METHEDAS的数据库系统

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1986.s2.003 1986年0月 北京钢铁学院学报 SPecial issue Journal of Beijing University 专辑2 of Iron and Steel Technology No2,1986.9 METHEDAS的数据库系统 王秀美 沈怡平 摘 要 治金地力学数据库应印系梵是专用数掘库系统，它的数据库管理系统与通用数据库管理系跳！北，简化了数据 本定义功能。为了实现数据对应用程序的独立性，应用程序自行定义所？型的局部逻辑数据绌构。 它的数悔文件是建立在VOs2燥作苏统的文件营理茶瓷所提供的直接文件？上，自己编写的二级索引顺序文件。 The Database System of METHEDAS Wang Xiumei Shen Yiping Abstract By comparison with general database management system,the Metallurgical Thermodynamic Database Application System (METHEDAS)is a special one, which defined functions of database system are much simplified.In order to keep the data independence from application program,the necessary local logical daa structure can be self-defined in every individual application program. The data file of METHEDAS is organized on basis of the direct access file, provided for the file management system of Vos2 operating system,and is de- signed to be a secondary indexed sequential file. 1问题的提出 治金热力学数据库应用系统提供大量热力学数据，并且配有一系列应用程序，对热 力学数据进行深度加工，从而得出用户需要的未知数据。该系统要求灵活，快速地进行 数据检索、修改、插入和删除操作。METHEDAS应具备良好的用户性能，即简单易 学，使用方便。这些要求决定了METHEDAS.必须具备高度的人机对话能力，用户能通 过终端，参照使用手册，方便，灵活，快速地获得有关的冶金热力学数据和计算结果。 根据北京钢铁学院计算机设备的具体情况，METHEDAS目前只能在M-150计算机上， 在TSS(Time-Shared system)分时系统支特下实现。 ·8

年 。 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 脚 兮勺 专辑 ， 弓兜二一 二 二 二 二一 二 咒 二二 二 二 一一 二二 二 二 的数据库系统 丁 禾 兰 升 ， 夕 夕屯 叮 以 阵口 平 摘 要 冶 金 热 力 学 数 据库应用 系统是 专用 数 据 库 系统 ， ’ 色的 数据库 管理 票统 明函用 数 据库管 理 系统 旧 七 ， 简化 丁 数据 库定义 功能 。 为 了 实现 数据 对 应用 程序 的 独 立性 ， 应 用 程 序 自行 定 义 所 熟 要 的局 部逻辑数据 结 构 。 它的 数据 文牛是建 立 主 。 昭 澡 乍 系 统 的文件管理 系统所 提 供 的直 接 文件 匕 ， 自己 编写的 二 级 索 引顺 「荞文件 。 ， ， ， 一 玉 ， ， 问题的提出 冶 金 热力 学数据库应用 系统提 供大 量 热 力 学数 据 ， 并且配 有一系列应 用程 序 ， 对 热 力学数据进行深度加 工 ， 从而 得 出用户需 要 的 未知 数 据 。 该 系 统要 求 灵活 ， 快速地进行 数据检索 、 修 改 、 插入 和删 除操作 。 应具备 良 好 的 用 户 性能 ， 即简单 易 学 ， 使用 方便 。 这些要 求 决定 了 必须具 备高度的人机对话 能力 ， 用户能通 过终端 ， 参照 使用 手册 ， 方便 ， 灵 活 ， 快速地获得 有关的冶金 热力 学数据和计算结果 。 根据北京钢铁学院计算机设备的具体情况 ， 目前 只能 在 一 计算机上 ， 在 一 分时系统支持下 夹现 。 尽 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．s2．003

