分布式XML处理技术全解析

# 分布式 XML 处理技术全解析 ## 1. XML 查询处理技术概述 XML 查询处理技术是处理 XML 数据的关键部分，其基本目标是高效地执行对 XML 文档的查询操作。主要涉及到 XML 文档的存储方式、路径查询处理方法、索引技术以及成本优化等方面。 ### 1.1 XML 文档存储方式 存储 XML 文档在数据库管理系统中有三种基本方法，每种方法都有其独特的优缺点，具体如下表所示： |存储方式|描述|优点|缺点| |----|----|----|----| |大对象（LOB）方法|将原始 XML 文档原样存储在 LOB 列中|实现和支持简单，能保留字节级的保真度，插入和提取整个文档效率高|查询处理速度慢，因为查询执行时需要进行 XML 解析| |扩展关系方法|将 XML 文档分解为对象 - 关系（OR）表和列|如果设计和映射正确，查询处理性能良好|插入、片段提取、结构更新和文档重建需要大量处理，对 XML 模式要求严格，灵活性差| |原生方法|使用为 XML 数据设计的特殊数据结构和格式存储 XML 文档|能提供多种标准之间的平衡权衡，可根据不同需求采用不同存储方案|在回答某些类型的查询时效率不高，如 `/author//book//chapter`| ### 1.2 路径查询处理方法 路径查询处理可以分为基于连接的方法和导航方法，它们与存储系统密切相关，具体如下： - **基于连接的方法**：通常基于扩展关系存储系统。每个位置步骤与一个元素输入列表相关联，相邻位置步骤的列表根据结构关系进行连接。不同技术的区别在于连接算法，这些算法会考虑 XML 文档树的关系编码的特殊属性。 - **导航方法**：基于原生存储系统，通过遍历 XML 文档树来匹配查询树模式（QTP）。可以分为查询驱动和数据驱动两种，数据驱动方法能保证最坏情况下的 I/O 复杂度。 这两种方法各有优劣，例如在处理 `/*/*` 这类仅含子轴的表达式时，导航方法效率更高；而对于 `/author//book//chapter` 这类含后代轴的查询，基于连接的方法可能更高效。因此，结合两者优点的技术是更理想的选择。 ### 1.3 XML 索引技术 XML 索引方法可以分为三类，每种类型都有其特定的应用场景： - **为加速现有方法而设计的索引**：如 XB - 树和 XR - 树，用于整体枝连接，但应用范围较窄。 - **基于字符串的索引**：将 XML 文档树和 QTP 转换为字符串，将树模式匹配问题转化为字符串模式匹配。 - **基于结构相似性的索引**：将 XML 文档树节点根据结构相似性分组，形成等价类或索引节点，连接成树或图。 ### 1.4 成本优化 成本优化器对于选择“最佳”查询计划至关重要，成本估计的准确性通常依赖于基数估计。基数估计技术先将 XML 文档树总结为包含结构信息和统计数据的小型概要，然后以此为基础估计基数。不同的概要适用于不同类型的查询，例如 DataGuide 和 Path tree 等。 ### 1.5 XQuery FLWOR 表达式评估技术 评估 XQuery FLWOR 表达式有以下几种方法： - **转换为 SQL 语句**：借助 XMLTable 函数将 FLWOR 表达式转换为 SQL 语句，利用现有的 SQL 引擎进行评估。例如： ```sql XMLTable(’/author/name’ passing collection(’bib’) columns first varchar2(200) PATH ’/name/first’, last varchar2(200) PATH ’/name/last’) ``` 其语义与以下 FLWOR 表达式相同： ```xquery for $a in collection(’bib’)/author/name return {$a/first, $a/last} ``` - **实现原生 XQuery 引擎**：如 Galax 和 Natix，前者将 XQuery 表达式规范化为 XQuery 核心，然后进行静态类型检查和动态评估；后者定义了一组代数运算符，可将 XPath 或 XQuery 查询转换为这些运算符，并采用基于树分区的原生 XML 存储格式。 - **混合方法**：如 MonetDB/XQuery，将 XML 数据存储为关系表，将 XQuery 语句转换为物理关系运算符，利用 SQL 引擎进行大部分关系操作，并通过特殊目的运算符加速 XML 特定的树导航。 ## 2. XML