22、数据库应用开发与管理：关键技术与实践指南-优快云博客

数据库应用开发与管理：关键技术与实践指南

在当今数字化时代，数据库的应用无处不在，从简单的个人应用到复杂的企业级系统，数据库都扮演着至关重要的角色。本文将深入探讨数据库应用开发与管理的多个方面，包括Web接口实现、性能优化、标准化、电子商务应用以及遗留系统处理等关键主题。

1. Web接口与数据库的融合

在现代应用中，Web已成为与数据库交互的主要用户界面。以下是其重要性及相关技术的详细介绍：
- 动机：Web浏览器提供了一个通用的前端界面，用户无需下载特定软件即可访问信息。随着信息服务和电子商务的发展，数据库与Web的连接变得至关重要。此外，静态网页存在局限性，而动态生成的网页可以根据数据库内容自动更新，并为用户提供个性化体验。
- Web基础
- 统一资源定位符（URL） ：是全球唯一的文档标识符，例如 http://www.bell-labs.com/topic/books/db-book 。URL的第一部分指示访问方式，第二部分是服务器名称，其余部分是文件路径或文档标识符。动态数据的URL可能包含程序标识符和参数，如 http://www.google.com/search?q=silberschatz 。
- 超文本标记语言（HTML） ：用于创建包含表格和表单的网页。例如，以下是一个简单的HTML代码示例：

<html>
<body>
<table BORDER COLS=3>
<tr> <td>C-101</td> <td>Centro</td> <td>500</td> </tr>
<tr> <td>C-102</td> <td>Navacerrada</td> <td>400</td> </tr>
<tr> <td>C-201</td> <td>Galapagar </td> <td>900</td> </tr>
</table>
<center> La <i>relación</i> cuenta </center>
<form action=”BankQuery” method=get>
Seleccione cuenta/préstamo e introduzca el número <br>
<select name=”tipo”>
<option value=”cuenta” seleccionada>Cuenta
<option value=”préstamo”> Préstamo
</select>
<input type=text size=5 name=”número”>
<input type=submit value=”Enviar”>
</body>
</html>

HTML还支持样式表（CSS），可以统一网站页面的外观。
- **客户端脚本和小程序**：在网页中包含程序代码可以实现动画等交互功能，提高用户体验。Java是一种安全的编程语言，其小程序（applets）可以在浏览器中安全运行。此外，JavaScript是最常用的客户端脚本语言，还有一些专门用于特定任务的脚本语言，如Flash和VRML。

Web服务器与会话 ：Web服务器接受浏览器请求并返回HTML文档，通过HTTP协议进行通信。常见的Web服务架构有三层架构和两层架构。由于HTTP是无连接协议，为了维护用户会话信息，使用了cookie技术。服务器在用户认证后发送cookie给客户端，并在本地保存副本，后续请求中浏览器会自动发送cookie，服务器通过比较cookie来识别用户会话。
Servlet ：在两层Web架构中，应用程序作为Web服务器的一部分运行。Java的Servlet规范定义了Web服务器与应用程序之间的编程接口。以下是一个简单的Servlet代码示例：

public class BankQueryServlet extends HttpServlet {
    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse result)
        throws ServletException, IOException
    {
        String type = request.getParameter(“type”);
        String number = request.getParameter(“number”);
        // ... 代码用于查询贷款/账户余额 ...
        // ... 使用JDBC与数据库通信 ...
        // ... 假设值保存在变量balance中 ...
        result.setContentType(“text/html”);
        PrintWriter out = result.getWriter();
        out.println(“<HEAD><TITLE> Resultado de la consulta</TITLE></HEAD>”);
        out.println(“<BODY>”);
        out.println(“Saldo a ” + type + number + “ = ” + balance);
        out.println(“</BODY>”);
        out.close();
    }
}

服务器端脚本 ：与编写复杂的Java或C应用程序相比，服务器端脚本提供了一种更简单的创建应用程序的方法。常见的服务器端脚本语言有Server - Side JavaScript、JScript、JSP、PHP、CFML和DTML等。
性能改进 ：为了应对大量用户请求，提高网站响应速度，采用了缓存技术。例如，缓存JDBC连接、查询结果和最终网页。同时，还可以通过调整数据库系统的参数和设计来优化性能，如调整硬件、架构、索引和事务等。

