数据库系统结构
数据库与系统架构
系统架构评估方法
总结词
系统架构评估方法是对已设计的系统架构进 行评估和优化的手段。
详细描述
系统架构评估方法包括定性评估和定量评估 两种方式。定性评估主要通过专家评审、比 较分析和场景分析等方法进行，而定量评估 则通过性能测试、压力测试和稳定性测试等 方法进行。评估的目的是发现系统架构中存 在的问题和瓶颈，并提出优化建议，以提高
模块化
微服务架构将应用程序拆分成多个模块，每个模块负责 特定的功能，便于开发和维护。
微服务架构的优缺点
高可用性
由于每个微服务都是独立的，单个服务的故障不会影响整个应用程序的可用性。
可伸缩性
可以根据业务需求对单个微服务进行横向或纵向扩展，提高了系统的可伸缩性。
微服务架构的优缺点
复杂性
微服务架构使得系统变得更加复杂，需要更多的开发、配置和管理的工作。
详细描述
系统架构是对系统各个组件及其相互关系的 描述，它定义了系统的结构、功能和行为。 根据不同的分类标准，系统架构可以分为多 种类型，如根据结构化程度可以分为集中式 、分布式和云计算架构等。
系统架构设计原则
要点一
总结词
系统架构设计原则是指导架构师进行系统设计的准则和规 范。
要点二
详细描述
系统架构设计原则包括功能性原则、可靠性原则、可扩展 性原则、可维护性原则和性能原则等。这些原则在指导架 构师进行系统设计时，需要考虑系统的功能需求、可靠性 、可扩展性和可维护性等方面，以确保系统能够满足业务 需求并具有较好的性能表现。
通信开销
由于微服务之间需要进行通信，可能会产生较多的网络通信开销。
微服务架构的优缺点
数据一致性
在微服务架构中，数据一致性的维护变得更加困难。
数据库的体系结构
数据库的体系结构数据库是为用户提供信任和可靠性的数据存储和管理系统。
它是一组数据和程序，用于访问和管理这些数据。
数据库体系结构是指数据库系统的总体设计，它定义了数据库的组成部分以及这些部分之间的关系。
下面将介绍数据库的体系结构。
1.模式层模式层指的是数据库模式的描述。
数据库模式是指用于描述数据结构的元数据的集合。
它包括实体，关系和属性。
实体是指定义的一个对象类型（例如，雇员），它包含实体的属性，关系是实体之间的联系，属性是实体的特征。
2.外部层外部层是指数据库的外部视图或用户视图。
视图是表的一种抽象，是一种不实际存储数据的虚表。
用户可以只访问所需的视图，而不需要了解底层的表结构。
这样，数据安全性就得到了保障，因为用户不能直接访问真正的数据。
3.内部层内部层或物理层是指实际存储数据的方式。
它用于将逻辑数据表示转换为物理上存储到磁盘的数据形式。
它包括数据存储结构，数据访问方法和索引等。
在内部层中，有两个关键的组成部分，数据存储和数据访问方法。
a.数据存储数据存储是指在硬盘上实际存储数据的方式。
关系数据库通常以表的形式存储数据。
其他类型的数据库，例如对象数据库，XML数据库，具有不同的数据存储方式。
b.数据访问方法数据访问方法是指访问存储在磁盘上的数据的方式。
关系数据库系统通常使用SQL（结构化查询语言）实现这一点，它允许用户以表格的形式查询和更新数据。
其他类型的数据库可能使用不同的查询语言和访问方法。
4.存储管理器存储管理器是数据库系统的中心组件，它负责管理所有的数据存储和访问。
它包括缓存管理，存储分配和存储访问。
缓存管理用于管理内存中的缓存，存储分配用于管理磁盘上的数据存储分配方式，存储访问用于实现对存储的访问和操作。
总之，数据库的体系结构由四个主要部分组成：模式层，外部层，内部层和存储管理器。
这个体系结构提供了一个可靠的方法来存储和管理数据，并同时保证数据的完整性和安全性。
数据库三层体系结构
数据库三层体系结构数据库是计算机领域中非常重要的一类软件应用。
简单来说，数据库可以看作是一个按照一定方式组织的数据集合，可以通过特定的程序进行存储、维护和管理。
由于数据在现代社会中的地位越来越重要，数据库的应用范围也越来越广泛，涉及到金融、医疗、物流等许多领域，成为了现代社会中最为关键的基础设施之一。
为了实现数据库的高效管理和使用，人们逐渐形成了一种三层体系结构的设计模式。
1、概述数据库三层体系结构是指将整个数据库分为三层：数据层、应用层和用户层。
其中数据层是指存储数据的物理介质，包括数据文件、数据库表等；应用层是指进行数据管理和处理的中间层，执行各种操作和管理数据的任务；用户层则是为最终用户提供管理和操作数据库的界面和工具，用户通过界面和工具向应用层提交请求并获取响应结果。
