第5章_数据库体系结构

 模式的分级： 为了提高数据的物理独立性和逻辑独立性，使数据库的用户观点（用户看到的数据库），与数据库的物理方面（实际存储的数据库）区分开来，数据库系统的模式是分级的。  数据库系统三级模式结构： 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射。 二、子模式(Sub-Schema)  子模式又叫外模式，它是用户与数据库的接口。描述用户观点的数据库的实现就叫子模式。  使用子模式的优点：  接口简单，使用方便。用户只要依照子模式编写应用程序或在终端输入操作命令，无需了解数据的存贮结构。  提供数据共享性。用同一模式产生不同的子模式，减少了数据的冗余度。  孤立数据，安全保密。用户只能操作其子模式范围内的数据，可保证其他数据的安全。 三、模式(Schema)  所有用户的公共数据视图。是数据库中全体数据的全局逻辑结构和特性的描述。又称为概念模式，它不改变数据模型的原有逻辑意义而获得一个系统能够接受的模型。  模式的主体是数据模型，模式只能描述数据库的逻辑结构，而不应涉及具体存取细节。  模式通常是所有用户的子模式的最小并集，即把所有用户的数据观点有机地结合成为一个逻辑整体，统一地考虑所有用户的要求。 五、存贮模式(Storage Schema)  存贮模式又叫内模式，它用来描述数据在存贮装置上的物理配置和组织问题。这涉及到一系列文件组织技术。  存贮模式是对数据的物理描述，是系统程序员和系统设计者所持的数据观点，他们关心的是系统的性能，数据如何在硬件上存放，如何为数据建立索引等。  包含数据库的全部存贮数据，即物理数据库，系统程序员编制专门的访问程序，实现对物理数据库的访问。 §5.2 映射与数据独立 一、外模式/模式映射 二、模式/内模式映射 三、数据独立 为了能在内部实现这三个抽象层次的内部联系和转换，数据库管理系统在这三级模式之间提供了两层映射。 映射实质上是两个事物之间的对应关系。这两层映射保证了数据库系统中的数据能够具有较高的逻辑独立性和物理独立性。 一、外模式/模式映射 模式描述的是数据的全局逻辑结构，外模式描述的是数据的局部逻辑结构，对应于同一个模式可以有任意多个外模式。对于每一个外模式，数据库系统都有一个外模式/模式映射，它定义了该外模式和模式之间的对应关系。映射定义通常包含在各外模式中。 当模式改变时，修改此映射，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。 二、模式/内模式映射 数据库中只有一个模式，也只有一个内模式，所以模式/内模式映射是惟一的。它定义了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，修改此映射，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。 在数据库的三级模式结构中，数据库模式是数据库的中心与关键，它独立于数据库的其他层次。因此设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式。 三、数据独立  数据的逻辑独立性和物理独立性统称为数据独立性。  由于有了数据独立性，数据库系统就把用户数据与物理数据完全分开了，使得用户摆脱了烦琐的物理存贮细节。  无论是那一级模式都只能是处理数据的一个框架，而按这些框架填入的数据才是数据库的内容，因此，框架和数据是两种性质不同的信息，并且分别存贮在不同的地方。  三种模式对应着三种不同的数据库，而真正存在的只有物理数据库，它是存放在外存上的实际数据，而其它两个不同的数据库在外存上是不存在的，但数据库管理系统能够从相应的物理数据库构造出概念数据库和用户数据库，因此，用户可以认为它们是存在的。  用户数据库是概念数据库的部分抽取；概念数据库是物理数据库的抽象表示；物理数据库是概念数据库的具体实现。 应用程序对数据库的访问是根据数据的三级模式由数据库管理系统（DBMS）来执行的。 一、数据描述语言 二、数据操纵语言 无论是程序员还是数据库管理员，他们均需与系统交往，这就要求为他们提供一种通讯工具，一方面向系统提供信息，另一方面从系统获取信息。这个工具就是数据语言。 数据语言包括数据描述语言（DDL---Data Description Language）和数据操纵语言（DML—Data Manipulation Language）两大部分，前者负责定义数据的各种特性，后者表达对数据进行的操作。

一、 数据描述语言 任务：用一种为计算机所能接受的手段来表达 数据模型 在数据库逻辑设计和物理设计基础上得到的数据模型一般用图解形式来表示，并加注一些简要说明，这种表示形式还不能为任何系统所直接接受和处理。 1．模式DDL 模式DDL用来定义数据库的总体逻辑结构以及由逻辑结构向存贮结构的映象。这是为数据库管理员定义模式用的一种数据描述语言。 DDL所描述的模式应包括以下基本内容： （1）能标识数据单位的类型，如数据项、记录以及数据文件； （2）对每个数据项类型、记录类型、文件类型以及其它数据单位应给出一个唯一名； （3）应说明哪些数据项类型是在一个数据项组类型、记录类型或其它数据单位里； （4）确定关键字：说明哪些数据项类型、数据项类型的部分或数据项类型的组合作为关键字使用；

