分布式数据库系统(1)
分布式数据库的实现及其应用
分布式数据库的实现及其应用随着互联网的快速发展和信息化的普及，数据量大幅度增长，传统的中心化数据库管理系统已经不能满足现代应用的需求。
分布式数据库因其具有高可用性、可扩展性和容错性的特点，成为了当前大规模应用的主流技术之一。
本文将从分布式数据库的概念和实现原理入手，详细探讨分布式数据库的实现及其应用。
一、分布式数据库的概念及特点1.1分布式数据库的概念分布式数据库是指数据存储在不同的地理位置上，通过计算机网络互连，实现数据的分布式存储和管理。
它不同于传统的中心化数据库，数据存储在同一台计算机上，分布式数据库的数据可以存储在多台计算机上，各台计算机之间通过网络互联。
1.2分布式数据库的特点（1）高可用性分布式数据库系统中的数据可以在不同的节点上进行存储和访问，可以减少单点故障的影响，提高整个系统的可用性。
（2）可扩展性分布式数据库系统可以根据需要动态添加节点，实现系统的横向扩展，从而满足不断增长的数据存储需求。
（3）容错性分布式数据库系统可以通过复制数据或者备份数据的方式，提高数据的容错能力，一旦某个节点发生故障，可以通过其他节点提供的备份数据进行恢复。
（4）性能和负载均衡分布式数据库系统能够通过合理的数据分片和数据分发策略，实现负载均衡和数据访问的并行处理，提高系统的性能。
二、分布式数据库的实现原理2.1数据分片数据分片是指将数据库中的数据按照一定的规则划分成若干独立的部分，每个部分被存储在不同的节点上。
常用的数据分片策略包括：哈希分片、范围分片和复制分片。
（1）哈希分片哈希分片是将数据的主键或者某个特定字段进行哈希计算，根据哈希值的范围将数据分配到不同的节点上。
这种方式可以保证数据的均匀分布，但是在需要进行范围查询时效率较低。
（2）范围分片范围分片是根据数据的某个特定字段的取值范围将数据进行划分，每个节点负责存储一定范围内的数据。
这种方式适合于需要进行范围查询的场景，但是需要考虑数据的均匀分布。
分布式数据库管理系统
分布式数据库管理系统随着数据量和数据复杂性的快速增长，传统的集中式数据库管理系统已经不能满足当前大规模数据处理的需求。
分布式数据库管理系统成为了解决这一问题的重要手段。
本文将从分布式数据库管理系统的定义、特点、优势和应用场景等方面进行论述。
一、分布式数据库管理系统的定义分布式数据库管理系统是指将一个数据库分布在多个计算机节点上，并通过网络进行通信和协作，实现数据的存储、管理和访问的系统。
它允许用户在分布式环境下访问和操作全局数据，并提供数据一致性、高可用性和分布式事务处理等功能。
二、分布式数据库管理系统的特点1. 数据分布：分布式数据库将数据分散存储在不同节点上，提高了数据的存储能力和并行处理能力。
2. 数据复制：为了提高数据的可用性和容错性，分布式数据库通常采用数据复制技术，在不同节点之间同步数据副本。
3. 数据通信：分布式数据库通过网络进行数据通信和协作，需要保证数据的安全性和传输效率。
4. 数据一致性：分布式数据库需要保证数据的一致性，即在数据更新过程中保持数据的一致性状态。
5. 分布式事务处理：分布式数据库支持跨节点的事务处理，需要保证事务的原子性、一致性、隔离性和持久性。
三、分布式数据库管理系统的优势1. 数据可靠性和容错性：分布式数据库采用数据复制技术，即使某个节点发生故障，其他节点仍可以正常工作，保证数据的可靠性和容错性。
2. 数据并行处理：分布式数据库将数据分布在多个节点上，可以并行处理数据的读取和计算，提高了数据处理的效率。
3. 数据可扩展性：分布式数据库可以根据需求动态扩展节点数量，提高数据的存储能力和处理能力。
4. 数据共享和协作：分布式数据库允许不同节点之间共享数据和协作处理任务，提高了数据的利用效率和合作能力。
四、分布式数据库管理系统的应用场景1. 大规模数据处理：分布式数据库适用于大规模数据处理的场景，如互联网应用、金融交易系统等。
2. 高可用性系统：分布式数据库可以提供高可用性的数据存储和处理能力，适用于要求系统24/7在线运行的应用，如电子商务系统、社交网络等。
