数据库管理系统主要特点和层次结构
数据库管理系统介绍常见的数据库管理系统及其特点
数据库管理系统介绍常见的数据库管理系统及其特点数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）是一种软件系统，用于管理和组织数据，并提供对数据的存储、访问和处理功能。
在当今信息化时代，数据库管理系统扮演着至关重要的角色，被广泛应用于各个领域中。
本文将介绍几个常见的数据库管理系统及其特点，分别是关系型数据库管理系统（RDBMS）、面向对象数据库管理系统（OODBMS）、层次型数据库管理系统（HDBMS）、网络型数据库管理系统（NDBMS）以及图形数据库管理系统（GDBMS）。
以下是对每种系统的详细介绍：1. 关系型数据库管理系统（RDBMS）关系型数据库管理系统是目前最常用的系统之一，其中最著名的代表是MySQL、Oracle和SQL Server。
它使用表格来组织数据，并使用结构化查询语言（SQL）进行数据操作。
关系型数据库管理系统具有以下特点：- 良好的数据一致性和完整性，可以通过约束（如主键、外键）来保障数据的准确性。
- 支持复杂的查询和关系运算，如联接、投影和选择等。
- 可以处理大量的数据，并具有较高的性能和稳定性。
2. 面向对象数据库管理系统（OODBMS）面向对象数据库管理系统是针对面向对象编程语言的需求而设计的系统，可以有效地存储和管理面向对象的数据。
代表性的面向对象数据库管理系统包括MongoDB和Cassandra。
面向对象数据库管理系统的特点包括：- 支持对象的继承、封装和多态性，更好地符合面向对象编程的理念。
- 可以存储复杂的数据结构，如图、数组和嵌套对象。
- 具有高度的可伸缩性和灵活性，适合处理非结构化的大数据。
3. 层次型数据库管理系统（HDBMS）层次型数据库管理系统是根据层次结构来组织数据的系统，其数据模型类似于树形结构。
经典的层次型数据库管理系统是IBM的IMS。
层次型数据库管理系统的特点包括：- 数据具有层次结构，每个数据项都有一个父节点和零个或多个子节点。
数据库管理系统的分类与特点
数据库管理系统的分类与特点数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）是计算机科学领域中的关键技术，用于管理、组织和存储大量的数据。
随着数据量的不断增长，数据库管理系统的分类和特点也越发重要。
本文将对数据库管理系统进行分类，并介绍各个分类的特点。
一、按数据模型分类1. 层次模型数据库管理系统层次模型数据库管理系统（Hierarchical Model DBMS）以树状结构来组织数据。
它的特点是数据之间存在父子关系，并且一个父节点可以对应多个子节点，但一个子节点只能有一个父节点。
这种数据库管理系统适用于具有明确层级结构关系的数据。
例如，公司组织架构可以使用层次模型数据库管理系统进行管理，其中每个员工节点连接到其直接上级的节点。
2. 网状模型数据库管理系统网状模型数据库管理系统（Network Model DBMS）也是基于树状结构的，但与层次模型不同的是，它允许一个子节点具有多个父节点。
这种模型适用于数据之间存在复杂关系的场景，如银行系统中的借贷关系。
3. 关系模型数据库管理系统关系模型数据库管理系统（Relational Model DBMS）是目前应用最广泛的数据库管理系统之一，它将数据组织为表格的形式，其中每一行代表一个数据记录，每一列代表字段或属性。
关系模型中的表格可以结合使用，通过键值进行关联查询。
这种模型相对于层次模型和网状模型更灵活，能够适应不同领域和复杂的数据关系。
4. 对象模型数据库管理系统对象模型数据库管理系统（Object Model DBMS）是在关系模型基础上发展起来的一种模型。
它将实体和实体之间的关系都视为对象，并通过对象间的继承和多态来实现数据的组织和查询。
对象模型数据库管理系统特别适用于面向对象的编程环境。
二、按运行环境分类1. 集中式数据库管理系统集中式数据库管理系统（Centralized DBMS）运行在一个集中服务器上，所有的数据存储在该服务器中，用户通过网络访问数据。
数据库技术发展的4个阶段及其特点
数据库技术发展的4个阶段及其特点数据库技术是随着计算机技术的发展而逐步发展完善的，可以分为以下四个阶段：文件管理系统阶段、层次数据库阶段、网络数据库阶段和关系数据库阶段，下面我们将详细介绍这四个阶段的特点。
