第3章 数据库系统的体系结构
计算机科学与技术——数据库系统原理
第一章数据库系统概述本章学习重点：1.数据库系统的三级模式结构2.数据模型中概念层模型（E-R）模型域逻辑层模型（关系模型）第一节数据库基本概念一、数据（Data）：是描述事物的符号记录，是指用物理符号记录下来的、可以鉴别的信息包括数字、字母、文字、特殊字符组成的文本数据，也可以是图形、图像、动画、影像、声音、语言等多媒体数据。
例如，日常生活和工作中使用的客户档案记录、商品销售记录等都是数据二、数据库（Database,简称DB）1.定义：是长期储存在计算机中的有组织的、可共享的（大量）数据集合2.数据库中存储的数据具有永久存储、有组织和可共享三个基本特点三、数据库管理系统（Data Management System,简称DBMS）数据库管理系统产生的时期是20世纪60年代后期DBMS必须具有将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态的功能，这就是数据库的故障恢复1.定义：是位于应用程序（用户）与操作系统之间的一层数据管理软件2.主要功能（1）数据定义功能：提供数据定义语言（DDL）定义数据库中的数据对象例如：表、视图、存储过程、触发器等（2）数据操纵功能：提供数据操纵语言（DML）操纵数据实现对数据库的基本操作例如：查询、插入、删除和修改（3）数据库的运行管理：保证数据的安全性（用户只能使用视图定义中的数据，而不能使用视图定义外的其它数据）、完整性（数据的正确性、有效性和相容性，防止错误的数据进入数据库）、多用户对数据的并发使用以及发生故障后的系统恢复（4）数据库的建立和维护功能：创建数据库及对数据库空间的维护、数据库的备份与恢复功能、数据库的重组织功能和性能监视、分析等数据库恢复采用的方法：建立检查点、建立副本、建立日志文件（5）数据组织、存储和管理功能例如：索引查找、顺序查找（6）其他功能：主要包括与其他软件的网络通信功能、不同数据库管理系统之间的数据传输以及相互访问功能等四、数据库系统（Database System,DBS）：是指在计算机中引入数据库技术之后的系统1.通常一个完整的数据库系统包括数据库、数据库管理系统及相关实用工具、应用程序、数据库管理员和用户2.数据库管理员（Database Administrator,DBA）：专门负责对数据库进行维护，并保证数据库正常、高效运行第二节数据管理技术的发展一、人工管理阶段（20世纪50年代中期以前）特点：1.数据不保存2.应用程序管理数据3.数据面向应用注意：记录内无结构，整体无结构二、文件系统阶段（20世纪50年代后期到60年代中期）缺陷：数据冗余、数据不一致、数据联系弱特点：1．数据的管理者：文件系统，数据可长期保存2．数据面向的对象：某一应用程序3．数据的共享程度：共享性差、冗余度大4．数据的结构化：记录内有结构，整体无结构5．数据的独立性：独立性差，数据的逻辑结构改变必须修改应用程序6．数据控制能力：应用程序自己控制三、数据库系统阶段（20世纪60年代后期以来）特点：1.数据集成2.数据共享性高3.数据冗余度小4.数据一致性5.数据独立性高6.实施统一管理与控制7.减少应用程序开发与维护的工作量第三节数据库系统的结构一、数据库系统的三级模式结构1.模式：也称为概念模式或逻辑模式，它是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图2.外模式：也称为子模式（Subschema）或用户模式，它是数据库用户（包括应用程序员和最终用户）能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述DBMS提供子模式描述语言（Subschema DDL）来严格地定义子模式3.内模式：也称为存储模式（Storage Schema），它是对数据库中数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示形式4.