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[收藏]XML Schema 與 XML DTD的技術比較與分析

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級別: 初級

周競濤 (zhoujtnet@yahoo.com.cn)西北工業大學CAD/CAM國家專業實驗室
王明微 (wangmv@hotmail.com)西北工業大學CAD/CAM國家專業實驗室

2002 年 7 月 01 日

XML DTD是目前使用最廣泛的一種XML 模式，XML Schema則已經成為W3C的正式推薦標準，并有替代XML DTD的趨勢。那么，從技術角度看，XML Schema與XML DTD有那些區別，XML Schema又有那些優勢呢？

引言

XML DTD(XML的文檔類型定義)是近幾年來XML技術領域所使用的最廣泛的一種模式。但是，由于XML DTD并不能完全滿足XML自動化處理的要求，例如不能很好實現應用程序不同模塊間的相互協調，缺乏對文檔結構、屬性、數據類型等約束的足夠描述等等，所以W3C于2001年5月正式推薦XML Schema為XML 的標準模式。顯然，W3C希望以XML Schema來作為XML模式描述語言的主流，并逐漸代替XML DTD。那么XML Schema與XML DTD相比到底有哪些優勢呢，XML DTD是否真的會在XML的模式描述領域中逐漸消失呢？

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XML模式與XML格式

XML模式是指用來描述XML結構、約束等因素的語言，例如XML Schema、XML DTD、XDR，SOX等等。XML格式則是XML文檔本身所具有的格式。本文以XML Schema來代表W3C所推薦的XML Schema模式標準，而以"XML模式"來代表所有的XML模式描述語言。

從模式的描述語言來說，XML Schema和XML DTD都屬于語法模式。與概念模式不同，語法模式在對同一事物描述時，可以采用不同的語法，例如在對關系模式描述時，無論是使用XML Schema還是XML DTD，都既可以用元素也可以用屬性來描述關系模式的列。

模式必須以某種格式來表示，XML Schema的格式與XML DTD的格式有著非常明顯的區別，XML Schema事實上也是XML的一種應用，也就是說XML Schema的格式與XML的格式是完全相同的，而作為SGML DTD的一個子集，XML DTD具有著與XML格式完全不同的格式。這種區別會給XML Schema的使用帶來許多好處：

XML用戶在使用XML Schema的時候，不需要為了理解XML Schema而重新學習，節省了時間；
由于XML Schema本身也是一種XML，所以許多的XML編輯工具、API 開發包、XML語法分析器可以直接的應用到XML Schema，而不需要修改。
作為XML的一個應用，XML Schema理所當然的繼承了XML的自描述性和可擴展性，這使得XML Schema 更具有可讀性和靈活性。
由于格式完全與XML一樣，XML Schema除了可以像XML一樣處理外，也可以同它所描述的XML文檔以同樣的方式存儲在一起，方便管理。
XML Schema與XML格式的一致性，使得以XML為數據交換的應用系統之間，也可以方便的進行模式交換。
XML有非常高的合法性要求，XML DTD對XML的描述，往往也被用作驗證XML合法性的一個基礎，但是XML DTD本身的合法性卻缺少較好的驗證機制，必需獨立處理。XML Schema則不同，它與XML有著同樣的合法性驗證機制。

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數據類型

或許，對于許多開發人員來講，XML Schema與XML DTD相比的一個最顯著的特征，就是其對數據類型的支持了。這完全是因為XML DTD提供的數據類型只有CDATA 、Enumerated、NMTOKEN 、NMTOKENS等十種內置（built-in）數據類型。這樣少的數據類型通常無法滿足文檔的可理解性和數據交換的需要。XML Schema則不同，它內置了三十七種數據類型，如long，int，short，double等常用的數據類型，并通過將數據類型表示為由value space、lexical space和facet三部分組成的三元組而獲得更大的靈活性。但是， XML Schema數據類型的真正靈活性來自于其對用戶自定義類型的支持。XML Schema提供兩種方式來實現數據類型的定義。

1) 簡單類型定義（simpleType），即在XML Schema內置的數據類型基礎上或其它由XML Schema內置的數據類型繼承或定義所得到的簡單的數據類型（simpleType）基礎上，通過restriction，list 或者 union方式定義新的數據類型。

例如：

源碼1 restriction方式的定義

<simpleType name='Sku'>
<restriction base='string'>
<pattern value='\d{3}-[A-Z]{2}'/>
</restriction>
</simpleType>

