第十一章 数据库系统及DBMS_DDBS结构(简略)

13
11.3 DBMS的结构及工作原理



3）用优化器执行查询优化，并转换成一串存取操 作序列。 4）DBMS经外模式/模式映射把外部记录转换为概 念记录；经模式/内模式映射把概部记录转换为内部 记录，并确定对应的物理记录。 5）请求OS读物理记录，DBMS构造一组物理记录 参数递交给OS，并请求内外存交换。 6）OS的I/O模块读取物理记录且转换为内部记录传 递到DBMS的系统缓冲区，并通知DBMS。 7）DBMS读取缓冲区内部记录并转换为概念记录。
6
11.2数据库管理系统DBMS的模式结构


用户界面是使用者与数据库系统之间的一条分界线， 界线下面用户是不可知的，有了外模式用户不必关 心概念模式及其以下的细节。 内模式：即存储模式，一个数据库只有一个内模式， 是数据物理结构和存储方式的描述，如堆存储或聚 簇存储、B+树索引或HASH索引、数据加密等。在 物理上看数据库中的数据是用一定的文件组织方式 构造起来的文件，数据库是文件的集合，但文件系 统中的文件是各自独立存在和使用的，而数据库中 的文件之间都存在着联系，数据库的文件是在数据 模型规约下的数据单位。
7
11.2数据库管理系统DBMS的模式结构



基于三级模式，DBMS要完成四种数据记录格式的 转换： 物理记录：DBMS进行外存磁盘与内存缓冲区之间 的读（写）要向OS的I/O模块发出请求，在其支持 下才能实施数据交换，内外存之间的数据交换的最 小单位就是一个物理记录，即块BLOCK。 内部记录：DBMS管理数据时在数据记录的基础上 要增加额外数据如指针和删除标志等，这些系统数 据是DBMS的内部记录。一个物理记录可能包含几 个内部记录。
10
11.3 DBMS的结构及工作原理






11.3.1. 主要功能： 定义功能：DDL三个模式、完整性安全性等约束； 操纵功能：DML四种数据操作； 存储管理功能：事务管理、缓冲区管理等； 保护功能：恢复、并发控制、安全性控制、完整性 控制； 维护功能：备份、性能监控、装载、工作日志等； 数据字典：对数据库的操作都要经过查阅DD才能实 现，除了三级模式，DD还存运行统计信息等， 一个DBMS和另一（多）个DBMS的通信。 11

2
11.1 数据库系统的组成
2.软件 DBMS、支持DBMS的OS、中间件、高级编程语言 及其编译系统、数据库应用开发工具、应用程序。 3.人员构成 DBA—数据库全系统 用户—客户端应用程序 应用程序员—DBMS的外模式 系统分析员和数据库设计员—DBMS的模式、内模 式和DB。
11.3 DBMS的结构及工作原理
11.3.3. DBMS的层次结构 和操作系统一样，按层次分析DBMS结构会更清晰 DBMS从高到低的层次：应用层、语言处理层、数 据存取层、数据存储层。 1. 运行示例—用户通过DBMS查询数据的过程 1）查询请求：应用程序A 向DBMS发出数据操作命 令，其包含一条读记录的DML语句，给出了记录的 类型。 2） DBMS从DD中调出A对应的外模式，核对是否 在授权范围内，检查语义等正确性。
21
11.3 DBMS的结构及工作原理





2）数据及数据联系的组织 DBMS根据数据和处理的要求自己设计文件结构或 选择操作系统提供的文件结构。 网状和层次数据库常用邻接法和链接法实现数据之 间联系，而关系数据库中实体和联系都用一种数据 结构“表”来表示，每个表对应一种文件结构，因 此实现了数据表示的单一性。 3）存取路径的组织 关系数据库中存取路径的物理组织采用B树文件结 构和HASH文件结构，在一个关系上可以人工建立 若干索引，优化模块也能自动建立索引。 22

3Fra Baidu bibliotek
11.2数据库管理系统DBMS的模式结构




11.2数据库管理系统DBMS的模式结构 型：对某一类数据的结构和属性的说明。 值：型的一个具体赋值。 模式SCHEMA：数据库中全体数据的逻辑结构和特 征的描述，仅仅涉及型的描述，不涉及具体赋值。 实例INSTANCE：模式的一个具体赋值，同一个模 式可以有许多实例。 模式相对稳定，而实例相对变化，因为数据库中的 数据在不断更新。
数据库设计与管理
数据库技术提高篇
1
第十一章 数据库管理系统结构
11.1 数据库系统的组成 数据库系统由数据库、数据库管理系统DBMS及其 开发工具、应用系统、数据库管理员DBA组成。 数据库外部体系结构为C/S、B/（M）/S或B/C/S混 合。 1. 硬件平台 数据服务器：本地服务器组、远程服务器组、中央 服务器—要求大内存、大磁盘阵列、高通道。 应用服务器、网络系统等。
11.3 DBMS的结构及工作原理





4.缓冲区管理 存储层的主要功能是存储管理，包括缓冲区管理、 内外存交换、外存管理，其中关键是缓冲区的管理。 存储层向存取层提供的接口是由定长页面组成的系 统缓冲区。 缓冲区由内存或虚存组成，由于内存空间紧张，既 不能让缓冲区占用太大的内存空间，也不能因空间 太小频频缺页。 缓冲区调用操作系统的操作为读和写。
11.4 Oracle数据库体系结构

