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在大学时的分布式数据库读书笔记拿出来分享
2016-05-24 09:21:13         来源:美国清华大学--In The Bei Jing.  
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第二章 分布式数据库系统的设计

1 数据库设计概述

数据库设计是指对于一个给定的应用环境,构造最优的数据库模式,建立数据库及其应用系统,使之能够有效地存储数据。
数据库设计的基本步骤(如图2.1):

需求分析

概念结构设计

逻辑结构设计

物理结构设计

数据库的建立和测试

数据库运行和维护。

图2.1

数据库各阶段设计描述,如图2.2

图2.2

2 命名规范

2.1 命名总规则

1、 所有名称的字符范围为:A-Z, a-z, 0-9 和_(下划线)。不允许使用其他字符作为名称。

2、 采用英文单词或英文短语(包括缩写)作为名称,不能使用无意义的字符或汉语拼音。

3、 名称应该清晰明了,能够准确表达事物的含义,最好可读,遵循“见名知意”的原则。

2.2 表命名规范

1、不使用tab或tbl作为表前缀(本来就是一个表,为什么还要说明)

2、表名以代表表内的内容的一个和多个名词组成,以下划线分隔,每个名词的第一个字母大写。

3、使用表的内容分类作为表名的前缀:如,与用户信息相关的表使用前缀User_,与内容相关的信息使用前缀Content_。

4、表的前缀以后,是表的具体内容的描述。如:用户登录信息的表名为:User_Login,用户在论坛中的信息的表名为:User_BBS_Info

5、一些作为多对多连接的表,可以使用两个表的前缀作为表名:

如:用户登录表User_Login,用户分组表Group_Info,这两个表建立多对多关系的表名为:User_Group_Relation

6、当系统中有一些少量的,重复出现的值时,使用字典表来节约存储空间和优化查询。如地区、系统中用户类型的代号等。这类值不会在程序的运行期变化,但是需要存储在数据库中。

就地区而言,如果我们要查询某个地区的记录,则数据库需要通过字符串匹配的方式来查询;如果将地区改为一个地区的代号保存在表中,查询时通过地区的代号来查询,则查询的效率将大大提高。

程序中宜大量的使用字典表来表示这类值。字典表中保存这类值的代号和实体的集合,以外键的方式关联到使用这类值的表中。然而,在编码阶段,程序员并不使用字典表,因为首先查询字典表中实体的代号,违背了提高查询效率的初衷。程序员在数据字典的帮助下,直接使用代号来代表实体,从而提高效率。

虽然字典表在实际上并不使用,但是仍应该保留在数据库中(起码是在开发期内保留)。字典表作为另一种形式上的“数据字典文档”出现,以说明数据库中哪些表的哪些字段是使用了字典表的。

为了提高数据库的数据完整性,在开发阶段可以保留完整的字典表和普通表的外键约束。但是在数据库的运行阶段,应该将普通表和字典表的外键删除,以提高运行效率,特别是某些表使用了很多字典表的情况。

案例:某数据库中有百万条用户信息,应用系统中常常需要按照地区要查询用户的信息。用户信息表以前是按照具体的地区名称来保存的,现在将具体的名称改为字典表中的地区代号,查询效率大大提高。

字典表统一以dic_作为前缀。

2.3 字段命名规范

4、 字段不使用任何前缀(表名代表了一个名称空间,字段前面再加前缀显得罗嗦)

2、字典名也避免采用过于普遍过于简单的名称:例如,用户表中,用户名的字段为UserName比Name更好。

5、 布尔型的字段,以一些助动词开头,更加直接生动:如,用户是否有留言HasMessage,用户是否通过检查IsChecked等。

6、 字段名为英文短语、形容词+名词或助动词+动词时态的形式表示,大小写混合,遵循“见名知意”的原则。

3 SQL语句规范

1、不允许写SELECT * FROM ……,必须指明需要读取的具体字段。

2、不允许在应用程序代码中直接写SQL语句访问数据库。

3、避免在一行内写太长的SQL语句,在SQL关键字的地方将SQL语句分成多行会更加清晰。

如:SELECT UserID,UserName,UserPwd FROM User_Login WHERE AreaID=20

修改成:

