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      數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

      1.數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的三級(jí)模式結(jié)構(gòu)

      數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的三級(jí)模式結(jié)構(gòu)由外模式、模式和內(nèi)模式組成。外模式(externalschema)，或子模式(subschema)或用戶模式(userschema)，是指數(shù)據(jù)庫(kù)用戶所看到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是用戶看到的數(shù)據(jù)視圖。模式(schema)或邏輯模式(logicschema)，是數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特性的描述，是所有用戶所見(jiàn)到的數(shù)據(jù)視圖的總和。外模式是模式的一部分。內(nèi)模式(internalschema)，或存儲(chǔ)模式(storageschema)，或物理模式(physicalschema)，是指數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)內(nèi)的存儲(chǔ)介質(zhì)上的表示，即對(duì)數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)和存取方式的描述。模式描述的是數(shù)據(jù)的全局的邏輯結(jié)構(gòu)，決定了DBMS的功能。外模式涉及的僅是局部的邏輯結(jié)構(gòu)，是模式的子集，是對(duì)模式的調(diào)用。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的三級(jí)模式是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三個(gè)層次抽象的工具。通過(guò)三級(jí)模式，把對(duì)數(shù)據(jù)的具體組織留給DBMS來(lái)完成，使得用戶能在高層次上處理數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)這三個(gè)層次這間的聯(lián)系，DBMS在溝通三級(jí)模式中提供了兩個(gè)映象:外模式-模式映象模式-內(nèi)模式映象

      (1)模式模式規(guī)定了數(shù)據(jù)庫(kù)中全部數(shù)據(jù)的一個(gè)邏輯表示或描述形式。模式既不同于內(nèi)模式，也不同于外模式。它比內(nèi)模式抽象，不涉及數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)介質(zhì)。它與具體的應(yīng)用程序或高級(jí)語(yǔ)言無(wú)關(guān)。

      (2)外模式外模式是個(gè)別用戶的數(shù)據(jù)視圖，即與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。

      (3)內(nèi)模式內(nèi)模式是全部數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)部表示或底層描述，是用來(lái)定義數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)和存取方式的。

      (4)二級(jí)映象對(duì)于同一個(gè)模式，可以有任意多個(gè)外模式。外模式-模式的映象定義了某個(gè)外模式和模式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這些映象的定義通常包含在各自的外模式中。當(dāng)模式改變時(shí)，外模式-模式的映象要做相應(yīng)的改變，以保證外模式的不變性。這是數(shù)據(jù)庫(kù)管理員(DBA)的責(zé)任。模式-內(nèi)模式的映象定義了數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如，字段的內(nèi)部表示等。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)改變時(shí)，模式-內(nèi)模式的映象也須做相應(yīng)的修改，以使得模式保持不變性。這仍是DBA的責(zé)任。正是由于上述二級(jí)映象的功能及其自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，使得數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)具有較高的邏輯獨(dú)立性和物理獨(dú)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(gè)臨時(shí)報(bào)告。1978年提出一個(gè)最終報(bào)告，稱之為ANˉSI/SPARC報(bào)告，簡(jiǎn)稱為SPARC報(bào)告。SPARC報(bào)告中指出，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)應(yīng)具有三級(jí)模式的結(jié)構(gòu)，即概念模式、外模式和內(nèi)模式。其中外模式和內(nèi)模多與上面所講的大致相當(dāng)。但SPARC報(bào)告中的概念模式是指一個(gè)組織或部門所對(duì)應(yīng)的現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)模型，即概念模型。概念模式僅描述實(shí)體及其屬性和聯(lián)系，不涉及機(jī)器世界的概念。概念模型是信息世界范疇內(nèi)的信息的結(jié)構(gòu)，而模式是機(jī)器世界范疇內(nèi)的概念模型的邏輯表示。概念模型獨(dú)立于具體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，甚至是和計(jì)算機(jī)無(wú)關(guān)的，是一個(gè)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(jì)算機(jī)及其DBMS的。模式通過(guò)三種具體模型:層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。概念模式必須轉(zhuǎn)換成具體的數(shù)據(jù)模型，然后才能在相應(yīng)的DBMS上實(shí)現(xiàn)。概念模型和模式都是描述信息或數(shù)據(jù)的整體結(jié)構(gòu)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(jī)器更遠(yuǎn)，形式化程度低。從遠(yuǎn)離機(jī)器的觀點(diǎn)看，概念模型更抽象些，但更接近現(xiàn)實(shí)世界。而模式描述使用的是形式化的語(yǔ)言-模式DDL，而概念模型描述使用的是E-R圖和一些自然語(yǔ)言。

    2.使用數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      廣義地講，實(shí)際上使用數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由下列幾個(gè)部分組成的:

      (1)硬件部分包括主機(jī)、外部存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(yīng)用開(kāi)發(fā)工具軟件等。

      (3)人員包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理員(DataBaseAdministrator-DBA)，系統(tǒng)分析員(SystemAnaˉlyst)、應(yīng)用程序員(ApplicationProgrammer)和用戶(User)。