1.文件管理系统阶段文件管理系统阶段是数据库技术发展的最初阶段，也是最为简单、原始的阶段。
该阶段使用的是文件系统进行数据管理，将数据存储在文件中，并采用顺序读取和顺序写入的方式进行数据读写操作。
这一阶段的特点是数据处理效率低下，数据的查找、插入、删除等操作十分困难。
由于数据文件的存储位置没有固定的结构，因此对于大规模的数据处理，往往需要手动编写程序进行处理，大大降低了数据处理效率。
2.层次数据库阶段层次数据库阶段是在文件管理系统的基础上，改进而来的一种数据库管理方式。
这一阶段的特点是采用了层次结构来管理数据，使得数据文件的读写效率有了很大的提升。
层次数据库中数据以树形结构组织，可以实现快速的数据存储和查询，但树形结构限制了数据的组织形式。
当数据之间的关系不是树形结构，而是网状结构时，层次数据库就不能很好地进行处理了。
3.网络数据库阶段网络数据库阶段是在层次数据库的基础上，又有一定的改进和提升。
这一阶段的特点是对数据管理进行了标准化，使用了更先进的记录结构，可以实现更灵活的数据组织形式。
而且，网络数据库采用了具有分布式的结构形式，服务器和客户端可以相互通讯，方便了数据的共享和互通。
这一阶段的技术得到了广泛的应用，例如虚拟网络、淘宝开发平台、网上银行等。
4.关系数据库阶段关系数据库阶段是数据库技术发展的最后一个阶段，也是目前应用最广泛的数据管理方式。
相比于层次和网络数据库，关系数据库采用了更加简单、易操作、高效的数据库模型，实现了数据的高效查询、更新、删除等操作。
关系数据库的重要特点就是采用了结构化查询语言(SQL)，能够实现高效的数据处理和管理，可以满足不同应用场景的需求，例如管理企业信息、人力资源、学生信息等。
简述数据库管理系统的分类
简述数据库管理系统的分类数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）是由一组软件和工具组成的系统，用于管理、组织和访问数据库中的数据。
随着信息技术的发展，数据库管理系统在企业和组织中扮演着重要的角色。
根据不同的分类标准，数据库管理系统可以分为以下几种类型。
1.层次数据库管理系统层次数据库管理系统是最早的数据库管理系统类型之一，它基于树形结构来组织和管理数据。
在层次数据库中，数据被组织成为一个树形结构，其中每个节点可以有一个父节点和多个子节点。
这种数据库管理系统具有简单和高效的特点，但缺点是对于复杂和多对多的关系表示不够灵活。
2.网络数据库管理系统网络数据库管理系统是在层次数据库的基础上发展而来的，它使用图形结构来组织和管理数据。
在网络数据库中，数据可以用多对多的关系进行表示，节点可以有多个父节点和多个子节点。
这种数据库管理系统相比层次数据库更加灵活，但是对于数据的完整性和一致性要求较高。
3.关系数据库管理系统关系数据库管理系统是目前最常用的数据库管理系统类型之一，它使用关系模型来组织和管理数据。
在关系数据库中，数据被组织成为一张或多张表格，每个表格由多个属性和记录组成。
关系数据库管理系统具有严格的数据完整性、灵活的查询和高效的存储特点，因此被广泛应用于各个领域。
4.面向对象数据库管理系统面向对象数据库管理系统是在关系数据库管理系统的基础上发展而来的，它使用面向对象的思想来组织和管理数据。
在面向对象数据库中，数据被组织成为对象，并使用类和继承等概念来描述对象之间的关系。
这种数据库管理系统适用于处理复杂的数据和对象关系，但由于其复杂性和高成本，目前在实际应用中使用较少。
5.分布式数据库管理系统分布式数据库管理系统是用于管理分布在不同地理位置的多个计算机节点上的数据。
在分布式数据库管理系统中，数据分布在多个节点上，并通过网络进行通信和交互。
这种数据库管理系统可以提高数据的可靠性和可用性，但同时也增加了系统的复杂性和管理难度。
数据库管理系统的功能和层次结构
数据库管理系统的功能和层次结构数据库管理系统(DBMS)是一个软件系统，用于管理和维护数据库的各种操作。
它提供了一种机制，使用户和其他应用程序能够访问和操作数据库中的数据。
数据库管理系统具有以下主要功能和层次结构：1.数据定义语言（DDL）：DDL用于定义数据库中的数据结构，包括表、视图、索引、触发器等。
DDL语句用于创建、修改和删除数据库对象。
2.数据操作语言（DML）：DML用于操作数据库中的数据，包括插入、更新、删除和查询数据。