2. 性能优化

性能优化是数据库应用开发和管理中的关键环节，以下是具体的优化方法：
- 瓶颈定位 ：大多数系统的性能主要受限于一个或几个组件，即瓶颈。例如，一个程序可能80%的时间花费在一个小循环中，这个小循环就是瓶颈。调整系统时，应首先找出瓶颈并消除它。数据库系统可以建模为队列系统，事务需要多个服务，每个服务都有一个队列。当资源利用率接近100%时，队列长度会急剧增加，导致响应时间过长。一般来说，资源利用率接近70%被认为是良好的，超过90%则被认为过高。
- 可调整参数 ：数据库管理员可以在三个层面调整数据库系统：
- 硬件层面 ：如添加磁盘、使用RAID系统、增加内存或提高处理器速度。
- 数据库系统参数层面 ：包括调整内存缓冲区大小和检查点间隔等。
- 高级层面 ：调整数据库架构、索引和事务设计。
- 硬件调整 ：在事务处理系统中，每个事务通常需要执行一些磁盘I/O操作。为了支持更高的事务处理速度，需要确保磁盘子系统能够满足I/O请求速度。根据磁盘的访问时间和传输速度，可以计算出每个磁盘支持的最大事务处理数量。此外，还提出了“五分钟规则”和“一分钟规则”，以确定数据是否应缓存到内存中。对于数据更新频繁的应用，RAID 1通常比RAID 5更合适。
- 架构调整 ：在选定的范式约束下，可以垂直分割关系。例如，将“账户”关系分割为“分行 - 账户”和“余额 - 账户”两个关系，根据不同的访问需求选择合适的架构。此外，使用非规范化关系或物化视图可以提高查询性能，但需要注意数据一致性的维护。
- 索引调整 ：根据查询和更新操作的瓶颈情况，调整索引。如果查询是瓶颈，可以创建适当的索引；如果更新是瓶颈，可能需要删除一些索引。同时，选择合适的索引类型和是否进行索引分组也很重要。一些数据库系统提供了优化助手，根据工作负载历史来估计不同索引对查询和更新时间的影响，并给出索引创建建议。
- 物化视图的使用 ：物化视图可以显著加速某些类型的查询，特别是聚合查询。但使用时需要谨慎，因为它不仅占用存储空间，还需要维护时间。可以手动或自动选择需要维护的物化视图。自动选择的贪心启发式方法是估计不同视图的优势，选择优势最大或单位空间优势最大的视图进行物化，然后重新计算其他视图的优势，依次选择。
- 事务调整 ：可以通过两种方法提高事务性能：
- 集合导向的改进 ：对于频繁执行的带不同参数的查询，可以将其组合成一个更面向集合的查询，减少通信成本。
- 减少锁冲突 ：现代数据库优化器可以优化大部分查询，但对于复杂的嵌套子查询，可能需要手动调整查询语句。一些数据库系统支持多版本并发控制，允许查询在数据快照上执行，从而不影响并发更新。对于长时间运行的更新事务，可能会导致系统日志问题，因此可以将其分割为多个小事务，但需要注意并发更新时的结果一致性和故障恢复问题。
- 性能模拟 ：在安装数据库系统之前，可以创建性能模拟模型。模拟模型对每个服务（如CPU、磁盘、内存缓冲区和并发控制）进行建模，只捕获服务的一些关键方面，如服务时间。通过模拟不同负载条件下的事务处理，可以评估系统性能，并调整系统参数进行优化。

3. 性能测试

随着数据库服务器的标准化，性能成为区分不同产品的关键因素。性能测试用于量化软件系统的性能，以下是相关介绍：
- 任务族 ：由于软件系统复杂，不同厂商的实现存在差异，单一任务通常不足以衡量系统性能。因此，使用标准化的任务族进行性能测试。在计算多个任务的性能结果时，应采用正确的方法，如调和平均数。
- 数据库应用类别 ：数据库管理的应用主要分为联机事务处理（OLTP）和决策支持（包括联机分析处理OLAP）两类。这两类任务有不同的需求，一些数据库系统针对不同任务进行了架构调整，而一些厂商则试图在两者之间取得平衡。
- TPC测试 ：事务处理性能委员会（TPC）定义了一系列数据库系统的性能指标。不同的TPC测试适用于不同的工作负载，如TPC - A模拟典型的银行应用，TPC - C用于更复杂的订单处理系统，TPC - D用于决策支持查询测试，TPC - R是TPC - D的改进版本，TPC - H用于临时查询测试，TPC - W用于Web商务系统测试。每个测试都有详细的定义和严格的要求，包括事务处理速度、响应时间和成本等方面的指标。
- BDOO测试 ：面向对象数据库（BDOO）的应用性质与典型的事务处理应用不同，因此提出了不同的指标集。例如，OO1和OO7测试提供了不同类别的操作结果，以适应不同的应用需求。