分布式数据库管理系统
分布式数据库管理系统随着互联网的快速发展以及数据量的不断增加，企业和机构对于数据存储和处理的需求越来越大。
传统的单机数据库无法满足这种需求，因此分布式数据库管理系统应运而生。
本文将介绍分布式数据库管理系统的基本概念、特点、架构和应用场景。
一、基本概念分布式数据库管理系统是指将一个逻辑上完整的数据库分散在多台计算机上进行管理和处理的系统。
这其中包括两个重要的概念：分布式和数据库。
分布式指的是将整个系统分成多个子系统，每个子系统都有自己的物理节点。
这些节点通过网络互相连接，并协同工作完成任务。
与传统的集中式系统相比，分布式系统拥有更高的可扩展性、可靠性和容错性。
数据库则是指存储、管理和处理大量数据的系统。
数据库管理系统（DBMS）是一种软件，用于管理数据库，包括数据的创建、插入、更新、删除，以及查询、索引、优化等操作。
传统的数据库管理系统通常是以单一计算机为底层架构，但是分布式数据库管理系统在分布式架构上进行了改进，能够利用多台计算机的计算能力和存储空间来进行数据处理。
二、特点分布式数据库管理系统有如下几个特点：1. 可扩展性强。
由于分布式系统的特点，节点可以动态加入或退出，从而实现系统的可扩展性。
2. 可靠性高。
节点之间可以互相备份数据，防止单点故障导致数据丢失，从而提高系统的可靠性。
3. 数据分散。
将数据分散在多个节点上，让每个节点管理自己的数据，从而避免单节点瓶颈和数据拥塞，提高系统的处理效率。
4. 数据一致性。
分布式系统需要保证节点之间数据一致，通常采用分布式事务和副本机制来实现。
5. 数据局部性。
将经常访问的数据放在靠近用户的节点上，减少数据传输和网络开销，提高系统的性能。
三、架构分布式数据库管理系统的架构包括以下几个层次：1. 应用层。
可以是企业内部的信息系统、电子商务应用、在线社交网络等。
2. 中间层。
包括分布式事务管理、负载均衡、数据分片、数据分布和副本机制等。
3. 存储层。
包括分布式文件系统、对象存储和分布式数据库等。
分布式数据库系统(重点解析,经典试题及答案)
第9章分布式数据库系统9.1 基本内容分析9.1.1 本章重要概念（1）分布计算的三种形式：处理分布，数据分布，功能分布。
（2）C/S系统，工作模式，技术特征，体系结构，两层、三层、多层C/S结构。
（3）DDBS的定义、特点、优点、缺点和分类；分布式数据存储的两种形式（分片和分配）。
（4）DDB的体系结构：六层模式，分布透明性的三个层次，DDBS 的组成，DDBMS的功能和组成。
（5）分布式查询处理的查询代价，基于半联接的优化策略，基于联接的优化策略。
（6）分布式数据库的并发控制和恢复中出现的问题，以及处理机制。
9.1.2 本章的重点篇幅（1）两层、三层、多层C/S结构。
（教材P365-367）（2）分布式数据存储：分片和分配。
（教材P375-377）（3）DDB的体系结构。
（教材P378的图9.10，P381的图9.12）（4）基于半联接的执行示意图。
（教材P389的图9.17）9.2 教材中习题9的解答9.1 名词解释·集中计算：单点数据和单点处理的方式称为集中计算。
·分布计算：随着计算机网络技术的发展，突破集中计算框架，DBMS的运行环境逐渐从单机扩展到网络，对数据的处理从集中式走向分布式、从封闭式走向开放式。
这种计算环境称为分布计算。
·处理分布：指系统中处理是分布的，数据是集中的这种情况。
·数据分布：指系统中数据是分布的，但逻辑上是一个整体这种情况。
·功能分布：将计算机功能分布在不同计算机上执行，譬如把DBMS 功能放在服务器上执行，把应用处理功能放在客户机上执行。
·服务器位置透明性：指C/S系统向客户提供服务器位置透明性服务，用户不必知道服务器的位置，就可以请求服务器的服务。
·集中式DBS：所有工作都由一台计算机完成，这种DBS称为集中式DBS。
·DDBS：是物理上分散逻辑上集中的DBS，每一场地既能完成局部应用又能完成全局应用，这种系统称为DDBS。
分布式数据库系统的设计
2.3.3数据库片段的位置分配设计
水平分片情况
