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軟考數據庫系統工程師知識點講解：數據庫管理系統的設計與實現

　　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。