SELECT UserID,UserName,UserPwd

FROM User_Login

WHERE AreaID=20

更加直观

4、在一些块形式的SQL语句中,就算只有一行代码,也要加上BEGIN…END块。

如:IF EXISTS(…)

SET @nVar = 100

应该写成:

IF EXISTS(…)

BEGIN

SET @nVar = 100

END

5、SQL批处理语句的空行和缩进与一般的结构化程序语言一致,应该保持良好的代码格式。

6、所有的SQL关键字大写

4 存储过程编码规范

4.1 只允许应用程序通过存储过程访问数据库

只允许应用程序通过存储过程访问数据库,而不允许直接在代码中写SQL语句访问数据库。

在数据库开发项目中,大量使用存储过程有很多的好处,首先看微软提供信息:

使用 SQL Server 中的存储过程而不使用存储在客户计算机本地的 Transact-SQL 程序的优势有:

允许模块化程序设计:只需创建过程一次并将其存储在数据库中,以后即可在程序中调用该过程任意次。存储过程可由在数据库编程方面有专长的人员创建,并可独立于程序源代码而单独修改。

允许更快执行:如果某操作需要大量 Transact-SQL 代码或需重复执行,存储过程将比 Transact-SQL 批代码的执行要快。将在创建存储过程时对其进行分析和优化,并可在首次执行该过程后使用该过程的内存中版本。每次运行 Transact-SQL 语句时,都要从客户端重复发送,并且在 SQL Server 每次执行这些语句时,都要对其进行编译和优化。

减少网络流量:一个需要数百行 Transact-SQL 代码的操作由一条执行过程代码的单独语句就可实现,而不需要在网络中发送数百行代码。

可作为安全机制使用:即使对于没有直接执行存储过程中语句的权限的用户,也可授予他们执行该存储过程的权限。

除此以外,使用存储过程的好处还有:

1、 在逻辑上,存储过程将应用程序层和数据库物理结构分离开来。存储过程形成了一个应用程序和数据库之间的接口。这样的接口抽象了复杂的数据库结构,符合极限编程中“基于接口编程”的思想。

2、 将主要的业务逻辑封装在存储过程中,能够避免在应用程序层写大量的代码(在应用程序中通过字符串插入太长的SQL语句影响效率,而且维护困难)。有助于提高开发效率,并且直接在查询分析器中调试存储过程,能够更早的发现系统中的逻辑问题,从而提高代码的质量。

3、 在网站一类的应用系统中,SQL注入式漏洞一直是难以完全杜绝的漏洞。如果只通过存储过程来访问数据库,能够大大减少这类安全性问题。(因此,就算是简单的只有一句的SQL语句,也应该写成存储过程。)

4、 由于采用存储过程,应用程序的层面可以不关心具体的数据库结构,而只关心存储过程的接口调用。因此,在以下一些情况,存储过程的优势非常明显:

·需求变更,表的结构必须要改变。使用存储过程,只要参数不变,我们就只需要修改相应的存储过程,而不需要修改应用程序的代码。这样的设计将减小需求变更对项目的影响。

·为提高效率,使部分字段冗余:一些经常性访问的字段,我们可以在相关的表中进行冗余存储。这样既提高了效率,又通过存储过程屏蔽了冗余细节。

·为提高效率,使用冗余表(拆分表):一些大的表,为了提高查询效率,可能需要将记录分别保存到多个表中去。使用存储过程,有存储过程来决定从哪些拆分的表中获取或插入数据。这样提高了效率,又不必在应用程序层面关心具体的拆分规则。

5、 使用存储过程,便于在项目后期或者运行中集中优化系统性能。在项目开发过程中,由于各种原因,往往无法编写高效的代码,这个问题常常在项目后期或者在运行期体现出来。通过存储过程来封装对数据库的访问,可以在项目集成以后,通过试运行观察系统的运行效率,从而很容易找出系统的瓶颈,并能够通过优化存储过程的代码来提高系统的运行效率。这样的优化,比在运用程序中优化更有效,更容易。

