任務(wù)1.1.1 了解數(shù)據(jù)庫的發(fā)展階段

微課1-1

了解數(shù)據(jù)庫的發(fā)展階段

最早的計算機(jī)主要應(yīng)用于軍事和科學(xué)研究領(lǐng)域，隨著計算機(jī)理論研究的深入和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)50年代開始，計算機(jī)的主要應(yīng)用逐漸變?yōu)橐话愕臄?shù)據(jù)及事務(wù)處理。伴隨著這種轉(zhuǎn)變的逐漸深入，以數(shù)據(jù)處理為核心的數(shù)據(jù)庫技術(shù)隨之發(fā)展并成熟起來，成為計算機(jī)科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛和最為重要的技術(shù)之一。

所謂數(shù)據(jù)處理，就是從已有數(shù)據(jù)出發(fā)，經(jīng)過適當(dāng)加工、處理得到新的所需數(shù)據(jù)的過程。數(shù)據(jù)處理一般分為數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)管理兩部分。數(shù)據(jù)計算相對簡單，數(shù)據(jù)管理卻比較復(fù)雜，是數(shù)據(jù)處理過程的主要內(nèi)容與核心部分。一般認(rèn)為，數(shù)據(jù)管理主要是指數(shù)據(jù)的收集、整理、組織、存儲、維護(hù)、檢索和傳送等操作。從數(shù)據(jù)管理的角度來看，計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)經(jīng)歷了以下3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.人工管理階段

20世紀(jì)50年代中期以前為人工管理階段，是計算機(jī)數(shù)據(jù)管理的初級階段。

在這一階段，計算機(jī)被當(dāng)成一種計算工具，主要用于科學(xué)計算。硬件中的外存只有卡片、紙帶、磁帶，沒有磁盤等直接存儲設(shè)備；軟件只有匯編語言，沒有操作系統(tǒng)，更無統(tǒng)一的管理數(shù)據(jù)的軟件；數(shù)據(jù)的管理完全在程序中進(jìn)行，數(shù)據(jù)處理的方式基本上是批處理。人工管理階段的特征如下。

（1）數(shù)據(jù)不保存

由于主要用于科學(xué)計算，所以一般不需要將數(shù)據(jù)長期保存。計算某一課題時將數(shù)據(jù)輸入，計算完畢就將數(shù)據(jù)撤走，用戶提供的數(shù)據(jù)是如此處理的，系統(tǒng)軟件運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也是這樣處理的。

（2）應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù)

由于沒有相應(yīng)軟件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的管理工作，所以應(yīng)用程序不僅要規(guī)定好數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，還要規(guī)定數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)、存取方法、輸入方式、地址分配等。

（3）數(shù)據(jù)無共享

數(shù)據(jù)是面向程序的，數(shù)據(jù)由應(yīng)用程序自行攜帶，一組數(shù)據(jù)只能對應(yīng)一個應(yīng)用程序，很難實現(xiàn)多個應(yīng)用程序共享數(shù)據(jù)資源，這就使應(yīng)用程序嚴(yán)重依賴數(shù)據(jù)。一個應(yīng)用程序攜帶的數(shù)據(jù)，在應(yīng)用程序運(yùn)行結(jié)束后就連同該應(yīng)用程序一起退出計算機(jī)系統(tǒng)。如果別的應(yīng)用程序想使用該應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，則只能重新組織攜帶，因此應(yīng)用程序之間有大量的冗余數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)不獨(dú)立

由于應(yīng)用程序只負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序不具有獨(dú)立性。如果數(shù)據(jù)的類型、格式、存取方法或輸入/輸出方式等邏輯結(jié)構(gòu)或物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，就必須對應(yīng)用程序做出相應(yīng)的修改，程序員負(fù)擔(dān)相當(dāng)重。

人工管理階段應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)集之間的對應(yīng)關(guān)系如圖1-2所示。

2.文件系統(tǒng)階段

20世紀(jì)50年代后期至20世紀(jì)60年代中期，隨著計算機(jī)軟硬件的發(fā)展，出現(xiàn)了文件系統(tǒng)，其負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

在這一階段，計算機(jī)已大量用于信息管理。硬件有了磁盤、磁鼓等直接存儲設(shè)備。在軟件方面，出現(xiàn)了高級語言和操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)中有了專門管理數(shù)據(jù)的軟件，稱為文件系統(tǒng)。用戶可以把相關(guān)數(shù)據(jù)組織成一個文件存放在計算機(jī)中，由文件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的存取進(jìn)行管理，處理方式有批處理和聯(lián)機(jī)處理。