源碼2 list方式的定義

<simpleType name='listOfDouble'>
<list itemType='double'/>
</simpleType>

源碼3 union方式的定義

<xsd:attribute name="size">
        <xsd:simpleType>
            <xsd:union>
                <xsd:simpleType>
                    <xsd:restriction base="xsd:positiveInteger">
                        <xsd:minInclusive value="1"/>
                        <xsd:maxInclusive value="12"/>
                    </xsd:restriction>
                </xsd:simpleType>
                <xsd:simpleType>
                    <xsd:restriction base="xsd:string">
                        <xsd:enumeration value="month"/>
                    </xsd:restriction>
                </xsd:simpleType>
            </xsd:union>
        </xsd:simpleType>
    </xsd:attribute>

2) 復合類型定義（complexType），該方法提供了一種功能強大的復雜數據類型定義機制，可以實現包括結構描述在內的復雜的數據類型。下面是一個以 complexType定義實現關系模式中表結構的例子，設有表T_C_Type（Psign，Count），其中Psign為CHAR數據類型， Count為NUMBER數據類型。則有：

源碼4 complexType定義

<!--表結構類型定義-->
    <complexType name="T_C_Type">
        <sequence minOccurs="0" maxOccurs="unbounded">
            <element name="Psign">
                <complexType>
                    <simpleContent>
                        <restriction base="string">
                            <attribute name="value" type="string"/>
                        </restriction>
                    </simpleContent>
                </complexType>
            </element>
            <element name="Count" minOccurs="0">
                <complexType>
                    <complexContent>
                        <restriction base="anyType">
                            <attribute name="value" type="int" use="optional"/>
                        </restriction>
                    </complexContent>
                </complexType>
            </element>
        </sequence>
    </complexType>

不僅如此，XML Schema還允許元素的內容取空值，這一點可以擴大XML Schema對數據情況的描述范圍，而XML DTD則無能為力。例如：

源碼5 XML Schema 元素取空值的定義

<element name='test' nullable='true'/>

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元素順序的支持

XML DTD與XML Schema 都支持對子元素節點順序的描述，但XML DTD沒有提供對于無序情況的描述，也就是如果以XML DTD來描述元素的無順序出現情況，它必須采用窮舉元素各種可能出現的排列順序的方式來實現，這種方法不僅繁瑣，有時甚至是不現實的。例如對于table 的a，b子元素，如果希望它們以任意的順序出現，用XML DTD來描述：

源碼6 a，b子元素任意順序出現的XML DTD定義

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!ELEMENT ENTER_NAME_OF_ROOT_ELEMENT_HERE EMPTY>
<!ELEMENT table ((a,b)|(b,a))>
<!ELEMENT a  (#PCDATA)>
<!ELEMENT b (#PCDATA)>

XML Schema提供了<all>標記來描述這種情況：

源碼7 a，b子元素任意順序出現的XML Schema定義

<xsd:element name="a" type="xsd:string"/>
    <xsd:element name="b" type="xsd:string"/>
    <xsd:element name="table">
        <xsd:complexType>
            <xsd:all>
                <xsd:element ref="a"/>
                <xsd:element ref="b"/>
            </xsd:all>
        </xsd:complexType>
    </xsd:element>

可見，用XML Schema來實現子元素的無序描述要簡單的多。

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命名空間

在XML中引入命名空間的目的是為了能夠在一個XML文檔中使用其它XML文檔中的一些具有通用性的定義（通常是一些元素或數據類型等的定義），并保證不產生語義上的沖突。XML DTD并不能支持這一特性，這進一步限制了XML DTD的適用范圍。而XML Schema則很好的滿足了這一點。

并且， XML Schema還提供了include 和 import兩種引用命名空間的方法。下面的例子中XML Schema文檔引用了其它兩個XML Schema的定義，通過使用import實現了混合使用不同命名空間的目的。例子中還定義了不同命名空間中元素之間的keyref約束。