1 非冗余分配：将片段分配到访问次数最多的站点
2 所有得益站点：本站点的应用的检索访问费用总 比任何一个其他站点发出的应用对该片段进行更新 访问的费用要低 3 附加复制法：Dj表示片段Ri冗余度；Fi表示Ri在每 个站点都复制的得益
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2.3.3数据库片段的位置分配设计
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2.2.2构造全局模式的解决方法
1 识别相似性 2 识别冲突：
命名冲突/域差异/定标差异/结构差异
3 处理操作期间的不一致性 4 经典解法是生成三个实体：
一个具有共同属性 另两个具有非相交属性
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2.2.3自底向上综合的一个示例
问题：
假设已存在两个飞机订票系统A和B，可供查询各自 班机的可用情况。二者有不同的概念模型。现需要将 这两个系统合为一个分布式数据库系统，以便从两个 公司的任一办公室能查询班机的可用情况。
2
2.1.1分布式数据库系统定义
分布式数据库系统中的数据是物理分布在用计算机网 络连接起来的各个站点上；每一个站点是一个集中式 数据库系统，都有自治处理的能力，完成本站点的局 部应用；而每个站点上的数据并不是互不相关的，它 们构成一个逻辑整体，统一在分布数据库管理下，共 同参与并完成全局应用，并且分布式数据库系统中的 这种“分布”对用户来说是透明的，也就是说，本地 与远程结合的“接缝”是被隐蔽的，用户几乎感觉不 到远程与本地结合的接缝的存在，即“一个分布式系 统应该看起来完全像一个非分布系统”。
垂直分片情况
假定把站点r上的关系R垂直分成两个片段Rs和Rt，并 将Rs和Rt分别分配在站点S和t,然后将应用分组并估算 它们的利益情况
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2.3.3数据库片段的位置分配设计
分布式数据库系统
答
P
场地A
场地B
在场地B选出红色零件的元组（10个），然后对每一 个元组逐一检查场地A，看北京供应商的装运单中是否有 这个零件装运单（若有则选出S#），每做这样一次检查 包括2次消息，共问答10次，通信时间为：
T[4]=2*10=20秒
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查询处理和优化
策略5：
传（S#,P#）
(S)SP
P
场地A
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分布透明性----包括分片透明性、位置透明性和局部数 据模型透明性。
分片透明性----分布透明性的最高层次。指用户或 应用程序只对全局关系进行操作而不考虑关系的分 片。当分片模式改变了，由于全局到分片模式的映 像、全局模式不变，应用程序不必改写。
位置透明性----分布透明的下一层次。指用户或应用 程序不必了解片段的场地，当存储场地改变了，由于 分片模式到分布模式的映像，应用程序不必改变。 局部数据模型透明性----用户或应用程序不必了解局 部场地上使用哪种数据模型，模型转换以及数据库语 言的转换由映像4完成。
分布式数据库系统中全局应用要涉及到两个以上结点的 数据，全局事务可能由不同场地的多个操作组成。所以应 该保证数据库的全局一致性、全局并发事务的可串行性和 系统的全局可恢复性。 当一个结点发生故障，操作失败后如何使全局事务回滚？ 如何使另一个结点撤销已执行的操作或不必再执行其他操作。
采用的技术比集中式数据库系统更复杂和困难。
•提高系统的可靠性、可用性 当某一场地出现故障时，系统可以对另一场地上的相同 副本进行操作，不至于造成整个系统的瘫痪。
•提高系统性能 系统可选择用户最近的数据副本进行操作，减少通
信代价，改善整个系统性能。
存在的问题： 冗余副本之间存在数据不一致，必须着力解决。
