1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DataBase System，DBS）是指基于數(shù)據(jù)庫的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。和一般的應(yīng)用系統(tǒng)相比，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有其自身的特點，下面介紹數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成及特點。

1.3.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個計算機應(yīng)用系統(tǒng)，它是把有關(guān)計算機硬件、軟件、數(shù)據(jù)和人員組合起來為用戶提供信息服務(wù)的系統(tǒng)。因此，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是由計算機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及其描述機構(gòu)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和有關(guān)人員組成的具有高度組織性的整體。

1. 計算機硬件

計算機硬件是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是存儲數(shù)據(jù)庫及運行數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的硬件資源，主要包括計算機主機、存儲設(shè)備、輸入/輸出設(shè)備及計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2. 計算機軟件

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的軟件包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)等。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心軟件之一，它提供數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)庫建立和維護及通信等功能。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)資源進行統(tǒng)一管理和控制的功能，它將用戶、應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)相互隔離，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心。其功能的強弱是衡量數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)必須運行在相應(yīng)的系統(tǒng)平臺上，有操作系統(tǒng)和相關(guān)系統(tǒng)軟件的支持。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)功能的強弱隨系統(tǒng)而異，大系統(tǒng)功能較強、較全，小系統(tǒng)功能較弱、較少。目前，較流行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有Access、Visual FoxPro、SQL Server、Oracle、Sybase等。

數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)是指系統(tǒng)開發(fā)人員利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)資源開發(fā)出來的、面向某一類實際應(yīng)用的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。主要分為以下兩類。

（1）管理信息系統(tǒng)

管理信息系統(tǒng)是面向機構(gòu)內(nèi)部業(yè)務(wù)和管理的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)。如人事管理系統(tǒng)、教學(xué)管理系統(tǒng)等。

（2）開放式信息服務(wù)系統(tǒng)

開放式信息服務(wù)系統(tǒng)是面向外部、提供動態(tài)信息查詢功能，以滿足不同信息需求的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)。例如，大型綜合科技信息系統(tǒng)、經(jīng)濟信息系統(tǒng)和專業(yè)的證券實時行情、商品信息系統(tǒng)。

無論是哪一類信息系統(tǒng)，從實現(xiàn)技術(shù)角度而言，都是以數(shù)據(jù)庫技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。

3. 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是指數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中按照一定的方式組織的、存儲在外部存儲設(shè)備上的、能為多個用戶共享的、與應(yīng)用程序相互獨立的相關(guān)數(shù)據(jù)集合。它不僅包括描述事物的數(shù)據(jù)本身，而且包括相關(guān)事物之間的聯(lián)系。

數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)往往不是像文件系統(tǒng)那樣只面向某一項特定應(yīng)用，而是面向多種應(yīng)用，可以被多個用戶、多個應(yīng)用程序共享。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)獨立于使用數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，對于數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改和檢索由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理和控制，用戶對數(shù)據(jù)庫進行的各種操作都是由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)的。

4. 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的有關(guān)人員

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的有關(guān)人員主要有3類：最終用戶、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)人員和數(shù)據(jù)庫管理員（DataBase Administrator，DBA）。

最終用戶是指通過應(yīng)用系統(tǒng)的用戶界面使用數(shù)據(jù)庫的人員，他們一般對數(shù)據(jù)庫知識了解不多。

數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)人員包括系統(tǒng)分析員、系統(tǒng)設(shè)計員和程序員。系統(tǒng)分析員負(fù)責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)的分析，他們和最終用戶、數(shù)據(jù)庫管理員相配合，參與系統(tǒng)分析；系統(tǒng)設(shè)計員負(fù)責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和數(shù)據(jù)庫的設(shè)計；程序員則是根據(jù)設(shè)計要求進行編碼。

數(shù)據(jù)庫管理員是數(shù)據(jù)管理機構(gòu)的一組人員，他們負(fù)責(zé)對整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行總體控制和維護，以保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的正常運行。

綜上所述，數(shù)據(jù)庫中包含的數(shù)據(jù)是存儲在存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)文件的集合；每個用戶均可使用其中的數(shù)據(jù)，不同用戶使用的數(shù)據(jù)可以重疊，同一組數(shù)據(jù)可以為多個用戶共享；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為用戶提供對數(shù)據(jù)的存儲組織、操作管理功能；用戶通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的操作與應(yīng)用。