PDM(Practical Data Manager)是M-l50计算机所提供的唯一的数据库系统。若 使用PDM,METHEDAS的数据库和数据管理较容易实现。系统管理员只語根据热力学 数据的使用要求，按PDM的规定进行模式定义和数据装填。这样做成的数据库允许使 用PDM提供的各种数据操作命令，对数据库里的数据进行检素、修改、删除、插入等 操作。令人遗感的是PDM在北京钢铁学院的M-150计算机上只能以批处理(Batcn)方 式工作，因而它对METHEDAS的建立失去了支持意义。目前在M-150计算机上所实现 的METHEDAS的数据库管理系统其实质是由Vos2操作系统的文件系统支持的，自己编 写的专用数据库管理系统。为建立论金热力学数据库应用系统而编写这样一个专用数据 库管理系统，比使用机器提供的数据库管理系统其难度和工作量大得多。 2 METHEDAS数据库管理系统的功能和例行程序 2.1数据库管理系统的功能 治金热力学数据库应用系统是服务于多种专业的数据和应用程序系统，它比通常的 数据库系统多了应用程序库，使得该系统不仅能做数据处理还能做许多复杂的科学计 算，它应属于科学数据库之列。METHEDAS是服务于与基础物理化学有关的若千个学 科的专用数据库，因此它的数据库管理系统与国际上流行的一些通用数据库管理系统相 比，主要特点是简化了数据库定义功能。对于METHEDAS全局的逻辑数据结构、局部 的逻辑数据结构以及存贮结构的定义是在系统建立阶段一次实现，数据库管理系统不再 具备数据定义功能。数据库管理系统的主要功能如下： (1)数据库管理功能：系统控制，数据存取及更新管理，数据完整性和安全性控制。 (2)数据库建立和维护功能：文件生成，分类排序，数据库的建立、维护和恢复。 (3)通信功能：与V0s2操作系统的分时系统和文件管理系统有相应接口。 2.2数据库管理系统的例行程序 METHEDAS的数据库管理系统例行程序包括三部分：系统运行控制程序，语言解 释例行程序以及数据库管理系统的公用程序，图1给出了数据库管理系统的组成。 System control Data access prog. Updata prog· Legitimate right check Interity control prog. Terminal polling 图1数据4管理系统的组成 language interpreter Fig,I The construction of database management system Users command interpreter: File genaretion prog. Data loading prog: Database recovery prog. Fermet type.of message maintenance Dump edit print prog. 。9

是 一 计算机所提供的唯一的数据库系统 。 若 使用 ， 的数据库和 数据管理较容易实现 。 系统管理员只需根据热力学 数据的使用要 求 ， 按 的规定进行模式定义和 数据装填 。 这样做成 的数 据 库 允许使 用 提供的各种数据操作命 令 ， 对数据库里 的数据 进 行 检索 、 修改 、 删除 、 擂人等 操作 。 令人遗感的是 在北京钢铁学院的 一 计算机上只能 以批处理 方 式工 作 ， 因而它对 的建 立失去 了支持 意 义 。 目前在 一 计算机上所实现 的 的数据 库管理系统 其实 质是 由 。 操作系统的文 件系统支 持的 ， 自己编 写的专用数据库管理系统 。 为建 立冶金 热 力学数据库应 用系统而编写这样一个专 用数据 库管理系统 ， 比使 用机器提供的数据库 管理系统其难度和工作量大得 多 。 数据库管理系统的功能和例行程序 擞据库 管理系统的功能 冶金 热力学数据库应用 系统是 服务 于 多种专业 的数据 和应 用程 序系统 ， 它比通常的 数据库系统多了应用程 序库 ， 使得该 系统不 仅能做数据 处理还能做许 多 复 杂 的科学计 算 ， 它应属于科 学数据库之列 。 是服 务于 与 基础物理化学有关的若干个 学 科的专用数据库 ， 因此它的数据库管理系统 与国际上流行的一些 通 用数据库管理系统相 比 ， 主要 特点是简化 了数据库定义功 能 。 对于 全局 的逻辑数据 结构 、 局部 的逻辑数据结构以及存贮结构的 定义是 在系统建 立阶段一次实 现 ， 数据库管理系统不再 具 备数据定义功 能 。 数据库管理系统的主要功能如下 数据库管理功能 系统控制 ， 数据存 取及更新管理 ， 数据 完整性和安全性控制 。 数据库建 立和维护功 能 文 件生成 ， 分 类排序 ， ， 数据库 的建立 、 维护和恢 复 。 通 信功 能 与 操作系统 的分时系统和文 件管理系统有相应接 口 。 。 数据库管理系统的例行程 序 的数据库管理系统例行程 序包括三部分 系统运行 控制程序 ， 语言解 释例行程序以及数据库管理系统的公 用程 序 ， 图 给 出了数据库管理系统的组成 。 图 数据库 管理 系统的 组成 吕 名