三级模式结构的两层映像与数据独立性（1）外模式/模式映像（逻辑独立性）（2）模式/内模式映像（物理独立性）数据独立性：不会因为系统数据库存储（物理）结构与数据逻辑结构的变化而影响应用程序二、数据库系统的运行与应用结构1.客户/服务器（Client/Server,C/S）模式（需要下载）例如：QQ、桌面客户端游戏2.浏览器/服务器（Browser/Server,B/S）模式例如：网站、在线web游戏第四节数据模型一、数据特征与数据模型组成要素1.数据结构：描述的是系统的静态特性及数据对象的数据类型、内容、属性以及数据对象之间的联系2.数据操作：描述的是系统的动态特性，是对各种对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则3.数据约束：描述数据结构中数据间的语法和语义关联，包括相互制约与依存关系以及数据动态变化规则，以保证数据的正确性，有效性与相容性二、数据模型的分类1.概念层数据模型（1）信息世界中的基本概念A．实体（Entity）: 客观存在并可相互区别的事物称为实体，可以是具体的人、事、物或抽象的概念，B．属性（Attribute）：实体所具有的某种特性称为实体的属性，一个实体可以由多个属性来描述C．码或键（Key）：唯一标识实体的属性集称为码D．域（Domain）：属性的取值范围称为该属性的域E．实体型（Entity Type）：用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体，称为实体型F．实体集（Entity Set）：同型实体的集合称为实体集G．联系（Relationship）：现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体内部的联系和实体之间的联系实体型间联系：★一对多1：N★一对一1：1★多对多N：M（2）概念模型的表示方法概念模型：用来描述现实世界的事物，与具体的计算机系统无关表达用户需求观点的数据全局逻辑结构的模型最典型的概念模型是实体联系（E-R）2.逻辑层数据模型（1）层次模型（2）网状模型（3）关系模型（4）面向对象模型在面向对象技术中，相同元素的有序集合，并且允许有重复的元素的复合数据类型是列表类型3.物理层数据模型：也称为数据的物理模型（Physical Model），其描述数据在存储介质上的组织结构，是逻辑模型的物理实现，即每一种逻辑模型在实现时都有与其相对应的物理模型逻辑模型是从数据库实现的观点出发，对数据建模第二章关系数据库本章学习重点：1.关系数据库的相关概念2.关系规范化理论，各个范式之间的转化关系第一节关系数据库概述系统而严格地提出关系模型的是美国IBM公司的E.F.Codd1.1970年提出关系数据模型2. E.F.Codd在1970年发表了论文《Communication of the ACM》3.之后，提出了关系代数和关系演算的概念4.1972年提出了关系的第一、第二、第三范式5.1974年提出了关系的BC范式关系数据库应用数学方法来处理数据库中的数据80年代后，关系数据库系统成为最重要、最流行的数据库系统典型实验系统：System R、University INGRES典型商用系统：ORACLE（占有率最高）、SYBASE、INFORMIX、IBM DB2课程中使用的是MySQL第二节关系数据模型一、关系数据结构关系模型的数据结构非常简单，只包含单一的数据结构，即关系基本术语：1.表（Table）：表，也称为关系，是一个二维的数据结构，它由表名构成表的各个列（如学号、姓名等）及若干行数据（各个学生的具体信息）组成。
数据库管理系统的架构与工作原理
数据库管理系统的架构与工作原理数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）是一种软件系统，用于管理和组织数据。
