数据库的体系结构
数据库的结构层次
数据库的结构层次一、概述数据库是指存储、管理和组织数据的系统，它用于有效地存储和检索数据。
在数据库中，数据以结构化的方式进行组织和存储，以便用户可以方便地访问和管理数据。
数据库的结构层次是指在数据库系统中，数据的组织和管理方式按照一定的层次结构进行划分和管理。
本文将从底层到顶层，介绍数据库的结构层次。
二、物理层物理层是数据库结构的最底层，它定义了数据在物理存储介质上的存储方式和组织结构。
物理层的主要任务是将逻辑层的数据映射到磁盘上，并提供数据的存储和访问接口。
在物理层中，数据以文件和页的形式进行存储，数据库管理系统通过文件系统来管理这些文件和页。
三、存储层存储层是数据库结构的中间层，它定义了数据在内存中的存储方式和组织结构。
存储层的主要任务是将物理层的数据加载到内存中，并提供数据的读写接口。
在存储层中，数据以数据块的形式进行存储，每个数据块包含一定数量的数据记录。
数据库管理系统通过缓冲区管理器来管理这些数据块，以提高数据的访问效率。
四、逻辑层逻辑层是数据库结构的中间层，它定义了数据的逻辑结构和组织方式。
逻辑层的主要任务是将存储层的数据组织成表、视图、索引等逻辑结构，并提供数据的查询和操作接口。
在逻辑层中，数据以表的形式进行组织，表由多个字段组成，每个字段存储一个数据项。
数据库管理系统通过查询处理器来解析和执行用户的查询请求，以获取所需的数据。
五、模式层模式层是数据库结构的中间层，它定义了数据的整体结构和组织方式。
模式层的主要任务是将逻辑层的数据组织成模式，模式是数据库的逻辑结构的描述，它定义了表、视图、索引等逻辑结构之间的关系。
在模式层中，数据以模式的形式进行组织，模式包含了数据库的所有表、视图、索引等逻辑结构的定义。
数据库管理系统通过数据字典来管理和维护模式的信息。
六、外部层外部层是数据库结构的最顶层，它定义了用户对数据库的视图和访问权限。
外部层的主要任务是将模式层的数据组织成用户的视图，视图是用户对数据库的数据的逻辑表示。
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。
数据库系统的内部结构体系简介
数据库系统的内部结构体系简介计算机安全是计算机技术的一个分支，其目标包括保护信息免受未经授权的访问、中断和修改，同时为系统的预期用户保持系统的可访问性和可用性。
下面是收集的数据库系统的内部结构体系，希望大家认真阅读!数据库系统的内部具有三级模式与二级映射。
1)数据库系统的三级模式数据模式是数据库系统中数据结构的一种表示形式，它具有不同的层次与结构方式。
(1)概念模式概念模式是数据库系统中全局数据逻辑结构的描述，是全体用户公共数据视图。
概念模式主要描述数据的概念记录类型以及它们之间的关系，还包括一些数据间的语义约束。
(2)外模式外模式又称子模式或用户模式，是用户的数据视图，即用户见到的数据模式。
概念模式给出系统全局的数据描述而外模式则给出每个用户的局部数据描述。
(3)内模式内模式又称物理模式，它给出数据库物理存储结构与物理存储方法，如数据存储的文件结构、索引、集簇及hash等存取方式与存取路径，内模式的物理性主要体现在操作系统及文件级上。
内模式对一般的用户是透明的，但它的设计直接影响到数据库系统的性能。
模式的三个级别层次反映了模式的三个不同环境以及它们的不同要求，其中内模式处于最底层，它反映数据在计算机物理结构中的实际存储形式，概念模式牌中层，它反映了设计者的数据全局逻辑要求，而外模式处于最外层，通过两种映射由物理数据库映射而成它反映用户对数据的要求。
2)数据库系统的二级映射数据库系统的三级模式是对数据的三个级别抽象，它把数据的具体物理实现留给物理模式，使得全局设计者不必关心数据库的具体实现与物理背景;通过两级映射建立了模式间的联系与转换，使得概念模式与外模式虽然并不物理存在，但也能通过映射获得实体。
同时，两级映射也保证了数据库系统中数据的独立性。
两级模式的映射：概念模式到内模式的映射：该映射给出概念模式中数据的全局逻辑结构到数据的物理存储结构间的对应关系外模式到概念模式的映射：该映射给出了外模式与概念模式之间的对应关系。
数据库系统体系结构
Database System Concepts
ห้องสมุดไป่ตู้
18.7
©Silberschatz, Korth and Sudarshan
事务服务器进程结构
典型的事务服务器包含多个进程在共享内存中存取数据. 服务器进程
接收用户查询(事务), 执行查询并返回结果 进程可以是多线程的 允许单个进程并发执行多个用户查询 多线程的, 多线程的 通常有多个多线程服务器进程
扩展比
扩展比
Database System Concepts
18.19
©Silberschatz, Korth and Sudarshan
批量与事务扩展
批量扩展: 批量扩展
单个大任务; 典型的如数据库查询和科学模拟. 使用N-倍大的计算机计算N-倍大的问题.