3 METHEDAS的数据文件组织 数据库实现的基础是文件，对数据库的任何操作最终都要转化为对文件的操作，在 组织物理数据库时，基本问题归结为如何组织文件。M-150计算机Vos2操作系统的文件 管理系统提供如下三种文件：顺序存取文件、直接存取文件、索引存取文件。相比之下 索引的存取文件对建立METHEDAS是比较理想的文件组织。它查找效率高，对记录的 修改、插入，删除也容易实现。 METHEDAS运行中既要做大量的数据处理又要做极为复杂的科学计算，选择FO- RTRAN7?做为程序设计语言工具最为合适。因为目前北京钢铁学院M-150计算机上不 提供FORTRAN77语言。只能选择较合理的FORTRAN IV语言，Vos2操作系统的文件管 理系统对FORTRAN IV语言只提供顺序存取文件和直接存取文件。顺序存取文件由于查 找效率差，删除、插入操作时必须重新复制文件，显然是不可取的。目前在M-150计算 机上所实现的METHEDAS的数据库的文件组织采用的是：建立在Vos2操作系统的文件 管理系统所提供的直接存取文件之上，自行编写的二级索引顺序文件。 我们把每一种元素或化合物的有关数据做为一个记录存入文件中，用元素或化合物 的分子式来标识记录。元素和化合物的分子式就成了查找过程中的关键字，并建立一个 关系式 j=D (k) 其中：k为关键字（分子式），为以k为关键字的记录在直接文件中的相对地址。 当D为数值函数时，就是通常所说的HASH查找。怎样找到一个理想的适用于热力 学数据库应用系统的函数D,今后还将继续研究讨论。目前将D做成了一个查找过程一二 级索引。图(2)、图(3)是METHEDAS数据文件组织略图。 METHEDAS数据文件是在Vos,操作系统的文件管理系统提供的直接文件上做成。 它分为索引区、数据区和溢出区。索引区的索引项和控制信息，数据区和溢出区的数据 都以等长记录在直接文件中存贮。索引区分主索引和次索引。它们具有相同的格式，都 是按一定次序排列的关健字和相应的控制信息。数据区是顺序排列的数据记录。由于数 据记录是按关键字的分类顺序排列，因而主索引和次索引中的地址指针得已全部省略。 星着 30 52 图(2) 。10·

的数据文件组织 舞据库实现的基础是文 件 ， 对数据库的任何操作最终都要 转化为对文 件的操作 ， 在 组织物理数据库时 ， 基本问题归结为如何组织文件 。 一 计算机 操作系统的文件 管理系统提供 如下三种文件 顺序存取文件 、 直接存取文 件 、 索 引存取文 件 。 相比之下 索引的存 取文件对建立 是比较理想的文 件组 织 。 它查找效率高 ， 对记录的 修改 、 插入 ， 删除也容易实现 。 运行 中既要做大 量的 数据处理又要 做极为复杂 的科学计算 ， 选 择 做为程序设计语言工具最为合适 。 因为 目前北 京 钢铁学院 一 计算机上不 提供 语言 。 只 能选 择较合理的 语言 。 操作系统的文 件管 理系统对 语言只提供顺序存取文 件和直接存取文 件 。 顺序存取文件 由于查 找效率差 ， 删除 、 插人操作时必须重 新复制文件 ， 显然是不可取的 。 目前在 一 计算 机上所 实现的 的数据库的文 件组织采 用的是 建 立在 操作系统的文 件 管理系统所提供的直接存取文 件之上 ， 自行编写的二级索 弓顺序文 件 。 我们把每一种元素或化合 物的有关数据做为一个记录存人文件 中 ， 用 元素或化合物 的分子式来标识记录 。 元素 和化合 物的分 子式就成 了查找 过程 中的关键字 ， 并建 立一个 关系式 二 其 中 为关 键字 分 子式 ， 为 以 为 关键字的记录在直接文件 中的相对地址 。 当 为数值 函数时 ， 就是通常所说的 查找 。 怎样找到一个理想的适 用 于热力 学数据库应用 系统的 函数 ， 今后还将继续研究讨论 。 目前将 做成 了一个查找过程一二 级索 引 。 图 、 图 是 数据文件组织略 图 。 数据文件是在 操作系统 的文 件管理系统提供的 直接文件上做成 。 它分为素引区 、 数据区和溢 出区 。 索引 区的索 引项和控制 信息 ， 数据 区和溢 出区的数据 都以等长记录在直接文件 中存贮 。 索 引区分主索 引和次索 引 。 它们具有相同的格式 ， 都 是按一定次序排列的关键字和 相应的控制 信息 。 数据 区是顺序排列的数据记录 。 由于数 据记录是按关键字的分 类顺序排列 ， 因而主索引和次索 引 中的地址指针得 已全部省略 。 乍曰叫如妇。阳。 七翻叫勺﹄的‘灿山州 图

