3.1　數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)概述

3.1.1　關(guān)系數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)

關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，而且有完善的理論支持?jǐn)?shù)據(jù)操作，但在實現(xiàn)可應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)時，必須考慮各類數(shù)據(jù)庫用戶的特點和需求，提供相關(guān)管理功能。美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會提出的數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)，從不同用戶的角度對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行抽象，從而指導(dǎo)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實現(xiàn)。

1．三級模式結(jié)構(gòu)概述

使用數(shù)據(jù)庫的不同人員，例如，應(yīng)用程序員、系統(tǒng)分析員和數(shù)據(jù)庫管理員等，由于工作職責(zé)不同，接觸和使用數(shù)據(jù)庫的范圍各不相同，從而形成了各自的數(shù)據(jù)庫視圖。所謂視圖，是指觀察、認(rèn)識和理解數(shù)據(jù)的范圍、角度和方法。根據(jù)各類人員與數(shù)據(jù)庫的不同關(guān)系，可把視圖分為三種：對應(yīng)于應(yīng)用程序員的外部視圖、對應(yīng)于系統(tǒng)分析員的邏輯視圖和對應(yīng)于數(shù)據(jù)庫管理員的內(nèi)部視圖。關(guān)系數(shù)據(jù)庫以三級模式及三級模式之間的兩級映射關(guān)系形成整體體系結(jié)構(gòu)，三級模式分別是外模式、模式和內(nèi)模式（見圖3.1）。

2．三級模式簡介

（1）模式

模式又稱邏輯模式，對應(yīng)于一個應(yīng)用的所有關(guān)系模式的集合、關(guān)系完整性約束及其所允許的關(guān)系操作就構(gòu)成了關(guān)系數(shù)據(jù)庫的邏輯模式。它是由數(shù)據(jù)庫設(shè)計者綜合所有相關(guān)數(shù)據(jù)對象、按照統(tǒng)一的觀點構(gòu)造的全局邏輯結(jié)構(gòu)，是對數(shù)據(jù)庫中全部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的總體描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。它是系統(tǒng)分析員所看到的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫視圖。一個數(shù)據(jù)庫只有一個邏輯模式。如圖2.6所示為“e學(xué)習(xí)”系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的關(guān)系模型，反映了數(shù)據(jù)庫邏輯模式的概要信息。

（2）外模式

外模式又稱子模式或用戶模式，是某個或某些應(yīng)用程序員所看到的數(shù)據(jù)庫的局部數(shù)據(jù)視圖。外模式可以通過定義“查詢”或“視圖”從“基本關(guān)系模式”中變換導(dǎo)出，是從模式中導(dǎo)出的子模式。一個數(shù)據(jù)庫可以有多個外模式。

“查詢”是根據(jù)指定條件對表進(jìn)行查詢所得的結(jié)果表，是臨時表，一般不再使用，因此具有一次性和冗余性的特點。“視圖”是為了方便查詢和處理而設(shè)計的數(shù)據(jù)虛表，在數(shù)據(jù)庫中只存儲結(jié)構(gòu)的定義，而不存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自基本表。

【例3.1】從學(xué)生表、課程表和選課表變換得到學(xué)生成績視圖。

以圖2.6中的數(shù)據(jù)庫關(guān)系模型為基礎(chǔ)，從學(xué)生表、課程表和選課表分別選取相關(guān)屬性，得到外模式：學(xué)生成績（姓名，課程名，成績），學(xué)生成績視圖如圖3.2所示。

（3）內(nèi)模式

內(nèi)模式又稱存儲模式，是數(shù)據(jù)庫全體數(shù)據(jù)的機(jī)器內(nèi)部表示或存儲結(jié)構(gòu)描述，是真正存放在外存儲器中的物理數(shù)據(jù)庫，它描述數(shù)據(jù)記錄、索引、文件的組織方式和在存儲介質(zhì)上的物理結(jié)構(gòu)。內(nèi)模式是數(shù)據(jù)庫管理員創(chuàng)建和維護(hù)數(shù)據(jù)庫的視圖。一個數(shù)據(jù)庫只有一個內(nèi)模式。內(nèi)模式主要關(guān)注以下問題。