事务扩展: 事务扩展
由独立用户提交许多小查询到共享数据库; 典型的如事务处理系统和 分时系统. N-倍多的用户提交请求(因此有N-倍多的请求)到N-倍大的计算机上的 N-倍大的数据库. 非常适合于并行执行.
随着组件数目增加, 通信链也增加, 伸缩性较好. 但是可能需要2(√n – 1) 跳以发送消息到一个节点(或者当网格边缘有 绕接时为√n ).
超立方体. 超立方体 组件按二进制编号; 若两个组件的二进制表示恰好在一 位上不同则互连.
n 个组件中的每一个都与 log(n) 个其他组件相连, 并能经由最多log(n) 个链接到达另一节点; 减少了通信延迟.
操作系统信号灯 原子指令
Database System Concepts
18.11
©Silberschatz, Korth and Sudarshan
事务系统进程( 事务系统进程(续)
数据库系统的内部结构体系(DBMS的二级映象
数据库系统的内部结构体系模式(schema)是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅涉及到型的描述，不涉及到具体的值。
模式的一个具体值称为模式的一个实例(instance)，同一个模式可以有多个实例。
模式是相对稳定的，而实例则是相对变动的。
数据库管理系统在体系结构上通常都具有相同的特征，即采用三级模式结构，并提供二级映像功能。
(1)数据库系统的三级模式结构数据库系统在其内部具有三级模式及二级映像，三级模式分别是外模式、模式和内模式。
二级映像则分别是外部级到概念级的映像以及概念级到内部级的映像，即外模式/模式映像和模式/内模式映像。
如图7-4-5所示。
概念模式(Conceptual Schema)也称逻辑模式，是对数据库系统中全局数据逻辑结构的描述，是全体用户(应用)公共数据视图。
它不涉及具体的硬件环境与平台，也与具体的软件环境无关。
外模式(External Schema)也称子模式，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，它是由概念模式推导而出来的，是数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。
一个概念模式可以有若干个外模式。
内模式(Internal Schema)又称物理模式(Physical Schema)，它给出了数据库物理存储结构与物理存取方法，如数据存储的文件结构、索引、集簇及hash等存取方式与存取路径，内模式的物理性主要体现在操作系统及文件级上，它还未深入到设备级上(如磁盘及磁盘操作)。
模式的三个级别层次反映了模式的三个不同环境及它们的不同要求，其中内模式处于最底层，它反映了数据在计算机物理结构中的实际存储形式，概念模式处于中间层，它反映了设计者的数据全局逻辑要求，而外模式处于最外层，它反映了用户对数据的要求。
(2)数据库的二级映像与数据独立性数据库系统的三级模式是对数据的三个抽象级别，它把数据的具体组织留给DBMS管理，使用户能逻辑地抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的具体表示方式与存储方式。
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。
数据库
3.1.3 数据库的抽象层次
1）物理数据库
以内部模式为框架的数据库称为物理数据库。 它是数据库中最里面的一个层次，是物理存储设备上实际存储 着的数据集合。
2）概念数据库
以概念模式为框架的数据库称为概念数据库。 它是数据库结构中的一个中间层次，是数据库的整体逻辑表示， 它描述了每一个数据的逻辑定义及数据间的逻辑联系。
DBA的主要职责有：
