XML与数据库

亦凉 2022-04-04 05:15 191阅读 0赞

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# XML与数据库 #

### 目 录 ###

*  1.0 简介
 *  2.0 XML是数据库吗？
 *  3.0 为什么用数据库?
 *  4.0 数据与文件
    
     *  4.1 以数据为中心的文档
     *  4.2 以文档为中心的文档
     *  4.3 数据，文档和数据库
 *  5.0 数据的存取
    
     *  5.1 将文档Schema映射到数据库Schema
        
         *  5.1.1 基于表格的映射
         *  5.1.2 关系 - 对象映射
     *  5.2 查询语言
        
         *  5.2.1 基于模板的查询语言
         *  5.2.2 基于SQL的查询语言
         *  5.2.3 XML Query 语言
     *  5.3 在原生XML 数据库中存储数据
     *  5.4 数据类型, Null 值, 字符集, 及其他
        
         *  5.4.1 数据类型
         *  5.4.2 二进制数据
         *  5.4.3 Null 数据
         *  5.4.4 字符集
         *  5.4.5 处理指令和注释
         *  5.4.6 标记的存储
     *  5.5 从关系\[数据库\]Schema产生DTD以及相反
 *  6.0 文件的存取
    
     *  6.1 在文件系统中存储文件
     *  6.2 在BLOB中存储文件
     *  6.3 原生XML数据库
        
         *  6.3.1 什么是原生XML数据库?
         *  6.3.2 原生XML数据库的架构
            
             *  6.3.2.1 基于文本的原生XML数据库
             *  6.3.2.2 基于模型的原生XML数据库
         *  6.3.3 原生XML数据库的特性
            
             *  6.3.3.1 文件集
             *  6.3.3.2 查询语言
             *  6.3.3.3 更新和删除
             *  6.3.3.4 事务，锁定，以及并发
             *  6.3.3.5 应用程序接口(APIs)
             *  6.3.3.6 双程车票
             *  6.3.3.7 外部数据
             *  6.3.3.8 索引
             *  6.3.3.9 外部实体存储
         *  6.3.4 规范化，引用完整性和可伸缩性
            
             *  6.3.4.1 规范化
             *  6.3.4.2 引用完整性
             *  6.3.4.3 可伸缩性
     *  6.4 可持久化 DOM (PDOM)
     *  6.5 内容管理系统 CMS
 *  7.0 XML 数据库产品
 *  8.0 相关链接
 *  9.0 评论与反馈

## 1.0 简介 (Introduction) ##

本文概述了如何使用XML和数据库，描述了以数据为中心和以文档文中心的文档之间的差异如何影响其在数据库中的应用，使用XML和关系型数据库的常见方法，以及什么是原生XML数据库和何时使用它。

**注：** 尽管本文讨论的资料（几乎）是最新的，但使用以数据为中心和以文档文中心来划分XML与数据库有些过时。在1999年本文的初稿中，这样做有利于引入原生XML数据库的概念-当时尚未得到广泛的认可，从某种程度上来说不太现实，因为许多XML文档既非数据型的亦非文档性的，而是介于两者之间，所以尽管这种划分便于入门，最好还是要理解支持XML的数据库与原生XML数据库之间的差别，并根据需要选择合适的数据库。有关支持XML的数据库与原生XML数据库的最新信息，参见[DB2的XML信息集成。][DB2_XML]

## 2.0 XML是数据库吗？(Is XML a Database?) ##

在开始讨论XML和数据库之前，我们先回答许多人都遇到过的问题：“XML是数据库吗？”

从数据库本质上来看，XML文件就是数据库，它是数据的集合。在许多方面看起来它和其他文件没什么区别 – 无论如何，每个文件都含有某种类型的数据。作为一种“数据库”格式，XML有一些优势：例如，它是自描述的（所用的标记描述了数据的结构和类型，尽管缺乏语义），可交换的(portable)（Unicode），能够以树型或图形结构描述数据。同样它也有缺点，例如，它显得有些繁琐，由于要对它进行解析和文本转换，所以数据访问速度较慢。

一个更有用的问题就是在较为宽松的意义上，XML及其周边技术是否可以算作“数据库” – 数据库管理系统(DBMS)。答案是“在某种程度上是(sort of)”。好的一面是，XML提供了许多数据库所具备的东西：存储(XML文档), 模式(DTD, XML schema，RElAX NG 等等), 查询语言(XQuery, XPath, XQL, XML-QL, QUILT等等），编程接口(SAX, DOM,JDOM)等等。不好的一面在于，它缺少一些作为实用的数据库所应具备的特性：高效的存储，索引，安全，事务和数据一致性，多用户访问，触发器，在查询多个文件等等。

因此，尽管在数据量小、用户少和性能要求不太高的环境下，可以将XML文档用作数据库，但是却不适用于用户量大、数据完整性以及性能要求高的情形。

XML适合于用作所谓“数据库”的一个好例子就是 .ini文件 – 它包含应用程序的配置信息。与其写一个处理以逗号分隔(comma-delimited)的文件的解析器，开发一种小型的XML语言并写一个解释它的 SAX程序要容易的多。此外，XML允许使用嵌套的实体，而逗号分隔的文件(comma-delimited files)很难做到这点。然而，说它就是数据库还很勉强，因为它是线性读写的，而且仅用在程序开始和结束时。

比较适合于XML数据库的一些复杂的数据集就是个人通讯录（名字，电话号码，地址等），或用于描述浏览器书签以及用Napster偷来的MP3。然而，由于dBase和Access之类的数据库物美价廉，即使在这种情况下似乎也没有多少理由把XML文件作为数据库使用。XML的唯一真正好处就是数据的可交换性(portable)，由于有越来越多的工具可以用来对数据库进行XML序列化(serializing)，这一点好处似乎也要打些折扣。

## 3.0 为什么要用数据库？(Why Use a Database?) ##

当你开始考虑XML和数据库的时候，可能首先会问这个问题：为什么你会先想到使用数据库？你是否有可用的历史数据？是否想找个地方存储Web页面? 是否在电子商务中使用数据库，而XML在其中作为数据传输载体? 对这些问题的回答将会极大地影响你对数据库和中间件(如果有的话)的选择,以及如何使用所选的数据库。

例如，你有个电子商务的应用，将XML用作数据交换。那么你的数据最好有个非常规则的结构并且可供非XML程序使用。还有，XML文档所用的某些东西如实体和编码对你来说并不重要 –总之，你感兴趣的是数据，而不是它在XML内如何存储。在这种情况下，你大概需要一个关系型数据库以及在XML和数据库之间转换数据的软件。如果你的应用程序是面向对象的，你甚至还需要一个在数据库或XML中存取这些对象的系统。

另一方面，假如你要从一些结构松散的XML文档建立一个网站。你不但要管理这个网站，还要提供站点内容搜索。你的文档看起来结构比较松散，其中的实体的使用对你来说可能更重要，因为它们是文档结构的重要部分。这种情况下，你也许需要一个原生XML数据库(native XML database)或内容管理系统(content management system)。这使你可以保持文档的物理结构，支持文件级的事务处理，以及使用XML Query语言进行查询。

## 4.0 数据和文档 (Data versus Documents) ##

在选择数据库时最重要因素大概就是你想在数据库存储的究竟是**数据**还是**文档**。例如，是简单地把XML当作数据库和（可能不支持XML）应用程序之间的数据转换工具，还是用于集成，就像XHTML和DocBook中的那样？通常这是个偏好，但是却非常重要，因为所有**以数据为中心**的*(data-centric)*文档有着许多相同的特性，所有**以文档为中心**的*(document-centric)*也有许多相同的特性。这会影响到XML在数据库中如何存储。下面两部分中我们就来考察这些特性。

（历史背景：我在[xml-dev][]邮件列表上第一次听说*data-centric*和*document-centric*这些术语，不知道是谁发明的，但是我在1997的消息中发现有使用document-centric的，从1998年以后这两个术语都有使用。）

### 4.1 以数据为中心的文档 (Data-Centric Documents) ###

以数据为中心的文档就是将XML用作数据的传输载体，只供机器读取，在此XML通常并不是绝对必要的。也就是说，对于应用程序或数据库而言，（在某个时间段内）数据是否以XML文档的形式存储并不重要。以数据为中心的文档的例子有销售订单、航班时刻表、科研数据及股市汇率。

以数据为中心的文档的特点是结构相当规整，数据粒度精细(fine-grained data)（即最小的独立数据单位只存在于PCDATA元素或属性这一级别），很少或没有混合内容。除非在对文档进行验证的时候，同级元素或PCDATA的出现次序一般来说并不重要。

以数据为中心的文档中的这类数据可以来自数据库（此时要输入给XML）或在数据库之外（此时要将其存入数据库）。前者的一个例子就是关系数据库现存的大量数据；而从测量系统采集并转化为XML的科研数据就是后者的例子。

