SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

引 言

　　隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用及用戶對(duì)數(shù)據(jù)處理和管理需求的不斷提高，各種智能設(shè)備與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的緊密結(jié)合得到重視。這種數(shù)據(jù)庫(kù)不僅具有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的主要功能，還具有嵌入式和支持移動(dòng)技術(shù)兩種特性，因此通常被用在掌上電腦、PDA、車載設(shè)備、移動(dòng)電話等嵌入式設(shè)備中。這種數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的興起使人們不再受單一操作系統(tǒng)的限制，可以隨時(shí)隨地處理業(yè)務(wù)、傳遞信息。可以說(shuō)，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展提高了數(shù)據(jù)信息接入的普遍性，使人們隨時(shí)隨地獲取信息的愿望成為可能。

1 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和具體應(yīng)用集成在一起，運(yùn)行在各種智能嵌入式設(shè)備上。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)相比，它一般體積較小，有較強(qiáng)的便攜性和易用性，以及較為完備的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)數(shù)據(jù)的管理操作。但是，由于嵌入式系統(tǒng)的資源限制，它無(wú)法作為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)提供大容量的數(shù)據(jù)管理，而且嵌入式設(shè)備可隨處放置，受環(huán)境影響較大，數(shù)據(jù)可靠性較低。在實(shí)際應(yīng)用中，為了彌補(bǔ)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)容量小、可靠性低的不足，通常在PC機(jī)上配置后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)作為前端設(shè)備，需要一個(gè)GUI交互界面來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式終端上的人機(jī)交互，并通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)上主數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)器端數(shù)據(jù)的管理，接收嵌入式終端上傳的數(shù)據(jù)和下載數(shù)據(jù)到嵌入式終端機(jī)等操作。

2 SQLite的體系結(jié)構(gòu)及開發(fā)技術(shù)

　　SQLite是D·理查德·希普開發(fā)的用一個(gè)小型C庫(kù)實(shí)現(xiàn)的一種強(qiáng)有力的嵌入式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理體制。它提供對(duì)SQL92的大多數(shù)支持：多表、索引、事務(wù)、視圖、觸發(fā)和一系列的用戶接口及驅(qū)動(dòng)。

2．1 SQLite的體系結(jié)構(gòu)

　　SQLite可以分成8個(gè)主要子系統(tǒng)，如圖1所示。頂層是標(biāo)記處理器(tokenizer)和分析器(parser)。高度優(yōu)化的分析生成器可以快速生成高效率的代碼。底部是基于Knuth經(jīng)過(guò)優(yōu)化的B樹。這樣可以運(yùn)行在可調(diào)整的頁(yè)面緩沖(pagecache)上，有助于將對(duì)磁盤的查找減到最少。再往下是頁(yè)面高速緩存。它作用在OS的抽象層之上，這樣的安排有助于數(shù)據(jù)庫(kù)的移動(dòng)。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)的全部操作并且是客戶和儲(chǔ)存之間進(jìn)行信息交換的中間單元。它是SQLite的核心。在SQL語(yǔ)句被分析之后，VDBE開始起作用。代碼生成器將分析樹翻譯成一個(gè)袖珍程序，隨后這些袖珍程序被組合成用VDBE虛擬機(jī)器語(yǔ)言表示的一系列指令。如此往復(fù)，VDBE執(zhí)行每條指令，最終完成SQL語(yǔ)句指定的查詢要求。VDBE的機(jī)器語(yǔ)言由圍繞數(shù)據(jù)庫(kù)管理的128個(gè)操作碼(op—code)組成。對(duì)于打開表、查詢索引、存儲(chǔ)和刪除記錄以及很多其他數(shù)據(jù)庫(kù)操作都有對(duì)應(yīng)的操作碼。VDBE里的每條指令由1個(gè)操作碼和3個(gè)操作數(shù)(operand)組成。一些指令使用全部3個(gè)操作數(shù)，也有些指令一個(gè)也未使用。這完全取決于指令的性質(zhì)。例如Open指令用于打開一個(gè)表的指針，使用了全部3個(gè)操作數(shù)：第1個(gè)操作數(shù)(P1)包含指針的ID號(hào)，第2個(gè)操作數(shù)(P2)指出表的根位置(或者表的首頁(yè)位置)，第3個(gè)操作數(shù)是表的名字。

2．2 SQLite開發(fā)技術(shù)

　　SQLite的API易于使用，只需要3個(gè)用來(lái)執(zhí)行SQL和獲得數(shù)據(jù)的函數(shù)。它還是可擴(kuò)展的，允許程序員自定義函數(shù)，然后通過(guò)callback()函數(shù)集合進(jìn)去。開放源碼團(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)言使用SQLite也成為可能。

　　使用C語(yǔ)言API只需要三步。首先，提供文件名和訪問(wèn)模式，來(lái)調(diào)用sqlite_open()連接數(shù)據(jù)庫(kù)。然后，執(zhí)行callback()函數(shù)，SQLite通過(guò)對(duì)每個(gè)記錄執(zhí)行callback()函數(shù)獲得從數(shù)據(jù)庫(kù)那里得到的結(jié)果。最后，如果想執(zhí)行一個(gè)SQL查詢并獲得一個(gè)callback()函數(shù)的指針，可以調(diào)用sqlite_exec()。另外還可以調(diào)用sqlite3_get_table()函數(shù)獲得數(shù)據(jù)表單的內(nèi)容。

　　SQLite還提供了存取二進(jìn)制大對(duì)象(BLOB)的方法，同時(shí)在線程安全、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、API的擴(kuò)展等方面也都提供了強(qiáng)大方便的技術(shù)支持。