Control message storage location 1nde×erea Control message Control message storage storage locatfon location Data area. Overflow area 图2、图3 METHEDAS数据文件组织 Fig,2,Fig.3 The data file organization of METHEDAS 对该文件检索时，首先读出相对地址为1的记录，即主素引。用被检素记录的关键字与 主索引中的关键字做顺序比较，当k<km时，(k为被检索记录的关键宇，k为主索引 中某个关健字)由k在主素引中的位置，容易推知被k指向的次索引相对地址，读出 次素引。用k,与次索引中的关键字做顺序比较当k,=k,(k为次索引中某一关键字)， 由k,在次索引中的位置得知k记录的相对地址，读出该记录完成检素操作。检索操作时， 运算时间主要耗费在内存与磁盘存贮器交换数据上，这种文件组织检索一个记录数据， 最多内存与外存交换三次。记录的删除操作很简单，只删除在索引中的关键字。插入操 作借助数据谧出区完成，要插入的数据记录放在溢出区。插入数据记录后并不修改主索 引和次素引中记录关键字的排列顺序。但必须修改次索引的控制信息，溢出记录起始地 址，溢出记录个数。治金热力学数据库的永久性数据文件，不进行频繁的删除和插入， 不会在短期使用后由于数据记录的插入而大幅度地降低使用效率。 4 METHEDASI的数据文件建立过程 一 METHEDAS的数据库是集中装载数据的地方。不同种类的数据做成不同格式的数 据记录，再把所有相同格式的记录集合起来做成一个文件。METHEDAS的数据库就是 由若干个文件构成的。 治金热力学数据库应用系统文件的建立过程如图(4)所示。 Sequence file caneration prog. 图4文件的生成 Index sewpience file generstion Fig.4 The file generation 11·

歹 ， … ‘ 一附 日二 日日日 门 园口口 图 、 图 数 据文件组 织 ， 主 对该文件检索时 ， 首先读 出相对地址为 的记录 ， 即主素 引 。 用被检素记录的关 键字与 主索引 中的关键字做顺序比较 ， 当 时 ， 为被检索记录的关键字 ， 。 为主索引 中某个关键字 由 。 在主索引 中的位置 ， 容 易推知被 指 向 的 次 素 引相对地址 ， 读 出 次 索 引 。 用 与次索 引 中的关键字做顺序 比较 当 为次 索 引 中某一 关 键字 ， 由 在次素引 中的位置得知 记录的 相对地址 ， 读 出该记录 完成检索操作 。 检索操作时 ， 运算时 间主要耗费在 内存 与磁盘存贮器交换数据上 ， 这种文件组织检素一个记录数据 ， 最多内存与外存交换三次 。 记录 的删 除操作很简单 ， 只删除在索 引 中的关键字 。 插人操 作 借助数据溢 出区完成 ， 要 插 人的数据记录 放在溢 出区 。 插人数据记录后并不修改主索 引和次索引 中记录关键字的排列顺序 。 但必须修 改次索引的控制信息 ， 溢 出记录起始地 址 ， 溢 出记录个数 。 冶金 热力学数据库的永久性数据文件 ， 不进行频繁的删除和插入 ， 不会在短期使用后 由于数据记录的插人而大幅度地降低使用效率 。 的数据文件建立过程 的数据库是集 中装 载数据的地方 。 不 同种类的 数据 做成不 同格式的数 据记录 ， 再 把所 有相同格式的记录 集合起 来做成一个文件 。 的 数据库就是 由若干个文件构成的 。 冶金热力学数据库应用系统文 件的建 立过程如图 所示 。 旬 弘 助 。 口 ，闪 褚 饵 丁乃 盆 日 ， 。 犷华了。 。 ‘ 的 图 文件的 生成 别 召 儿 叻