11.4
23
11.5 分布式DBMS的工作原理

11.5
24
11.5 分布式DBMS的工作原理

11.5
25
8
11.2数据库管理系统DBMS的模式结构
概念记录：模式的一个逻辑数据单位。 外部记录：用户所需的数据记录。 三级模式结构的好处： 接口简单，使用方便。只需按外模式编写应用程序 数据共享。不同外模式可使用同一模式。 数据独立性。改变存储设备或组织方式，不用修改 应用程序。 数据安全性。每个用户只能操作其外模式范围内的 数据，有利于其他数据的安全保密。
18
11.3 DBMS的结构及工作原理





2）数据存取层的功能子系统 为了完成上述功能，存取层又细分为若干子系统。 记录存取、事务管理子系统； 日志登记子系统：与事务管理子系统紧密配合； 控制信息管理模块：保障其他系统的协作运行； 排序/合并子系统：支持自然连接等关系运算、重新 排序； 存取路径维护子系统； 封锁子系统：完成并发控制功能。 19
17
11.3 DBMS的结构及工作原理





3.数据存取层 1）数据存取层介于语言处理层和数据存储层之间， 主要任务： 提供一次一个元组的基本操作； 提供元组查找所循的存取路径如对索引记录的操作， 若索引采用B+树则提供B+树的建立、操作等； 对记录和存取路径的封锁、解锁操作； 日志文件的登记和读取操作； 其他辅助操作如排序、合并等。
15
11.3 DBMS的结构及工作原理


2.语言处理 用SQL语言表达的用户需求由语言处理层完成。 1）语言处理层的任务及工作流程 把用户提交给DBMS的数据库语句转换成可执行的 基本存取模块的调用序列。 对DDL语句及DCL语句的定义部分首先翻译成内部 表示，然后存储在数据字典中。 数据字典也用关系表表示，包括关系定义表、属性 表、视图表、视图属性表、用户表、权限表等。
16
11.3 DBMS的结构及工作原理


对DML语句首先进行词法分析和语法分析，把外部 关系名、属性名等转换为内部名，生成语法分析树； 接着根据数据字典检查权限、完整性、视图转换等； 然后对查询进行优化，分代数优化和存取路径优化 两类，后者要根据数据字典的信息，按照一定的优 化策略选择一个系统认为“较好”的存取方案 2）解释方法和预编译方法 把SQL语句转换成一串可执行的存取动作或序列的 过程，可在运行中进行或运行前进行，分别采用了 解释方法或预编译方法。
14
11.3 DBMS的结构及工作原理




8）DBMS把概念记录转换为外部记录送至用户工作 区。 9）DBMS填写工作日志。有些DBMS是优先写日志 10）DBMS把操作成功与否的信息填到用户工作区 的状态码中，作为对用户请求的回答。 11）用户分析查询结果。 以上操作分别由对应的各层次完成。
20
11.3 DBMS的结构及工作原理




4.数据库物理组织 数据库实现的基础是文件，对数据库的任何操作最 终要转化为对文件的操作。 文件系统中每个文件存储同质实体的数据，各文件 是孤立的；而数据库文件必须体现实体之间的联系， 支持数据库的逻辑结构—各种数据模型。 1）数据字典的组织 DD按不同的内容在逻辑上组织为若干张表，在物理 上对应若干文件而不是一个文件。

9
11.2数据库管理系统DBMS的模式结构




2. 两层映射 映射实质是一种对应规则，指出映射双方如何进行 转换，三级模式结构就是靠映射来连接和完成的。 模式/内模式映射：数据全局逻辑结构与存储结构之 间的对应关系，该映射包含在模式描述内。 数据全局逻辑结构即数据库模式是数据库的中心和 关键。 外模式/模式映射：外模式与模式之间的对应关系。 虽然外模式来自模式，但也可以作出改变，如数据 项名称这对不同用户的变化。
11.3 DBMS的结构及工作原理





11.3.2. 组成成分 DBMS是由完成上述功能的系统程序所组成的集合。 包含三部分： 1）语言处理部分：DDL、DML、DCL的编译或解 释程序； 2）系统运行控制部分：总控程序、存储管理器 （完整性管理、事务管理及并发控制、文件管理 等）、通信控制、安全性控制等程序； 3）数据库建立和维护部分：备份、恢复、性能监 12 控等程序。
4
11.2数据库管理系统DBMS的模式结构


1. 三级模式结构 DBMS由外模式、模式和内模式三级构成。
应用程序 应用程序 应用程序 应用程序
外模式
外模式
数据库
内模式
模式
5
11.2数据库管理系统DBMS的模式结构


模式：即概念模式或逻辑模式，是数据库中全部数 据的整体逻辑结构的描述，如组成记录的数据项、 记录间的联系、数据的完整性、安全性等。概念模 式介于外模式和内模式之间，使得内外两级中任何 一方的改变都不受另一方的牵制，这样使数据独立 性有一个坚实的基础。 外模式：即子模式或用户模式，是用户与数据库系 统的接口，是与某一应用有关的数据的逻辑表示， 通常是模式的子集，一个模式可以依据规则导出若 干个外模式，如在关系数据库中的关系运算规则。