（1）文件系統(tǒng)階段的特點

① 數(shù)據(jù)可以長期保存。

數(shù)據(jù)以文件的形式存儲在計算機(jī)的直接存儲設(shè)備中，可長期保存并反復(fù)使用。用戶可隨時對文件進(jìn)行查詢、修改、插入和刪除等操作。

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)）進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，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，利用“按文件名訪問，按記錄進(jìn)行存取”的管理技術(shù)，提供了對文件進(jìn)行打開與關(guān)閉、對記錄進(jìn)行讀取和寫入的操作。程序員只需與文件名打交道，不必明確數(shù)據(jù)的物理存儲，大大減輕了程序員的負(fù)擔(dān)。

（2）文件系統(tǒng)階段存在的問題

文件系統(tǒng)階段對數(shù)據(jù)的管理有了巨大進(jìn)步，但一些根本問題仍沒有徹底解決，具體如下。

① 數(shù)據(jù)共享性差，冗余度大。

在文件系統(tǒng)中，一個（或一組）文件基本上對應(yīng)一個應(yīng)用程序，即文件仍然是面向應(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，也必須建立各自的文件，而不能共享相同的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)冗余度大，浪費(fèi)存儲空間。

② 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，文件的邏輯結(jié)構(gòu)是針對具體的應(yīng)用程序來設(shè)計和優(yōu)化的，因此文件中的數(shù)據(jù)要再被一些新的應(yīng)用程序使用會很困難。

③ 數(shù)據(jù)一致性差。

由于相同數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲、各自管理，在進(jìn)行更新操作時，容易造成數(shù)據(jù)的不一致，給數(shù)據(jù)的修改和維護(hù)帶來困難。

文件系統(tǒng)階段應(yīng)用程序與文件之間的對應(yīng)關(guān)系如圖1-3所示。

3.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段

自20世紀(jì)60年代后期以來，計算機(jī)管理的對象規(guī)模越來越大，應(yīng)用范圍越來越廣泛，數(shù)據(jù)量急劇增加，同時，多種應(yīng)用、多種語言互相覆蓋的共享集合的需求越來越強(qiáng)烈。

在這種背景下，將文件系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)管理手段已經(jīng)不能滿足需求，為了解決多用戶、多應(yīng)用程序共享數(shù)據(jù)的要求，出現(xiàn)了統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)的專門軟件系統(tǒng)—數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Database Management System, DBMS）。

數(shù)據(jù)庫是長期存儲在計算機(jī)內(nèi)、有組織、可共享的大量數(shù)據(jù)的集合。它可以供不同用戶共享，具有最小冗余度和較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性。DBMS在數(shù)據(jù)庫建立、運(yùn)用和維護(hù)時對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一控制，以保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性，并且在多用戶同時使用數(shù)據(jù)庫時可以進(jìn)行并發(fā)控制，以及在發(fā)生故障后對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行恢復(fù)。

（1）數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)的突破

數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)進(jìn)入新時代離不開里程碑式的技術(shù)突破，以下3件大事為數(shù)據(jù)庫技術(shù)的突破奠定了基礎(chǔ)。

① 1968年，美國IBM公司推出了世界上第一個基于層次模型的大型商用DBMS——信息管理系統(tǒng)（Information Management System,IMS）。

② 1969年，美國數(shù)據(jù)系統(tǒng)語言協(xié)會（Conference on Data System Language, CODASYL）下屬的數(shù)據(jù)庫任務(wù)組（Database Task Group, DBTG）提出了基于網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)庫任務(wù)組系統(tǒng)。

③ 1970年，美國IBM公司的高級研究員科德（E.F.Codd）發(fā)表論文提出關(guān)系模型，此模型奠定了關(guān)系數(shù)據(jù)庫的理論基礎(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段的特點

與人工管理階段和文件系統(tǒng)階段相比，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段主要有如下特點。