它为用户提供了操作数据库的操作界面和功能，可以有效地管理大量的数据，并提供数据的安全性和一致性。
本文将介绍数据库管理系统的架构和工作原理。
一、数据库管理系统的架构数据库管理系统的架构可以分为三个主要层次：外层模式、概念模式和内层模式。
1. 外层模式（外模式）：外层模式是用户与数据库之间的接口，它定义了用户如何看待和访问数据库中的数据。
不同用户可以有不同的外层模式，以适应他们的需求和角色。
外层模式对于用户来说是透明的，用户可以通过查询语句和命令来对数据库进行操作。
2. 概念模式（模式）：概念模式是数据库的全局逻辑视图，它描述了数据库中数据的整体结构和关系。
概念模式定义了实体、属性、关系以及数据之间的约束和依赖关系。
概念模式通常由数据库管理员定义，并为数据库系统提供一致性和完整性的保证。
3. 内层模式（内模式）：内层模式是数据库的物理存储视图，它定义了数据在存储介质上的组织方式和访问方法。
内层模式包括数据的物理结构、索引结构和数据存储的算法等。
内层模式是对数据库的物理实现进行描述，并对用户来说是不可见的。
二、数据库管理系统的工作原理数据库管理系统的工作原理可以分为以下几个方面：1. 数据库的创建和定义：数据库管理员通过数据库管理系统创建数据库，并定义数据库中的实体、属性和关系。
管理员还可以设置数据的完整性约束和安全权限等。
2. 数据的存储和组织：数据库管理系统负责将数据存储到物理介质上，并组织数据的物理结构和索引结构。
它通过使用适当的数据结构和算法来提高数据的访问效率。
3. 数据的查询和操作：用户可以通过数据库管理系统提供的查询语言（如SQL）对数据库进行查询和操作。
数据库管理系统会解析用户的查询请求，并通过查询优化技术选择最优的查询执行计划。
4. 数据的完整性和安全性：数据库管理系统通过完整性约束和安全权限来保证数据的一致性和安全性。
第三章 数据库的逻辑结构与物理结构设计
第三章数据库的逻辑结构与物理结构设计数据库的逻辑结构设计的主要任务是把概念层数据模型转换为组织层数据模型，即根据数据库的概念结构导出特定的数据库管理系统可以处理的数据库的逻辑结构。
与数据库的逻辑结构相对应，本章我们称组织层的数据模型为逻辑模型。
数据库的物理结构设计的主要任务是为逻辑模型选取一个最适合应用要求的物理结构。
本章主要介绍以下内容：•逻辑模型•关系模型•关系规范化•逻辑结构设计的任务•数据库的物理结构设计第一节逻辑模型概念模型经过转换成为逻辑模型（也称为结构数据模型、组织层数据模型，常简称为数据模型）。
它直接面向数据库的逻辑结构，直接与DBMS有关。
一、主要的逻辑模型目前，数据库领域中主要的逻辑模型有层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型等。
1. 层次模型层次模型（Hierarchical Model）是按照层次结构的形式组织数据库数据的数据模型，是数据库中使用较早的一种数据模型，其典型代表是IBM公司研制的、曾经被广泛使用的第一个大型商用数据库信息管理系统IMS（Information Management System）。
（1）数据结构。
层次模型使用树形结构表示实体及实体间的联系。
层次模型的基本特点是：有且只有一个结点没有父结点，这个结点称为根结点；根以外的其他结点有且只有一个父结点。
在层次模型中，树的结点是记录类型。
上一层记录类型和下一层记录类型之间的联系是1:n的，用结点之间的连线表示。
这种联系是父子之间的一对多联系。
层次模型如图3-1所示。
在层次模型数据库中查找记录，必须指定存取路径，即从根结点开始沿途所经过的路程。
在层次模型中，同一父结点的子结点称为兄弟结点，没有子结点的结点称为叶结点。
如果要存取某一记录类型的记录，可以从根结点开始，按照有向树层次逐层向下查找，查找路径就是存取路径。
任何一个给定的记录值只有按其路径查看时，才能显示其全部意义，没有一个记录值能够脱离父记录而独立存在。