4. 标准化

标准化在数据库系统中非常重要，它定义了软件系统的接口，促进了不同部分之间的互操作性。以下是不同领域的标准化情况：
- SQL标准 ：SQL是最常用的查询语言，其标准化工作由ANSI和ISO与数据库厂商共同完成。SQL标准不断发展，最新版本SQL:1999分为多个部分，包括框架、基础、调用级接口、持久存储模块和绑定等。此外，还有一些正在开发的部分，如处理时间数据、外部数据管理和对象语言绑定等。
- 数据库连接标准
- ODBC ：是广泛使用的客户端应用程序与数据库系统之间的通信标准，基于X/Open和SQL Access的SQL调用级接口，并进行了扩展。ODBC定义了调用级接口、SQL语法和调用序列规则，并规定了不同的合规级别。
- X/Open XA ：用于分布式数据库的互操作性，定义了事务管理的原语，允许事务管理器通过两阶段提交实现分布式事务，确保全局数据一致性。
- OLE - DB ：是Microsoft的C++ API，用于非关系型数据源，与ODBC有相似的目标，但在一些方面有所不同。例如，OLE - DB的功能分为多个接口，数据源可以实现部分接口；命令可以使用任何支持的语言；结果集是可以通过共享内存共享的对象。
- ADO ：是Microsoft创建的简单易用的接口，提供了与OLE - DB功能相同的接口，可以从脚本语言中调用。
- 面向对象数据库标准
- ODMG ：由面向对象数据库厂商组成的组织，致力于标准化面向对象数据库的模型和语言接口，定义了C++、Java和Smalltalk等语言的接口。
- OMG ：创建了对象管理架构（OMA），其中对象请求代理（ORB）是核心组件，提供了透明的消息传递服务。公共对象请求代理架构（CORBA）详细规范了ORB，并包括接口描述语言（IDL），用于定义数据交换的类型。
- 基于XML的标准 ：许多基于XML的标准与电子商务相关。例如，RosettaNet使用XML标准促进信息技术行业的供应链管理；BizTalk是Microsoft支持的XML架构和指南。此外，还有简单对象访问协议（SOAP）用于远程过程调用，W3C的XQuery是XML的标准查询语言。

5. 电子商务应用

电子商务正成为商业交易的重要组成部分，数据库在其中发挥着重要作用：
- 电子目录 ：电子商务网站为用户提供产品和服务目录，电子目录应提供浏览、搜索和比较功能，并可以根据用户需求进行个性化定制。为了支持高事务处理率，通常采用缓存查询结果或生成的网页。
- 市场：当产品有多个卖家或买家时，市场可以帮助协商产品价格。常见的市场类型有反向拍卖、拍卖和证券交易所等。在处理市场交易时，需要进行买家和卖家的认证，安全记录投标信息，并快速传播投标信息。由于交易量大，需要高性能的数据库系统。
- 订单结算 ：选择商品并确定价格后，需要进行订单结算，包括支付和商品交付。传统的信用卡支付存在安全风险，因此出现了多种安全支付协议，如安全电子交易（SET）协议和提供更多匿名性的DigiCash系统。

6. 遗留系统处理

遗留系统是基于旧技术的系统，可能包含重要数据并支持关键应用。为了实现与现代系统的互操作性，可以在遗留系统之上创建一个包装层，使其看起来像关系型数据库，并支持ODBC或OLE - DB等标准进行查询和更新。当组织决定用新系统替换遗留系统时，需要进行逆向工程，获取数据模型设计和系统流程信息，然后进行重新设计和编码，这个过程称为再工程。过渡到新系统有“大爆炸”和“增量”两种方法，“大爆炸”方法存在用户不熟悉界面和新系统可能存在性能问题的风险，而“增量”方法则逐步替换遗留系统的功能，使新旧系统共存一段时间。