参与数据库系统的设计与建立。 对系统的运行实行监控。 定义数据的安全性要求和完整性约束条件。 负责数据库性能的改进和数据库的重组及重构工作。
3.2.2 DBS的全局结构
终端用户 应用程序员 专业用户 DBA 用户 应用界面 应用程序 查询 数据库模式 查 询 式DML 式 程序 查询 程序 DML DDL 处 理 器 数 据 库 存 储 管 理 器 管 理 系 统 界面
第3章 数据库系统的体系结构
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。
主从式数据库体系结构
主从式数据库体系结构数据库是现代信息系统中不可或缺的组成部分，而数据库体系结构则是数据库系统的核心。
主从式数据库体系结构是一种常见的数据库体系结构，它由一个主数据库和多个从数据库组成，主数据库负责处理事务和更新操作，而从数据库则负责读取和查询操作。
主从式数据库体系结构的设计目的是提高系统的性能和可靠性。
通过将读操作分摊到多个从数据库上，可以有效减轻主数据库的负载压力，提高系统的并发处理能力。
同时，通过主数据库的复制机制，可以实现数据的冗余存储，提高系统的可靠性和可用性。
在主从式数据库体系结构中，主数据库是整个系统的核心。
它负责处理所有的事务操作，并将数据的更新操作同步到所有的从数据库上。
主数据库通常具有高性能的硬件配置和强大的处理能力，以确保系统的高效运行。
此外，主数据库还负责监控从数据库的状态，并在需要时进行故障切换，以保证系统的连续性。
从数据库是主数据库的复制品，它们之间通过主从复制的机制进行数据同步。
主数据库将数据的变更操作记录在日志中，并将日志传输给从数据库。
从数据库根据接收到的日志，对自己的数据进行更新。
通过这种方式，从数据库始终保持与主数据库的数据一致性。
同时，从数据库也可用于读取和查询操作，以减轻主数据库的负载压力。
在主从式数据库体系结构中，主数据库和从数据库之间的通信通常采用异步方式。
主数据库将数据的变更操作记录在日志中后，即可立即返回响应给客户端，而不需要等待从数据库的更新操作完成。
这种异步通信方式可以极大提高系统的性能，但也可能导致主从数据之间的数据不一致。
因此，在设计主从式数据库体系结构时，需要根据实际需求和应用场景来权衡性能和数据一致性。
主从式数据库体系结构在实际应用中有广泛的应用。
例如，电子商务网站通常采用主从式数据库体系结构来处理大量的读操作和查询请求，以提高系统的响应速度和并发能力。
另外，分布式系统中的各个节点也可以通过主从式数据库体系结构来实现数据的共享和同步。
尽管主从式数据库体系结构具有许多优点，但也存在一些局限性。
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数据库的体系结构
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数据库的体系结构
1.三级模式结构
数据库的体系结构分为三级：外部级、概念级和内部级（图），这个结构称为数据库的体系结构，有时亦称为三级模式结构或数据抽象的三个级别。
虽然现在DBMS的产品多种多样，在不同的操作系统下工作，但大多数系统在总的体系结构上都具有三级结构的特征。
从某个角度看到的数据特性，称为数据视图(Data View)。
外部级最接近用户，是单个用户所能看到的数据特性，单个用户使用的数据视图的描述称为外模式。
概念级涉及到所有用户的数据定义，也就是全局性的数据视图，全局数据视图的描述称概念模式。
内部级最接近于物理存储设备，涉及到物理数据存储的结构，物理存储数据视图的描述称为内模式。
图三级模式结构
数据库的三级模式结构是对数据的三个抽象级别。
它把数据的具体组织留给DBMS去做，用户只要抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的表示和存储，这样就减轻了用户使用系统的负担。