① 關(guān)系存儲結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)平臺無關(guān)，但數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)存儲必須考慮具體的計算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，采用它們所支持的數(shù)據(jù)庫文件結(jié)構(gòu)存儲方法，設(shè)計數(shù)據(jù)庫文件的存儲位置，選用它們所支持的數(shù)據(jù)類型描述和完整性約束規(guī)則來定義數(shù)據(jù)表。

② 關(guān)系存取方法。在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，關(guān)系表中的數(shù)據(jù)按記錄存儲。為了提高對數(shù)據(jù)記錄的查詢效率，通常采用索引方法來建立數(shù)據(jù)記錄的存取順序。索引與書的目錄或字典檢字索引的原理是一樣的。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一般集成多種快速查找算法，但這些算法基本上都是以數(shù)據(jù)記錄排序為前提的。

3．模式間的映射關(guān)系

數(shù)據(jù)庫的三級模式是數(shù)據(jù)模型在三個層次上的抽象表示。為了實現(xiàn)這三個抽象層次間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在三級模式之間提供兩級映射關(guān)系（見圖3.1）。

（1）外模式與模式之間的映射關(guān)系

外模式與模式之間的映射關(guān)系保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨立性，即當(dāng)數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，可通過調(diào)節(jié)“外模式/模式”之間的映射關(guān)系保證外模式不變，那么建立在外模式基礎(chǔ)上的應(yīng)用程序也不需要改變。

【例3.2】學(xué)生年齡視圖的定義。

基于關(guān)系模式：學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，年齡）建立外模式：學(xué)生年齡（學(xué)號，年齡），如圖3.3（a）所示。應(yīng)用程序根據(jù)外模式學(xué)生年齡編寫。

在后續(xù)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，“年齡”值會由于時間變化變得不準(zhǔn)確，因此需要將學(xué)生表的“年齡”屬性修改為“出生日期”。這時我們只要調(diào)整“模式/外模式”之間的映射關(guān)系，即原來外模式中“年齡”是直接從學(xué)生表中的“年齡”屬性獲得的，現(xiàn)在改為通過當(dāng)前日期和學(xué)生表的“出生日期”計算得到，如圖3.3（b）所示。外模式不變，建立在外模式上的應(yīng)用程序也不用修改，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的邏輯獨立性。

（2）模式與內(nèi)模式之間的映射關(guān)系

模式與內(nèi)模式之間的映射關(guān)系保證了數(shù)據(jù)的物理獨立性，即：當(dāng)數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，可以通過調(diào)節(jié)“模式/內(nèi)模式”之間的映射關(guān)系保證模式不變。例如，當(dāng)學(xué)生表的存儲位置、存取方式發(fā)生變化時，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通過調(diào)整“模式/內(nèi)模式”之間的映射關(guān)系保證模式不變。

3.1.2　關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

1．?dāng)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的概念

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBase Management System，DBMS）是以數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)為指導(dǎo)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫管理軟件。它位于應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)之間，是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)必不可少的一個系統(tǒng)軟件。如圖3.4所示，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序提出數(shù)據(jù)操作要求，需要通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫管理員也要通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫實施管理。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一般由商業(yè)軟件公司或開源社區(qū)開發(fā)。流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有很多，如SQL Server、Oracle、MySQL等，它們的基本原理和主要功能相似。

2．?dāng)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主要功能如下。

（1）數(shù)據(jù)定義：支持建立數(shù)據(jù)庫，定義數(shù)據(jù)庫的模式結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫的完整性約束規(guī)則和安全性控制方式等。

（2）數(shù)據(jù)操作：支持對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的檢索及更新（包括插入、刪除和修改）操作。

（3）數(shù)據(jù)庫的運行管理：完成數(shù)據(jù)庫運行時的控制和管理，包括并發(fā)控制、安全性檢查、完整性約束規(guī)則的檢查、數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部管理和維護(hù)（如索引維護(hù)等）。

（4）數(shù)據(jù)庫的維護(hù)：提供包括數(shù)據(jù)庫初始數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫備份和恢復(fù)、數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出、數(shù)據(jù)庫重組、性能監(jiān)視和分析等功能。

（5）數(shù)據(jù)庫語言的支持：支持用數(shù)據(jù)庫語言（如SQL語言）來使用和管理數(shù)據(jù)庫。