例如，下面的销售订单就是以数据为中心的：

<SalesOrder SONumber="12345">
 <Customer CustNumber="543">
 <CustName>ABC Industries</CustName>
 <Street>123 Main St.</Street>
 <City>Chicago</City>
 <State>IL</State>
 <PostCode>60609</PostCode>
 </Customer>
 <OrderDate>981215</OrderDate>
 <Item ItemNumber="1">
 <Part PartNumber="123">
 <Description>
 Turkey wrench: 
 Stainless steel, one-piece construction,
 lifetime guarantee.
 </Description>
 <Price>9.95</Price>
 </Part>
 <Quantity>10</Quantity>
 </Item>
 <Item ItemNumber="2">
 <Part PartNumber="456">
 <Description>
 Stuffing separator: 
 Aluminum, one-year guarantee.
 </Description>
 <Price>13.27</Price>
 </Part>
 <Quantity>5</Quantity>
 </Item>
 </SalesOrder>

除了像销售订单这种显而易见的以数据为中心的文档之外，许多以文本为主的(prose- rich)文档也可以是以数据为中心的。例如，Amazon.com用来显示书籍信息的一个页面。尽管页面上大部分内容都是文本，这些文本的结构是非常规则的，许多都和其它书籍的描述相同，每个页面特有的文本并不很多。这样，就可以从数据库中取出书籍的相关资料，转换为简单的、以数据为中心的XML文档，再用XSL样式表生成页面。一般来说，那些用数据库中的数据填充模板，动态生成HTML文件的网站都可以转而使用一系列以数据为中心的XML文档和XSL样式表。

例如，下面是个描述航班信息的文档：

<FlightInfo>
 <Airline>ABC Airways</Airline> provides <Count>three</Count>
 non-stop flights daily from <Origin>Dallas</Origin> to
 <Destination>Fort Worth</Destination>. Departure times are
 <Departure>09:15</Departure>, <Departure>11:15</Departure>,
 and <Departure>13:15</Departure>. Arrival times are minutes later.
 </FlightInfo>

从下面的XML文件和一个简单的样式表中创建这个文档：

<Flights>
 <Airline>ABC Airways</Airline>
 <Origin>Dallas</Origin>
 <Destination>Fort Worth</Destination>
 <Flight>
 <Departure>09:15</Departure>
 <Arrival>09:16</Arrival>
 </Flight>
 <Flight>
 <Departure>11:15</Departure>
 <Arrival>11:16</Arrival>
 </Flight>
 <Flight>
 <Departure>13:15</Departure>
 <Arrival>13:16</Arrival>
 </Flight>
 </Flights>

### 4.2 以文档为中心的文档 (Document-Centric Documents) ###

以文档为中心的文档通常是供人消费的。例如书籍、email、广告以及几乎所有人工写成的XHTML文件。其特性为结构不太或根本不规则、数据粒度大(larger grained data)（最小的独立数据单位可能存在于包含混合内容的元素甚至整个文档本身），混合内容多。同级元素或PCDATA出现的次序一般来说总是非常重要的。

以文档为中心的文档通常是以XML手工写成，或从其他格式（如RTF, PDF, SGML）转换到XML，与以数据为中心的文档不同，它们的来源通常不是数据库。（将数据插入到模板而得到的文档是以数据为中心的；更多信息请看4.1节末尾部分）。将各种格式转换为XML的软件信息，请参阅[XML软件相关链接][XML]。

例如，下面这个产品说明是以文档为中心的：

<Product>
 
 <Intro>
 The <ProductName>Turkey Wrench</ProductName> from <Developer>Full
 Fabrication Labs, Inc.</Developer> is <Summary>like a monkey wrench,
 but not as big.</Summary>
 </Intro>
 
 <Description>
 
 <Para>The turkey wrench, which comes in both right- and left-
 handed versions (skyhook optional), is made of the finest
 stainless steel. The Readi-grip rubberized handle quickly adapts
 to your hands, even in the greasiest situations. Adjustment is
 possible through a variety of custom dials.</Para>
 
 <Para>You can:</Para>
 <List>
 <Item><Link URL="Order.html">Order your own turkey wrench</Link></Item>
 <Item><Link URL="Wrenches.htm">Read more about wrenches</Link></Item>
 <Item><Link URL="Catalog.zip">Download the catalog</Link></Item>
 </List>
 
 <Para>The turkey wrench costs just $19.99 and, if you
 order now, comes with a hand-crafted shrimp hammer as a
 bonus gift.</Para>
 
 </Description>
 
 </Product>

### 4.3 数据、文档和数据库(Data, Documents, and Databases) ###

在现实当中，以数据为中心和以文档为中心的文档之间的差别不一定很明显。例如，另一种以数据为中心的文档比如发票，可能含有大粒度的、结构不规则的数据比如零件描述；另一种以文档文中心的文件如用户手册，可能包含细粒度的结构规则的数据（通常为元数据）比如作者和修订日期。其它例子包括法律和医学文书，虽然以松散的形式写成但是却包含离散的数据块例如日期、名称和操作程序，出于法规的原因通常要以完整的文件形式存储。

除此之外，弄清文件的这两种特点有助于选择数据库的类型。一般来说，将数据存储于传统的数据库，例如关系型，面向对象型或层次型数据库。这可由第三方的*中间件*完成或由数据库本身提供内在支持。对于后者，该数据库被称作**支持XML的**(*XML-enabled)*。文档可被存储在**原生(native)XML数据库**（专为存储XML而设计的数据库）或**内容管理系统**(建在原生XML数据库之上专门用来管理文档的程序）。

这些原则并不是绝对的。如果对XML特有的功能不很看重，数据，特别是半结构化的数据可以存储在原生XML数据库，文档也可以存储到传统数据库。何况传统数据库与原生XML数据库之间的界限越来越模糊，传统数据库增加了原生XML的能力，而原生XML数据库增加了对文档存储在外部（通常为关系型）数据库的支持。

本文剩下的部分就有关数据(第5节)和文档(第6节)的存储和读取的策略与问题展开讨论。关于最新的XML数据库产品，请见[XML数据库产品][XML 1]。

## 5.0 数据的存取(Storing and Retrieving Data) ##

为了在XML文件和数据库之间交换数据，必须将XML文件的schema(DTD,XML Schema, RELAX NG等)映射到数据库的schema。用于数据转换的软件位于这种映射的上层。该软件可以使用XML Query语言(如XPath,XQuery,或其他专用语言)或简单地按照映射（SELECT \* FROM Table的XML对应形式)转换数据。

对于后者，文档的结构必须完全符合映射所要求的结构。由于通常不易做到这点，使用这种策略的产品一般要和XSLT一起使用。在数据转换到数据库之前，先将文件按照映射所要求的结构进行转换，然后转存数据。相应地，数据从数据库中取出以后，结果文件要被转换成应用程序所需的结构。

### 5.1 映射\[XML\]文件Schema到数据库Schema (Mapping Document Schemas to Database Schemas) ###

文件schema到数据库schema的映射是在元素类型、属性和文本上进行的。这时几乎总是忽略物理结构(例如实体、CDATA部分及编码信息)及某些逻辑结构(如处理指令、注释以及元素和PCDATA在父元素内出现的顺序)。这样做是自然而然的，因为数据库和应用程序只需关心XML文件中的数据。例如，在上述的销售订单中，客户代号是在CDATA部分，还是外部实体中，或直接就是PCDATA并不重要，同样，客户代号出现在订货日期之前或之后也无关紧要。

这种方法的一个后果是能否保证文件有“往返车票” – 将文件中的数据存入数据库后，又从数据库中的数据重新构建文件，得到的文件往往和原来的文件不同（哪怕从最简单的角度来讲）。这种情形是否可以接受取决于你的要求，在选择软件时要考虑到这一点。

将一个XML文件的schema映射到数据库的schema有两种方法：**基于表格的映射**和**对象-关系映射**。

#### 5.1.1 基于表格的映射 (Table-Based Mapping) ####

许多转换XML到数据库的中间软件都采用基于表格的映射。它把XML文件看作一个（或一组）表格，也就是说，XML文件的结构必须是下面这种样子，如果只是单一表格的话，就不再需要<database>元素和其他<table>元素：

根据所用软件的不同，可以将各字段数据以子元素的形式或以属性的形式存储，同样也可以指定这些元素或属性的名字。此外，采用基于表格映射方式的软件还可能允许在文件开始的地方包含表格或各字段的元数据，或者将其作为各表格或元素的属性。注意这里所说的“表格”是泛指的表格。当将数据从数据库中转到XML文件时，“表格”可以是任何结果集，反之，“表格”可以是普通的表格或可更新的视图。

基于表格的映射对存取关系型数据比较适用，比如在两个关系型数据库之间转换数据。其明显不足就是不适于格式不符的XML文件。

#### 5.1.2  对象-关系映射 (Object-Relational Mapping) ####

所有支持XML的关系型数据库和某些中间件都可以使用对象-关系的映射方式。它将XML文件中的数据视为特定的对象树的模型。在这个模型中，元素及其类型、元素内容或混合内容（**复合元素类型**）通常被视为类。只具有PCDATA内容的元素(**简单元素类型**)、属性以及PCDATA都被当作简单属性。然后通过传统的对象-关系映射技术或 SQL 3的对象视图将该模型映射到关系型数据库。也就是说，类被映射到表格，简单属性被映射到字段，而值为对象属性被映射为成对的主键/外键(primary key/foreign key)。

（所谓“对象-关系映射”有些名不副实。因为对象树可以被直接映射到面向对象型和层次型数据库，然而，但是由于大多数使用这种映射方式的主流产品使用的其实是关系型数据库，所以“对象-关系映射”也就广为人知。）

我们在理解这种映射所用的对象模型的时候要知道，这个对象模型**不是**文件对象模型(DOM)。所有XML文件的DOM都是一样的，而上述描述文件数据的模型对于每个DTD所定义的XML文件都不一样，例如，上述销售订单的模型是一个由四个类所组成的对象树–SalesOrder, Customer, Item, 和Part， 如下图所示：

SalesOrder
                       /    |    /
                 Customer   Item   Item
                             |      |
                            Part   Part

在由同一个文件产生的DOM中，对象树的组成是元素、属性和文本:

元素 --- 属性
                        (SalesOrder) (SONumber)
                   ____/   /   /   /_____
                  /       /     /        /
              元素      文本     元素     元素
         (Customer) (OrderDate)  (Item)    (Item)
              |                    |         |
             etc.                 etc.      etc.