通过这种三层体系结构的设计，可以实现数据库的高效管理和使用，提高数据库的安全性和可维护性。
2、数据层数据层是整个数据库的基底，是存储数据的实体。
在数据层中，数据以文件的形式存储，将不同的数据类型以表的形式存储。
数据层通常由操作系统提供支持，可以通过各种方式进行访问和读写。
在设计数据层时，需要考虑到数据的安全性、可扩展性和可恢复性，即保证数据的完整性、一致性和可靠性。
3、应用层应用层是数据库的核心，负责进行数据管理和处理。
应用层通常由数据库管理系统（DBMS）提供支持，可以对数据进行各种操作和管理。
在应用层中，常常涉及到数据的插入、删除、更新和查询等操作。
应用层还负责执行各种数据库管理任务，如数据库的备份、恢复、重组、优化等。
应用层的设计需要考虑数据库的性能、安全性和可维护性，使得操作和管理数据更为高效和可靠。
4、用户层用户层是为最终用户提供数据库管理和操作工具的界面。
用户可以通过界面和工具提交请求并获取响应结果。
用户层通常由各种数据库客户端软件提供支持，可以通过多种方式进行访问和管理数据库。
用户层的设计需要考虑到最终用户的需求和习惯，使得用户可以方便地管理和操作数据。
简述数据库系统的体系结构特点
简述数据库系统的体系结构特点
数据库系统的体系结构一般被分为三级，即外层的用户层、中间的应用程序层和内层的数据库管理系统层。
这三层之间通过接口进行通信和交互，协同完成数据库系统的各项任务。
2. 数据库系统是一个客户/服务器架构
数据库系统是基于客户/服务器架构的，其中客户端和服务器端通过网络进行通信。
客户端向服务器端发送请求，服务器端将请求处理后返回结果给客户端。
3. 数据库系统是一个分布式系统
数据库系统将数据库分布在多台计算机上，这些计算机通过网络连接起来，协同工作，提供服务。
分布式系统可以提高数据库系统的可用性、可扩展性和性能。
4. 数据库系统是一个模块化系统
数据库系统由多个模块组成，每个模块负责不同的任务。
模块之间通过接口进行通信和交互，实现数据库系统的各项功能。
5. 数据库系统是一个高度安全的系统
数据库系统的数据具有高度的机密性和安全性，需要采用多种安全措施来保护数据的安全。
这些措施包括访问控制、数据加密、备份和恢复等。
- 1 -。
数据库系统的体系结构
物理上分布，逻辑上集中
应用1 用户接口 词法及语法分析 查询分解和优化 分布式事务管理 并发控制 恢复 局 部 DBMS 节点 k 数据目录 应用n
通信管理
计算机网络 节点 I 节点 j
4）并行式DBS(Parallel DBS)
现在数据库的数据量急剧提高，巨型数据库的容量已达到 “太拉”级(1太拉为1012，记作T)，此时要求事务处理速度极 快，每秒达数千个事务才能胜任系统运行。集中式和C/S式 DBS都不能应付这种环境。并行计算机系统能解决这个问题。 并行系统使用多个CPU和多个磁盘进行并行操作，提高数据 处理和I/O速度。 并行处理时，许多操作同时进行，而不是采用分时的方法。 在大规模并行系统中，CPU不是几个，而是数千个。即使在 商用并行系统中，CPU也可达数百个。
3.3 数据库管理系统（DBMS） 数据库管理系统（ ）
3.3.1 DBMS的工作模式
数据请求 应用程序 数据（处理结果） 数据（处理结果） DBMS 数据（查询结果） 数据（查询结果） 低层指令 DB
DBMS的工作模式如下： (1)接受应用程序的数据请求和处理请求。 (2)将用户的数据请求转换成复杂的机器代码。 (3)实现对数据库的操作。 (4)从对数据库的操作中接受查询结果。 (5)对查询结果进行处理（格式转换）。 (6)将处理结果返回给用户。
3）逻辑数据库
以外部模式为框架的数据库称为逻辑数据库。 它是数据库结构的最外一层，是用户所看到和使用的数据库， 因而也称为用户数据库或用户视图。
3.1.4 数据模式与数据模型的关系
数据模式与数据模型有着密切联系，通常概念模式和子模式 是建立在一定的逻辑数据模型（如层次模型、网状模型、关 系模型等）上。 另一方面数据模式与数据模型在概念上是有区别的，数据模 式是一个数据库的基于特定数据模型的结构定义，它是数据 模型中有关数据结构及其相互关系的描述，所以仅是数据模 型的一部分。 由于数据模式在数据库设计中的重要性，因此将它作为一个 专门术语提出。
数据库系统结构