源碼8 XML Schema對命名空間的使用

schema targetNamespace="http://202.117.84.144"
xmlns:xs="http://202.117.84.144"
xmlns="http://www.w3.org/2001/XMLSchema"
xmlns:a="http://202.117.84.228/middlewareSqlServer2000sqlservertest20211784228"
xmlns:b="http://202.117.84.228/middlewareOracle805ioracletest20211784144" 
elementFormDefault="qualified">
<import namespace="http://202.117.84.228/middlewareSqlServer2000sqlservertest20211784228" 
    schemaLocation="F:\xml schema\middlewareSqlServer2000sqlservertest20211784228.xsd"/>
<import namespace="http://202.117.84.228/middlewareOracle805ioracletest20211784144"
    schemaLocation="F:\xml schema\middlewareOrcal805ioracletest20211784144.xsd"/>
    <annotation>
        <documentation xml:lang="cn">
   schema for Middleware
   Copyright 2001 Zhou Jingtao. All rights reserved.
  </documentation>
    </annotation>
    <element name="CombineDatabase">
        <complexType>
            <sequence>
                <element name="CombinGlobeSchema">
                    <complexType>
                        <sequence>
                            <element ref="a:H-Database"/>
                            <element ref="b:H-Database"/>
                        </sequence>
                    </complexType>
                    <keyref name="SqlServerTest_T_C_Psign" refer="b:gz_jgxx_ID_pk">
                        <selector xpath="a:H-Database/a:SqlServerTest/a:T_C/a:Count"/>
                        <field xpath="@value"/>
                    </keyref>
                </element>
            </sequence>
        </complexType>
    </element>
</schema>

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對于API的支持

在掌握和使用XML技術時，DOM和SAX可能是技術人員最常使用到的XML API。DOM和SAX只對XML實例文檔有效，雖然可以通過它們實現以XML DTD來驗證XML文檔,但是DOM和SAX卻沒有提供解析XML DTD文檔內容的功能，也就是說我們無法通過DOM或SAX來得到DTD中元素、屬性的聲明和約束的描述。但是在基于XML+DTD的數據交換過程中，一些應用程序需要得到DTD本身的描述內容和結構，以方便對XML文檔中數據的處理，例如在使用關系數據庫存儲XML 文檔的過程中就涉及到如何將XML DTD映射為關系模式描述的問題。為了實現對XML DTD的解讀，研究人員必須為XML DTD開發新的接口或者專用工具，帶來了很大的不便。

由于XML Schema本身就是一個XML 文檔，所以我們可以通過使用DOM、SAX或JDOM等XML API很容易的解析XML Schema，這就實現了XML文檔與其描述模式處理方式的一致性，利于數據的傳輸和交換。

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更加清晰的屬性出現情況的限制、以及缺省值和枚舉

XML DTD以關鍵字#IMPlIED、#FIXED和#REQUIRED來指定屬性是否出現，并支持屬性缺省值的定義。XML Schema則提供了更明確的標記來實現清晰易懂的表示。XML Schema廢棄了XML DTD的#IMPlIED，不再支持屬性的隱含狀態，而要求必須給出明確的狀態，并以prohibited來表示屬性的禁用。對于缺省值的表達則更為直觀，用default來直接給出。

源碼9 XML DTD 、XML Schema對屬性出現情況的限制

<!ATTLIST TestDTD testAr1 CDATA  #IMPLIED>
<!ATTLIST TestDTD testAr2 CDATA  #REQUIRED>
<!ATTLIST TestDTD testAr3 CDATA  #FIXED "3">
<!ATTLIST TestDTD testAr4 CDATA  "3">
<xsd:attribute name="TestAr1" type="xsd:string" use="optional" default="3"/>
<xsd:attribute name="TestAr2" type="xsd:string" use="prohibited"/>
<xsd:attribute name="TestAr3" type="xsd:string" use="required" fixed="3"/>

對于XML Schema在枚舉方面的改進，請參見參考資料中"XML 問題 #7 W3C XML Schema 與文檔類型定義 (DTD) 比較"一文（文獻9）。

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注釋

XML DTD和XML Schema都支持<!-注釋內容-->這樣的注釋方法，但是XML Schema提供了更靈活和有用的注釋方式：documentation和appinfo。它們提供了面向讀者和應用的注釋。

源碼10 XML Schema的注釋

<xsd:annotation>
<xsd:documentation>面向用戶和應用的注釋</xsd:documentation>
<xsd:appinfo>
//這是一段C語言代碼。
#include stdio.h
void main()
{
int i,j;
i =1;
j=i+1;
}
</xsd:appinfo>

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對數據庫的支持

目前如何將關系數據表示為XML數據和如何實現基于關系數據庫的XML數據存儲、查詢和更新已經成為了研究的熱點。Deutsh，Florescu [5]，Kossman[5]，Shanmugasundaram[6,7]和D W Lee[8]等人都在XML與關系數據的相互轉化問題方面作了較深入的研究。然而由于XML Schema成為正式推薦標準的時間較晚，加之XML DTD語法相對簡單，所以現在大部分的研究和應用都是基于XML DTD展開的。但是，XML DTD在對關系數據的描述方面明顯存在著不足，例如XML DTD有限的數據類型根本無法完成對關系數據數據類型的一一映射，也無法實現大部分的數據規則的描述。XML Schema提供了更多的內建數據類型，并支持用戶對數據類型的擴展，基本上滿足了關系模式在數據描述上的需要，這一點可以作為XML Schema比XML DTD更適合描述關系數據的一個主要的原因。

