GKD-BASE PL／SQL引擎实现关键技术研究

摘要：在数据库管理系统GKD-BASE上设计并实现了兼容Oracle PL／SQL V2．3语言规范的PL／SQL引擎，扩展了GKD-BASE过程处理功能。 关键词：过程语言PL／SQL符号表 游标 GKD-BASE数据库是一个具有自主知识产权的数据库管理系统，具有兼容SQL89标准的SQL引擎，能够为用户提供一个统一、有效的数据库访问接口，实现对数据库的各种操作。但是SQL语言缺乏对算法的描述能力，难以胜任复杂的程序设计。为了融合SQL语言强大的集合数据处理能力和第三代语言(3GL)灵活的过程处理能力，主流数据库管理系统产品都已提供了对过程式SQL语言的支持，如Oracle的PL／SQL［1］。为了使GKD-BASE适应发展现状，满足管理人员和开发人员的需求，急需开发GKD-BASE自身的PL／SQL引擎。 本文在数据库管理系统GKD-BASE上设计并实现了兼容Oracle PL／SQL V2．3语言规范的PL／SOL引擎，扩展了GKD-BASE过程处理功能。 1 GKD-BASE PL／SQL引擎的体系结构 GKD-BASE PL／SQL引擎的基本功能是将用户用PL／SQL语言编写的程序通过词法分析程序、语法分析程序进行解析，生成中间代码并解释执行。如果在分析阶段或解释执行阶段发现错误，则向用户报告错误号及相应的错误信息，以便用户排错［2］。根据PL／SQL语言兼有过程式语句和SQL语句的特点，采取分治策略，把过程语句和SQL语句分开处理。PL／SQL引擎在对PL／SQL源程序编译执行时，首先进行预处理，把SQL语句和过程语句分开；然后对SQL语句和过程语句分别解析，生成语法树；最后通过执行模块对中间代码进行解释执行。 图1 GKD-BASE PL／SQL引擎对源程序编译生成中间代码，不能直接在目标机器上执行，需要一个解释中间代码的环境，以提供对PL／SQL语言中的数据类型的支持，保证PL／SQL正确执行。因此GKD-BASE PL／SQL引擎可分为编译器和解释器两部分，如图1。编译器接收到PL／SQL语句块后进行预处理，将句子分为SQL语句和过程语句。对于SQL语句，编译器建立SQL语句节点，进行相应的变量绑定和语法检查；检查无误后产生中间代码。对于过程语句，编译器对语句成分进行语法分析并建立相应的符号表，也生成中间代码。因此，可以把编译器划分为SQL语言解析、过程语言解析、符号表生成与管理、中间代码表示与管理等模块。解释器的作用是对编译器生成的中间代码进行解释执行［3］，与编译器对应，具有独立的SQL语句解释模块和过程语句解释模块。解释器还包括执行状态堆栈的管理、与GKD-BASESQL引擎的调用接口。异常处理模块主要实现程序运行时的错误检查和报告，并支持用户自定义异常和预定义异常的检查和处理。 2 GKD-BASE PL／SQL编译器实现中的一些关键问题 GKD-BASE PL／SQL编译器主要是对PL／SQL源程序进行词法分析、语法分析和语义处理［4］。本文借助构建词法分析器的Lex和编译程序自动产生工具Yacc［5］，实现了对PL／SQL源程序的编译。下面分别说明符号表的设计与管理、SQL语句解析以及游标解析。 2．1 符号表的设计与管理 符号表是一个包含程序中的变量、自定义类型和函数信息的数据库。通过索引对应于库中的一条记录；每条记录对应着一个对象的信息，如变量的类型或函数的返回值等［2］。 考虑到PL／SQL语言的块结构和名字作用域，可以使用名字堆栈存放源程序中所使用的标志符的索引、名字和类型。每个项目只包括名字本身和用来表明它的类型的标志值，以及该名字在符号表中的项目索引。名字堆栈采用层次结构，是链表型的堆栈，堆栈的每一层存放了解析的语句块嵌套层内的所有名字信息，如图2。在进入或退出一个嵌套层时调用相应的压栈和弹栈操作；查找符号时，从栈顶向栈底搜索。名字堆栈实现了标志符名称与相应的符号表索引间的映射，解决了标志符的作用域问题和可见性问题，满足了对符号表管理和调用的要求。 