同时,过多的使用存储过程,也存在以下一些疑虑:

问题一:存储过程编译后,将作为数据库的全局对象保存,太多的存储过程将占用大量的数据库服务器的内存。

问题二:在存储过程中实现大量的逻辑,将使大量的运算在数据库服务器上完成,而不是在应用服务器上完成。当访问量很大的时候,会大大消耗数据库服务器的CPU占用率。

在此还存在这个一个案例:有一个访问量巨大的网站,有多台WEB服务器构成一个负载均衡的服务器群集,但是只有一台中心的数据库服务器。当访问量持续增加的时候,接入更多的WEB服务器来满足高并发量的访问;但是数据库服务器却没办法一直增加。因此,就需要尽量在WEB服务器上完成业务逻辑,尽量避免消耗数据库服务器的资源。

对于这两个担心,我的想法是:

问题一的解决:存储过程是经过编译后的SQL语句,在内存中是二进制的代码,并不会消耗太多内存。并且,存储过程比起直接使用SQL语句来说,效率大大提高。换个角度来说,这是一个“以空间换时间”的方案,多消耗一点内存来换取效率的提高,是值得的。

问题二的解决:首先,在实现业务逻辑的问题上,在存储过程中实现比在应用程序中实现更容易;其次,从开发效率上,存储过程的开发比应用程序更简单(就完成相同逻辑而言)。在高访问量的系统中,应用服务器和数据库服务器的资源分配的问题,应该从成本的角度来开率:软件开发中的成本,人工支出的费用远远高于硬件支出的成本。我们可以很容易花钱购买更好的服务器,但是很难花钱让开发人员使程序有大幅度的提高。

使用存储过程来封装业务逻辑,首先节省的是大量的开发时间和调试时间,并能够大大提高代码的质量。因此,从成本来说,应该使用存储过程。

对于大访问量的情况,最简单的办法是投入更多的硬件成本:更快的硬盘,更大的内存和更多的CPU,还有更好的网卡等等。

其次,在应用程序的层面,可以大量的使用静态文件缓存的办法来减轻数据库的压力。如:不经常变化的信息,可以从数据库服务器中读取,保存为应用服务器上的XML静态文件等。

实在不行的话,应该在系统设计之初,考虑可能的访问量,将系统设计成分布式的。这样就能从根本上解决大访问量的问题。

4.2 命名规范

1、存储过程的前缀和表名的前缀类似:把一系列表看成一个对象,字段为对象的属性,存储过程则为访问对象的方法。如:添加用户的存储过程取名为:User_AddUser

2、存储过程使用模块的前缀来命名。如,用户管理的存储过程使用前缀user_。

3、存储过程的前缀之后,是动词+名词形式的存储过程名(也可以是动词短语)。

4.3 存储过程的参数命名

1、参数名采用匈牙利命名法,使用类型的前缀

2、每个存储过程都有:@errno int和@errmsg varchar(255)两个输出参数。应用程序中可以根据这两个参数得到存储过程执行的情况。(这两个参数使用默认值,可以忽略)

errno为整型的错误信息代码,执行成功返回0。Errno的值的具体含义通过errmsg参数说明,或者通过代码中的注释或文档。

Errmsg为错误信息的字符串描述,这个参数主要用于调试期作为说明,避免在应用程序中使用该值。同时,要注意英文版系统和中文版系统中,信息的语言选择对程序的影响。

4.4 存储过程返回的记录集

1、存储过程的输出记录集:为程序的结构清晰,存储过程最好只返回一个记录集。但在某些为了提高性能的场合,还是可以输出多个记录集

2、记录集中,每个输出的字段最后都指定字段的别名,以面真实的字段名信息流失到客户端,从而加大黑客找到系统漏洞的可能。

4.5 格式约定

1、 所有SQL关键字大写

2、 使用良好的变量命名规范

3、 保持良好的结构,包括空行、缩进和空格等。

4、 块状的语句,一定要写上BEGIN…END

5、 在每个存储过程的开头加上详细的注释:包括存储过程名称、参数说明、功能说明、返回数据集说明、以及作者和版权声明。

6、 每个存储过程内的代码前后必须加上SET NOCOUNT ON 和SET NOCOUNT OFF。

7、 存储过程格式的示例如下:

/*********************************************/

* Name: User_AddUser

* Purpose: Add a user to system

* Parameters: @strUserName the user’s login name

* @strPwd the user’s password, encrypted by MD5

* @errno the error number, it’s a “output” param

* @errmsg the error message, it’s a “output” param

* Returns: the user’s ID, as a result set.