三级结构之间往往差别很大，为了实现这三个抽象级别的联系和转换，DBMS在三级结构之间提供两个层次的映象(Mapping)：外模式／模式映象，模式／内模式映象。
这里的模式是概念模式的简称。
数据库的三级模式结构，即数据库系统的体系结构如图所示。
图数据库系统的体系结构
2.三级结构和两级映象
（1）概念模式
概念模式是数据库中全部数据的整体逻辑结构的描述。
它由若干个概念记录类型组成，还包含记录间联系、数据的完整性安全性等要求。
数据按外模式的描述提供给用户，按内模式的描述存储在磁盘中，而概念模式提供了连接这两级的相对稳定的中间点，并使得两级中任何一级的改变都不受另一级的牵制。
概念模式必须不
涉及到存储结构、访问技术等细节，只有这样，概念模式才能达到物理数据独立性。
概念模式简称为模式。
（2）外模式
外模式是用户与数据库系统的接口，是用户用到的那部分数据的描述。
外模式由若干个外部记录类型组成。
用户使用数据操纵语言(DML)语句对数据库进行操作，实际上是对外模式的外部记录进行操作。
有了外模式后，程序员不必关心概念模式，只与外模式发生联系，按照外模式的结构存储和操纵数据。
（3）内模式
内模式是数据库在物理存储方面的描述，定义所有内部记录类型、索引和文件的组织方式，以及数据控制方面的细节。
（4）模式／内模式映象
模式／内模式映象存在于概念级和内部级之间，用于定义概念模式和内模式之间的对应性。
由于这两级的数据结构可能不一致，即记录类型、字段类型的命名和组成可能不—样，因此需要这个映象说明概念记录和内部记录之间的对应性。
模式／内模式映象一般是放在内模式中描述的。
（5）外模式／模式映象
外模式／模式映象存在于外部级和概念级之间，用于定义外模式和概念模式之间的对应性。
外模式／模式映象一般是放在外模式中描述的。
3.两级数据独立性
由于数据库系统采用三级模式结构，因此系统具有数据独立性的特点。
数据独立性是指应用程序和数据库的数据结构之间相互独立，不受影响。
（1）物理数据独立性
如果数据库的内模式要修改，即数据库的物理结构有所变化，那么只要对模式／内模式映象做相应的修改即可。
可以使概念模式尽可能保持不变，也就是对内模式的修改尽量不影响概念模式，当然对于外模式和应用程序的影响更小，这样，称数据库达到了物理数据独立性(简称物理独立性)。
（2）逻辑数据独立性
如果数据库的概念模式要修改，比如增加记录类型或增加数据项，那么只要对外模式／模式映象做相应的修改，可以使外模式和应用程序尽可能保持不变。
这样，我们称数据库达到了逻辑数据独立性(简称逻辑独立性)。
4.用户及用户界面
用户是指使用数据库的应用程序或联机终端用户。
编写应用程序的语言可以是Cobol、PL/I、C、C++、Java一类高级程序设计语言。
在数据库技术中，这些语言称为主语言(Host Language)。
DBMS还提供数据操纵语言DML(Data Manipulation Language)，让用户或程序员使用。
DML 可自成系统，在终端上直接对数据库进行操作，这种DML称为交互型DML或宿主型DML。
用户界面是用户和数据库系统之间的一条分界线，在界限下面，用户是不可知的。
用户界面定在外部级上，用户对于外模式是可知的。
数据库的三级模式结构是一个理想的结构，使数据库系统达到了高度的数据独立性。
但是它给系统增加了额外的开销。
首先，要在系统中保存三级结构、两级映象的内容，并进行管理；其次，用户与数据库之间数据传输要在三级结构中来回转换，增加了时间开销。
然而，随着计算机性能的迅速提高和操作系统的不断完善，数据库系统的性能越来越好。
在目前现有的DBMS 商品软件中，不同系统的数据独立性是不同的。
一般来说，关系数据库在数据独立性方面优于层次、网状系统。