數據庫系統的結構

　　1.數據庫系統的三級模式結構

　　數據庫管理系統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。為了實現這三個層次這間的聯系，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，使得數據庫系統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，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。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。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結構

　　廣義地講，實際上使用數據庫的計算機系統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、DBMS、編譯系統和應用開發工具軟件等。

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

　　3.數據庫管理系統

　　數據庫管理系統DBMS是數據庫系統的核心。DBMS是負責數據庫的建立、使用和維護的軟件。DBMS建立在操作系統之上，實施對數據庫的統一管理和控制。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來執行，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，單條執行。結構化語言是命令語言的擴充或發展，增加了程序結構描述或過程控制功能，如循環、分支等功能。命令語言一般逐條解釋執行。結構化語言可以解釋執行，也可以編譯執行。現在DBMS一般均提供命令語言的交互式環境和結構環境兩種運行方式，供用戶選擇。DBMS控制和執行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通常采用解釋執行的方法，但也有編譯執行的方法，而且編譯執行的越來越多。另外，很多系統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行的目標。

　　(3)數據庫運行管理 數據庫運行期間的動態管理是DBMS的核心部分，包括并發控制、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一管理下，協同工作，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。

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