1.3.2 數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)體系

為了有效地組織、管理數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)庫的邏輯獨立性和物理獨立性，人們?yōu)閿?shù)據(jù)庫設(shè)計了一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)體系。數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是三級模式結(jié)構(gòu)與二級映射，三級模式包括外模式、概念模式和內(nèi)模式，二級映射則分別是概念模式/內(nèi)模式的映射及外模式/概念模式的映射。這種三級模式與二級映射構(gòu)成了數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)體系，如圖1-2所示。

1. 數(shù)據(jù)庫的三級模式

美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（American National Standards Institute，ANSI）的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)研究小組于1978年提出了標(biāo)準(zhǔn)化的建議，將數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)體系分為三級：面向用戶或應(yīng)用程序員的用戶級、面向建立和維護數(shù)據(jù)庫人員的概念級、面向系統(tǒng)程序員的物理級。用戶級對應(yīng)外模式，概念級對應(yīng)概念模式，物理級對應(yīng)內(nèi)模式，使不同級別的用戶對數(shù)據(jù)庫形成不同的視圖。所謂視圖，就是指觀察、認(rèn)識和理解數(shù)據(jù)的范圍、角度和方法，是數(shù)據(jù)庫在用戶眼中的反映。很顯然，不同層次（級別）用戶所看到的數(shù)據(jù)庫是不相同的。

（1）概念模式

概念模式又稱邏輯模式，簡稱為模式，對應(yīng)于概念級。它是由數(shù)據(jù)庫設(shè)計者綜合所有用戶的數(shù)據(jù)，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（全局視圖）。概念模式是由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)定義語言（Data Definition Language，DDL）來描述、定義的，體現(xiàn)并反映了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的整體觀。

（2）外模式

外模式又稱子模式，或用戶模式，對應(yīng)于用戶級。它是某個或某幾個用戶所看到的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)視圖，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。外模式是從概念模式導(dǎo)出的一個子集，包含概念模式中允許特定用戶使用的那部分?jǐn)?shù)據(jù)。用戶可以通過外模式定義語言（外模式DDL）來描述、定義對應(yīng)于用戶的數(shù)據(jù)記錄（外模式），也可以利用數(shù)據(jù)操縱語言（Data Manipulation Language，DML）對這些數(shù)據(jù)記錄進行操作。外模式反映了數(shù)據(jù)庫的用戶觀。

（3）內(nèi)模式

內(nèi)模式又稱存儲模式，或物理模式，對應(yīng)于物理級。它是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的內(nèi)部表示或底層描述，是數(shù)據(jù)庫最低一級的邏輯描述，它描述了數(shù)據(jù)在存儲介質(zhì)上的存儲方式和物理結(jié)構(gòu)，對應(yīng)著實際存儲在外存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)庫。內(nèi)模式由內(nèi)模式定義語言（內(nèi)模式DDL）來描述、定義，反映了數(shù)據(jù)庫的存儲觀。

在一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，只有唯一的數(shù)據(jù)庫，因而作為定義、描述數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)的內(nèi)模式和定義、描述數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)的概念模式，也是唯一的，但建立在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之上的應(yīng)用則是非常廣泛、多樣的，所以對應(yīng)的外模式不是唯一的，也不可能唯一。

2. 三級模式間的二級映射

數(shù)據(jù)庫的三級模式是數(shù)據(jù)在3個級別（層次）上的抽象，使用戶能夠邏輯地、抽象地處理數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)在計算機中的物理表示和存儲方式，把數(shù)據(jù)的具體組織交給數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)去完成。為了實現(xiàn)這3個抽象級別的聯(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了二級映射，正是這二級映射保證了數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有較高的物理獨立性和邏輯獨立性。

（1）概念模式/內(nèi)模式的映射

數(shù)據(jù)庫中的概念模式和內(nèi)模式都只有一個，所以概念模式/內(nèi)模式的映射是唯一的，它確定了數(shù)據(jù)的全局邏輯結(jié)構(gòu)與存儲結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)存儲結(jié)構(gòu)變化時，概念模式/內(nèi)模式的映射也應(yīng)有相應(yīng)的變化，使其概念模式仍保持不變，即把存儲結(jié)構(gòu)變化的影響限制在概念模式之下，這使數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)和存儲方法獨立于應(yīng)用程序，通過映射功能保證數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)的變化不影響數(shù)據(jù)全局邏輯結(jié)構(gòu)的改變，從而不必修改應(yīng)用程序，即確保了數(shù)據(jù)的物理獨立性。