模型中的对象是否被实例化要取决于所用的软件。有些软件允许依据模型产生类，然后可以在程序中使用由这些类所产生的对象。在这些产品中，数据是在XML文件 - 对象 -数据库之间传递的。其他产品是直接在XML文件和数据库之间进行数据转换的，对象只是作为这种过程的可视化帮助工具。生成这些中间对象是否有用完全取决于你的应用程序。

（根据Sun的 [Java Architecture for XML Binding][]，XML文件与对象的绑定通常被称为*XML数据绑定(XML data binding)*，有些产品支持XML数据绑定，其中许多还可以在对象和数据库之间进行数据交换，更多的信息，请看 [XML数据绑定相关资源 XML Data Binding Resources][XML_ XML Data Binding Resources].)

各种产品对对象-关系映射的具体支持各不相同。例如：

* 所有产品都支持从复合元素类型到类，以及从简单元素类型和 属性(attributes)到\[类的\]属性(properties)的映射。
 * 所有（？）产品都允许你指定是否将根元素映射到对象模型或数据库。如果你想在同一个XML文档中存储多个顶级对象时，这个包装元素(wrapper element)就显得有用了。例如，如果你想在同一个XML文件中存储多个销售 订单，就必须把它们包装在一个根元素内。
 
 当使用基于表格的映射的XML文件有多个表格组成时，这个包装元素就相当于<database>元素，他的存在只是为了满足 XML 文件只能有一个根元素的要求。少数产品允许你就像指定包装元素那样，在较低的层次上指定\[某些元素是否被映射 -译注\]。
 * 大多数产品允许你说明将\[对象的\]属性(properties)映射到XML文件中的属性(attribute)还是子元素。某些产品还允许 你混合使用属性和子元素，其他的只允许你使用两者之一。
 * 大多数产品允许XML文件和数据库的名字可以不同。少数产品要求必须使用相同的名字。
 * 大多数产品允许你说明子元素在父元素中的出现次序，尽管如此，仍然不可能建立多个内容模型。幸好对于大多数以数据为中心的文档而言，所支持的内容模型已经足够。（当文件需要验证时，子元素的次序才显得相当重要。）
 * 某些产品允许你将复合元素类型映射到简单属性 (properties)。当某个元素包含混合内容(例如销售订单中的< Description>元素)时，这点相当有用。尽管<Description>元素像XHTML一样包含子元素和文本，但最好还是 将这个description视为单个属性，而不是把它分成许多碎块。
 * 支持混合内容中的PCDATA映射的产品不多。

关于对象-关系型映射的详细描述，请看第三部分“[将DTD映射到 数据库][DTD_]”。

### 5.2 查询语言(Query Languages) ###

许多产品都是按照它们所建的模型直接进行数据交换。由于XML文件的结构和数据库的结构一般不同，这些产品一般都使用了或包括了XSLT样式表。这就允许用户在数据被交换到数据库之前（或相反）根据模型规定的格式对文件进行转换。由于XSLT处理的代价较高，某些产品只提供有限几种这样的转换。

这个问题的长久解决方案就是设计一种可以返回XML\[文件\]的查询语言。目前来看(2002年11月)，大多数这种语言都依赖于在模板中嵌入 SELECT 语句。到 XQuery 最后定稿时这个局面有望得到改变，正如主流的数据库产品提供商已经做的那样。不幸的是，几乎所有的XML查询语言(包括 XQuery1.0 和 SQL/XML的最初发布版本)对文件都是只读的，所以短期来说，最需要的是能够插入、更新、删除数据的手段。（从长远来看，XQuery 和 SQL/XML 将会增加这种功能。）

#### 5.2.1 基于模板的查询 (Template-Based Query) ####

大多数从数据库读取XML的查询语言是基于模板的，这些语言并没有预先定义XML文件和数据库之间的映射，相反，是将SELECT语句嵌入到模板中，由数据交换软件对结果进行处理。例如，下面的模板（并不是真正产品中的）使用包含了SELECT语句和$column-name值的< SelectStmt>元素来决定将结果放在何处。

<?xml version="1.0"?>
 <FlightInfo>
 <Introduction>The following flights are available:</Introduction>
 <SelectStmt>SELECT Airline, FltNumber,
 Depart, Arrive FROM Flights</SelectStmt>
 <Flight>
 <Airline>$Airline</Airline> <FltNumber>$FltNumber</FltNumber>
 <Depart>$Depart</Depart> <Arrive>$Arrive</Arrive>
 </Flight>
 
 <Conclusion>We hope one of these meets your needs</Conclusion>
 </FlightInfo>

这个模板处理之后的结果可能是:

<?xml version="1.0"?>
 <FlightInfo>
 <Introduction>The following flights are available:</Introduction>
 
 <Flights>
 <Flight>
 <Airline>ACME</Airline>
 <FltNumber>123</FltNumber>
 <Depart>Dec 12, 1998 13:43</Depart>
 
 <Arrive>Dec 13, 1998 01:21</Arrive>
 </Flight>
 ...
 </Flights>
 <Conclusion>We hope one of these meets your needs.</Conclusion>
 
 </FlightInfo>

基于模板的查询语言非常灵活。尽管各个产品的功能不尽相同，但有一些共同特性：

*  可以将返回结果放在输出文件中的任何地方，包括作为后续SELECT语句的参数。
 *  可由程序构建 for 循环和 if 语句。
 *  可以定义变量和函数。
 *  可通过HTTP参数实现SELECT语句的参数化(parameterization)。

从关系数据库中将数据转换到XML文件时，几乎一定要用到基于模板的查询语言。虽然有些产品也将基于模板的查询语言用于XML文件到关系数据库的数据转换，这时所用的并不是完整的模板语言。相反，他们使用的是上面所述的基于表格的映射。

#### 5.2.2 基于SQL的查询语言 (SQL-Based Query Languages) ####

基于SQL的查询语言使用的是经过修改的SELECT语句，\[查询\]结果被转换为XML。目前已经有一些私有的基于SQL的语言可用。通过简单地使用嵌套的SELECT语句，就可直接转换成符合对象 - 关系映射的嵌套的XML。或者使用SQL 3的对象视图也可直接转换成XML。最后还可使用 OUTER UNION 语句和特殊标记来决定怎样将结果转换成 XML。

除了这些私有语言以外，2000年一些公司联合提出了 SQL 的 XML 扩展标准，现在已经成为被称为 SQL/XML 的 ISO SQL 标准的一部分；最终可望于2003年得到批准。 SQL/XML 引入了一种 XML 数据类型，并且为 SQL 增加了几个函数，可以从关系型数据构造 XML 元素和属性。

例如，下面的查询

SELECT Orders.SONumber,
        XMLELEMENT(NAME "Order",
            XMLATTRIBUTES(Orders.SONumber AS SONumber),
         XMLELEMENT(NAME "Date", Orders.Date),
           XMLELEMENT(NAME "Customer", Orders.Customer)) AS xmldocument
    FROM Orders

构造了具有两个字段的结果集。第一个字段为销售订单号，第二个字段为一个 XML 文件。每一行有一个 XML 文件，它来自 Orders 表中相应的数据。例如，从订单号 123 生成的 XML 文件是：

<Order SONumber="123">
 <Date>10/29/02</Date>
 <Customer>Gallagher Industries</Customer>
 </Order>

在网上很难找到有关 SQL/XML 的资料。关于其介绍和（可能）过时的一些资料，请参考 [SQLX Group 网站][SQLX Group] 。 最终的草案可从 [ SQL/XML 标准(PDF)][SQL_XML _PDF]得到。

#### 5.2.3 XML Query Languages ####

基于模板和基于SQL的查询语言只能用于关系数据库，与此不同，XML查询语言可用于任何XML文档。为了把它用于关系数据库，必须把数据库中的数据看作XML的模型，这样才能对虚拟的XML文件进行查询。