建立文件主要有如下步骤： (1)数据准备 收集大量的数据，进行筛选按存库的数据种类分别建成文件。 有了建立文件的数据后，由穿孔员将这些数据穿入软盘（卡片也可），数据穿孔要 按一定格式，格式的设计以方便穿孔员操作为原则。 (2)生成顺序文件 以软盘儆为输入文件，执行由数据库管理系统提供的“顺序文件记录编辑、生成程 序”，对软盘上的原始数据进行初步加工。初步加工包括检验出因穿孔员不慎而造成的 错误数据。繁后，按设计的存贮记录格式，编辑数据做成记录，输出到磁带上，成为一 个没被分类的顺序文件。也可根据需要用打印机输出到纸上方便查用和存档。 (3)对顺序文件分类 用磁带上的顺序文件做输入、执行数据库管理系统提供的“分类程序”。把顺序文 件上的所有记录按关键字（在METHEDAS中为物质的分子式）分类排序，其结果输出 到磁带上，同时也输出到磁盘上。它们可以做为下一步的输入文件，或后备文件，随时 恢复或重建被破坏了的数据库。 (4)做成索引顺序文件 ·ˉ用已分类的顺序文件做输入，执行数据库管理系统所提供的“索引顺序文件生成程 序”。该程序执行结果是利用Vos2操作系统文件管理系统提供的直接文件做成带二级素 引的索引顺序文件。该文件就是治金热力学数据库中所存贮的永久性数据文件。 5 METHEDAS怎样实现数据独立 随着物理化学学科的发展和需要，数据库中不断增加一些新数据、甚至若千个新文 件是完全可能的。治金热力学数据库应用系统的应用程序都是大型复杂的科学计算程 序，如：EQUICOMP和PHASDIA都是用三千多条FORTRAN语言写成的程序。若由于 存贮数据变更而必须修改一系列的应用程序，将耗费大量人力，因此治金热力学数据库 应用系统力求高度数据独立性。 治金热力学数据库管理系统不提供模式，子模式和存贮模式定义功能。全局逻辑数 据结构和存贮结构是在建立METHEDAS时所确定的。为了实现数据对应用程序库中应 用程序的独立性，所有的应用程序都是根据各自所需要的局部逻辑数据结构而编写的。 各应用程序所需要的局部逻辑数据结构是由各程序自行定义。下面参看图(5)来说明 THERDYN HTBAL EQUICOMP Local logical Local logical Local logical 图5数据独立整说明 data structure data structure data structure of THERDYN of HTBAL of EQUICOMP Fig.5 The explanation of data independence Local/global Jogical data mapping Global logical data structure Global logicel data/store structure mapping Store structur ·12·

建立文件主要 有如下步骤 数据准备 收集大量的数据 ， 进行筛选 按存库的数据种类分别建 成文件 。 有 了建 立文 件的数据后 ， 由穿孔 员将这些 数据穿人软盘 一 卡片也可 ， 数据 穿孔要 按一定格式 ， 格式的设计以方便 穿孔 员操 作为 原 则 。 生成顺序文 件 以软盘做 为 输人文件 ， 执行 由数据库管理系统提 供的 “ 顺序文件记录编辑 、 生成程 序 ” ， 对软盘上的原始数据进行 初步加工 。 初步加工包括 检验 出因穿 孔 员不慎而造成的 错 误数据 。 秦后 ， 按设计的存 贮记录 格式 ， 编 辑数据做成记录 ， 输 出到磁带 上 ， 成为一 个没被分 类的顺序文 件 。 也 可根 据需要 用打 印机输 出到纸上方便查用和存档 。 ’ 对顺序文件分 类 用磁带上的顺序文 件做 输入 、 执行 数据库管理 系统提 供的 “ 分类程序 ” 。 把顺序文 件上的所有记录 按关键字 在 中为物质的分子式 分类 排序 ， 其结果 输出 到磁带上 ， 同时也输 出到 磁盘上 。 它们可 以做 为下 一步的 输入文件 ， 或后备文件 ， 随时 恢 复或重建被破坏 了的 数据库 。 做成素 引顺序文件 ‘ 一 用 已分 类的顺序文件做输人 ， 执行数据 库管理系统所提供的 “ 索 引顺序文件生成程 序” 。 该程序执行结果是利用 操作系统文件管 理系统 提 供的直接文件做成带二级索 弓的素引顺序文 件 。 该文件就是冶金热力学数据库 中所存贮的永久性数据文件 。 怎样实现数据独立 随着物理化学学科的发展和需要 ， 数据库 中不断 增加一些新数据 、 甚至若干个新文 件是 完全可能的 。 冶金 热力 学数据库应用 系统 的应 用程序都是大 型复杂 的 科 学 计算程 序 ， 如 和 都是用弃千 多条 语言 写成的程序 。 若 由于 存贮数据 变更而必须修改一 系列的 应用程 序 ， 将耗费大量 人力 ， 因此冶金 热力学数据库 应用 系统 力求 高度 数据独立性 。 冶金 热力学数据库管理系统 不提供模式 ， 子模式 和存贮模式定义功能 。 全局 逻辑数 据结构和存贮结构是在建 立 时所 确 定的 。 为 了实 现数 据对应用程序库 中应 用程序的独立性 ， 所 有的应用程序都是根据 各自所需要 的局部逻辑 数据 结构而编写的 。 各应用程序所需要的局部逻辑 数据结构是 由各程序 自行定义 。 下 面 参 看 图 来说 明 二 主。 往 日 ℃ 吕 仓 日 工 图 数据独立性 说明