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1、第第 13 讲讲 DBMS的基本功能和系统结构的基本功能和系统结构 数据库技术数据库技术1、DBMS的基本功能的基本功能 数据库定义数据库定义 对数据库的结构进行描述，包括外模式、模式、对数据库的结构进行描述，包括外模式、模式、内模式的定义；数据库完整性的定义；安全保密定义内模式的定义；数据库完整性的定义；安全保密定义 (如用户口令、级别、存取权限如用户口令、级别、存取权限)；存取路径；存取路径 (如索引如索引)的定义。这些定义存储在数据字典的定义。这些定义存储在数据字典 (亦称为系统目录亦称为系统目录)中，是中，是DBMS运行的基本依据。运行的基本依据。 数据存取数据存取 提供用户对数据的操
2、作功能，实现对数据库数据提供用户对数据的操作功能，实现对数据库数据的检索、插入、修改和删除。一个好的的检索、插入、修改和删除。一个好的DBMS应该提应该提供功能强、易学易用的数据操纵语言（供功能强、易学易用的数据操纵语言（DML）、）、方方便的操作方式和较高的数据存取效率。便的操作方式和较高的数据存取效率。 数据库运行管理数据库运行管理 这是指这是指DBMS运行控制和管理功能。包括多用户运行控制和管理功能。包括多用户环境下的事务的管理和自动恢复、并发控制和死锁检环境下的事务的管理和自动恢复、并发控制和死锁检测测 (或死锁防止或死锁防止)、安全性检查和存取控制、完整性检、安全性检查和存取控制、完
3、整性检查和执行、运行日志的组织管理等。这些功能保证了查和执行、运行日志的组织管理等。这些功能保证了数据库系统的正常运行。数据库系统的正常运行。 数据组织、存储和管理数据组织、存储和管理 DBMS要分类组织、存储和管理各种数据，包括要分类组织、存储和管理各种数据，包括数据字典、用户数据、存取路径等。要确定以何种数据字典、用户数据、存取路径等。要确定以何种文件结构和存取方式在存储级上组织这些数据，如文件结构和存取方式在存储级上组织这些数据，如何实现数据之间的联系。数据组织和存储的基本目何实现数据之间的联系。数据组织和存储的基本目标是提高存储空间利用率和方便存取，提供多种存标是提高存储空间利用率和方
4、便存取，提供多种存取方法（如索引查找、取方法（如索引查找、Hash查找、顺序查找等）提查找、顺序查找等）提高存取效率。高存取效率。 数据库的建立和维护数据库的建立和维护 包括数据库的初始建立、数据的转换、数据库包括数据库的初始建立、数据的转换、数据库的转储和恢复、数据库的重组织和重构造以及性能的转储和恢复、数据库的重组织和重构造以及性能监测分析等功能。监测分析等功能。 其它功能其它功能 包括包括DBMS的的网络通信功能，一个网络通信功能，一个DBMS与另与另一个一个DBMS或文件系统的数据转换功能；异构数据或文件系统的数据转换功能；异构数据库之间的互访和互操作能力等。库之间的互访和互操作能力等
5、。2、DBMS的系统结构的系统结构 DBMS与操作系统：与操作系统： 从计算机软件系统的构成看，从计算机软件系统的构成看，DBMS是建立在操作是建立在操作系统之上的软件系统，是操作系统的用户。操作系统系统之上的软件系统，是操作系统的用户。操作系统负责计算机系统的进程管理、作业管理、存储器管理、负责计算机系统的进程管理、作业管理、存储器管理、设备管理、文件管理等，因此设备管理、文件管理等，因此DBMS对共享数据的组织、对共享数据的组织、管理和存取离不开操作系统的支持。管理和存取离不开操作系统的支持。DBMS遇到创建和遇到创建和撤销进程、进程通信、读写磁盘、分配内存等要求时撤销进程、进程通信、读写