数据库应用开发与管理：关键技术与实践指南

7. 关键技术总结与应用案例

为了更清晰地展示上述各项技术在实际中的应用，我们通过一个综合案例来进行说明。假设我们要开发一个在线电商平台，以下是各项技术的具体应用：
| 技术领域 | 应用方式 |
| — | — |
| Web接口与数据库融合 | 使用Servlet和服务器端脚本（如JSP）创建动态网页，展示商品信息和处理用户订单。利用HTML和CSS设计美观的用户界面，使用JavaScript实现用户交互功能，如商品搜索和购物车操作。通过Web服务器与会话管理，使用cookie维护用户登录状态和购物车信息。 |
| 性能优化 | 运用缓存技术，缓存热门商品信息和用户搜索结果，减少数据库查询次数。根据业务需求调整数据库架构，如将商品信息表进行垂直分割，提高查询性能。创建合适的索引，加速商品搜索和订单查询。使用物化视图，预计算商品销售统计信息，提高数据分析效率。 |
| 性能测试 | 采用TPC测试标准，对系统进行性能评估，确保系统在高并发情况下能够稳定运行。根据测试结果调整系统参数，优化硬件配置，提高系统的响应速度和吞吐量。 |
| 标准化 | 遵循SQL标准进行数据库设计和查询编写，确保系统的兼容性和可扩展性。使用ODBC或JDBC进行数据库连接，方便与不同类型的数据库进行交互。遵循基于XML的标准，实现数据的交换和共享，如使用SOAP进行远程过程调用。 |
| 电子商务应用 | 开发电子目录，提供商品分类浏览和搜索功能，根据用户的历史购买记录进行个性化推荐。建立市场机制，支持商品拍卖和价格协商。实现安全的订单结算功能，集成多种支付方式，保障用户的资金安全。 |
| 遗留系统处理 | 如果平台存在遗留系统，如旧的库存管理系统，通过创建包装层，使其与新系统进行交互，实现数据的共享和业务的协同。在过渡到新系统时，采用增量方法，逐步替换遗留系统的功能，降低系统切换的风险。 |

8. 流程图示例：订单处理流程

graph LR
    A[用户选择商品] --> B[加入购物车]
    B --> C[确认订单]
    C --> D[选择支付方式]
    D --> E{支付是否成功}
    E -- 是 --> F[更新库存]
    E -- 否 --> G[提示支付失败，返回D]
    F --> H[生成订单号]
    H --> I[发送订单确认信息]
    I --> J[安排商品配送]

9. 技术实践中的注意事项

在实际的数据库应用开发与管理中，还需要注意以下几个方面：
- 数据安全 ：数据库中存储着大量的敏感信息，如用户的个人信息、支付信息等，因此数据安全至关重要。要采取加密技术保护数据的传输和存储，设置严格的访问权限，防止数据泄露和非法访问。
- 系统可扩展性 ：随着业务的发展，系统的用户数量和数据量可能会不断增加，因此系统需要具备良好的可扩展性。在设计数据库架构和应用程序时，要考虑到未来的扩展需求，采用分布式架构、集群技术等，提高系统的处理能力。
- 兼容性 ：在使用不同的技术和标准时，要确保它们之间的兼容性。例如，在使用不同版本的数据库和编程语言时，可能会出现兼容性问题，需要进行充分的测试和调试。
- 维护与监控 ：数据库系统需要定期进行维护和监控，及时发现和解决问题。要建立完善的日志系统，记录系统的运行状态和操作记录，以便进行故障排查和性能分析。同时，要定期备份数据，防止数据丢失。

10. 总结

数据库应用开发与管理是一个复杂而又关键的领域，涉及到多个方面的技术和知识。通过合理运用Web接口、性能优化、标准化、电子商务应用和遗留系统处理等技术，可以开发出高效、稳定、安全的数据库应用系统。在实际应用中，要根据具体的业务需求和场景，选择合适的技术和方法，并注意数据安全、系统可扩展性、兼容性和维护监控等方面的问题。只有这样，才能充分发挥数据库的作用，为企业的发展提供有力的支持。