* Author: ahfu, ah_fu126@hotmail.com

* Copyright: CopyRights By SyNet 2005.All Rights Reserved.

* Create At: 2005-03-18 Last Modify: 2005-03-19

/*********************************************/

CREATE PROCEDURE User_AddUser

(

@strUserName varchar(20),

@strPwd varchar(50),

@errno int = 0 OUTPUT,

@errmsg varchar(255)=NULL OUTPUT

)

AS

BEGIN

SET NOCOUNT ON

/*以下是存储过程的代码*/

SET NOCOUNT OFF

END

4.6 事物使用约定

1、如果对记录的更改操作不止一次,则需要把这些操作写在事务中。

2、事务必须显式提交或者取消。

4.7 游标使用约定

1、 若无必要,不要使用游标

2、 包含游标的存储过程,必须对性能进行认真测试。

5 数据库设计规范

5.1 数据完整性规范(编码期)

1、为便于在程序的编码期查错,可以在设计数据库的时候尽可能多的加上约束(check)。如,整型的字段的取值范围等,常常为field>0。

2、同理,尽可能地在开发期间使用触发器来验证数据的完整性。

3、如果字段之间存在冗余,应该编写触发器来管理冗余的字段

3、在开发阶段保存完整的主键、外键和唯一索引的约束。

4、原则:编码期间,数据完整性优先于性能。在保障系统正确运行的前提下尽可能的提高效率。

5.2 设计工具和版本划分

3、 使用ER-WIN设计数据库,同时设计逻辑视图和物理视图(也可以是PowerDesigner等工具,通过ER图形表示出数据表之间的关系)

4、 开发过程中尽量保证设计文档和物理表结构的一致变化

5、 数据库分开发期和运行期两个版本:开发期版本主要体现完整的约束,运行期版本体现效率的优化。

6 数据库优化

6.1 数据库性能优化规范(运行期)

1、在运行阶段删除不必要的约束(check)。

2、尽量不要使用触发器

3、尽量保留主键约束

4、适当删除外键,以提高性能

5、在运行期间,通过分析系统的访问量,创建索引来优化性能

6、分析每个表可能的数据增长量,定义自动拆分表规则。将大表进行拆分来提高性能。

7、预先考虑数据清理规则:在什么情况下删除数据库中的旧数据,以此来提高性能。

8、制定数据库备份和灾难恢复计划。

9、为效率考虑,可以在系统测试阶段适当增加冗余字段,或者冗余表。

10、分页的记录输出必须通过存储过程来实现,不能使用API游标来分页,这样可以提高分页的效率。

6.2 拆分表示例

案例:网站有200万用户,有很多模块围绕用户提供服务。

为提高效率,每个表最多只保存与用户有关的10万记录,200万条记录拆分到20个表中。编号为1-10万的用户将记录保存到表一,100001-200000编号的记录保存到表二,以此类推。

建立一个拆分信息表,表中保存了哪些表是经过拆分的,拆分到什么程度,拆分规则是什么。

当插入记录的时候,首先判断插入这条记录的用户的ID。存储过程根据ID的范围,自动把表插入到相应的拆分表中去。

当按照条件查询,存储过程自动连接所有的拆分表,丛中筛选出记录。(一般情况下:同类型的查询远远大于按照条件的全体查询)