① 數(shù)據(jù)高度結(jié)構(gòu)化。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件管理系統(tǒng)的根本區(qū)別。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不僅會考慮數(shù)據(jù)項之間的聯(lián)系，還會考慮數(shù)據(jù)類型之間的聯(lián)系。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，不僅數(shù)據(jù)內(nèi)部具有結(jié)構(gòu)化特征，數(shù)據(jù)整體也是結(jié)構(gòu)化的，即數(shù)據(jù)之間是有聯(lián)系的。例如，某學(xué)校的信息管理系統(tǒng)除了會考慮教務(wù)處的學(xué)生成績管理、選課管理，還會考慮學(xué)籍管理處的學(xué)生基本信息管理，人事處的教職工基本信息管理、薪酬管理等。因此，該學(xué)校的信息管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)就要面向?qū)W校所有部門的應(yīng)用，而不僅是教務(wù)處的學(xué)生選課應(yīng)用。

② 數(shù)據(jù)的共享性高、冗余度小，易于擴(kuò)充。

數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是高度共享的，數(shù)據(jù)不再只是面向某個單獨(dú)的應(yīng)用，是面向整個系統(tǒng)。也就是說，同一個用戶可以因不同的應(yīng)用目的訪問同一數(shù)據(jù)；不同用戶可以同時訪問同一數(shù)據(jù)，即“并發(fā)訪問”。

③ 數(shù)據(jù)獨(dú)立性高。

用戶只需關(guān)注數(shù)據(jù)庫名、數(shù)據(jù)文件名和文件中的屬性名等邏輯概念，不用過多考慮數(shù)據(jù)的實際物理存儲，也就是不需要關(guān)心實際數(shù)據(jù)究竟存儲在磁盤的什么位置。更準(zhǔn)確地說，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)同時具有物理獨(dú)立性與邏輯獨(dú)立性。

物理獨(dú)立性是指改變數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)時不必修改現(xiàn)有的應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)在磁盤上的存儲方式由DBMS管理，應(yīng)用程序無須了解，即當(dāng)數(shù)據(jù)的物理存儲方式改變時，應(yīng)用程序不用改變。

邏輯獨(dú)立性是指邏輯數(shù)據(jù)獨(dú)立性，是指改變數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)時不用改變應(yīng)用程序。用戶的應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)是相互獨(dú)立的，即當(dāng)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變時，應(yīng)用程序可以不變。

DBMS提供的二級映像功能保證了數(shù)據(jù)獨(dú)立性，相關(guān)內(nèi)容將在后面的項目中進(jìn)行討論。

④ 數(shù)據(jù)安全性和正確性高。

數(shù)據(jù)庫的共享會為數(shù)據(jù)庫帶來安全隱患，并且數(shù)據(jù)庫的共享具有并發(fā)的特征，即多個用戶能夠同時對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，甚至可以同時存取數(shù)據(jù)庫中的同一個數(shù)據(jù)，這可能會存在用戶操作相互干擾的隱患。因此，需要一組軟件提供相應(yīng)的工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和控制，使用 DBMS 可以達(dá)到保證數(shù)據(jù)的安全性和正確性的基本要求。

● 保證數(shù)據(jù)的安全性。

保證數(shù)據(jù)的安全性是指對數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，以防止不正當(dāng)使用造成的數(shù)據(jù)泄露及破壞。用戶只能用合法的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行使用和處理。

● 數(shù)據(jù)的完整性檢查。

數(shù)據(jù)的完整性是指數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性。完整性檢查將數(shù)據(jù)控制在有效的范圍內(nèi)，并保證數(shù)據(jù)間所具有的關(guān)系完整。

● 并發(fā)控制。

當(dāng)多個用戶并發(fā)操作，同時存取或修改數(shù)據(jù)時，其相互間可能會產(chǎn)生干擾，從而得到錯誤的結(jié)果，或破壞數(shù)據(jù)庫的完整性，因此多用戶的并發(fā)進(jìn)程必須受到DBMS的控制和協(xié)調(diào)。

● 數(shù)據(jù)庫恢復(fù)。

在日常的數(shù)據(jù)庫管理中可能會遇到機(jī)器損壞或者人為失誤的問題。例如，計算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件故障、數(shù)據(jù)庫管理員的失誤甚至故意破壞，這些都會破壞數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確性，甚至造成數(shù)據(jù)庫中部分甚至全部數(shù)據(jù)丟失。因此，DBMS需具備使數(shù)據(jù)庫從錯誤狀態(tài)恢復(fù)到某一已知的正確狀態(tài)（也可稱為一致狀態(tài)）的功能，即數(shù)據(jù)庫恢復(fù)功能。

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