DML语句用于向表中插入新数据、更新和删除现有数据。
3.数据查询语言（DQL）：DQL用于从数据库中查询数据。
使用SELECT语句可以实现高级查询和数据检索。
4.数据控制语言（DCL）：DCL用于定义和管理数据库的安全性和完整性。
它包括授权和访问控制语句，用于设置用户权限和限制对数据库的访问。
5.事务管理：事务管理用于确保数据库的一致性和完整性。
事务是一组数据库操作，要么全部执行成功，要么全部失败。
DBMS提供了事务控制语句（如BEGIN、COMMIT、ROLLBACK），以确保数据库在任何时间点都处于一致状态。
数据库管理系统的层次结构是由多个组件构成的：1.用户界面：用户界面是用户与数据库管理系统进行交互的界面。
它可以是命令行界面、图形界面或Web界面。
2.查询处理器：查询处理器接收和解析用户发出的查询请求，将其转换为数据库可以理解的形式，并执行查询操作。
3.缓存管理器：缓存管理器负责管理数据库中的数据缓存。
它将常用的数据存储在内存中，以提高数据访问速度。
4.事务管理器：事务管理器负责管理数据库中的事务。
它确保事务的原子性、一致性、隔离性和持久性。
5.存储管理器：存储管理器负责物理存储和检索数据。
它将数据存储在磁盘上，并提供了对数据的读取和写入操作。
6.查询优化器：查询优化器负责优化查询操作的执行计划。
它分析查询语句，并选择最合适的执行路径，以提高查询性能。
简要说明数据库的三个层次及其关系。
简要说明数据库的三个层次及其关系。
数据库的基本结构数据库的基本结构分三个层次，反映了观察数据库的三种不同角度。
(1)物理数据层。
它是数据库的最内层，是物理存贮设备上实际存储的数据的集合。
这些数据是原始数据，是用户加工的对象，由内部模式描述的指令操作处理的位串、字符和字组成。
(2)概念数据层。
它是数据库的中间一层，是数据库的整体逻辑表示。
指出了每个数据的逻辑定义及数据间的逻辑联系，是存贮记录的集合。
它所涉及的是数据库所有对象的逻辑关系，而不是它们的物理情况，是数据库管理员概念下的数据库。
(3)逻辑数据层。
它是用户所看到和使用的数据库，表示了一个或一些特定用户使用的数据集合，即逻辑记录的集合。
数据库不同层次之间的联系是通过映射进行转换的。
数据库具有以下主要特点：(1)实现数据共享。
数据共享包含所有用户可同时存取数据库中的数据，也包括用户可以用各种方式通过接口使用数据库，并提供数据共享。
(2)减少数据的冗余度。
同文件系统相比，由于数据库实现了数据共享，从而避免了用户各自建立应用文件。
减少了大量重复数据，减少了数据冗余，维护了数据的一致性。
(3)数据的独立性。
数据的独立性包括数据库中数据库的逻辑结构和应用程序相互独立，也包括数据物理结构的变化不影响数据的逻辑结构。
(4)数据实现集中控制。
文件管理方式中，数据处于一种分散的状态，不同的用户或同一用户在不同处理中其文件之间毫无关系。
利用数据库可对数据进行集中控制和管理，并通过数据模型表示各种数据的组织以及数据间的联系。
(5)数据一致性和可维护性，以确保数据的安全性和可靠性。
主要包括：①安全性控制：以防止数据丢失、错误更新和越权使用；②完整性控制：保证数据的正确性、有效性和相容性；③并发控制：使在同一时间周期内，允许对数据实现多路存取，又能防止用户之间的不正常交互作用；④故障的发现和恢复：由数据库管理系统提供一套方法，可及时发现故障和修复故障，从而防止数据被破坏。
数据库系统概述
⑴数据项 数据项(Item)就是标记实体属性的命名单位，也称为元素或
字段。它是可以命名的最小信息单位。数据项的取值范围称 为域。
⑵记录 若干相关联的数据项的集合构成记录(Record)。记录是应
(2) 属性(Attributes)：实体的某一特性称为属性。
◦ 如学生实体有学号、姓名、年龄、性别、系等方面的属性。 ◦ 属性有"型"和“值”之分，"型"即为属性名，如姓名、年龄、性别是属性
的型；“值”即为属性的具体内容，如（990001,张立，20，男，计算 机）这些属性值的集合表示了一个学生实体。
d.数据恢复（recovery）：当数据库被破坏或数 据不可靠时，系统有能力将数据库从错误状态恢 复到最近某一时刻的正确状态。
1.2.1 信息的三个世界 1.2.2 概念模型 1.2.3 逻辑模型
将客观存在的事物以数据的形式存储到计算机中: ◦ 首先将现实世界的事物及联系抽象成信息世界的信息模型， ◦ 然后再抽象成计算机世界的数据模型。