对于XQuery,基于表格的映射或对象-关系型映射都可以使用。当使用基于表格的映射时，各个表格被视为单独的文件，像SQL中的一样, 这些表格的结合(joints)则在查询\[语句\]本身中指明。如果使用的是对象-关系型映射，各个表格的层次被当作单个文件，而\[表格的\]结合在映射中说明。对于大多数关系数据库而言，似乎基于表格的映射更为常用，这是因为它的实现似乎更简单些，SQL的用户对此也更为熟悉。

如果使用XPath在多个表格中进行查询，就必须使用对象-关系映射，这是因为XPath不支持多个文档的联合。因此，如果使用基于表格的映射，也许每次只对一个表格进行查询最好。

### 5.3 原生XML数据库的数据存储(Storing Data in a Native XML Database) ###

还可以将XML文件中的数据存储在原生XML数据库(native XML database)中。这么做有几个理由。首先，当你的数据是半结构化的数据时。也就是说，它的结构是普通的，但是如果将其映射到关系数据库，结果是要么出现大量空值(null)的字段，要么表格的数量过多，浪费空间或效率低下。虽然半结构化的数据可存储到面向对象的或层次型数据库中，你还可以选择将它以XML文件的形式存储于原生XML数据库。

将数据存储在原生XML数据库中的第二个理由是读出速度。根据XML数据库存储数据的物理方式的不同，数据的读出速度可以做到比关系型数据库\[的读取速度\]快得多。其原因是，原生XML数据库对整个文件一起进行物理存储，和\[表示\]文件各个部分的物理(而不是逻辑)指针可采用同一存储策略。这就可以不使用连接(joins)或只使用物理连接读取文件，无论哪种情况都比关系型数据库所用的逻辑联结要快。

以上述销售订单文件为例。在关系型数据库中，它可能被存为四个表格 – SalesOrders, Items, Customers, 和 Parts – 读取文件时需要将这些表格结合起来。在原生XML数据库中，整个文件可被存储在磁盘的一个地方，在读取文件或其片断时只需要一次查找和一次读取操作。关系数据库在读取数据时则需要四次查找以及至少四次读取操作。

这样做的一个明显缺点就是，只有数据的读取顺序和写入磁盘的顺序相同时，才可以提高速度。如果你想要的数据视图不同，比如只想要客户及其订单列表，性能可能比关系数据库更差。所以，如果你的应用中是单个数据视图为主，为了提高性能，才可以考虑将数据存储到原生XML数据库。

将数据存储在原生XML数据库中的第三个理由是你想利用XML的独有特性，如执行XML查询。由于今天以数据为中心的应用几乎没有这样做的，而且关系数据库正在逐步支持XML查询语言，这个理由越来越不充分。

将数据存储在原生XML数据库中的一个问题是，大多数原生数据库只能以XML\[的形式\]返回数据。（支持元素和属性到应用程序变量绑定的只是少数）。如果你的应用程序需要另一种数据格式（很有可能），使用数据之前必须先解析XML。对本地的应用程序而言显然是个缺点，而这种前期准备在(比如)ODBC中就不存在。对于将XML作为数据载体使用的分布式应用程序而言，这个问题不很严重，因为不管用的是哪种数据库，这种前期工作必须要有。

### 5.4 数据类型，空值，字符集，诸如此类 (Data Types, Null Values,Character Sets, and All That Stuff) ###

本节将就在传统数据库中存储XML文件数据的相关问题展开讨论。（有关数据类型和二进制数据存储的讨论同样适用于原生XML数据库）总的说来，你无法选择数据交换软件解决这些问题的方式。然而，你应当明白这些问题确实存在，这样会有助于你选择软件。

#### 5.4.1 数据类型 Data Types ####

如果单从字面上讲，XML并不支持任何数据类型。除了非解析实体，XML文件中的所有数据都是文本，尽管它可能表示日期或整数等其他类型。一般来说，数据交换软件负责把(XML文件中的)文本转换成(数据库中的)其他数据类型，反之亦然。

至于软件如何确定该进行怎样的转换各不相同，常见的有两种方法。第一种方法是软件根据数据库模型来确定数据类型，因为它在运行时总是可用的。（而XML模型在运行时就不一定有，甚至根本就不存在）。第二种方法就是由用户明确指定数据类型，比如映射信息。它可以由用户写出，或者自动从数据库模型或XML 模型中产生。

类型转换时的另一个问题是，究竟能够识别（从 XML 转换）或创建什么文本格式。大多数情况下，能够被识别为特定数据类型的文本格式数目很有限，比如某个JDBC驱动程序支持单一的、特定的格式。日期看起来最容易出问题，因为它的格式可能非常多。而数字在各种语言中的格式也不尽相同，也有可能出问题。

#### 5.4.2 二进制数据 (Binary Data) ####

二进制数据在XML文件中的存储方法一般有三种：非解析实体和Base64编码(一种 MIME 编码方式，将二进制数据映射到US-ASCII码的一个子集\[0-9a-zA-Z+/\] - 见[RFC 2045][] ）；十六进制编码（每二进制字节 用两个十六进制字符\[0-9a-fA-F\]表示）以及非解析实体（二进制数据存储在与该XML分离的物理实体内）。

二进制数据的最大问题在于数据转换产品对它的支持不够，所以要检查你的软件是否支持。另一个问题是，大部分（全部？）数据转换产品都不存储符号和实体声明。这样，将 XML 中的数据转换到数据库中时，与某些实体对应的符号就会丢失。（关于符号的更多信息详见 XML 标准的 [4.7][] 部分）。

#### 5.4.3 空数据 (Null Data) ####

在数据库术语中，空数据(*null data*)意味着没有数据。这和值为0的数字或长度为零的字符串区别非常大。例如，假设你收集到 的是气象数据，如果温度计不能工作，则数据库中存储的就是null而不是0，否则情况就完全不同了。

XML也支持这种空数据的概念(通过可选(optional)元素或属性)。如果一个可选元素或属性的值为空，就不会包含在文件内。而在数据库中，值为零长度字符串的属性和空元素并不是null：它们的值为零长度的字符串。

当你将XML文档的结构映射到数据库(或反过来)时，你当特别留意，可选元素类型或\[空值\]属性会被映射到允许空值的字段(nullable columns)，反之亦然。如果不是这样的话，可能会产生插入错误(当转换数据到数据库时)或非法文件错误(从数据库中取出数据时)。

与数据库专业相比，XML社区对null含义的表示法更为自由– 特别是许多XML用户都认为零长度字符串的属性和空元素是“空(null)”的，所以你应该检查一下你的软件是如何处理这种情况的。有些软件为用户提供了选择，可以定义XML中如何表示”null”，以及支持XML Schema中的 xsi:null属性。

#### 5.4.4 字符集 (Character Sets) ####

根据定义，除了某些控制字符，XML文件可包含任何Unicode字符。不过，许多数据库对Unicode的支持很有限或根本就不支持，而且需要特殊的配置才能处理非ASCII字符。如果你的文件包含非ASCII字符，要确保你的数据库及数据转换软件对这些字符是否支持及如何支持的。

#### 5.4.5 处理指令和注释 (Processing Instructions and Comments) ####

处理指令和注释并不是XML文档“数据”的一部分，大多数(全部?)数据转换软件都不能处理它们。问题在于这些东西可能出现在XML文档中的任何地方，所以不容易进行基于表格或对象-关系型映射。（一个明显行不通的方案是为这些处理指令和注释建立一个表格，在其他表格加上指向这个表格的外部键(foreign key)，每当处理别的表格时，就检查这些表）。所以大多数数据转换软件会简单地忽略它们。如果处理指令和注释对你相当重要，就要检查所用软件对此能否处理及处理方法。或者可以考虑使用原生XML数据库(native XML database)。

#### 5.4.6 对标记的存储 (Storing Markup) ####

正如5.1.2 一节所提到的, 有时候需要在数据库中存储混合内容的元素而无须进一步解析。这时， 标记被存储为标记字符(markup is stored with markup characters)。然而，问题出现在如何存储那些不作为标记使用的标记字符。在XML文档中，这些是以 lt, gt, amp, quot 和 apos 实体存储的。在数据库中也可这么做。例如，下面的description:

<description>
 Confusing example: <foo/>
 </description>

在数据库中可存为：

Confusing example: <foo/>

这样做的一个问题是一些非XML查询语言，如SQL不会在表中搜寻标记和实体的用法并将其正确翻译。这样，如果你打算用SQL来搜索字符串“<foo/>”，你应当知道实际的搜索字符串是“<foo/>”。

另外，如果实体引用被扩展了，数据转换软件无法区别标记和实体。例如，如果上述例子在数据库中按照下面的形式存储，则软件就无法知道 , 和<foo/>到底是标记还是文本。

Confusing example: <foo/>

解决这个问题的长久之计就是支持XML的数据库(XML-aware database)，在那里，对真正的标记和看起来很像标记的东西的处理方式是不同的。非XML应用程序处理XML时，总是会出现这种问题。

### 5.5 从关系\[数据库\]Schema产生DTD或相反 (Generating DTDs from Relational Schema and Vice Versa) ###

在XML文件与数据库之间进行数据转换时经常遇到的一个问题是如何从数据库schema产生DTD或相反。在解释如何做之前，必须指出这是设计阶段的任务。其原因是大多数以数据为中心的应用以及几乎所有的盘点应用软件(vertical applications)都是在已知的DTD或数据库模型上工作的，因此，不会在运行时产生schema。再者，如下所述，schema的产生过程不十 分严格。如果应用程序需要在数据库中随机存放XML文件，则应考虑使用使用原生XML数据库，而不是在运行时产生schema.

