二、數據庫系統(tǒng)的結構

　　1.數據庫系統(tǒng)的三級模式結構

　　數據庫管理系統(tǒng)的三級模式結構由外模式、模式和內模式組成。外模式(external schema)，或子模式(subschema)或用戶模式(user schema)，是指數據庫用戶所看到的數據結構，是用戶看到的數據視圖。模式(schema)或邏輯模式(logic schema)，是數據庫中對全體數據的邏輯結構和特性的描述，是所有用戶所見到的數據視圖的總和。外模式是模式的一部分。內模式(internal schema)，或存儲模式(storage schema)，或物理模式(physical schema)，是指數據在數據庫系統(tǒng)內的存儲介質上的表示，即對數據的物理結構和存取方式的描述。模式描述的是數據的全局的邏輯結構，決定了DBMS的功能。外模式涉及的僅是局部的邏輯結構，是模式的子集，是對模式的調用。數據庫系統(tǒng)的三級模式是對數據進行三個層次抽象的工具。通過三級模式，把對數據的具體組織留給DBMS來完成，使得用戶能在高層次上處理數據的邏輯結構，而不必關心數據的物理結構。為了實現(xiàn)這三個層次這間的聯(lián)系，DBMS在溝通三級模式中提供了兩個映象:外模式-模式映象模式-內模式映象

　　(1)模式 模式規(guī)定了數據庫中全部數據的一個邏輯表示或描述形式。模式既不同于內模式，也不同于外模式。它比內模式抽象，不涉及數據的物理結構和存儲介質。它與具體的應用程序或高級語言無關。

　　(2)外模式 外模式是個別用戶的數據視圖，即與某一應用有關的數據的邏輯表示。

　　(3)內模式 內模式是全部數據庫的內部表示或底層描述，是用來定義數據的物理結構和存取方式的。

　　(4)二級映象 對于同一個模式，可以有任意多個外模式。外模式-模式的映象定義了某個外模式和模式之間的對應關系。這些映象的定義通常包含在各自的外模式中。當模式改變時，外模式-模式的映象要做相應的改變，以保證外模式的不變性。這是數據庫管理員(DBA)的責任。模式-內模式的映象定義了數據邏輯結構和存儲結構之間的對應關系。例如，字段的內部表示等。當數據庫的存儲結構改變時，模式-內模式的映象也須做相應的修改，以使得模式保持不變性。這仍是DBA的責任。正是由于上述二級映象的功能及其自動實現(xiàn)，使得數據庫系統(tǒng)中的數據具有較高的邏輯獨立性和物理獨立性，從而大大地方便了用戶的使用。

　　(5)概念模式與模式ANSI研究組于1975年2月提出一個臨時報告。1978年提出一個最終報告，稱之為ANˉSI/SPARC報告，簡稱為SPARC報告。SPARC報告中指出，數據庫管理系統(tǒng)應具有三級模式的結構，即概念模式、外模式和內模式。其中外模式和內模多與上面所講的大致相當。但SPARC報告中的概念模式是指一個組織或部門所對應的現(xiàn)實世界的真實模型，即概念模型。概念模式僅描述實體及其屬性和聯(lián)系，不涉及機器世界的概念。概念模型是信息世界范疇內的信息的結構，而模式是機器世界范疇內的概念模型的邏輯表示。概念模型獨立于具體的計算機系統(tǒng)，甚至是和計算機無關的，是一個組織或部門的模型。常用的描述概念模式的方法是E-R方法。模式是依賴于具體的計算機及其DBMS的。模式通過三種具體模型:層次模型、網狀模型和關系模型來加以實現(xiàn)。概念模式必須轉換成具體的數據模型，然后才能在相應的DBMS上實現(xiàn)。概念模型和模式都是描述信息或數據的整體結構的，然而它們是在不同的抽象層次上加以描述的。概念模型離機器更遠，形式化程度低。從遠離機器的觀點看，概念模型更抽象些，但更接近現(xiàn)實世界。而模式描述使用的是形式化的語言-模式DDL，而概念模型描述使用的是E-R圖和一些自然語言。

　　2.使用數據庫的計算機系統(tǒng)結構

　　廣義地講，實際上使用數據庫的計算機系統(tǒng)由下列幾個部分組成的:

　　(1)硬件部分 包括主機、外部存儲設備、網絡設備和電源等。

　　(2)軟件部分 包括操作系統(tǒng)、DBMS、編譯系統(tǒng)和應用開發(fā)工具軟件等。

　　(3)人員 包括數據庫管理員(Data Base Administrator-DBA)，系統(tǒng)分析員(System Anaˉlyst)、應用程序員(Application Programmer)和用戶(User)。