2．2 SQL语句的解析 为了避免SQL语句在执行时出现语法错误，需要提前检查其语法的正确性。SQL语句是面向集合的数据操作语言，只能交由SQL引擎处理。但是PL／SQL语言为了增强SQL语句与过程式语句的交互能力，在SQL语句中引入变量，GKD-BASE的SQL引擎无法识别，必须在提交之前提取出变量，替换为SQL引擎可以识别的格式。如：SELECT empno，name INTO v_empno， v_name FROM empWHERE birthday=v_date； 这个SELECT语句首先把变量v_date绑定到列名birthday，然后根据条件查出相应的结果 (empno，name)，并赋值给预先定义的变量(v_empno，v_name)。对于GKD-BASE的SQL引擎来说，只能识别出如下格式的SELECT语句： SELECT empno，name INTO：v_empno，：v_nameFROM emp WHERE birthday=：1； 在把SQL语句交由GKD-BASE SQL引擎处理之前，识别出变量v_empno、v_name及v_date进行格式转换，在into之后的变量前面添加“：”，where后面的变量用带有冒号的数字序号代替，构造出符合SQL引擎要求的语句；完成这些处理之后，把新的语句作为字符串交由SQL引擎进行语法分析，检查这条语句的语法是否正确，以及语句中的变量与对应的列是否匹配；最后返回结果，报错或者生成语法树。 2．3 游标的解析 游标是指向内存中上下文区的句柄或指针。借助于游标，PL／SQL程序可以控制上下文区和语句处理过程中游标的变化。PL／SQL游标按使用方式可以分为显式游标和隐式游标。 显式游标的使用包括声明游标、打开游标、游标检索、关闭游标四个步骤。编译游标声明语句时，首先调用SQL引擎分析SQL语句成分，转换为SQL引擎可以识别的格式，把游标的索引信息加入名字堆栈和符号表中。游标打开操作在名字堆栈中搜索游标名字，获取声明阶段在符号表保存的相关信息并加入到语法树中。游标检索语句的编译首先获取游标的符号表的信息；然后关联游标中SQL语句的信息和取值变量链表的信息，检查游标变量与游标引用列是否匹配；最后保存相关信息，加入语法树。游标的关闭操作释放资源并把游标状态初始化，把游标在符号表中的信息保存并加入语法树。 隐式游标一般用于对DML语句的处理。每条DML语句对应于一个隐式游标，编译时可以作为一般的SQL语句来处理，直接调用GKD-BASE的SQL引擎对其进行编译。这些语句的游标处理是由SQL引擎自动完成的，不需要PL/SQL引擎对干涉。 图3 3 GKD-BASE PL/SQL解释器实现中的一些关键问题 解释器实现中的关键问题有语句的执行、执行状态堆栈的设计以及返回值的处理。 对于语句的执行，可分为SQL语句执行和过程语句执行两部分，根据语法树上相应节点分别编写函数来完成解释任务。这些函数例程之间也是树状的层次调用结构，树根的解释执行依赖于其子树上各个节点的解释函数的成功运行。 在GKD-BASE PL/SQL引擎的解释执行器中，设计了“执行状态”的数据结构来记载函数的执行状态信息。解释器中所有的解释函数都拥有一个指针参数指向这个结构，需要在这些函数间传递的信息将被拷贝到这个结构。PL／SQL引擎调用子程序的过程中，构造“执行状态堆栈”。调用之前，保存现场，将执行状态压栈；调用结束后恢复现场，弹出当前执行状态，回到上一层继续，如图3。 在语句块执行完毕后，解释器会根据情况给出三种类型的返回状态：ok、exit、return。当正常执行完一条过程语句或SQL语句后，返回ok；或者当执行状态当前层中所有语句都执行正常，向上一层返回ok。当执行时遇到EXIT关键字，如果执行状态中的退出标号与输人参数中的退出标号一致时，说明是正常退出，返回exit。当执行时遇到RETURN关键字，说明语句链中所有语句执行完毕，返回return。直到到达执行状态顶层并给出返回值，结束整个解释执行过程。