从DTD产生关系模型（或相反）的最简单方法就是直接借助于对象-关系映射，它有几个可选特性。对于面向对象的数据库也有相似的途径。（关于每种方法的逐步演示，请看[Mapping DTDs to Databases][].）。

从DTD产生关系模型：

1.  对每个复合数据类型, 创建一个表格和主键字段
2.  对每个混合内容的元素类型，另外建一个表用来存储PCDATA，通过其父表格的主键与父表格相连。
3.  对该种数据类型的每个单值属性，以及每个单次出现简单子元素在表中建一个字段。如果子元素或属 性是可选的，将该字段设置为可为空值的字段(nullable)。
4.  对每个多值属性(multi-valued attribute)和每个多次出现的简单元素，单独创建一个表，通过其父表格的主键与父表格相连
5.  对每个复合类型的字元素，通过其父表格的主键将父表与该子元素类型的表相连。

从关系\[数据库\]模型产生DTD:

1.  为每个表创建一种元素类型。
2.  对表中的每个数据(非键)字段以及主键字段，在元素类型上增加一个属性或在内容模型上增加一个PCDADA型的字元素。
3.  对于每个引用该主键的表格，在内容模型上增加一个子元素，继续递归处理表格。
4.  对于每个外来键，在内容模型上增加一个子元素，继续递归处理外来键表格。

这些过程有一些不足，其中许多都可手工解决，比如名称冲突及指定字段数据类型和长度。（DTD不包含数据类型信息，所以不可能预知数据库中的数据类型。注意，从XML Schema文件可以预测数据类型和长度。）

更加严重的问题是，XML文件所用的数据“模型”通常和数据库中所用的高效率的模型不同，(实际上更为复杂)。请看如下XML片断：

<Customer>
 <Name>ABC Industries</Name>
 <Address>
 <Street>123 Main St.</Street>
 <City>Fooville</City>
 <State>CA</State>
 <Country>USA</Country>
 <PostCode>95041</PostCode>
 </Address>
 </Customer>

从DTD产生关系模型的一般过程来看，通常会产生两个表：一个是customers，另一个是addresses。然而，大多数情况下把 address存放在customer表中更为合理。

<Address>元素就是**包装元素****(wrapper element)**的典型例子。采用包装元素的原因有二：首先，这种结构使得文档更容易理解；其次，它可作为一种数据类型使用。例如，可以将<Address>元素传给一个例程，该例程可以将所有地址转换为Address对象，不管它出现在哪里。

虽然包装元素在XML中很有用，但被映射到数据库中的时候会增加额外的结构，很容易出问题。因此，在产生关系模型之前，一般应将其从DTD中除去。由于DTD一般是不允许改变的，而在映射是又不包含包装元素，所以往往会导致实际文档与数据转换软件所要求的文档不匹配。对此可以在运行时转换文件(比如使用XSLT)：数据被转到数据库之前去掉包装元素，转出后在加上它。

尽管有这些不足，上述步骤还是为DTD和关系模型之间的转换提供了一个起点，对于大型系统尤为如此。

## 6.0 文件的存取 (Storing and Retrieving Documents) ##

XML文件的存储方式有两大类：存储于文件系统或作为BLOB存储于关系数据库以获得有限的XML功能，或者将其存储于原生XML数据库。

### 6.1 将文件存储于文件系统 (Storing Documents in the File System) ###

如果你的文件比较简单，数量不多，最简便的方法就是存储于文件系统。以后可以使用grep之类的工具进行查询或sed来修改。（对XML文件进行全文检索显然不够精确，比如很难区分文本和标记，而且无法理解实体的用法。然而，对于小型系统，这还是可以接受的）如果你想实现简单的事务管理(transaction control)，可以将文件放在诸如CVS或RCS等版本管理系统中。

### 6.2 将文件存储于BLOB (Storing Documents in BLOBs) ###

另一种较为复杂的方法就是将文件存储于关系数据库中的BLOB。这就利用了数据库的一些优点：事务管理、安全、多用户访问等。此外许多关系数据库提供的检索工具可以进行全文检索、近似检索、同义词检索和模糊检索。其中某些工具将会支持XML，这样就可消除将XML文件作为纯文本检索所带来的问题。

如果以BLOB的形式存储XML文件，即使数据库不支持对XML的检索，你也很容易实现自己的XML检索。方法之一是创建两个表：索引表(DB2中的*side table*)和文件表。文件表包含一个主键和一个存储文件的BLOB字段，索引表内有一个已建立索引值字段以及一个外来键指向 文件表中的主键。

文件被存在数据库中之后，就可以搜索所有已建索引的元素和属性实例。每个实例及文件的主键都存于索引表中。这样已建立索引的字段使应用程序可以快速检索某个元素或属性值并获取相应的文件。

举例来说，假如你有一些符合下列DTD的文件，希望建立作者的索引：

<!ELEMENT Brochure (Title, Author, Content)>
 <!ELEMENT Title (#PCDATA)>
 <!ELEMENT Author (#PCDATA)>
 <!ELEMENT Content (%Inline;)>

你可以用下表来存储它：

Authors                     Brochures
       ----------------------      ---------
       Author     VARCHAR(50)      BrochureID INTEGER
       BrochureID INTEGER          Brochure   LONGVARCHAR

假如你在数据库中插入了一个`brochure`，程序就会在`Brochures`表中插入该 brochure，然后寻找<Author>元素，将它的值和brochure ID存入Authors表中。以后就可通过简单的SELECT语句得到某个Author的所有brochure。比如想得到author为Chen的所有 brochure，就可以执行下面的语句：

SELECT Brochure
       FROM Brochures
       WHERE BrochureID IN (SELECT BrochureID FROM Authors WHERE Author='Chen')

更复杂的索引表可包含四个字段：元素类型或属性名、(元素或属性)类型、值和文件ID。这样就可在一个表中存放多个标记\[文件\], 并按名字、类型和值建立索引。写个操作这个表的SAX程序应该不是件难事。

### 6.3 原生XML数据库 (Native XML Databases) ###

上述的简单系统所提供的功能如果不能满足你的需要，你可以考虑使用原生XML数据库(native XML database)。**原生XML 数据库**是专用于存储XML文件的数据库。和其他数据库一样，它支持事务管理、安全、多用户访问、编程API和查询语言等。与其它数据库的唯一区别就是其内部模型是基于XML的，而不是其他的模型–如关系模型。

原生XML数据库常用于存储以文档为中心的文件。主要原因是原生数据库支持XML查询语言，你可以对它提这样的问题：“找出所有第三段内包含粗体字的文件”，用SQL显然很难进行这样的查询。另外，原生XML数据库保留了文件\[元素？\]顺序、处理指令、注释、CDATA块以及实体引用等，而支持XML的数据库(XML-enabled database)无法做到。

原生XML数据库景常用于数据集成。以往都是通过关系数据库的联合来实现数据集成的，但这要求所有源数据都影射到关系模型，显然对许多数据类型而言是不可行的，而XML数据模型提供了更好的灵活性，与关系数据库相比，原生XML数据库能更好地处理模型的更改，还可以处理无模型的数据。当需要集成的数据源不属于你控制的时候，这些都是要着重考虑的。

原生XML数据库的第三个用途是存储半结构化数据，例如在财务和生物领域中，由于更改非常频繁，以至于不可能有固定的模型，由于原生XML数据库并不像关系数据库那样需要固定的模型，所以非常适合存储此类数据，尽管它可能不需要供人阅读。

原生XML数据库最后一个主要用途是处理模型的改进。尽管原生XML数据库本身并不提供完整的解决方案，但与关系型数据库相比，有很大的灵活性。例如，原生XML数据库不需要对现有的数据重新建立模型，能在没有其他数据集成途径时处理模型的改变，无需知道模型也能存储数据。

原生XML数据库的其他用途包括对耗时较长的交易提供数据和元数据缓存、处理大文件、处理层次性数据以及作为中间层数据缓存。详见[原生XML数据库案例][XML 2]。

#### 6.3.1 什么是原生数据库(Native XML Database)? ####

“native XML database” 这个术语首先在 Software AG 为 Tamino 所做的营销宣传中露面。也许由于它的成功，后来这个术语在同类产品的开发商那里成了通用叫法。它是一个营销术语，从来没有正式的技术定义，这是它的一个缺陷。

有一个接近的定义(出自[XML:DB mailing list][XML_DB mailing list]的一个成员)这样定义原生XML数据库(native XML database)：

> 它为 XML 文档（而不是文档中的数据）定义了一个(逻辑)模型，并根据该模型存取文件。这个模型至少应包括元素、属性、PCDATA 和文件顺 序。这种模型的例子有XPath数据模型、XML Infoset 以及 DOM 所用的模型和SAX 1.0的事件。