第3章 分布式文件及数据库系统
26/20
名字服务器
• 文件服务器管理
– 动态管理文件服务器
• 添加、删除文件服务器
– 指导文件服务器进行文件备份
• 同一个文件在两台文件服务器中保存副本
– 实时获取文件服务器信息
• 剩余空间、负载
– 文件服务器选择策略:剩余空间+负载
3.3.2 分布式数据库系统的定义
分布式数据库包含两个重要组成部分： 分布式数据库（DDB）和分布式数据库管 理系统（DDBMS） 。 分布式数据库是计算机网络环境中各场地 上数据库的逻辑集合。 分布式数据库管理系统是分布式数据库系 统中的一组软件，它复杂管理分布环境下 逻辑集成数据的存取、一致性、有效性和 完备性。
28/20
文件的传输
• 文件服务器：监控管理程序
– 监控文件服务器信息，提供当前的磁盘空间等资源信息 – 响应删除文件命令，删除文件服务器上的文件 – 响应备份命令，将本地文件备份到另一文件服务器上
• 客户端使用的工具包
– 上传文件、下载文件、删除文件 – ftp协议
• NS使用的工具包
– 提供资源信息查询 – 通知备份文件到第三方文件服务器 – 删除文件服务器上的备份文件功能
3.3.3分布式数据库的基本特点
物理分布性：数据不是存储在一个场地上，而是 存储在计算机网络的多个场地上。
• MapReduce 模式的思想是通过自动分割将 要执行的问题(程序)、拆解成Map(映射)和 Reduce(化简)的方式。
• 在自动分割后通过Map 程序将数据映射成 不相关的区块，分配(调度)给大量计算机处 理达到分散运算的效果，再通过Reduce 程 序将结果汇整，输出开发者需要的结果。
数据库基础与应用第二版课后答案王珊李盛恩编著
数据库基础与应用1．数据（DB）：数据实际上是描述事物的符号纪录。
2．数据库: 数据库实际上是长期存储在计算机内的有组织的、可共享的数据集合。
3．从文件系统的视角上看去，文件是无结构的，文件只是一个字节流，因此，我们经常把文件叫做流式文件，实际上文件的数据是有结构的，数据的结构需要程序员通过编写程序来建立和维护。
4．数据库应用可以分为两大类：联机事务处理（OLTP）,联机分析处理（OLAP）.联机事务处理解决了组织结构业务自动化问题，而联机分析处理帮助管理层更好的分析组织结构的运站情况。
5. 数据库管理系统（DBMS）:数据库管理系统是一类重要的软件，由一组程序组成。
其主要功能是完成对数据库的定义、数据操作。
提供给用户一个简明的接口，实现事务处理等。
6．数据库管理系统的基本功能：数据的定义功能数据操作功能数据库的运行和管理数据库的建立和维护功能7．数据库管理系统由两大部分组成：查询处理器存储管理器8．层次结构：应用层语言翻译层数据存取层数据存储层操作系统数据库9. 数据库系统：数据库系统是基于数据库的计算机应用的系统，有四部分组成数据库数据管理系统应用系统用户。
10. 数据库管理员的职责：（1）决定数据库中要存储的数据及数据结构（2）决定数据库的存储结构和存取策略（3）保证数据的安全性和完整性（4）监控数据库的使用和运行（5）数据库的改进和重组重构11．数据模型的三要素：数据结构数据操作完整性约束12. 数据结构是所研究的对象的类型的集合，这些对象是数据库的组成成分，他们包含两类：一类是与数据之间联系有关的对象。
一类是与数据之间联系有关的对象。
13. 数据操作:数据库主要有检索和更新（插入、删除、修改）两大类操作。
14.在关系模型中任何关系都要满足实体完整性和参照完整性。
15.三种数据模型：概念模型逻辑模型物理模型逻辑模型中有：层次模型网状模型关系模型面向对象模型对象关系模型其中层次模型和网状模型统称为非关系模型。
数据库选择题相关知识点一览(第三期)
数据库理论知识汇总（待继续完善）1.数据库系统的核心是数据库管理系统。
2.数据库管理（DBMS）系统是在操作系统支持下的系统软件。
3.在数据管理技术发展的三个阶段中，数据共享最好的是数据库系统阶段。
