九、數據庫管理系統的設計與實現

　　1.DBMS的目標

　　(1)用戶界面友好 對一個實用DBMS來說，用戶界面的質量直接影響其生命力。DBMS的用戶接口應面向應用，采用適合最終用戶的交互式、表格式、菜單式、窗口式等界面形式，以方便使用和保持靈活性。一般地說，用戶界面應具有可靠性、簡單性、靈活性和立即反饋等特性。

　　(2)功能完備 DBMS功能隨系統的規模的大小而異。大型DBMS功能齊全，小型DBMS功能弱一些。DBMS主要功能包括數據定義、數據庫數據存取、事務控制、數據庫組織和存儲管理、數據庫安全保護等等。我們在下面討論這些功能的內容。

　　(3)效率高 系統效率包括三個方面:一是計算機系統內部資源的使用效率。能充分利用資源(包括存儲空間、設備、CPU等)，并注意使各種資源負載均衡以提高整個系統的效率，二是DBMS本身的運行效率。三是用戶的生產率。這是指用戶學習、使用DBMS和在DBMS基礎上開發的應用系統的效率。

　　2.DBMS的基本功能

　　(1)數據庫定義 對數據庫的結構進行描述，包括外模式、模式、內模式的定義;數據庫完整性的定義;安全保密定義(如用戶口令、級別、存取權限);存取路徑(如索引)的定義。這些定義存儲在數據字典(亦稱為系統目錄)中，是DBMS運行的基本依據。為此，提供數據定義語言DDL。

　　(2)數據存取 提供用戶對數據的操縱功能，實現對數據庫數據的檢索、插入、修改和刪除。一個好的DBMS應該提供功能強易學易用的數據操縱語言(DML)、方便的操作方式和較高的數據存取效率。DML有兩類:一類是宿主型語言，一類是自含型語言。前者的語句不能獨立使用而必須嵌入某種主語言，如C語言、COBOL語言中使用。而后者可以獨立使用，通常以供終端用戶交互使用和批處理方式兩種形式使用。

　　(3)數據庫運行管理 這是指DBMS運行控制、管理功能。包括多用戶環境下的并發控制、安全性檢查和存取權限控制、完整性檢查和執行、數據加密、運行日志的組織管理、事務的管理和自動恢復(保證事務的正確性)，這些功能保證了數據庫系統的正常運行。

　　(4)數據組織、存儲和管理 DBMS要分門別類地組織、存儲各類數據，包括數據字典(亦稱系統目錄)、用戶數據、存取路徑等等。要確定以何種文件結構和存取方式在存儲級上組織這些數據，如何實現數據之間的聯系。數據組織和存儲的基本目標是提高存儲空間利用率，選擇合適的存取方法確保較高存取(如隨機查找、順序查找、增、刪、改)效率。

　　(5)數據庫的建立和維護 包括數據庫的初始建立、數據的轉換、數據庫的轉儲和恢復、數據庫的重組織和重構造以及有性能監測分析等功能。

　　(6)其它功能 包括DBMS與網絡中其它軟件系統的通信功能;一個DBMS與另一個DBMS或文件系統的數據轉換功能等。

　　3.DBMS與操作系統

　　通常DBMS是建立在操作系統環境之上的。根據具體操作系統的特點，DBMS可以用不同的方法利用操作系統的基本功能來實現DBMS。一般有下面3類方法:

　　(1)共享模塊法

　　(2)分離進程法

　　(3)和操作系統融合

　　4.DBMS程序模塊的組成

　　作為一個龐大的系統軟件，DBMS由眾多程序模塊組成，它們分別實現DBMS復雜而繁多的功能。數據庫定義方面 有DDL翻譯處理程序(包括外模式、模式、存儲模式處理程序)、保密定義處理程序(如授權定義處理程序)、完整性約束定義處理程序等。這些程序接收相應的定義，進行語法、語義檢查，把它們翻譯為內部格式存儲在數據字典中。DDL翻譯程序還根據模式定義負責建立數據庫的框架(即形式一個空庫)，等待裝入數據。數據庫操縱方面 有DML處理程序、終端查詢語言解釋程序、數據存取程序、數據更新程序等。DML處理程序或終端查詢語言解釋程序對用戶數據操縱請求進行語法、語義檢查、由數據存取或更新程序完成對數據庫的存取操作。數據庫運行管理方面 有系統初啟程序，負責初始化DBMS、建立DBMS的系統緩沖區、系統工作區 打開數據字典等等。還有安全性控制、完整性檢查、并發控制、事務管理、運行日志管理等程序模塊，在數據庫運行過程中監視著對數據庫的所有操作，控制管理數據庫資源，處理多用戶的并發操作等。它們一方面保證用戶事務的正常運行，一方面保證數據庫的安全性和完整性。數據庫組織、存儲和管理方面 有文件讀寫與維護程序、存取路徑(如索引)管理程序、緩沖區管理程序(包括緩沖區讀、寫、淘汰等模塊)，這些程序負責維護數據庫的數據和存取路徑，提供有效的存取的方法。數據庫建立、維護和其它。有數據庫初始數據裝入程序、轉儲程序、恢復程序、數據庫重構造程序、數據轉換程序、通信程序等。DBMS的這些組成模塊互相聯系，互相依賴，共同完成DBMS復雜的功能。這些模塊之間的聯系有一定的層次關系。

