema是否会完全替代XML DTD做一个结论似乎为时过早。

所以，作为一种强有力的标准，XML Schema作为XML模式的主流已经成为一种趋势；但作为一种最简单的XML模式，XML DTD也还将会在一段时间内发挥它应有的作用。

参考资料

Fallside D C. XML Schema Part 0: Primer. http://www.w3.org/TR/xmlschema-0, 2001.5 XML Schema 标准的总体介绍。
Thompson H,et al . XML Schema Part 1: Structures. http://www.w3.org/TR/xmlschema-1, 2001.5 XML Schema的结构标准
Biron P V, Malhotra A. XML Schema Part 2: Datatypes. http://www.w3.org/TR/xmlschema-2, 2001.5 XML Schema的数据类型标准。
Lee D W, Chu W W. Comparative Analysis of Six XML Schema Languages.ACM SIGMOD Record, 2000.9,29(3): 76~87 该文对XML 模式中的XML DTD , XML Schema , XDR , SOX , Schematron, DSD作了详细的比较，其中对于XML Schema的论述，由于当时XML Schema标准还未定稿，所以与最新的标准相比有些出入。
Florescu D, Kossman D. Storing and Querying XML Data Using a RDBMS. IEEE Data Engineering Bulletin, 1999,22(3): 27~34 研究了如何利用RDBMS实现XML数据的存储和查询。
Shanmugasundaram J, et al..Efficiently Publishing Relational Data as XML Documents.．The VLDB Journal, 2000, 65~76 提出了一种基于SQL语言的的关系数据到XML的有效发布方法。
Shanmugasundaram J,et al.Querying XML Views of Relational Data．The VLDB Journal, 2001, 261~270提出了用来实现复杂XQuery的框架结构，研究如何提高XML视的查询效率。
Lee D W, Chu W W. Constraints-preserving Transformation from XML Document Type Definition to Relational Schema.International Conference on Conceptual Modeling / the Entity Relationship Approach, 2000, 323~338 详细论述了XML DTD到关系模式的映射算法CPI。
David Mertz ，W3C XML Schema 与文档类型定义 (DTD) 比较， http://www.ibm.com/developerWorks/cn/xml/x-matters/part7/index.shtml。

作者简介


		周竞涛，西北工业大学CAD/CAM国家专业实验室博士研究生，致力于将哲学、数学结合到技术研究中，主要研究方向：中间件、XML技术、EII，Semantic Web Services。可以通过 zhoujtnet@yahoo.com.cn与他联系。


		王明微，陕西西安，西北工业大学CAD/CAM国家专业实验室硕士研究生，研究方向：逆向工程、模式识别。可以通过 wangmv@hotmail.com与他联系。