分布式数据库系统考试
分布式数据库系统考试（答案见尾页）一、选择题1. 分布式数据库系统的定义是什么？A. 一种将数据存储在多个地理位置的数据库系统中，通过分布式计算框架来管理和访问数据的一种技术。
B. 一种单一的集中式数据库系统，所有数据都存储在一个服务器上。
C. 一种将数据分割成多个部分，并分布存储在不同的服务器上的数据库系统。
D. 一种不依赖于单一服务器的数据库系统，数据可以跨多个服务器进行存储和访问。
2. 分布式数据库系统的优点包括哪些？A. 提高数据处理速度和效率。
B. 降低单点故障的风险。
C. 更好的数据冗余和容错能力。
D. 扩展性更强，可以更容易地添加新的数据和节点。
3. 以下哪个不是分布式数据库系统中的常见拓扑结构？A. 星形拓扑B. 环形拓扑C. 网状拓扑D. 树形拓扑4. 在分布式数据库系统中，什么是分片？A. 将整个数据库系统的数据分成多个部分，每个部分存放在一个单独的节点上。
B. 将数据库系统的一个或多个表按照某种规则分成多个部分。
C. 将数据库系统的数据按照某种规则分成多个部分，每个部分存放在一个单独的节点上。
D. 将数据库系统的一个或多个表按照某种规则分成多个部分，并存放在不同的节点上。
5. 在分布式数据库系统中，什么是复制？A. 将数据库系统的数据复制到多个节点上，以确保数据的可靠性和可用性。
B. 将数据库系统的数据存储在多个地理位置，以确保数据的可靠性和可用性。
C. 将数据库系统的数据按照某种规则分成多个部分，并存放在不同的节点上。
D. 将数据库系统的一个或多个表按照某种规则分成多个部分，并存储在不同的节点上。
6. 在分布式数据库系统中，什么是分布式事务？A. 一种需要在多个节点上同步更新数据的事务处理方式。
B. 一种可以在多个节点上并行处理的事务处理方式。
C. 一种需要确保数据的一致性和完整性的事务处理方式。
D. 一种可以在多个节点上同时执行的事务处理方式。
7. 分布式数据库系统中的数据一致性是指什么？A. 数据在多个节点上保持一致的状态。
数据库分布式系统的说明书
数据库分布式系统的说明书一、引言数据库分布式系统是一种基于分布式计算和存储的数据库系统，可以将数据和计算任务分散到多个节点上进行并行处理，从而提高系统的性能与可扩展性。
本文将详细介绍数据库分布式系统的原理、架构以及应用场景。
二、原理与架构1. 分布式数据存储数据库分布式系统中的数据通常被分散存储在多个节点上，每个节点负责管理一部分数据。
这样的分布方式可以提高数据的可用性和容错性，同时也增加了系统的并行处理能力。
2. 分布式数据访问为了实现对分布式存储的数据的高效访问，数据库分布式系统采用了一些常用的技术手段，如数据划分、数据复制、数据分片等。
这些技术可以提高数据的可靠性、查询效率和负载均衡能力。
3. 分布式事务处理在分布式环境下，事务处理变得更加复杂。
数据库分布式系统通过引入分布式事务协调器来协调多个节点上的事务执行，保证数据的一致性和可靠性。
4. 分布式查询与计算数据库分布式系统支持将查询和计算任务分发到多个节点上进行并行处理，从而提高系统的查询性能和计算能力。
常用的分布式查询与计算技术包括MapReduce、Spark等。
三、应用场景数据库分布式系统在许多领域都有广泛的应用，以下是几个典型的应用场景。
1. 大规模数据分析对于大规模的数据分析任务，传统的单机数据库往往无法满足性能要求。
通过将数据分散存储在多个节点上，并使用分布式查询和计算技术，可以大幅提高数据分析的效率和速度。
2. 云计算平台云计算平台需要支持大规模用户的数据存储和查询需求，因此数据库分布式系统是其基础设施之一。
通过将数据库分布在多个物理节点上，可以提供高可用性和扩展性的数据服务。
3. 实时数据处理对于实时数据处理场景，数据库分布式系统可以通过数据的并行处理和分布式计算来实现对实时数据的快速处理和分析。
这在金融、物联网等领域有着重要的应用价值。
四、总结数据库分布式系统是一个基于分布式计算和存储的数据库架构，可以提高系统的性能、可靠性和可扩展性。