　　5.DBMS的層次結構

　　和操作系統一樣，可以也應該將DBMS劃分成若干層次。許多DBMS實際上就是分層實現的。最上層是應用層，位于DBMS核心之處。它處理的對象包括各種各樣的數據庫應用，如用宿主語言編寫的應用程序、終端用戶通過應用接口(如FORMS)發出的事務請求等。該層是DBMS的最終用戶和應用程序的界面層。第二層是語言翻譯處理層。它處理的對象是數據庫語言，如SQL。提供的數據接口是關系、視圖，即元組的集合。其功能是對數據庫語言的各類語句進行語法分析、視圖轉換、授權檢查、完整性檢查、查詢優化等。通過對下層基本模塊的調用，生成可執行代碼。這些代碼的運行，即可完成數據庫語句的功能要求。第三層是數據存取層。該層處理的對象是單個元組。它把上層的集合操作轉化為單記錄操作。執行掃描、排序、元組的查找、插入、修改、刪除、封鎖等基本操作。完成數據記錄的存取、存取路徑維護、并發控制、事務管理等工作。第四層是數據存儲層。該層處理的對象是數據頁和系統緩沖區，執行文件的邏輯打開、關閉、讀頁、寫頁、緩沖區讀和寫、頁面淘汰等操作，完成緩沖區管理、內外存交換、外存管理等功能。操作系統是DBMS的基礎，它處理的對象是數據文件的物理塊。執行物理文件的讀寫操作，保證DBMS對數據邏輯上的讀寫真實地映射到物理文件上。操作系統提供的存取原語和基本的存取方法通常作為和DBMS存儲層的接口。

　　6.語言處理

　　語言翻譯處理層的任務就是把用戶在這兩種方式下提交給DBMS的數據庫語句轉換成對DBMS內層可執行的基本存取模塊的調用序列。數據庫語言通常包括DDL，DML，DCL三部分語句。DDL語句處理相對獨立和簡單。DML和DCL則較為復雜。具體來說，對DDL語句，語言翻譯處理層首先把它翻譯成內部表示，然后把它存儲在系統的數據字典中。對DCL語句的定義部分，如安全保密定義、存取權限定義、完整性約束條件定義等處理與DDL相同。在RDBMS中數據字典通常采用和普通數據同樣的表示方式。數據字典包括關系定義表、屬性表、視圖表、視圖屬性表、視圖表達式表、用戶表、存取權限表、……。

　　(1)解釋方法一些數據庫系統(如dBASEⅢ)對上述方法進行了改進，通過盡量推遲聚束過程來贏得數據獨立性。具體做法是:直到執行前，數據庫DML語句都以原始字符串的形式保存。隨著數據庫系統的發展，這種方法已逐步為預編譯技術所取代。

　　(2)預編譯方法已經看到，將聚束過程提前，固然可達到系統的高效率，但失去了數據庫的一個主要優點———數據獨立性;將聚束時間推遲，贏得了數據性，卻增加了執行高效率的代價。預編譯方法就是為了克服它們的缺點，保持兩者的優點而提出的。其基本思想是，在用戶提供了DML語句后，在運行前對它進行翻譯處理，保存產生好的執行代碼，運行時加以執行。但是，使用這種方法會遇到這樣的問題:在聚束過程中進行優化所依據的條件可能在運行前已不存在，或者數據結構被修改，因而導致已作出的規劃在執行時不再有效。例如，假設在聚束過程中決定使用某一索引來加快存取速度，而在程序編譯完成之后，運行之前，該索引被刪除了。那么，運行時就會出現不可預測的現象。為了解決這類問題，采用了重編譯方法。即當數據庫中某些成分的改變而使一些程序的編譯結果無效時，再對它們執行一次編譯。重編譯可在不同時刻進行。為了提高整個系統的效率，不應在數據庫某一成分改變后就馬上對受影響的那些源程序重編譯，較好的方法是將受影響的編譯結果置“無效”標志，在其被執行時才進行自動重編譯。自動重編譯技術使得編譯方法既擁有了編譯時進行束縛所帶來的高效率，又具備了執行時束縛所帶來的數據獨立性。實踐證明，預編譯方法的效率比其它方法高兩倍以上。