6.3 冗余字段建立示例

案例:留言本表中,要保存用户的ID作为外键。通常,通过连接留言表和用户表来得知是哪个用户发布了留言。

为提高效率,在留言本表中增建用户名的字段。插入记录的时候,同时保存用户ID和用户名。这样,当查询时,就不必连接两个表,使效率大大提高。

但是,当用户修改用户名时,要吗更新其他表中的用户名,要吗忽略这种用户名不一致的影响。如何处理取决于用户名在模块中的重要程度。

6.4 冗余表建立示例

案例:有用户表和分组表,两个表之间是多对多的关系,建立一个用户与组的关系表来实现这种关系。

用户表中有百万条记录,组表中几千条记录。如果每个用户都属于多个组的化,关联表中将存在几百万条记录。

现在将用户表和关联表进行拆分,拆分规则为用户的ID范围。当查询某用户的组时,效率大大提高。但是当查询某组下的用户时,需要关联所有的拆分表,效率很低。

为提高效率,建立一个冗余的用户和组的关系表,这个关系表中保存第一个关系表中统一的内容,但是拆分规则为组ID的范围。这样,当查询组中的用户时,丛第二个关系表中查询,效率大大提高。

6.5 存储过程中分页方案

方案一

1、首先统计得到符合条件的记录数

2、定义表变量:表变量的第一个字段为自增长类型,第二个字段为记录集中的唯一值字段(一般是主键)

3、使用insert () select 语句将符合条件的记录的唯一值字段保存在表变量中。

4、使用where ID in (select ID From 表变量 WHERE ……) 的方法从表两边中读出需要的唯一值字段。

方案二

1、首先统计符合条件的记录数,并根据页大小计算页数

2、如果读取第一页,直接使用TOP子句读取

3、如果页数在前一半:

结果集1:SELECT TOP CurPage*PageSize Fields FROM Table ORDER BY ID ASC

结果集2:SELECT TOP PageSize * FROM (结果集1) ORDER BY ID DESC

最终结果:SELECT * FROM (结果集2) ORDER BY ID ASC

4、如果页数在后一半:

结果集1:SELECT TOP (PageCount-CurPage)*PageSize Fields FROM Table ORDER BY ID DESC

最终结果:SELECT TOP PageSize * FROM Table ORDER BY ID ASC

7 分布式设计实例

海南省人口管理信息系统:

根据人口管理信息系统的数据分布特点,基于客户/服务器体系结构的分布式系统技术,以Oralce数据库系统作为分布式系统基础,设计实现了人口管理信息系统数据库分布式处理的方案。

1 数据库的数据特点与分布式处理分析

一般,人口管理信息系统数据库对全省的人口数据信息进行存储和管理,其数据量庞大,地域覆盖面广,数据录入和访问点分散,数据处理的地域分布性强,传统的中心数据库管理方式难以胜任跨地域的大型数据库管理,因此可采用分布式数据库来存储和管理人口信息数据。

结合海南经济特区的业务特点,人口规模较少,各市分局不参与人口信息管理,因此海南省人口信息数据管理可采用省厅-市局-派出所三级模式;另外,由于其业务办公地点也很分散,故人口管理信息系统需要采用分布式运行方式。根据分布式数据库系统设计场地自治原则,在每一存放数据的独立节点上至少要建立一个数据库,也可在同一地点建立多个数据库,以满足不同的应用需要。据此在省厅和市局设立多个物理数据库,通过网络和数据库链路将它们联系在一起,组成统一的全局数据库。

2 分布式数据库的设计

数据库设计原则

系统的主要任务是获得人口管理所需要的数据,这些数据包括人口基本信息、身份证信息、图像信息、代码信息、尾码分配信息等,人口信息数据项多,且涉及到许多数据表和字典表,因此在设计数据库时,要根据这些信息之间的关系,建立相应的数据表及相互之间的约束等。由于存储和管理大量数据,故应建立一个良好的数据组织结构和数据库,使整个系统都可以快速、方便、安全、准确地调用和管理数据。在PMIS的数据库具体设计过程中,采用了如下的设计原则:

(1) 采用开放的多层分布式数据访问结构;

(2) 满足关系数据库理论的3NF,同时为兼顾编程的方便性适当地保留了数据冗余,从而提高整个系统的效率;