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分布式数据库系统（1）
胡经国
本文作者的话
本文是根据有关文献和资料编写的《漫话云计算》系列文稿之一。
以此作为云计算学习笔录，供云计算业外读者进一步学习和研究参考。
希望能够得到大家的指教和喜欢！
下面是正文
一、分布式数据库系统概述
1、概述一
分布式数据库（Distributed Database，DDB）是指数据分散存储在计算机网络中的各台计算机上的数据库。
分布式数据库系统（Distributed Database System，DDBS）通常使用较小的计算机系统，每台计算机可单独放在一个地方；每台计算机中都可能有DBMS （数据库管理系统）的一份完整拷贝副本，或者部分拷贝副本，并具有自己局部的数据库；位于不同地点的许多计算机通过网络互相连接，共同组成一个完整的、全局的、逻辑上集中、物理上分布的大型数据库系统。
2、概述二
分布式数据库，是指利用高速计算机网络，将物理上分散的多个数据存储单元连接起来组成一个逻辑上统一的数据库。
分布式数据库的基本思想，是将原来集中式数据库中的数据分散存储到多个通过网络连接的数据存储节点上，以获取更大的存储容量和更高的并发访问量。
近年来，随着数据量的高速增长，分布式数据库技术也得到了快速的发展。
传统的关系型数据库开始从集中式模型向分布式架构发展。
基于关系型的分布式数据库，在保留传统数据库的数据模型和基本特征前提下，从集中式存储走向分布式存储，从集中式计算走向分布式计算。
另一方面，随着数据量越来越大，关系型数据库开始暴露出一些难以克服的缺点。
以NoSQL为代表的、具有高可扩展性、高并发性等优势的非关系型数据库快速发展；一时间市场上出现了大量的key-value（键－值）存储系统、文档型数据库等NoSQL数据库产品。
NoSQL类型数据库正日渐成为大数据时代下分布式数据库领域的主力。
这种按分布式组织数据库的方法克服了物理中心数据库组织的弱点。
首先，降低了数据传送代价。
因为，大多数对数据库的访问操作都是针对局部数据库的，而不是针对其他位置的数据库访问。
其次，系统的可靠性提高了很多。
因为，当网络出现故障时，仍然允许对局部数据库的操作，而且一个位置的故障不影响其他位置的处理工作。
只有当访问出现故障位置的数据时，在某种程度上才受影响。
第三，便于系统的扩充。
增加一个新的局部数据库，或在某个位置扩充一台适当的小型计算机，都很容易实现。
然而，有些功能要付出更高的代价。
例如，为了调配在几个位置上的活动，事务管理的性能比在中心数据库时花费更高，而且甚至抵消许多其他的优点。
二、分布式软件系统
分布式软件系统（Distributed Software Systems，DSS），是支持分布式处理的软件系统，是在由通信网络互联的多处理机体系结构上执行任务的系统。
它包括：分布式操作系统、分布式程序设计语言及其编译（解释）系统、分布式文件系统和分布式数据库系统等。
⑴、分布式操作系统
分布式操作系统（Distributed Operating System，DOS），负责管理分布式处理系统资源和控制分布式程序运行。
它和集中式操作系统的区别，在于资源管理、进程通信和系统结构等方面。
⑵、分布式程序设计语言
分布式程序设计语言（Distributed Programming Language，DPL），用于编写运行于分布式计算机系统上的分布式程序。
一个分布式程序，由若干个可以独立执行的程序模块组成；它们分布于一个分布式处理系统的多台计算机上被同时执行。
它与集中式的程序设计语言相比，有以下三个特点：分布性、通信性和稳健性。
⑶、分布式文件系统
分布式文件系统（Distributed File System ，DFS），具有执行远程文件存取的能力，并以透明方式对分布在网络上的文件进行管理和存取。
⑷、分布式数据库系统
分布式数据库系统（Distributed Database System，DDBS），由分布于多个计算机结点上的若干个数据库组成。
它提供有效的存取手段来操纵这些结点上的子数据库。