（2）外模式/概念模式的映射

數(shù)據(jù)庫中的同一概念模式可以有多個外模式，對于每一個外模式，都存在一個外模式/概念模式的映射，用于定義該外模式和概念模式之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)概念模式發(fā)生改變時（如增加新的屬性或改變屬性的數(shù)據(jù)類型等），只要對外模式/概念模式的映射做相應(yīng)的修改，外模式（數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)）保持不變。由于應(yīng)用程序是依據(jù)數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)編寫的，所以應(yīng)用程序不必修改，從而保證了數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序間的邏輯獨立性。

1.3.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的出現(xiàn)是計算機數(shù)據(jù)管理技術(shù)的重大進步，它克服了文件系統(tǒng)的缺陷，提供了對數(shù)據(jù)更高級、更有效的管理。

1. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化

在文件系統(tǒng)中，文件的記錄內(nèi)部是有結(jié)構(gòu)的。例如，學(xué)生數(shù)據(jù)文件的每條記錄是由學(xué)號、姓名、性別、出生年月、籍貫、簡歷等數(shù)據(jù)項組成的。但這種結(jié)構(gòu)只適用于特定的應(yīng)用，對其他應(yīng)用并不適用。

在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，每一個數(shù)據(jù)庫都是為某一應(yīng)用領(lǐng)域服務(wù)的。例如，學(xué)校信息管理涉及多個方面的應(yīng)用，包括對學(xué)生的學(xué)籍管理、課程管理、學(xué)生成績管理等，還包括教工的人事管理、教學(xué)管理、科研管理、住房管理和工資管理等，這些應(yīng)用彼此之間都有著密切的聯(lián)系。因此，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中不僅要考慮某個應(yīng)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還要考慮整個組織（多個應(yīng)用）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這種數(shù)據(jù)組織方式使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化了，這就要求在描述數(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。而在文件系統(tǒng)中，盡管其記錄內(nèi)部已有了某些結(jié)構(gòu)，但記錄之間沒有聯(lián)系。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)整體數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化，這是數(shù)據(jù)庫的主要特點之一，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、冗余度低

數(shù)據(jù)共享是指多個用戶或應(yīng)用程序可以訪問同一個數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。而且數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供了并發(fā)和協(xié)調(diào)機制，保證在多個應(yīng)用程序同時訪問、存取和操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)時，不產(chǎn)生任何沖突，從而保證數(shù)據(jù)不遭到破壞。

數(shù)據(jù)冗余既浪費存儲空間，又容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致等問題。在文件系統(tǒng)中，由于每個應(yīng)用程序都有自己的數(shù)據(jù)文件，所以存在著大量的冗余。

數(shù)據(jù)庫從全局觀念來組織和存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)已經(jīng)根據(jù)特定的數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)化，在數(shù)據(jù)庫中用戶的邏輯數(shù)據(jù)文件和具體的物理數(shù)據(jù)文件不必一一對應(yīng)，從而有效地節(jié)省了存儲資源，減少了數(shù)據(jù)冗余，保證了數(shù)據(jù)的一致性。

3. 具有較高的數(shù)據(jù)獨立性

數(shù)據(jù)獨立性是指應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間相互獨立。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，因為采用了數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)，從而保證了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的獨立性。在數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)改變時，不影響數(shù)據(jù)的全局邏輯結(jié)構(gòu)，這樣就保證了數(shù)據(jù)的物理獨立性。在全局邏輯結(jié)構(gòu)改變時，不影響用戶的局部邏輯結(jié)構(gòu)及應(yīng)用程序，這樣就保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨立性。

4. 具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制功能

在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制和管理。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供了一套有效的數(shù)據(jù)控制手段，包括數(shù)據(jù)安全性控制、數(shù)據(jù)完整性控制、數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制和數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)等，增強了多用戶環(huán)境下數(shù)據(jù)的安全性和一致性保護。