CODASYL（Conference On Data System Language，美 国数据系统语言协商会）提出模式、外模式、存储模式三级 模式的概念。三级模式之间有两级映象。
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数据库的三级模式体系
应用A
应用B
应用C
应用D
应用E
外模式1
外模式2
外模式3
外模式/模式映象
模式 内模式
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三、数据库的二级映像功能
外模式/模式映象： 定义某一个外模式和模式之间的对应关系，映象
定义通常包含在各外模式中。当模式改变时，修改此 映象，使外模式保持不变，从而应用程序可以保持不 变，称为逻辑独立性。
模式/内模式映象： 定义数据逻辑结构与存储结构之间的对应关系。
存储结构改变时，修改此映象，使模式保持不变，从 而应用程序可以保持不变，称为物理独立性。
数据存储及存储架构。
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2、外模式：也称子模式或用户模式， 它是数据库用户（包括应用程序员和最终用户）
看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描 述，是数据用户的数据视图，是与某一应用程 序有关的数据的逻辑表示。
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（3）内模式：也叫存储模式或物理模式，它定义了数据库 中全部数据的物理结构、存储方法和存取策略等。
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数据抽象—视图层(概念层)
视图层：最高层次的抽象，但只描述整个数 据库的某个部分。尽管在逻辑层使用了比较简单 的结构，但由于数据库的规模巨大，所以仍存在 一定程度的复杂性。
数据库系统的最终用户并不需要关心所有的 信息，而只需要访问数据库的一部分。视图抽象 层的定义正是为了使用户与系统的交互更简单。 系统可以为同一数据库提供多个视图，而视图又 保证了数据的安全性。
数据库系统的体系结构
数据库系统的体系结构数据库系统的体系结构数据库系统是由多个组成部分构成的复杂系统，其中最重要的组成部分是数据库管理系统（DBMS），它是整个数据库系统的核心。
数据库管理系统负责管理数据存储、数据访问和数据操作等任务，因此，它的体系结构对整个数据库系统的性能和可靠性有着至关重要的影响。
一、三层模式体系结构三层模式体系结构是最常见的数据库管理系统体系结构之一，它将整个数据库管理系统划分为三层，分别是外模式层、概念模式层和内模式层。
1. 外模式层外模式层也称为用户视图层或用户接口层，它是用户与数据库之间交互的界面。
每个用户都可以定义自己所需的外部视图，并通过这些视图来访问和操作数据库中存储的数据。
外部视图可以隐藏底层数据结构和逻辑实现细节，使得用户能够以更加简单、直观、方便的方式使用和管理数据。
2. 概念模式层概念模式层也称为全局逻辑模型或全局概念模型，它描述了整个数据库中所有数据对象及其之间关系的逻辑结构。
概念模式层是数据库设计的核心，它包括了实体、属性和关系等概念，并通过ER图等方式来表示和描述。
概念模式层对外部视图提供了一个稳定、一致、简洁的逻辑结构，使得用户能够更加清晰地理解和操作数据库中的数据。
3. 内模式层内模式层也称为存储模式层或物理模型层，它描述了数据在存储介质上的组织方式和存储结构。
内模式层是数据库管理系统的最底层，它与底层操作系统直接交互，并负责管理磁盘空间、数据缓存、索引等任务。
内模式层提供了对物理存储细节的抽象，使得DBMS能够更加高效地管理数据。
二、客户端/服务器体系结构客户端/服务器体系结构是一种分布式计算架构，它将整个数据库系统划分为两个部分：客户端和服务器端。
1. 客户端客户端是指用户使用的计算机，在这里用户可以通过安装相应的客户端软件来连接到远程服务器，并通过这个软件向远程服务器发送请求以获取所需数据。
客户端通常具有较低的计算能力和存储能力，但却具有更好的交互性和易用性。
数据库系统的层次结构
数据库系统的层次结构数据库系统是现代信息技术中的重要组成部分，它是一个大型的数据管理系统，用于存储、管理和处理大量的数据。