分布式数据库在使用上可视为一个完整的数据库，而实际上它是分布在地理上分散的各个结点上的。
当然，分布在各个结点上的子数据库在逻辑上是相关的。
Hadoop的分布式文件系统HDFS，作为开源的分布式平台，为目前流行的很多分布式数据库提供了支持，譬如HBase等。
Yonghong的分布式文件系统ZFS，为分布式数据集市Z-DataMart提供了底层平台。
链接：Hadoop与HDFS和MapReduce
Hadoop是一个由Apache基金会所开发的分布式系统基础架构。
用户可以在不了解该分布式系统基础架构的底层细节的情况下，开发分布式程序；充分利用集群的威力，进行高速运算和存储。
Hadoop实现了一个分布式文件系统（Hadoop Distributed File System，HDFS）。
HDFS有高容错性的特点，并且设计用来部署在低廉的（low-cost）硬件上；而且它提供高吞吐量（high throughput）来访问应用程序的数据，适合那些有着超大数据集（large data set）的应用程序。
HDFS放宽了（relax）POSIX的要求，可以以流的形式访问（streaming access，流媒体访问）文件系统中的数据。
Hadoop的架构最核心的设计就是：HDFS和MapReduce。
HDFS为海量数据提供了存储，而MapReduce则为海量数据提供了计算。
MapReduce是一种编程模型，用于大规模数据集（大于1TB）的并行运算。
概念“Map（映射）”和“Reduce（归约）”，和它们的主要思想，都是从函数式编程语言里借来的；还有从矢量编程语言里借来的特性。
它极大地方便了编程人员在不会分布式并行编程的情况下，将自己的程序运行在分布式系统上。
当前的软件实现是指定一个Map（映射）函数，用来把一组键值对映射成一组新的键值对，指定并发的Reduce（归约）函数，用来保证所有映射的键值对中的每一个共享相同的键组。
三、分布式数据库系统主要特点
在大数据时代，面对海量数据量的井喷式增长和不断增长的用户需求，分布式数据库系统必须具有如下特征，才能应对不断增长的海量数据。
1、高可扩展性
分布式数据库系统必须具有高可扩展性，能够动态地增添存储节点以实现存储容量的线性扩展。
2、高并发性
分布式数据库系统必须及时响应大规模用户的读／写请求，能对海量数据进行随机读／写。
3、高可用性
分布式数据库系统必须提供容错机制，能够实现对数据的冗余备份，保证数据和服务的高度可靠性。
四、分布式数据库系统优点
在大数据时代，面对日益增长的海量数据，传统的集中式数据库系统的弊端日益显现，分布式数据库系统相对传统的集中式数据库系统具有如下优点：
1、更高的数据访问速度
分布式数据库系统为了保证数据的高可靠性，往往采用备份的策略实现容错机制。
所以，在读取数据的时候，客户端可以并发地从多个备份服务器同时读取，从而提高了数据访问速度。
2、更强的可扩展性
分布式数据库系统可以通过增添存储节点来实现存储容量的线性扩展，而集中式数据库系统的可扩展性十分有限。
3、更高的并发访问量
分布式数据库系统由于采用多台主机组成存储集群，所以相对集中式数据库系统，它可以提供更高的用户并发访问量。
五、分布式数据库系统功能结构
分布式数据库管理系统（DBMS）软件结构包括AP模块、CM模块和DP 模块。
以下对各模块功能进行简要描述：
1、AP模块功能
包括用户接口、查询处理、全局事务管理及全局字典管理和全局恢复管理。
⑴、用户接口
检查用户身份，接受用户命令，如SQL命令。
⑵、全局查询处理
将用户命令翻译成数据库命令；生成全局查询的分布执行计划；收集局部执行结果并返回给用户。
⑶、全局事务管理
调度、协调和监视AP模块和DP模块之间的分布执行；保证复制数据的一致性；保证全局事务的原子性。
2、DP模块功能
包括局部查询处理、局部事务管理及局部字典管理和局部恢复管理。
⑴、局部查询处理
实现全局命令到局部命令的转换。
⑵、局部事务管理
执行局部数据操作；返回局部执行结果；保证子事务执行的正确性。
2017年1月8日编写于重庆2019年5月1日修改于重庆。