现实世界
认识抽象
信息世界
计算机世界
▪图1-5 数据处理的抽象和转换过程
20
1. 现实世界
现实世界就是客观存在的事物及其相互联系。 事物之间的联系是由事物本身的性质决定的。现实世界中
的事物之间既有“共性”，又具有“个性”。 例如，学校的教学管理中涉及学生管理、教师管理及课程
管理等。 制作学生选修课程情况表，内容包括学号、姓名、课程名、
3.数据库系统阶段（60年代末开始）
➢ 数据量急剧增加；
第一章_数据库系统概述
2．模式／内模式映象
模式／内模式映象定义了数据全局逻辑 结构与存储结构之间的对应关系。例如， 说明逻辑记录和字段在内部是如何表示 的
数据库中模式／内模式映象是唯一的
该映象定义通常包含在模式描述中
模式／内模式映象的用途
保证数据的物理独立性
当数据库的存储结构改变了（例如选用了另 一种存储结构），数据库管理员修改模式／ 内模式映象，使模式保持不变
1、信息（information）
定义：关于现实世界事物的存在方式或 运动状态反映的综合。
特点：
客观存在 可以感知 可存储、加工、传递和再生
2、数据(Data)
数据(Data)是数据库中存储的基本对 象
数据的定义
描述事物的符号记录
数据的种类
文字、图形、图像、声音
认 识 抽
象
把概念模型转换为某一 DBMS支持的数据模型
信息世界 机器世界
数据模型(续)
客观对象的抽象过程---两步抽象
现实世界中的客观对象抽象为概念模型；
把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型。
概念模型是现实世界到机器世界的一个中间层 次。
数据模型(续)
数据模型分成两个不同的层次 (1) 概念模型 也称信息模型，它是按用户的观点来 对数据和信息建模。 (2) 数据模型 主要包括网状模型、层次模型、关系 模型等，它是按计算机系统的观点对数据建模。
例：实体－“明星” （950231，刘德华，Andy，香港，27-9-1961，
天秤座，牛，174 cm， 68 kg，AB）
(4) 主键（Key）
唯一标识实体的属性集称为码，又称主键，或 关键字。
(5) 联系（Relationship）
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数据库管理系统
主要特点和层次结构
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、数据库管理系统主要特点
1、采用复杂的数据模型表示数据结构，数据冗余小，易扩充，实现了数据共享
链接：数据冗余
在一个数据集合中，重复的数据称为数据冗余。
数据冗余是数据之间的重复，也可以说是同一数据存储在不同数据文件中的现象。
数据库的基本特点之一是数据冗余小、易于扩充。
数据冗余是指在两个或更多文件中重复出现的数据。
例如，职工的信息可能同时在人事部文件、销售部文件和财务部文件中存在。
它可能产生的后果有：数据异常、数据不一致性和影响数据的完整性。
2、具有较高的数据和程序独立性，数据独立性包括物理独立性和逻辑独立性
链接：数据独立性
数据独立性是数据库系统的一个最重要的目标之一。
它能使数据独立于应用程序。
数据独立性包括数据的物理独立性和逻辑独立性。
物理独立性，是指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中的数据是相互独立的。
也就是说，数据在磁盘上怎样存储由DBMS管理，用户的应用程序不需要了解；应用程序要处理的只是数据的逻辑结构。
这样，当数据的物理存
储改变了，应用程序不用改变。
逻辑独立性，是指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。
也就是说，当数据的逻辑结构改变时，用户的应用程序也可以不改变。
3、数据库系统为用户提供了方便的用户接口
链接：用户接口
用户接口（User Interface，UI），是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介。
它实现信息的内部形式与人类可以接受的形式之间的转换。
通常指软件接口，一般有命令接口、程序接口、图形接口三种。
凡参与人类与机械的信息交流的领域都存在着用户接口。
4、数据库系统提供4个方面的数据控制功能