(3) 充分利用数据字典功能。

分布式数据库系统结构

整个系统采用客户/服务器体系结构,用标准的SQL进行数据存取,实现数据分布式处理,各节点负责维护本地数据库的完整性,通过分布式数据库管理系统,实现各节点数据库的动态连接与分布操作。各市人口信息数据存放在市局的数据库中,在省厅的数据库中则分别建立到各市局的数据库链路,省厅通过视图创建或快照查询这些数据,市局和派出所用户直接访问市局数据库服务器中的数据。另外,各派出所之间不能直接进行数据相互操作,跨所信息查询通过市局数据库上的视图或快照完成,跨市人口信息查询则通过在市局上建立同省厅数据库表名或视图名等相应的同义词完成。这样,利用远程数据库的表名或视图名等相应的同义词可实现数据的透明访问,通过快照进行定期复制以实现远程数据的非实时访问。分布式数据库系统拓扑结构如下图1 所示。

系统采用了集中-分布式相结合的数据库存储方案,各市局间通过专线数据共享,最终形成了全省人口

数据的分布式方案。派出所数据库操作通过远程拔号能直接访问本地市局数据库或将与本所相关的数据信息下载本地,在本地进行处理后,再上传到对应的市局服务器上,由市局通过后台的数据更新模块把各派出所所做的增、删、改等反映到市局数据库中。对于异地数据访问可通过公安计算机网利用Oracle提供的分布式数据库技术实现对远程数据库的透明访问。派出所、市局、省厅通过市局间的分布式数据库实现对全省人口信息共享。

数据复制技术

海南省人口管理信息系统为分布式数据系统,数据库服务器多点分布在省厅和各市局。省厅数据库服务器存储管理全省的人口信息,各市局服务器存储管理本市的人口信息,遍布各地的数据库服务器需要及时而有效地交换信息,省厅数据库服务器通过专线和各市局服务器相连进行实时通信。由于分布式数据库的存储和管理分布在多点进行,如何确保各数据库服务器数据信息的完整性是关键问题。本系统采用Oracle的数据复制技术,通过建立数据库链路,配置主群组,定期将各市局数据库的人口数据信息复制到省厅数据库服务器。另外复制技术还用于在分布式系统中分布处理负载,并使流动的工作人员能与主数据站点取得联系。

分布式数据查询和数据更新处理

对远程数据库的表或视图的访问操作,通过数据库链路采用SELECT、INSERT、UPDATE、DELETE等语句对数据进行。其中,数据库链路定义了指向远程数据库的一条路径,由DBA或应用程序开发者或网络服务创建,它对分布式数据库的用户是透明的。

在进行数据访问时,倘若要访问的数据来自同一个表,根据需要直接访问该表或基于该表的视图或快照;如果所要访问的数据来自不同的数据表,可通过连接操作或相应的视图来实现,视图中各数据项的来源有以下几种情况:来自同一数据库中的一个表或多个表;来自同一结点不同数据库中的两个表或多个表;来自不同结点上数据库中的两个或多个表。要查询省厅的数据,则先要建立各市局的数据快照,然后查询该快照。

对于同一结点的数据更新,由于市局和派出所能直接访问,因此直接存取本地数据表;对于不同结点的数据更新,可以直接存取本地数据表,也可创建远程表的可读写视图,用户直接访问这些视图来实现一些复杂的数据访问。

8 小结

本章主要介绍了数据库设计的技巧和一个应用实例。其中的命名规则中使用下划线的用法现在微软已经不再推荐使用。请根据实际使用。人口管理系统的实例来自一篇论文。网上还有其他的实例,但是这个是我看到的其中比较好的。文中很多标准都是实用的。比如不可以出现select *,原因是查询量太大,同时不好维护。比如以后添加新的字段,如果是图像,视频的话,查询效果可想而知。在程序中不可直接写SQL语句,为了以后更好的维护代码。而不必要什么都去看源代码而只需要修改设置的变量等。使用存储过程现在用的比较多了,著名的PetShop程序已经使用了存储过程的示例。
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