2．子模式DDL 子模式DDL是为用户定义子模式提供的一种数据描述语言。子模式表示用户的数据观点，是模式的一部分，但在某种条件下，用户可以取整个模式作为其子模式，这时的子模式就是模式。子模式由子模式DDL来表达，它用来定义用户程序的局部逻辑结构向整体逻辑结构的映象。 3．物理DDL 物理DDL用来定义数据的物理存贮方式，这是系统程序员使用的语言，用来描述数据在存贮介质上的安排和存放，它和硬件设备的特性有关，这是最内层或着说是最低一级的数据描述。用物理DDL对数据库存贮结构的全部描述语句称为存贮模式。  数据：值得保留的任何信息，一般说来是电子形式的。  数据库：数据的集合；由DBMS统一管理，多用户共享  数据库管理系统: 复杂的系统软件，它支持对于持久存储的大量的数据进行高效存取，它支持强有力的查询语言，支持以看起来是原子的和独立于其他事务的方式并发地执行的持久的事务。  数据库系统：带有数据库的整个计算机系统，包括硬件、软件、数据、人员  数据存取功能  提供DML语言（Data Manipulation Language）对数据库进行检索、插入、修改、删除。  DML类型  宿主型：DML不独立使用，嵌入到高级语言（主语言）程序中使用。  自含型：独立使用，交互式命令方式。  DBMS控制并执行DML语句  宿主型：有预编译和增强编译两种方式。  自含型：解释执行。  数据库运行管理  并发控制、存取控制、完整性约束条件检查和执行，日志组织和管理，事务管理和自动恢复。  数据组织、存储和管理  用户数据、索引、数据字典的组织、存储和管理，包括文件结构、存取方式、数据之间的联系的实现等。  数据库的建立和维护功能  数据的装入、转换、卸出，数据库的转储、恢复、性能监视和分析等。 数据字典—— 专门组织存储的非应用数据的集合 数据库是一个复杂的系统，它除了包含应用数据外，还涉及很多非应用数据，诸如模式、子模式的内容、数据项的类型和长度，记录类型、用户标识符和口令等，这些非应用数据是整个数据库系统的规范化解释机制，缺少它就无法正确地理解和使用数据库系统中的数据资源。将这些非应用数据专门地组织存贮起来，形成所谓的数据字典。

 数据字典是数据库设计与管理的有力工具，在数据的收集、规范化和管理等方面都要用到数据字典。  数据字典的主要内容是关于数据类型的登记表，给出数据的名称、定义、组成和属性等。数据库的活动将参照这些信息进行。  由于数据字典的内容比较复杂，因此也要对它进行严密的组织，也要用数据模型予以描述。这种描述有源形式和目标形式，包括模式表、子模式表、用户表、物理文件或区域表、内码与自然语言对照表、同义词的定义与表示等。  数据字典设立一个询问机制，对数据字典中的信息进行查询、插入、修改、删除等操作，从而给数据字典赋以“数据库”的本质，即它是关于数据描述信息的一种特殊的数据库。  由于数据字典中存贮的主要是关于应用数据的定义数据，这种关于数据的数据是元数据（meta data），因而，作为特殊数据库的数据字典又称为元数据库，或叫做关于数据库的数据库。 一、数据保护 二、故障恢复 在数据库的装入、转储和修改中，由于技术问题，尤其是在网络环境下黑客的侵入、病毒的破坏等都有引起数据库信息丢失或遭到破坏的危险；由于数据库中的数据要由多个用户所共享，时间保护问题就显得更为突出。 数据库的一个重要优点是具有保护数据以及在发生故障的情况下恢复数据的能力。 一、数据保护 关于数据保护，可从三个互相区别而又互相联系的方面来看，即数据的专用性、安全性和完整性。 1．数据的专用性 数据的专用性是指对数据库的存取控制，即数据库中的某些数据只对一定范围内的人员作一定程度的开放，无权人员（包括管理数据的专业人员和数据库管理人员）或不能阅读，或允许阅读而不能更改，等等。 2．数据的安全性 数据的安全性是指如何采取必要的措施使数据库中的数据免遭破坏或损失。数据在网络环境应用过程中，可能会由于如下原因而引起安全问题：故意对数据或程序的破坏、计算机病毒、逻辑炸弹、错误指向、程序错误、黑客、硬件搭线窃听、误操作、数据泄露、盗用、伪造、假冒、诈骗等。因此数据库中都建立有关数据的系统的安全体系。  系统的安全策略：  系统的外部安全：包括人员安全、物理安全，如制订工作人员职责，设备管理制度等。  系统内部安全：包括数据的加密/解密、身份验证、数字签名、鉴别、审计、容错和访问控制等，以及防火墙、反病毒、防黑客等技术。 3．数据的完整性 数据的完整性是指在系统中采取一些措施以保护时间在逻辑上的正确性或合理性，以避免不合逻辑的或荒谬的数据出现，在共享数据库的情况下，还要保证数据的一致性。 例如人的年龄应小于200岁，大学生的年龄应大于10岁，一个人一天的工作时间应小于24小时；数据库中主关键字应有一定的值域且不能重复，工资调整时职工的新工资一定多余旧工资，一个银行户头被取消时，其余额一定为零等。 4．并发控制  并行 Vs 串行  并行事务会破坏数据库的一致性。  串行事务效率低。  并行的优点  提高系统的吞吐量。  减少平均响应时间。  封锁的定义