　　7.數據存取層

　　數據存取層介于語言處理層和數據存儲之間。它向上提供單元組接口，即導航式的一次一個元組的存取操作。向下則以系統緩沖區的存儲器接口作為實現基礎。

　　(1)提供一次一個元組的查找、插入、刪除、修改等基本操作。

　　(2)提供元組查找所循的存取路徑以及對存取路徑的維護操作。如對索引記錄的查找、插入、刪除、修改。

　　(3)對記錄和存取路徑的封鎖、解鎖操作。

　　(4)日志文件的登記和讀取操作。

　　(5)輔助操作。如掃描、合并/排序，其操作對象有關系、有序表、索引等。為了完成上述功能，通常把存取層又劃分為若干功能子系統加以實現。

　　8.緩沖區管理

　　數據存取層的下面是數據存儲層(簡稱存儲層)。存儲層的主要功能是存儲管理。包括緩沖區管理、內外存交換、外存管理等。其中緩沖管理是最主要的。存儲層向存取層提供的接口是由定長頁面組成的系統緩沖區。系統緩沖區的設立是出于兩方面的原因:一是它把存儲層以上各系統成分和實在的外存設備隔離。外存設備的變更不會影響其它系統成分，使DBMS具有設備獨立性。二是提高存取效率。DBMS利用系統緩沖區滯留數據。當存取層需要讀取數據時存儲子系統首先到系統緩沖區中查找。只有當緩沖區不存在該數據時才真正從外存讀入該數據所在的頁面。當存取層寫回一元組到數據庫中時，存儲子系統并不把它立即寫回外存，僅把該元組所在的緩沖區頁面作一標志，表示可以釋放。只有當該用戶事務結束或結束緩沖區已滿需要調入新頁時才按一定的淘汰策略把緩沖區中已有釋放標志的頁面寫回外存。這樣可以減少內外存交換的次數，提高存取效率。系統緩沖區可由內存或虛存組成。由于內存空間緊張，緩沖區的大小、緩沖區內存和虛存部分的比例要精心設計。針對不同的應用和環境按一定的模型進行調整。既不能讓緩沖區占據太大內存空間，也不能因空間太小而頻頻缺頁調頁，造成“抖動”，影響效率。緩沖區由控制信息和若干定長頁面組成。緩沖區管理模塊向上層提供的操作是緩沖區的讀(READBUF)、寫(WRITEBUF)。緩沖區內部的管理操作有:查找頁、申請頁、淘汰頁。緩沖區管理調用OS的操作有:讀(READ)、寫(WEITE)。

　　9.數據庫的物理組織

　　數據庫是大量數據的有結構的綜合性的集合，如何將這樣一個龐大的數據集合以最優的形式組織起來存放在外存上是一個非常重要的問題。所謂“優”應包括兩方面:一是存儲效率高，節省存儲空間;二是讀取效率高，速度快、代價小。數據庫實現的基礎是文件，對數據庫的任何操作最終要轉化為對文件的操作。所以在數據庫物理組織中，基本的問題是如何設計文件組織或者利用操作系統提供的基本的文件組織方法。但是，在數據庫中表和文件不必具有一一對應關系。這和操作系統中不一樣。DBMS可以建立只能自己讀寫的文件，在其中存儲多個表的數據。數據系統是文件系統的發展。文件系統中每個文件存儲同質實體的數據，各文件是孤立的，沒有體現實體之間的聯系。數據庫系統中數據的物理組織必須體現實體之間的聯系，支持數據庫的邏輯結構———各種數據模型。因此數據庫中要存儲4個方面的數據:數據描述。即數據外模式、模式、內模式。數據本身。數據之間的聯系。存取路徑。這4個方面的數據內容都要采用一定的文件組織方式組織、存儲起來。

　　(1)數據字典(DD)的組織 有關數據的描述存儲在數據庫的數據字典中。數據字典的特點是數據量比較小(與數據本身比)、使用頻繁，因為任何數據庫操作都要參照數據字典的內容。數據字典在網狀、層次數據中常常用一個特殊的文件來組織。所有關于數據的描述信息存放在一個文件中。

　　(2)數據及數據聯系的組織 關于數據自身的組織，DBMS可以根據處理的要求自己設計文件結構，也可以從操作系統提供的文件結構中選擇合適的加以實現。目前，操作系統提供的常用文件結構有:順序文件、索引文件、索引順序文件、HASH文件(雜湊文件)和B樹類文件等等。數據庫中數據組織與數據之間聯系是緊密結合的。在數據的組織和存儲中必須直接或間接、顯式或隱含地體現數據之間的聯系，這是數據庫物理組織中主要考慮和設計的內容。關系數據庫中實現了數據表示的單一性。實體及實體之間的聯系都用一種數據結構———“表”來表示。在數據庫的物理組織中，每一個表通�？梢詫环N文件結構。因此數據和數據之間的聯系兩者組織方式相同。

　　(3)存取路徑的組織 關系數據庫中，存取路徑和數據是分離的，對用戶是隱蔽的。存取路徑可以動態建立、刪除。存取路徑的物理組織通常采用B樹類文件結構和HASH文件結構。在一個關系上可以建立若干個索引。有的系統支持組合屬性索引，即在兩個或兩個以上的屬性上建立索引。索引可以由用戶用CRETR INDEX語句建立，用DROP INDEX語句刪除。在執行查詢時，DBMS查詢優化模塊也會根據優化策略自動地建立索引，以提高查詢效率。由此可見，關系數據庫中存取路徑的建立是十分靈活的。

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