数据库系统的层次结构是指数据库系统中各个组成部分之间的关系和层次结构，它包括了四个层次：外模式、概念模式、内模式和物理模式。
1. 外模式外模式是数据库系统的最上层，也是用户接口的一部分。
它是用户与数据库系统之间的接口，用户通过外模式来访问数据库系统中的数据。
外模式是针对不同用户的需求而设计的，因此每个用户都可以有自己的外模式。
外模式的设计应该尽可能地简单和易于使用，以便用户能够方便地访问和使用数据库系统中的数据。
2. 概念模式概念模式是数据库系统的中间层，它是数据库系统的逻辑结构，也是数据库系统的全局视图。
概念模式描述了数据库系统中的所有数据和它们之间的关系。
概念模式是独立于任何具体的应用程序和物理存储结构的，因此它可以被多个应用程序共享。
概念模式的设计应该尽可能地简单和易于理解，以便数据库管理员和应用程序开发人员能够方便地管理和维护数据库系统。
3. 内模式内模式是数据库系统的物理结构，它描述了数据库系统中数据的存储方式和物理存储结构。
内模式是独立于任何具体的应用程序和用户的，因此它可以被多个应用程序和用户共享。
内模式的设计应该尽可能地高效和灵活，以便数据库管理员能够方便地管理和维护数据库系统。
4. 物理模式物理模式是数据库系统的最底层，它是数据库系统中数据的实际存储方式和物理存储结构。
物理模式是独立于任何具体的应用程序和用户的，因此它可以被多个应用程序和用户共享。
物理模式的设计应该尽可能地高效和灵活，以便数据库管理员能够方便地管理和维护数据库系统。
总之，数据库系统的层次结构是一个非常重要的概念，它可以帮助我们更好地理解数据库系统中各个组成部分之间的关系和层次结构。
在设计和管理数据库系统时，我们应该根据不同的需求和目标来设计和管理不同的层次结构，以便更好地满足用户的需求和要求。
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2.1.2 数据模型
• 对于模型，人们并不陌生。
• 建筑模型 飞机模型
• 计算机中的模型是对事物、对象、过程等 客观系统中感兴趣的内容的模拟和抽象表 达，是理解系统的思维工具 • 数据模型(data model)也是一种模型，它 是对现实世界数据特征的抽象。
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实体1
联系名
实体2
联系的种类
一对一联系(1:1) 一对多联系(1:n) 多对多联系(m:n)
一对一联系(1:1)
一对一联系（实体内部的联系）
如果实体A中的每个实例在实体B中至 多有一个（也可以没有）实例与之关 联，反之亦然，则称实体A与实体B具 有一对一联系，记作：1 : 1。
一对一联系的例子
部门和正经理（假设 一个部门只有一个正 经理，一个人只当一 个部门的经理）、系 和正系主任（假设一 个系只有一个正主任， 一个人只当一个系的 主任）都是一对一联 系。
经理
1
管理
1
部门
一对多的联系
如果实体 A 与实体 B 之间存在联系，并 且对于实体 A 中的一个实例，实体 B 中有 多个实例与之对应；而对实体 B中的任意 一个实例，在实体A中都只有一个实例与 之对应，则称实体 A 到实体 B 的联系是一 对多的，记为1 : n 。
数据模型（续）织的，因此，了解数据模型 的基本概念是学习数据库知识的基础。
• 在数据库领域中，数据模型用于表达现 实世界中的对象，即将现实世界中杂乱 的信息用一种规范的、形象化的方式表 达出来。
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数据模型（续）
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3
示例
• 数据：
（张三，9912101，男，1981，计算机系， 应用软件）
• 解释：
• 张三是9912101班的男生，1981年出生， 计算机系应用软件专业。
数据
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解释
信息
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数据的静态特征
• 数据的基本结构
• 学生的学号、姓名、性别、出生日期
实体-联系模型