4.数据库应用系统中的核心问题是数据库设计。
5.数据库可以减少数据冗余，但不能避免数据冗余。
6.数据库系统体系结构的三级模式包括概念模式、内模式和外模式。
7.按数据的组织形式，数据库的数据模型可分为层次、网状和关系三种模型。
8.关系模型是用二维表表示实体之间联系的数据模型。
9.数据之间的联系方式是划分层次性、网状型和关系型数据库的原则。
10.关系型数据库的基本运算包含选择、投影和连接。
11.一间宿舍可住多个学生，则实体宿舍和学生之间的联系是一对多。
12.一个工作人员可以使用多台计算机，而一台计算机可被多个人使用，则实体工作人员与实体计算机之间的联系是多对多。
13.Access数据库管理系统支持类型是关系型。
14.在关系型数据库中，属性的取值范围是域。
15.如果在创建表中建立字段“性别”，并要求用汉字表示，其数据类型应当是文本。
16.Access2010数据库文件的扩展名是accdb。
17.Access2010包含表、查询、窗体、报表、宏、页和模块七种对象，不包含附件。
18.在软件开发中，需求分析阶段产生的主要文档是软件需求规格说明书。
19.数据库是一个结构化的数据集合，是一个包含数据表和表间关系的文件。
20.软件生命周期中花费最多的阶段是软件维护。
21.Access数据库中最基本的对象是表/数据表。
22.在E-R图中，用来表示实体联系的图形是菱形。
23.数据库概念设计的E-R方法中不包含四边形。
24.在关系数据库系统中关系是二维表。
25.在关系运算中，投影运算的含义是在指定的二维表中选择需要的字段（属性）组成一个新的关系。
26.元组是指一个二维表中横向的一条记录，如图所示。
若两个关系中元组内容相同而顺序不同，意味着字段所对应的一列数据顺序发生变化，而该数据所在行的其他数据依然不变，因此关系也相同。
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。
数据库三级模式体系结构
数据库三级模式体系结构数据库的三级模式体系结构，听上去可能有点高大上，但其实不难理解。
你可以把它想象成一个家庭，每个家庭成员都有不同的职责和权限，而整个家族又是紧密联系的。
就像你在家里，不同的成员有不同的工作，有的人负责做饭，有的人负责洗碗，有的人负责打扫卫生，但大家都在一个屋檐下和谐共处。
数据库的三级模式体系结构，恰好就是这种“分工明确，合作无间”的关系。
得说说这个三级模式的结构，它一共分为三个层次：外部模式、概念模式和内部模式。
你可以把它们理解为不同的视角，外部模式是从用户的角度来看，概念模式是从数据库管理员（DBA）的角度来看，内部模式则是从计算机的角度来看。
外部模式就像你看待家里的布置，可能只关心客厅的沙发舒服不舒服，卧室的床好不好睡。
而概念模式呢，就像家里的整体规划，设计师把房子怎么划分、哪些功能区放在哪里考虑清楚了，至于沙发放哪里、床放哪里那是后话。
而内部模式嘛，简单来说，就是你家里装修的具体实现，比如每个房间的墙壁是什么材质的、铺的什么地板，甚至电线布得怎样，这些事你不一定了解，但它们都关乎房子的“底层构造”。
说到这里，可能有的小伙伴已经觉得有点头大，哈哈，不过别急，我慢慢给你解释清楚。
先聊聊外部模式，外部模式是与用户直接接触的。
用户怎么用数据库，就像你在家里使用厨房、客厅的各种设施。
比如一个财务人员关心的是工资表、发票的记录，数据库的其他信息他不一定要知道。
所以外部模式就提供了一个符合用户需求的视图，让他们方便地查询和操作数据，就像你只需要知道厨房里有锅、有刀、有食材，而不需要了解厨房里的水管、排气扇怎么设计的。
再来说说概念模式，概念模式可以看作是数据库的“设计蓝图”。
它像是家里的建筑设计师，规划整个家庭结构，决定每个房间的位置、大小以及使用功能。
它不会被任何一个具体用户看到，但是却是所有数据操作的基础。
比如，在概念模式下，可能有一个“员工”表，里面包含了员工的姓名、工号、工资等信息。