1.3 數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是隨著數(shù)據(jù)管理任務(wù)的需求而產(chǎn)生的，管理數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫最核心的任務(wù)。數(shù)據(jù)處理是指對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、加工、存儲和傳播的一系列活動的總和。數(shù)據(jù)管理則是指對數(shù)據(jù)進(jìn)行的分類、組織、編碼、存儲、檢索和維護(hù)，它是數(shù)據(jù)處理的核心問題。

計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的初衷是進(jìn)行復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，人們開始利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理。總體來說，數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了如下幾個階段：人工管理階段、文件系統(tǒng)階段、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段。

1.3.1 人工管理階段

人工管理階段是指20世紀(jì)50年代中期以前。當(dāng)時計(jì)算機(jī)的軟硬件技術(shù)均不完善，人們主要使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。在硬件方面，存儲設(shè)備只有磁帶、卡片和紙帶，沒有大容量的外部存儲器；在軟件方面，沒有操作系統(tǒng)和管理數(shù)據(jù)的軟件。人工管理階段的數(shù)據(jù)處理方式是批處理，而且基本上依賴于人工。人工管理階段具有如下特點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)不能長期保存，用完就刪除

當(dāng)時的計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算，并不需要長期保存數(shù)據(jù)，只是在需要時輸入數(shù)據(jù)，完成計(jì)算后就可以刪除數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)的管理由應(yīng)用程序完成

當(dāng)時并沒有相關(guān)的軟件來管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)需要由應(yīng)用程序自己來管理。應(yīng)用程序不僅要規(guī)定數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，還要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)，如存儲結(jié)構(gòu)、存取方法等。

（3）數(shù)據(jù)面向應(yīng)用，不能共享

數(shù)據(jù)是面向應(yīng)用的，一組數(shù)據(jù)只能對應(yīng)一個應(yīng)用程序。當(dāng)多個應(yīng)用程序涉及某些相同的數(shù)據(jù)時，必須各自定義，無法相互利用、相互參照，產(chǎn)生了大量的冗余數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)不獨(dú)立。

由于是使用應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)或物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，必須也對應(yīng)用程序做相應(yīng)的修改。

人工管理階段的應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)集的對應(yīng)關(guān)系如圖1-2所示。

1.3.2 文件系統(tǒng)階段

20世紀(jì)50年代后期到60年代中期，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)迅速發(fā)展。硬件方面，有了磁盤、磁鼓等可以直接存取的存儲設(shè)備；軟件方面，操作系統(tǒng)中已經(jīng)有了專門管理數(shù)據(jù)的軟件，稱為文件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理方式上不僅有了批處理，而且能夠聯(lián)機(jī)實(shí)時處理。在這個時期，計(jì)算機(jī)應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，從科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展到了數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域。文件系統(tǒng)階段具有如下特點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了長期保存

由于計(jì)算機(jī)逐步被應(yīng)用于數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域，數(shù)據(jù)可以以文件的形式長期保存在外存儲器上，以供應(yīng)用程序進(jìn)行查詢、修改、插入、刪除等操作。

（2）由文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)

由專門的軟件即文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)，文件系統(tǒng)把數(shù)據(jù)組織成相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)文件，采用“按文件名訪問，按記錄存取”的技術(shù)對文件進(jìn)行各種操作。文件系統(tǒng)提供存儲方法負(fù)責(zé)應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，使得應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間有了一定的獨(dú)立性，程序員可以更專注于算法的設(shè)計(jì)而不必過多地考慮物理細(xì)節(jié)而且數(shù)據(jù)在存儲上的改變不一定反映到應(yīng)用程序上，在很大程度上減少了維護(hù)應(yīng)用程序的工作量。

（3）數(shù)據(jù)共享率低，冗余度高

在文件系統(tǒng)中，文件仍然是面向應(yīng)用程序的。當(dāng)不同的應(yīng)用程序具有部分相同的數(shù)據(jù)時，必須要建立各自的文件，由于不能共享相同數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的冗余度高。同時，這部分相同數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲和獨(dú)立管理極易導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致，給數(shù)據(jù)的修改和維護(hù)帶來困難。