　　3.數據庫管理系統(tǒng)

　　數據庫管理系統(tǒng)DBMS是數據庫系統(tǒng)的核心。DBMS是負責數據庫的建立、使用和維護的軟件。DBMS建立在操作系統(tǒng)之上，實施對數據庫的統(tǒng)一管理和控制。用戶使用的各種數據庫命令以及應用程序的執(zhí)行，最終都必須通過DBMS。另外，DBMS還承擔著數據庫的安全保護工作，按照DBA所規(guī)定的要求，保證數據庫的完整性和安全性。DBMS的主要功能包括以下幾個主要方面:

　　(1)數據庫的定義功能 DBMS通過提供數據描述語言(也稱數據定義語言)(Data Descripˉtive Language———DDL)來對外模式、模式和內模式加以描述。然后模式翻譯程序把用DDL寫的各種模式的定義源碼翻譯成相應的內部表示，形成相應的目標形式，分別叫目標外模式、目標模式、目標內模式，這些目標模式是對數據庫的描述，而不是數據本身。(目標)模式只刻畫了數據庫的形式或框架，而不包括數據庫的內容。這些目標模式被保存在數據字典(或系統(tǒng)目標)之中，作為DBMS存取和管理數據的基本依據。例如，DBMS根據這些模式定義，進行物理結構和邏輯結構的映象，進行邏輯結構和用戶視圖的映象，以導出用戶要檢索的數據的存取方式。

　　(2)數據操縱功能 DBMS提供數據操縱語言(Data Manipulation Language———DML)實現(xiàn)對數據庫中數據的一些基本操作，如:檢索、插入、修改、刪除和排序等等。DML有兩類:一類是嵌入主語言的，如嵌入到C或COBOL等高級語言中。這類DML語言本身不能單獨使用，故此稱為宿主型的DML或嵌入式DML。另一類是非嵌入式語言(包括交互式命令語言和結構化語言)，它的語法簡單，可以獨立使用，由單獨的解釋或編譯系統(tǒng)來執(zhí)行，所以一般稱為自主型或自含型的DML。命令語言是行結構語言，單條執(zhí)行。結構化語言是命令語言的擴充或發(fā)展，增加了程序結構描述或過程控制功能，如循環(huán)、分支等功能。命令語言一般逐條解釋執(zhí)行。結構化語言可以解釋執(zhí)行，也可以編譯執(zhí)行。現(xiàn)在DBMS一般均提供命令語言的交互式環(huán)境和結構環(huán)境兩種運行方式，供用戶選擇。DBMS控制和執(zhí)行DML語句(或DML程序)，完成對數據庫的操作。對于自主型的結構化的DML，DBMS通常采用解釋執(zhí)行的方法，但也有編譯執(zhí)行的方法，而且編譯執(zhí)行的越來越多。另外，很多系統(tǒng)同時設有解釋和編譯兩種功能，由用戶選其一。對于嵌入型或縮主型DML，DBMS一種提供兩種方法:

　　①預編譯方法。

　　②修改和擴充主語言編譯程序(亦稱增強編譯方法)。預編譯方法是，由DBMS提供一個預處理程序，對源程序進行語法掃描，識別出DML語句，并把這些語句轉換成主語言中的特殊調用語句。主語言必須和DML有調用接口。這樣在連接形成目標時和主語言語句一起形成可執(zhí)行的目標。

　　(3)數據庫運行管理 數據庫運行期間的動態(tài)管理是DBMS的核心部分，包括并發(fā)控制、存取控制(或安全性檢查、完整性約束條件的檢查)、數據庫內部的維護(如索引、數據字典的自動維護等)、緩沖區(qū)大小的設置等等。所有的數據庫操作都是在這個控制部分的統(tǒng)一管理下，協(xié)同工作，以確保事務處理的正常運行，保證數據庫的正確性、安全性和有效性。

　　(4)數據庫的建立和維護功能 數據庫的建立和維護包括初始數據的裝入、數據庫的轉儲或后備功能、數據庫恢復功能、數據庫的重組織功能和性能分析等功能，這些功能一般都由各自對應的實用功能子程序來完成。DBMS隨軟件產品和版本不同而有所差異。通常大型機上的DBMS功能最全，小型機上的DBMS功能稍弱點，微機上的DBMS更弱些。但是，目前，由于硬件性能和價格的改進，微機上的DBMS功能越來越全。