> 它以 XML 文件作为其基本(逻辑)存储单位，正如关系数据库以表中的行作为基本(逻辑)存储单位。

> 它对底层的物理存储模型模型没有特殊要求。例如，它可以建在关系型、层次型或面向对象的数据库之上，或者使用专用的存储格式，比如索引或压缩文件。

该定义的第一部分与其他类型数据库的定义相似，都是关于数据库所用的模型的。不过，原生 XML 数据库所能存储的信息比模型中定义的多。例如，它可支 持基于XPath 数据模型的查询，但所用的存储格式是纯文本。CDATA 部分和实体用法也可存储在数据库中，但是模型中没有包括。

定义的第二个部分是说原生数据库的基本存储单位是 XML 文件。看起来似乎也可存储 XML 文件片断，但几乎所有的原生 XML 数据库都是以文件方式存储 的。

（基本存储单位就是可以容纳一份数据的最低级的上下文 (context)，相当于关系数据库中的行。它的存在并不妨碍以更小的数据单位来读取数据， 比如文件片断或个别元素，同样也不影响将不同文件中的片断进行组合。从关系数据库的术语来讲，相当于数据虽然以行的形式存放，并不意味着无法读取某个字段 的值，或从现有的数据行创建新一行数据。）

该定义的第三部分讲的是底层的数据存储格式并不重要。确实如此，正如关系数据库所使用的物理存储格式与数据库是不是关系型之间毫无关系。

#### 6.3.2 原生XML数据库的结构 (Native XML Database Architectures) ####

原生XML数据库的结构可分为两大类：基于文本的和基于模型的。

##### 6.3.2.1 基于文本的原生XML数据库(Text-Based Native XML Databases) #####

**基于文本的原生XML数据库**将XML作为文本存储。它可以是文件系统中的文件、关系数据库中的BLOB或特定的文件格式。（事实上， 就其能力来说，一个增加了支持CLOB(Character Large Object)字段的XML处理功能的关系数据库也可以是原生XML数据库了。）

索引对所有基于文本的原生XML数据库来说都是一样的，它可以使查询引擎很方便地跳到XML文件内的任何地方。这就可以大大提高数据库存取文件或文件片断的速度。这是因为数据库只需进行一次检索、磁头定位，再假如所读的文件在磁盘上是连续\[存储\]的话，只需一次读盘就可读出整个文件或文件片断。相反，如果像关系数据库或基于模型的原生XML数据库那样，文件由各个部分组合而成，就必须要进行多次查找定位和多次读盘动作。

从这个意义上讲，基于文本的原生XML数据库与层次结构的数据库很相似，当存取预先定义好层次的数据的时候，它比关系数据库更胜一筹。和层次结构的数据库一样，当以其他形式比如转置层次存取数据时，原生XML数据库也会遇到麻烦。这个问题的严重程度尚未可知，很多关系数据库都使用逻辑指针，使相同复杂度的查询以相同的速度完成。由此看来这确实是个问题。

##### 6.3.2.2 基于模型的原生XML数据库 (Model-Based Native XML Databases) #####

第二类原生XML数据库是**基于模型的原生XML数据库**。它们不是用纯文本存储文件，而是根据文件构造一个内部模型并存储这个模型。至于模型究竟怎样存储取决于数据库。有些数据库将该模型存储于关系型和面向对象的数据库中，例如在关系型数据库中存储DOM时，就会有元素、属性、PCDATA、实体、实体引用等表格。其他数据库使用了专为这种模型作了优化的专有存储格式。

（Mark Birbeck 在 1998年12月的 [XML-L][] 邮件列表中描述了一个建立在关系型数据库上的简单的、基于 模型的原生 XML 数据库系统，该系统用了5个表 - 属性定义、元素/属性关联、内容模型定义、属性值、元素值 （PCDATA 或指向其它元素的指针），以及只包含元素、属性、文本和文件顺序的模型。参见 标题为 “[Record ends, Mixed content, and storing XML documents on relational database][Record ends_ Mixed content_ and storing XML documents on relational database]” 和 “[storing XML documents on relational database][]“的信件。）

建立在其他数据库之上的基于模型的原生XML数据库的文件存取性能与这些数据库相似，原因显而易见：其存取要依赖这些数据库。但是这个数据库，特别是建立在其他数据库之上的原生XML数据库的设计有很大的变化余地。例如直接以 DOM 方式进行对象-关系映射的数据库系统在获取节点的子元素时必须单独执行 SELECT 语句。另一方面，这种数据库大多对存取模型和软件作了优化。例如 Richard Edwards 在 [system for storing the DOM in a relational database][]一文中曾经描述只用一个SELECT语句就可获取任意文件片断(或整个文件)。

使用专用存储格式的基于模型的原生XML数据库如果以文件的存储顺序读取文件，其性能与基于文本的原生XML数据库相似。这是因为这种数据库大多在节点间使用了物理指针，这样其读取性能和读取文本差不多。（究竟哪个快一些要取决于数据格式。如果返回文本格式，显然基于文本的系统要快一些；如果希望返回的是DOM，假如该模型很容易映射到DOM，则基于模型的系统更快。)

与基于文本的原生XML数据库一样，如果数据的读取顺序和存储顺序不同，基于模型的原生XML数据库很容易出现性能上的问题。这两种类型的数据库到底哪个快一些仍不是很清楚。

#### 6.3.3 原生XML数据库的特性 (Features of Native XML Databases) ####

本节简单讨论原生XML数据库的一些特性，有助于大致了解其现状和未来。

##### 6.3.3.1 文件集 (Document Collections) #####

许多原生XML数据库都支持集合（collection）的概念，其作用相当于关系数据库中的表和文件系统中的文件夹，例如你想在原生XML数据库中存储销售订单，就可以定义一个销售订单的集合，这样对销售订单的查询就限于这个集合内的文件。

作为另一个例子，假设你想把公司的所有产品的说明书存储在原生XML数据库中，在这种情形下，你要先定义一个层次结构。比如，为每种产品定义一个集合，并在其中为每种产品说明书的每个章节都指定一个集合。

这些集合是否被允许嵌套取决于所用的数据库。

##### 6.3.3.2 查询语言 (Query Languages) #####

几乎所有的原生XML数据库都至少支持一种查询语言。最常用的有 XPath (对多个文件的查询作了扩充)和 XQL，以及很多专有的查询语言。在考虑原生XML数据库时应当确定其查询语言是否满足你的需要，比如从全文检索到多个文件片断的合并。

将来大多数原生XML数据库大概都要支持W3C的XQuery。

##### 6.3.3.3 更新和删除 (Updates and Deletes) #####

原生XML数据库对文件的更新和删除方式有许多，从简单的替换或删除现有文件，到修改当前活动的 DOM 树，以及用于指定如何修改文件片断的语言。通常这些方法都是厂商专有的，不过也出现了两种标准的XML文件更新语言：

*  来自[XML:DB Initiative][XML_DB Initiative] 的 [XUpdate][]，它是一种基于XML的语言，使用XPath确定节点集，然后指定删除或插入操作，或在其前后插入新的节点。XUpdate已经在多个原生XML数据库中实现。
 *  W3C XQuery 工作组成员和[Patrick Lehti][]已经提交了[XQuery 扩展][XQuery]，并在一些原生XML数据库中实现，很可能成为 XQuery 更新的基础。

尽管有了上述这些语言，但在XQuery包含更新功能之前，更新功能仍然难以统一。

##### 6.3.3.4 事务、锁定和并发 (Transactions, Locking, and Concurrency) #####

基本上所有的原生XML数据库都支持事务处理（当然也应支持后退\[rollback\]）。但是，锁定通常是对整个文档的而不是对文件片断的，所以多用户并发性\[的支持\]相对较低。问题的大小取决于应用程序以及“文件”的构成。 例如:

*  用户手册分成几个章节，每个章节都是一个文件，这时并发问题就小一些，因为两个作者同时对同一章节进行更新的情况不大可能发生。
 *  如果整个公司的销售数据都放在同一个文件中，文件级的锁定很容易造成灾难性的后果。因为两个销售人员更新同一个产品信息的机会相当大。不过至少可以为每个潜在的客户创建一个文件来部分地解决这个问题。
 *  文档包含的数据用在工作流-例如财务合同中。其中每一步都需要从文档中读取数据并加入自己的数据。例如有时要检查信用情况并添加信用记录，而另一步要检查同一个客户的合同结余并添加到总的结余。如果使用节点级的锁定，有些步骤可能会以并行的方式执行。如果采用文档级的锁定，则必须按照顺序执行以避免冲突。如果是大规模的应用则可能造成难以接受的延迟。

节点级锁定的问题在于如何实现。通常锁定节点也要锁定其父元素，以此类推，锁定根元素，也就是锁定整个文档。假设某个交易要读取子节点，如果不锁定祖先节点的话，另一项交易可能会删除它的祖先节点，进而删除该节点。然而，如果另一个交易要更新的节点不在同一个分支上，就没有问题。