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一個結論

通過比較，可以看出，XML Schema比XML DTD具有更強的表現力，能夠更好的滿足不同領域應用的需求。那么，是不是可以說XML DTD會很快被XML Schema替代并最終消失呢。從作者的觀點來看，XML Schema雖然在大多數的應用領域都有替代XML DTD的趨勢，但是XML DTD仍然有它的適用范圍，并不可能被XML Schema完全替代：

XML DTD是作為XML 標準的一部分發布的，W3C似乎并沒有準備將其從XML標準中廢除掉，對于XML DTD的支持還將持續。
目前大多數的面向XML應用，都對XML DTD做了很好的支持，XML DTD的工具也相對較為成熟，一般情況下，這些應用和工具并不會選擇以XML Schema替換XML DTD的方式對其升級，更多的選擇應該是二者都支持。當然，對于那些對數據交換或者描述能力要求較高、XML DTD已不能滿足功能需求的應用來說，以XML Schema來代替XML DTD已經成為一種必然趨勢。
當前大多數與XML 模式相關的算法研究都是基于XML DTD展開的，作為一種研究的延續，并不會放棄XML DTD的研究成果，但是，針對XML Schema的研究將會成為一個新的熱點。
在一些相對要求簡單的處理環境中，XML DTD仍然會占有它的一席之地。
同其他技術的發展一樣，由于新標準的出現，XML DTD的作用會逐漸減弱，但正如層次數據庫在今天仍然在使用一樣，對XML Schema是否會完全替代XML DTD做一個結論似乎為時過早。

所以，作為一種強有力的標準，XML Schema作為XML模式的主流已經成為一種趨勢；但作為一種最簡單的XML模式，XML DTD也還將會在一段時間內發揮它應有的作用。

參考資料

Fallside D C. XML Schema Part 0: Primer. http://www.w3.org/TR/xmlschema-0, 2001.5 XML Schema 標準的總體介紹。
Thompson H,et al . XML Schema Part 1: Structures. http://www.w3.org/TR/xmlschema-1, 2001.5 XML Schema的結構標準
Biron P V, Malhotra A. XML Schema Part 2: Datatypes. http://www.w3.org/TR/xmlschema-2, 2001.5 XML Schema的數據類型標準。
Lee D W, Chu W W. Comparative Analysis of Six XML Schema Languages.ACM SIGMOD Record, 2000.9,29(3): 76~87 該文對XML 模式中的XML DTD , XML Schema , XDR , SOX , Schematron, DSD作了詳細的比較，其中對于XML Schema的論述，由于當時XML Schema標準還未定稿，所以與最新的標準相比有些出入。
Florescu D, Kossman D. Storing and Querying XML Data Using a RDBMS. IEEE Data Engineering Bulletin, 1999,22(3): 27~34 研究了如何利用RDBMS實現XML數據的存儲和查詢。
Shanmugasundaram J, et al..Efficiently Publishing Relational Data as XML Documents.．The VLDB Journal, 2000, 65~76 提出了一種基于SQL語言的的關系數據到XML的有效發布方法。
Shanmugasundaram J,et al.Querying XML Views of Relational Data．The VLDB Journal, 2001, 261~270提出了用來實現復雜XQuery的框架結構，研究如何提高XML視的查詢效率。
Lee D W, Chu W W. Constraints-preserving Transformation from XML Document Type Definition to Relational Schema.International Conference on Conceptual Modeling / the Entity Relationship Approach, 2000, 323~338 詳細論述了XML DTD到關系模式的映射算法CPI。
David Mertz ，W3C XML Schema 與文檔類型定義 (DTD) 比較， http://www.ibm.com/developerWorks/cn/xml/x-matters/part7/index.shtml。

作者簡介


		周競濤，西北工業大學CAD/CAM國家專業實驗室博士研究生，致力于將哲學、數學結合到技術研究中，主要研究方向：中間件、XML技術、EII，Semantic Web Services。可以通過 zhoujtnet@yahoo.com.cn與他聯系。


		王明微，陜西西安，西北工業大學CAD/CAM國家專業實驗室碩士研究生，研究方向：逆向工程、模式識別。可以通過 wangmv@hotmail.com與他聯系。

摘自：http://www-128.ibm.com/developerworks/cn/xml/x-sd/index.html

posted on 2007-07-02 17:00 lqx 閱讀(213) 評論(0) 編輯收藏

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