• 实体-联系方法使用的工具称为E-R图，它所 描述的现实世界的信息结构称为企业模式（E nterprise Schema），也把这种描述结果称 为E-R模型。 • 在E-R模型中主要涉及三方面内容：
• 实体 • 属性 • 联系
实体-联系模型
• 实体 • 属性 • 联系
实体
• 具有公共性质的可相互区分的现实世界 对象的集合。 • 可以是具体的事物，也可以是抽象的概 念或联系 • 具体的事物：学生、课程、职工
第2章 数据模型与数据库结构
• 2.1 • 2.2 • 2.3 • 2.4 数据模型与数据库结构 概念层数据模型 组织层数据模型 数据库系统的结构
• 2.5 数据库管理系统
2.1 数据和数据模型
• 现实世界的数据是散乱无章的，散乱的数 据不利于人们对其进行有效的管理和处理。 • 因此，必须把现实世界的数据按照一定的 格式组织起来，以方便对其进行操作和使 用。
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从现实世界到机器世界的过程
信息世界
（（（（（（（
抽象
转换
现实世界
描述
机器世界
（（（（（（（
2.2 概念层数据模型
• 基本概念
• 概念层数据模型是指抽象现实系统中有 应用价值的元素及其关联关系， • 反映现实系统中有应用价值的信息结构， • 不依赖于数据的组织层数据模型。
• 数据模型即要面向现实世界，又要 面向机器世界，因此需满足三个要 求:
• 能够真实地模拟现实世界; • 容易被人们理解; • 能够方便地在计算机上实现。
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数据模型（续）
• 数据模型实际上是模型化数据和信息的 工具。根据模型应用的不同目的，可以 将模型分为两大类： • 概念层数据模型（概念模型），从数据 的语义视角来抽取模型，是按用户的观 点来对数据和信息进行建模。 • 组织层数据模型（组织模型）。从数据 的组织层次来描述数据。
• 抽象的联系：学生选课
实体的表示方式
• 在E-R图中用矩形框表示实体，把实体 名写在框内，比如学生实体可以表示 为：
学生
属性 • 实体所具有的特征或性质。
身高
年龄
性别 体重
……
属性的表示方式
• 用圆角矩形表示， • 在圆角矩形框内写上属性的名字， • 并用连线将属性框与它所描述的实体联 系起来。
• 在用数据库技术管理数据时，数据被按照 一定的格式组织起来，比如二维表结构， 以使数据能够被更高效地管理和处理。
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2.1.1 数据与信息
• 描述事物的符号记录称为数据。 • 将从数据中获得的有意义的内容称为信息 • 数据有一定的格式，这些格式的规定是数 据的语法，而数据的含义是数据的语义。 • 数据是信息存在的一种形式，只有通过解 释或处理才能成为有用的信息。
学号
学生
姓名
年龄
联系
• 联系是数据之间的关联集合，是客观存在 的应用语义链 。 • 实体内部的联系：一个实体内属性之间的 联系。 • 职工实体内部的职工号和此职工的部门经 理号 • 实体之间的联系：不同实体之间的联系。 • 课程实体和学生实体之间存在选课联系。
联系的表示方式
实体之间的 联系用菱形框表 示，框内写上联 系名，并用连线 与有关的实体相 连。
2018年11月24日10时12 分
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2.2 概念层数据模型（续）
• • • • 概念层数据模型用于对信息世界的建模， 是现实世界到信息世界的第一层抽象， 是数据库设计人员进行数据库设计的工具， 也是数据库设计人员和业务领域的用户之间 进行交流的工具。 • 面向用户、面向现实世界的数据模型， • 与具体的DBMS无关。 • 常用的概念层数据模型有实体-联系（Entity -Relationship，E-R）模型、语义对象模型。
• 数据间的联系
• 学生选课中的学号与学生基本信息中 的学号
• 数据取值范围约束
• 考试成绩在0～100分之间
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动态特征
• 指对数据可以进行的操作以及操作规则。 • 对数据库数据的操作主要有 • 查询数据 • 更改数据：插入、删除和更新 • 一般将对数据的静态特征和动态特征的 描述称为数据模型三要素