（4）數(shù)據(jù)獨(dú)立性差

文件系統(tǒng)中的文件是為某一特定的應(yīng)用程序服務(wù)的，數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序之間是相互依賴的關(guān)系，要想改變數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)也要相應(yīng)地修改應(yīng)用程序和文件結(jié)構(gòu)的定義。對應(yīng)用程序進(jìn)行修改，也會引起文件結(jié)構(gòu)的改變。因此數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序之間缺乏獨(dú)立性，文件系統(tǒng)并不能完全反映客觀世界事物之間的內(nèi)在聯(lián)系。

文件系統(tǒng)階段的應(yīng)用程序與文件的對應(yīng)關(guān)系如圖1-3所示。

1.3.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段

20世紀(jì)60年代后期以來，隨著計(jì)算機(jī)性能的日益提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也日益擴(kuò)大，數(shù)據(jù)量急速增長，同時多種應(yīng)用、多種語言互相交叉地共享數(shù)據(jù)集合的要求也越來越多。這一時期，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)快速發(fā)展，大容量磁盤、磁盤陣列等基本的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)日趨成熟并投入使用，同時價格不斷下降；而軟件方面，編制和維護(hù)系統(tǒng)軟件及應(yīng)用程序所需的成本卻在不斷增加；在處理方式上，聯(lián)機(jī)實(shí)時處理要求更多，人們開始考慮分布式處理。以上種種導(dǎo)致文件系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)管理手段已經(jīng)不能滿足應(yīng)用的需要。為了滿足和解決實(shí)際應(yīng)用中多個用戶、多個應(yīng)用程序共享數(shù)據(jù)的要求，從而使數(shù)據(jù)能為盡可能多的應(yīng)用程序服務(wù)，數(shù)據(jù)庫這樣的數(shù)據(jù)管理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)不再只針對某一個特定的應(yīng)用，而是面向全組織，共享性高，冗余度低，程序與數(shù)據(jù)之間具有一定的獨(dú)立性，由數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一控制。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段具有如下特點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化。在描述數(shù)據(jù)時不僅要描述數(shù)據(jù)本身，還要描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化是數(shù)據(jù)庫的主要特征之一，也是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別。

（2）數(shù)據(jù)共享性高、冗余少且易擴(kuò)充。數(shù)據(jù)不再針對某一個應(yīng)用，而是面向整個系統(tǒng)，數(shù)據(jù)可被多個用戶和多個應(yīng)用共享使用，而且可輕易增加新的應(yīng)用來共享數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)共享可大大減少數(shù)據(jù)冗余并節(jié)省存儲空間，并能更好地保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

（3）數(shù)據(jù)獨(dú)立性高。應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)的定義從程序中分離出去，數(shù)據(jù)的存取由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)，從而簡化了應(yīng)用程序的編制，大大減少了應(yīng)用程序的維護(hù)和修改帶來的開銷。

（4）數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理和控制。數(shù)據(jù)庫為多個用戶和應(yīng)用程序所共享，對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存取很多時候是并發(fā)的，即多個用戶可以同時存取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，甚至可以同時存取數(shù)據(jù)庫中的同一個數(shù)據(jù)，為確保數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的正確有效和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的有效運(yùn)行，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供以下幾方面的數(shù)據(jù)控制功能。

數(shù)據(jù)安全性控制：防止因不合法使用而造成數(shù)據(jù)的泄露和破壞，保證數(shù)據(jù)的安全和機(jī)密。

數(shù)據(jù)完整性控制：系統(tǒng)通過設(shè)置一些完整性規(guī)則，以確保數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性。

并發(fā)控制：當(dāng)多個用戶同時存取、修改數(shù)據(jù)庫時，可能由于相互干擾而給用戶提供不正確的數(shù)據(jù)，并使數(shù)據(jù)庫遭到破壞，因此必須對多用戶的并發(fā)操作加以控制和協(xié)調(diào)。

數(shù)據(jù)恢復(fù)：當(dāng)數(shù)據(jù)庫被破壞或數(shù)據(jù)不可靠時，系統(tǒng)有能力將數(shù)據(jù)庫從錯誤狀態(tài)恢復(fù)到最近某一時刻的正確狀態(tài)。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系如圖1-4所示。