数据库系统提供4个方面的数据控制功能，分别是：并发控制、恢复、完整性和安全性。
数据库中各个应用程序所使用的数据由数据库系统统一规定，按照一定的数据模型组织和建立，由系统统一管理和集中控制。
5、增加了系统的灵活性
二、数据库管理系统层次结构
根据处理对象的不同，数据库管理系统的层次结构由高级到低级依次为：应用层、语言翻译处理层、数据存取层、数据存储层、操作系统。
1、应用层
应用层是DBMS与终端用户和应用程序的界面层，处理的对象是各种各样的数据库应用。
链接：数据库应用
随着信息时代的发展，数据库也相应产生了一些新的应用领域。
主要表现在以下6个方面。
①、多媒体数据库
这类数据库主要存储与多媒体相关的数据，如声音、图像和视频等数据。
多媒体数据最大的特点是数据连续，而且数据量比较大，存储需要的空间较大。
②、移动数据库
这类数据库是在移动计算机系统上发展起来的，如笔记本电脑、掌上电脑等。
该数据库最大的特点是通过无线数字通信网络传输的。
移动数据库可以随时随地地获取和访问数据，为一些商务应用和一些紧急情况带来了很大的便利。
③空间数据库
这类数据库目前发展比较迅速。
它主要包括地理信息数据库（又称为地理信息系统，即GIS）和计算机辅助设计（CAD）数据库。
其中，地理信息数据库一般存储与地图相关的信息数据；计算机辅助设计数据库一般是存储设计信息的空间数据库，如机械、集成电路以及电子设备设计图等。
④、信息检索系统
信息检索就是根据用户输入的信息，从数据库中查找相关的文档或信息，并把查找的信息反馈给用户。
信息检索领域和数据库是同步发展的。
它是一种典型的联机文档管理系统或者联机图书目录。
⑤、分布式信息检索
这类数据库是随着Internet的发展而产生的数据库。
它一般用于因特网及远距离计算机网络系统中。
特别是随着电子商务的发展，这类数据库发展更加迅猛。
许多网络用户（如个人、公司或企业等）在自己的计算机中存储信息，同时希望通过网络使用发送电子邮件、文件传输、远程登录方式和别人共享这些信息。
分布式信息检索满足了这一要求。
⑥、专家决策系统
专家决策系统也是数据库应用的一部分。
由于越来越多的数据可以联机获取，特别是企业通过这些数据可以对企业的发展作出更好的决策，以使企业更好地运行。
由于人工智能的发展，使得专家决策系统的应用更加广泛。
2、语言翻译处理层
语言翻译处理层是对数据库语言的各类语句进行语法分析、视图转换、授权检查、完整性检查等。
链接：视图
数据库中的视图是一个虚拟表，其内容由查询定义。
同真实的表一样，视图包含一系列带有名称的列和行数据。
但是，视图并不在数据库中以存储的数据值集形式存在。
行和列数据来自由定义视图的查询所引用的表，并且在引用视图时动态生成。
3、数据存取层
数据存取层处理的对象是单个元组（就是表中的一行）。
它将上层的集合操作转换为单记录操作。
链接：集合操作
集合操作是为了将两个或多个结果集进行组合。
集合操作对结果集是有限制的：①、结果集返回的列数要一样；②、没列对应的数据类型不要求完全一样，但需要相互兼容。
4、数据存储层
数据存储层处理的对象是数据页和系统缓冲区。
链接：数据页
SQL Server（Microsoft 公司推出的关系型数据库管理系统）的MDF（Mirror Disc File，镜像盘文件）是光盘镜像文件的一种，是呈页式存储格局的文件。
这种文件被划分成若干数据页。
数据页是包含所有非文本或图像的数据的构造。
就像应用SQL Server中的其余类型的页面一样，数据页是数据文件中的最小存储单元，数据页具有8KB（或8192字节）的固定大小。
它们由以下三个重要部分组成：页面题目、数据行和行偏移量数组。
在SQL Server中，数据页的大小是8KB，数据库表有1000行数据，每行需要5000字节空间。
链接：系统缓冲区
系统缓冲区是一个很有用的区域。
这个特殊的区域是用来存储浏览网页时的临时文件的。
5、操作系统
操作系统是DBMS（数据库管理系统）的基础。
操作系统提供的存取原语和基本的存取方法，通常是作为操作系统与DBMS存储层的接口。
链接：操作系统的原语
操作系统的原语，是指由若干多机器指令构成的完成某种特定功能的一段程序。
它具有不可分割性，即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断。
2016年12月22日编写于重庆
2019年2月26日修改于重庆。