3 SQLite在ARM9開發(fā)板上的編譯及拷貝

　　在SQLite官方網(wǎng)www．sqlite．org下載SQLite-3．3．8版本，在終端解壓生成SQLite-3．3．8目錄。進(jìn)入此目錄，對(duì)sqlite／src／sqliteInt．h作一定的修改，以確保btree(B樹)有正確的變量大小。不同體系結(jié)構(gòu)的Linux會(huì)有些差別。對(duì)于ARM-Linux可找到如下部分：
　　

　　這樣后面的“typedef INTPTR_TYPE ptr；”就定義為“int”類型，而不是“long long”。
　　修改configure文件的內(nèi)容，注釋掉相關(guān)代碼，讓系統(tǒng)不去檢查交叉編譯環(huán)境，否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，不能生成Makefile文件。然后新建一個(gè)文件夾sqlite-arm-linux來(lái)保存將要生成的庫(kù)文件，運(yùn)行以下命令進(jìn)行配置：

　　
　　將在本目錄下生成Makefile文件。修改Makefile文件中如下語(yǔ)句，指定主機(jī)編譯器為GCC：

　　
　　這時(shí)就可以運(yùn)行make & & make install命令開始編譯，若無(wú)其他錯(cuò)誤提示，則會(huì)在／．．／sqlite-3．3．8／sqlite-arm-linux／lib目錄下生成庫(kù)文件。主要有l(wèi)ibsqlite3．so、libsqlite3．so．O、libsqlite3．so．O．8．6三個(gè)文件。同時(shí)在bin文件夾下生成了可執(zhí)行文件sqlite3。為了減小執(zhí)行文件大小，用strip命令處理去掉其中的調(diào)試信息。

　　庫(kù)文件生成后，可以通過(guò)NFS(網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng))把相關(guān)庫(kù)文件拷貝到ARM開發(fā)板上，設(shè)置好主機(jī)NFS服務(wù)器，啟動(dòng)目標(biāo)板后，執(zhí)行：

　　其中192．168．1．101為NFS服務(wù)器IP，這樣就把sqlite庫(kù)文件所在文件夾掛載到了目標(biāo)板上，拷貝時(shí)注意加上-arf選項(xiàng)，因?yàn)閘ibsqlite3．so和libsqlite3．so．O是鏈接到Iibsqlite3．so．O．8．6的。

4 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)嵌入式系統(tǒng)而言，強(qiáng)大的圖形用戶接口使系統(tǒng)的功能更加豐富。目前有眾多的GUI可供使用，考慮到授權(quán)和價(jià)格的因素，我們?cè)赒t／Embedded基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)界面程序的開發(fā)，完成嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。Qt良好的封裝機(jī)制使Qt的模塊化程度非常高，可重用性較好。嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　通過(guò)Qt的QTable控件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)表單的顯示，通過(guò)QListView、QC20mBobox以及QTextEdit等控件進(jìn)行數(shù)據(jù)表單的選擇、數(shù)據(jù)輸入等，配合PushButton控件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建、刪除和數(shù)據(jù)查詢、添加、刪除、修改等操作。這樣，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基本管理，并可利用串口實(shí)現(xiàn)與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)交互。本系統(tǒng)利用Qt Designer實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)界面的快速開發(fā)，并通過(guò)調(diào)用SQLite的API接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本操作。下面簡(jiǎn)要介紹一下用QtDesigner開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)界面的基本方法及關(guān)鍵代碼。新建一個(gè)C++項(xiàng)目，在此基礎(chǔ)上新建一個(gè)窗口部件，在窗口部件上添加一個(gè)Table控件作為數(shù)據(jù)表單的顯示界面。另根據(jù)需要，添加PushButton控件以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。在窗口類下新建一個(gè)槽，命名為SelectSlot()。連接相關(guān)按鈕信號(hào)，關(guān)鍵代碼如下：

　　其中tableView函數(shù)的作用是將查詢得到的數(shù)據(jù)表顯示在Table控件中。函數(shù)體程序如下：

　　終端下進(jìn)入工程目錄，修改*.pro文件，并添加如下內(nèi)容：

　　這里加入了編譯程序所需庫(kù)文件的路徑以及sqlite．h頭文件的路徑。這一切做好后，開始編譯。
　　tmake-o Makefile EDBMS．pro生成Makefile，將其中的編譯工具改為arm-linux-g++，加上交叉編譯的相關(guān)庫(kù)文件。然后make編譯，生成能在ARM開發(fā)板上運(yùn)行的二進(jìn)制文件，并且通過(guò)NFS掛載到開發(fā)板上。運(yùn)行．／EDBMS，會(huì)出現(xiàn)我們?cè)O(shè)計(jì)的窗口界面。查詢一個(gè)數(shù)據(jù)表的內(nèi)容并顯示在QTable控件上，主界面效果如圖3所示。

　　另外，系統(tǒng)運(yùn)用SQL Servqr。2000作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，用VB 6．O開發(fā)，通過(guò)ODBC與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理，并負(fù)責(zé)接收和處理客戶端請(qǐng)求。PC機(jī)與嵌入設(shè)備端則可以通過(guò)串口進(jìn)行通信，以完善系統(tǒng)功能。這樣，一個(gè)較為完備的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)就構(gòu)建起來(lái)了。

結(jié) 語(yǔ)

　　本文在對(duì)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)特性研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。結(jié)合嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)，運(yùn)用SQLite在ARM-Linux平臺(tái)上構(gòu)建嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上利用Qt設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫(kù)界面，使用SQLite的API實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本操作。最后對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的配置及串口通信機(jī)制做了簡(jiǎn)要介紹，完成了整個(gè)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的構(gòu)建。