[Stijn Dekeyser, et al][Stijn Dekeyser_ et al] 提出了该问题的一个 [部分解决方案][Link 1]，尽管没有完全避免锁定目标节点的祖先节点.但通过通过查询标记出锁定节点到目标节点的路径，灵活地进行锁定，这样可以使其他交易确定是否与已经锁定的交易发生冲突。（由于通过计算查询获取锁定结果代价很高，其实用性不像所描述的那么高，但不失为一个普通的方法）。见[XML / Database 链接][XML _ Database] 中的[Academic Papers][]部分。少数几个原生XML数据库实现了节点级锁定，但具体实现方式尚不清楚。

将来，大多数的原生数据库应该会提供节点级的锁定。

##### 6.3.3.5 应用程序接口 (Application Programming Interfaces ,APIs) #####

几乎所有原生数据库都提供编程接口API。这种API很像ODBC，并提供有连接到数据库、浏览元数据、执行查询和返回结果的方法 (methods)。返回结果通常是XML字符串、DOM树、返回文档的SAX解析器或XMLReader。如果查询返回结果是多个文档的话，通常都会提 供例举(iterating)这些结果的方法。大多数原生XML数据库提供的都是专属的API，不过也有非专属的API:

*  来自 [XML:DB.org][XML_DB Initiative] 的 [XML:DB API][XML_DB API]编程语言无关，使用XPath作为查询语言，正在进行支持XQuery的扩充。已经在数个原生XML数据库中实现。
 *  [JSR 225: XQuery API for Java (XQJ)][JSR 225_ XQuery API for Java _XQJ] 基于JDBC，使用XPath作为查询语言，是由Sun的JCP开发的，并有了草案。由于其始创者是IBM和Oracle，很可能被广泛采用。

大多数原生数据库还有将查询结果通过 HTTP 返回的能力。

##### 6.3.3.6 “往返车票”(Round-Tripping) #####

原生XML数据库的一个重要特性是它可以为XML文档提供了“往返车票(round-trip)”。就是说你可以将XML文件存放在原生XML数据 库中，而且再取回“同样的”文件。对于以文档为中心的应用程序来说非常重要，因为CDATA部分、实体用法、注释和处理指令是这些文档不可缺少的组成部分。特别是对于法律和医学文件，按规定这些文档必须要保持原样。

（对于以数据为中心的应用来说，由于它主要关心的是元素、属性、文本以及层次顺序，这种“往返车票”显得不是很重要。能够在XML文件和数据库之间交换数据的软件都可以处理这些往返问题，如果同级元素的顺序对以数据为中心的应用程序来说很重要，在有限几种情况下也可以保留这种顺序。但是由于它\[指一般的交换软件–译者注\]一般不保留兄弟元素的顺序，也不确保原样保持处理指令、注释以及物理结构(实体引用、CDATA等等)，所以不适于以文档为中心的应用。）

所有原生XML数据库都能够在元素、属性、CDATA和文件顺序的级别上为文件提供“往返车票”，至于究竟能达到什么程度取决于数据库。一般来说，基于文本的原生XML数据库能够原样存取XML文件，而基于模型的原生XML数据库只能在文件模型的级别上原样存取XML文件。对于特别小的文档模型，意味着比普通的XML原样存取的级别低。

由于你的应用程序要求决定了应当在哪个级别原样存取，所以对原生XML数据库的选择余地可能很大，也可能很小。

##### 6.3.3.7 外部数据 (Remote Data) #####

某些原生XML数据库可包含有外部数据，这些外部数据来自存储在数据库中的文档。通常这些数据通过ODBC、OLE DB或JDBC从关系数据中取出，模型可以是基于表格的或对象-关系型映射。原生XML数据库决定了这些数据是不是即时的(live)–即原生XML数据库中文档的更新是否在外部数据库中反映出来。大多数原生XML数据库大概最终都会支持即时的外部数据。

##### 6.3.3.8 索引 (Indexes) #####

几乎所有的原生XML数据库都支持元素和属性的索引。像非XML数据库一样，索引用于提高检索速度。

##### 6.3.3.9 外部实体存储 (External Entity Storage) #####

XML文档存储时的一个棘手问题就是怎样处理外部实体。也就是说，应当将其展开，把它的值存储在文件中，还是保留实体引用原封不动？这个问题没有统一的答案。

例如，假设文档中包含一个外部实体用来调用一个当前天气报告的CGI程序。如果将这个文件用于提供天气预报的网页，那么将这个实体展开就是错误的，因为网页中提供的不是即时的数据。相反，如果文件是气象历史资料的一部分，那么不展开它反而是不对的，否则文件总是含有当前的数据而不是历史资料了。

再看另外一个例子，假设一个产品手册只包含指向手册中其他章节的外部实体引用。如果这些章节又被其他文件（比如该产品的另一种型号的手册）使用，那 么展开这些引用就不对了，因为这会造成同一个章节有多份拷贝。

我不知道原生XML数据库如何处理这个问题。最理想的当然是允许你根据不同情况指定是否展开外部实体引用。

#### 6.3.4 规范化，引用完整性和可伸缩性 (Normalization, Referential Integrity, and Scalability) ####

对许多人，特别是有关系型数据库背景的人来说，由原生XML数据库引发出不少争论，特别是围绕数据的存储方面（相对于文档而言）。这里我们就来讨论这些话题。

##### 6.3.4.1 规范化 (Normalization) #####

**规范化**指的是数据库模型的设计当中要保证每一份数据只能存储一次。规范化有几个好处，例如可以减少磁盘空间占用，消除可能的数据不一致性。这是关系型数据库技术的基础之一，也是人们在讨论原生XML数据库的数据存储时的热点问题。

与关系型数据库一样，原生XML数据库并不要求你一定要规范你的数据，用原生XML数据库你也很容易设计出一个糟糕的存储结构。所以在将文件存入原生XML数据库之前，你应仔细考虑文档的结构。（与关系型数据库相比，原生XML数据库在这点有些优势。因为原生XML数据库没有数据库模式，你可以同时以多种模式存储相似的文件，不过为了简化事务处理，你可能需要重新设计查询并转换你的文件（这相对并不重要））

原生XML数据库的规范化和关系型数据库的规范化差不多一样：你的文档的设计要保证不会有重复数据。两者的不同在于XML支持多值属性而（大多数）关系型数据库不支持。这样就有可能以一种在关系型数据库中无法实现的方式来“规范”原生XML数据库的数据。

例如销售订单，它含有头信息比如订单编号、日期和客户代码，还有具体项目如零件号、数量和总价。在关系型数据库中，头信息和具体项目必须存在于不同 的表内。而在原生XML数据库中，这些信息可以存储在同一个文件内，不会产生冗余，因为XML与生俱来就支持一个父元素内包含多个子元素。

不幸的是，现实当中的规范化可没这么简单。例如你想要销售订单包含客户信息如合同名称、收货和付款地址，该怎样做? 你有两种选择：第一，你可以在销售订单中复制一份客户信息，结果带来数据冗余和其他问题；第二，你可以单独存储客户信息，在销售订单中提供一个指向客户信息文件的XLink，或者在查询时再将这两个文件连接起来。这就要求对XLink的支持（虽然正在计划，但大多并不支持）或者查询语言要支持联合\[joins\](同样并不总能如愿)。

在实践当中答案尚不明确。实际当中出于性能的考虑，数据并不总是规范的，所以有一些不规范的XML数据并不像初看起来那么糟糕，不过你必须做出抉择。如果你存储的是以文档为中心的文件并且在相当程度上做到了规范化，比如将章节或过程单独存储并将它们连接起来创建最终用户所用的文件，那么原生XML数据库可能就是一个不错的解决方案，尤其是它能提供别的数据库中所没有的特性比如XML查询语言。如果你要存储的文件是以数据为中心的，而原生XML数据库能够改进应用程序的性能，或者它提供的半结构化数据存储，而在别的数据库中是无法实现的，你也应当用原生XML数据库。如果你只不过想在原生XML数据库内实现一个关系型数据库，你就应该反思一下，为什么不把关系型数据库列为首选。

##### 6.3.4.2 引用完整性 (Referential Integrity) #####

与规范性密切相关的是**引用完整性(referential integrity)**。引用完整性即相关数据的\[引用\]指针的有效性，是 保持数据库数据一致性的必要条件。如果你的销售订单含有一个客户代码，而相应的客户信息并不存在，这对你没什么好处。发货部门不知道往哪里发货，而财务部 门不知道给哪里寄发票。

在关系型数据库中，引用完整性意味着确保外部键指向合法的主键，也就是说，对每个外部键都要检查相应的主键记录。在原生XML数据库中，引用完整性 意味着XLink或其他专有链接机制指向合法的文件或文件片断。

XML 文件中的指针有多种形式：ID/IDREF 属性，key/keyref 域（在 XML Schema 中定义），XLink 以及各种私有机制。后者包括语言相关的“referencing”元素和属性，例如 XML Schema 中 <element>元素的 ref 属性，以及特定数据库的链接机制。而语言相关的“referencing” 元素比较普遍，数据库特定的链接机制较为少见。

原生 XML 数据库的引用完整性可分为两大类：内部指针（同一文件内的指针）的完整性和外部指针（不同文件之间的指针）的完整性。使用非标准机制实现的内部指针的引用完整性一向难以达到，因为原生 XML 数据库无法识别此类指针。以标准机制比如 ID/IDREF 或 key/keyref 实现的内部引用完整性至少可通过验证获得部分支持。