      3.數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

      數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)DBMS是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的核心。DBMS是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、使用和維護(hù)的軟件。DBMS建立在操作系統(tǒng)之上，實(shí)施對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)一管理和控制。用戶使用的各種數(shù)據(jù)庫(kù)命令以及應(yīng)用程序的執(zhí)行，最終都必須通過(guò)DBMS。另外，DBMS還承擔(dān)著數(shù)據(jù)庫(kù)的安全保護(hù)工作，按照DBA所規(guī)定的要求，保證數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性和安全性。DBMS的主要功能包括以下幾個(gè)主要方面:

      (1)數(shù)據(jù)庫(kù)的定義功能DBMS通過(guò)提供數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言(也稱數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言)(DataDescripˉtiveLanguage———DDL)來(lái)對(duì)外模式、模式和內(nèi)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(yīng)的內(nèi)部表示，形成相應(yīng)的目標(biāo)形式，分別叫目標(biāo)外模式、目標(biāo)模式、目標(biāo)內(nèi)模式，這些目標(biāo)模式是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的描述，而不是數(shù)據(jù)本身。(目標(biāo))模式只刻畫了數(shù)據(jù)庫(kù)的形式或框架，而不包括數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容。這些目標(biāo)模式被保存在數(shù)據(jù)字典(或系統(tǒng)目標(biāo))之中，作為DBMS存取和管理數(shù)據(jù)的基本依據(jù)。例如，DBMS根據(jù)這些模式定義，進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)的映象，進(jìn)行邏輯結(jié)構(gòu)和用戶視圖的映象，以導(dǎo)出用戶要檢索的數(shù)據(jù)的存取方式。

      (2)數(shù)據(jù)操縱功能DBMS提供數(shù)據(jù)操縱語(yǔ)言(DataManipulationLanguage———DML)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)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(yǔ)言的，如嵌入到C或COBOL等高級(jí)語(yǔ)言中。這類DML語(yǔ)言本身不能單獨(dú)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(yǔ)言(包括交互式命令語(yǔ)言和結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言)，它的語(yǔ)法簡(jiǎn)單，可以獨(dú)立使用，由單獨(dú)的解釋或編譯系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行，所以一般稱為自主型或自含型的DML。命令語(yǔ)言是行結(jié)構(gòu)語(yǔ)言，單條執(zhí)行。結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言是命令語(yǔ)言的擴(kuò)充或發(fā)展，增加了程序結(jié)構(gòu)描述或過(guò)程控制功能，如循環(huán)、分支等功能。命令語(yǔ)言一般逐條解釋執(zhí)行。結(jié)構(gòu)化語(yǔ)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(yǔ)言的交互式環(huán)境和結(jié)構(gòu)環(huán)境兩種運(yùn)行方式，供用戶選擇。DBMS控制和執(zhí)行DML語(yǔ)句(或DML程序)，完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。對(duì)于自主型的結(jié)構(gòu)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(lái)越多。另外，很多系統(tǒng)同時(shí)設(shè)有解釋和編譯兩種功能，由用戶選其一。對(duì)于嵌入型或縮主型DML，DBMS一種提供兩種方法:

      ①預(yù)編譯方法。

      ②修改和擴(kuò)充主語(yǔ)言編譯程序(亦稱增強(qiáng)編譯方法)。預(yù)編譯方法是，由DBMS提供一個(gè)預(yù)處理程序，對(duì)源程序進(jìn)行語(yǔ)法掃描，識(shí)別出DML語(yǔ)句，并把這些語(yǔ)句轉(zhuǎn)換成主語(yǔ)言中的特殊調(diào)用語(yǔ)句。主語(yǔ)言必須和DML有調(diào)用接口。這樣在連接形成目標(biāo)時(shí)和主語(yǔ)言語(yǔ)句一起形成可執(zhí)行的目標(biāo)。

      (3)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行管理數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行期間的動(dòng)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(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部的維護(hù)(如索引、數(shù)據(jù)字典的自動(dòng)維護(hù)等)、緩沖區(qū)大小的設(shè)置等等。所有的數(shù)據(jù)庫(kù)操作都是在這個(gè)控制部分的統(tǒng)一管理下，協(xié)同工作，以確保事務(wù)處理的正常運(yùn)行，保證數(shù)據(jù)庫(kù)的正確性、安全性和有效性。

      (4)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和維護(hù)功能數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和維護(hù)包括初始數(shù)據(jù)的裝入、數(shù)據(jù)庫(kù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)或后備功能、數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)功能、數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)應(yīng)的實(shí)用功能子程序來(lái)完成。DBMS隨軟件產(chǎn)品和版本不同而有所差異。通常大型機(jī)上的DBMS功能最全，小型機(jī)上的DBMS功能稍弱點(diǎn)，微機(jī)上的DBMS更弱些。但是，目前，由于硬件性能和價(jià)格的改進(jìn)，微機(jī)上的DBMS功能越來(lái)越全。

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