之所以说部分支持，是因为大多数原生 XML 数据库仅在将文件存入数据库时才进行验证。这样，如果更新发生在文件级 - 即删除和替换文件，验证已足以确保内部指针的完整性。但是如果更新发生在节点一级 -即插入、修改和删除节点，则数据库必须执行额外的工作（比如校验所有的变化）来确保内部指针的引用完整性。支持该功能的原生 XML 数据库极少（如果有的话）。

对外部指针的引用完整性（据我所知）仍未有支持，甚至支持外部指针的数据库都很罕见。假如某个外部指针指向了数据库中的其他资源，没有理由不保证其完整性，但如果指向了数据库之外的资源，这种保证的缺乏尚有情可原。例如，某个文件内的一个 XLink 指向了外部网站的某个文件，数据库显然无法知道后者是否存在，因而也就无法保证该 XLink 的完整性。

将来，许多原生XML数据库大致都会以标准的机制支持内部指针的引用完整性。许多原生 XML数据库大约都会在某种程度上支持外部指针，以及支持指向同一个数据库中的资源的外部指针的引用完整性。而在目前，多数情况下还有赖于应用程序保证（内部或外部）指针的完整性。

##### 6.3.4.3 可伸缩性 (Scalability) #####

可伸缩性完全不是我的所长，所以下面大多都是我的推测。总的来说，我想原生XML数据库的可伸缩性在某些环境下会非常好，而其他场合下可能非常糟糕。

与层次型和关系型数据库类似，原生XML数据库也使用索引来查找数据。这就意味着文件（或文件片断）的查找只与索引的大小有关，而与文件的大小和数量无关，因而原生XML数据库定位文件开始的速度和其他使用同一种索引技术的数据库一样。由此看来，原生XML数据库的可伸缩性和其他数据库一样。

与层次型数据库相同而与关系型数据库不同的是，许多原生XML数据库用物理方法链接相关数据。特别是基于文本的原生XML数据库用物理的方法对相关数据分组，使用专用存储格式的基于模型的原生XML数据库通常使用物理指针来对相关数据分组。(建立在关系数据库之上基于模型的原生XML数据库使用的是 逻辑链接。)

由于物理链接比逻辑链接速度快，原生XML数据库和层次型数据库一样，数据的读出速度比关系型数据库快得多。因此，从数据的读取方面来看，它应具有同样的可伸缩性。事实上，在数据的读取能力上XML数据库比关系型数据库甚至更好，因为可伸缩性与初次索引查找有关，而不是关系型数据库所用的多次查找。（需要指出，关系型数据库也以集簇索引(clustered indexes)的形式提供数据的物理链接。不过，这种链接是应用于各个表格而不是整体层次上的。）

令人遗憾的是这种可伸缩性是有限的。就像层次型数据库，原生XML数据库中所用的物理连接只能作用于特定的层次。也就是说，如果数据的读取和数据的存储在同一层次下，则读取速度很快，否则就不一定快。例如将客户信息存储在各个销售订单文件中，则读取销售订单时的速度很快，而如果需要的数据视图不同，比如要找出某个客户的所有订单将会很慢，因为此时物理连接已不再适用。）

为了缓解这个问题，原生XML数据库大量使用了索引，经常对所有元素和属性都作了索引。这虽然有助于减少读取时间，却增加了更新时间，因为维护这种索引的代价很高。在只读的环境下这无关紧要，在交易频繁的环境下可能造成麻烦。

最后，对于未索引数据的查找来说，原生XML数据库的可伸缩性比关系型数据库差的多。此时这两种数据库都要线性地查找数据，而原生XML数据库的情况更为糟糕，因为它的数据不是完全规范的。比如你要查找某个日期的所有销售订单，而日期是未经索引的。如果用的是关系型数据库，就要读取所有OrderDate字段的值，而对于原生XML数据库，这意味着要读取每个销售订单文件，并从中查找<OrderDate>元素。不但需要读取<OrderDate>元素的内容；而且还要读取所有其它文件的内容。对于基于文本的原生XML数据库，情况也很不妙：在与目标日期比较之前，必须先对文本进行解析并转换为日期格式。

那么对你来说，可伸缩性是否严重?这完全取决于你的应用。如果你的应用程序中所需的数据一般都和其存储形式相同，则原生XML数据库的可伸缩性应是不错的。许多以文本为中心的应用就属于这种情形。例如组成产品手册的文档几乎总是作为整体读取的。反之，如果你的应用中数据视图不是很确定，则可伸缩性有可能出问题。

对于原生XML数据库的讨论就到此结束。在接下来的两部分中，我们将考察两种特殊的原生XML数据库：可持久化DOM和内容管理系统。

### 6.4 可持久化DOM (Persistent DOMs, PDOMs) ###

**可持久化DOM**(*persistent DOM*)或*PDOM*是在某种持久性存储\[介质\]上实现了DOM 的一种特殊的原生XML数据库。与大多数以DOM树返回文档的原生XML数据库不同，PDOM返回的DOM是实时的(live)。也就是说，对DOM所作 的改变直接反映在数据库中。（这种改变实际上是否马上做出或者通过调用一个方法来实现取决于数据库）大多数原生XML数据库返回个应用程序的DOM树是一个复制品，而数据库中的改变是通过XML更新语言，或者是通过替换整个文件来实现的。

由于PDOM树是实时的，数据库通常是在本地。这就是说，它和应用程序在同一个进程空间，或者至少在同一部机器（尽管这并不是必需的）。这是出于性能上的考虑，因为外部数据库上的PDOM必须经常向远程服务器发出请求。

PDOM在DOM应用程序中所起的作用和在面向对象的应用程序中面向对象的数据库的作用一样：它为应用程序的数据提供了可持久化的存储，也可作为应用程序的虚拟内存。后一种作用对于操作大型文件的DOM应用来说有着特殊的重要性，因为DOM与XML文件长度之比很容易超过10。（实际的系数取决于文件中文本的平均长度，文本的平均长度较小的文件其系数较高。）

### 6.5 内容管理系统 (Content Management Systems) ###

**内容管理系统**是原生XML数据库的另一种特殊形式。它们是为管理手工写成的文件例如用户手册和技术草稿(white paper)而专门设计的，并且建立在原生XML数据库之上。这个数据库一般是处于用户看不到的后台，而提供给用户的功能有：

*  版本和访问控制。
 *  搜索引擎。
 *  XML/SGML编辑器。
 *  发布引擎。比如以书面、CD形式或在Web上发布。
 *  内容与样式的分离。
 *  可通过脚本或编程扩展。
 *  数据库数据的集成(integration)。

相对于**文件管理系统**，内容管理系统这个术语道出了这样的事实：它使你可以将文件分为离散的片断（比如示例、过程、章节或旁注）和元数 据（例如作者、修订日期、文件编号），而不是以整体管理文件。这不但简化了一个文件多个作者时的协调工作，而且能使你从现有文件部分组合成全新的文件。

## 7.0 XML 数据库产品 (Database Products) ##

关于最新的XML数据库产品，参见[XML Database Products][XML 1].

## 8.0 相关链接 (Additional Links) ##

有关XML/数据库的相关资源，包括软件和文章，参见[XML / Database Links][XML _ Database]。

## 9.0 意见和反馈 (Comments and Feedback) ##

请将意见和反馈发送给Ronald Bourret [rpbourret@rpbourret.com][rpbourret_rpbourret.com]。 我经常外出旅行，有可能延误两到三个星期。

感谢Michael Champion, John Cowan, Marc Cyrenne, Marc de Graauw, Kelvin Ginn, Ingo Macherius, Lars Martin, Nick Leaton, Evan Lenz, Michael Rys, Walter Perry, Kimbro Staken, Jim Tivy, Phillipe Vauclair, Dylan Walsh, Irsan Widarto, Morten Primdahl 及其他人的意见和耐心。

[www.rpbourret.com]: http://www.rpbourret.com/xml/XMLAndDatabases.htm
[onestab]: http://blog.csdn.net/onestab/
[DB2_XML]: http://publib-b.boulder.ibm.com/Redbooks.nsf/RedbookAbstracts/sg246994.html?Open
[xml-dev]: http://www.xml.org/xml/xmldev.shtml
[XML]: http://www.rpbourret.com/xml/XMLURLs.htm
[XML 1]: http://www.rpbourret.com/xml/XMLDatabaseProds.htm
[Java Architecture for XML Binding]: http://java.sun.com/xml/jaxb
[XML_ XML Data Binding Resources]: http://www.rpbourret.com/xml/XMLDataBinding.htm
[DTD_]: http://www.xml.com/pub/a/2001/05/09/dtdtodbs.html#object
[SQLX Group]: http://www.sqlx.org/
[SQL_XML _PDF]: http://www.sqlx.org/SQL-XML-documents/5FCD-14-XML-2004-07.pdf
[RFC 2045]: http://www.ietf.org/rfc/rfc2045.txt
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[Mapping DTDs to Databases]: http://www.xml.com/pub/a/2001/05/09/dtdtodbs.html?page=4#generate
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[rpbourret_rpbourret.com]: mailto:rpbourret@rpbourret.com