6、磁盘、分配内存等要求时必须请求操作系统的服务。例如，必须请求操作系统的服务。例如，DBMS读取数据库中读取数据库中记录时就要调用操作系统读取磁盘块的操作，操作系记录时就要调用操作系统读取磁盘块的操作，操作系统从磁盘取来的是一个物理块，对物理块的解释通常统从磁盘取来的是一个物理块，对物理块的解释通常由由DBMS来完成。来完成。 不同操作系统提供了不同的服务方式，例如现代不同操作系统提供了不同的服务方式，例如现代操作系统不仅提供进程管理还进一步发展了线程的概操作系统不仅提供进程管理还进一步发展了线程的概念和技术。操作系统不同的服务方式，导致了念和技术。操作系统不同的服务方式，导致了DBMS在实现技
7、术和实现方法上的诸多差异。对于同一个操在实现技术和实现方法上的诸多差异。对于同一个操作系统，作系统，DBMS也可以有不同的实现选择。也可以有不同的实现选择。 在诸多影响在诸多影响DBMS性能的因素中，性能的因素中，DBMS在操作在操作系统上的运行方式尤为突出，例如系统上的运行方式尤为突出，例如DBMS进程结构方进程结构方案的选择是案的选择是DBMS实现中一个关键问题，它影响实现中一个关键问题，它影响DBMS的整体设计思想和的整体设计思想和DBMS的性能，影响的性能，影响DBMS实实现的难易程度。现的难易程度。DBOSDBMSDBMSDBMS应用应用1应用应用2应用应用N2N方案方案 每个用户进
8、程均有一个每个用户进程均有一个DBMS进程为之服务。在进程为之服务。在此情况下，数据库系统的各个活跃进程是独立运行此情况下，数据库系统的各个活跃进程是独立运行的。的。DBOSDBMS应用应用1应用应用2应用应用NN+1方案方案 一个一个DBMS进程为所有用户进程服务。在此情况进程为所有用户进程服务。在此情况下，下，DBMS进程的行为类似一个服务器进程的行为类似一个服务器(Server)。 由于要设计自己的多任务处理机制和调度算法，由于要设计自己的多任务处理机制和调度算法，使得使得N+1方案的方案的DBMS设计在整体上比设计在整体上比2N方案要复杂。方案要复杂。Server要处理所有用户的申请，
9、如果调度策略不当或要处理所有用户的申请，如果调度策略不当或不能使数据库进程获得较高的优先权，这种方案将导不能使数据库进程获得较高的优先权，这种方案将导致瓶颈。致瓶颈。 另外，另外，N+1方案中要用到操作系统级的消息机制方案中要用到操作系统级的消息机制以实现多进程向单进程以及单进程向多进程的数据传以实现多进程向单进程以及单进程向多进程的数据传送。许多文献指出消息系统是一种昂贵的设施，大多送。许多文献指出消息系统是一种昂贵的设施，大多数操作系统中消息往返一次的开销是几干条指令。数操作系统中消息往返一次的开销是几干条指令。 N+1方案的一个优点是可以采用多线程方案的一个优点是可以采用多线程 (Mul
10、ti-Threaded)技术来实现，从而可大大提高系统性能，技术来实现，从而可大大提高系统性能，降低系统资源的开销，简化降低系统资源的开销，简化DBMS许多部分的设计。许多部分的设计。这是因为线程机制使得这是因为线程机制使得N+!方案能用统一的方案能用统一的“线程线程”思想处理所有执行流，其中包括思想处理所有执行流，其中包括DBMS核心的执行流，核心的执行流，这将省去所有后台进程并能适应系统软件设计与开发这将省去所有后台进程并能适应系统软件设计与开发的微内核的微内核 (Micro-Kernel)要求，使要求，使DBMS的核心代码的核心代码简明精巧、易于移植。简明精巧、易于移植。 数据库实例数据
11、库实例(Instance)： 一组操作系统进程和内存区域的集合。一组操作系统进程和内存区域的集合。Oracle和和SQL Server 用它来管理数据库访问。常用用它来管理数据库访问。常用“数据库服数据库服务务”作为它的同义词。作为它的同义词。 数据库实例就是用来访问一个数据库文件集的一个数据库实例就是用来访问一个数据库文件集的一个存储结构及后台进程的集合。它使一个单独的数据库可存储结构及后台进程的集合。它使一个单独的数据库可以被多个实例访问（并行服务器方式）。以被多个实例访问（并行服务器方式）。 Windows NT上的每个数据库上的每个数据库实例作为一个包含多实例作为一个包含多个轻便的运行
12、后台线程的单一进程执行。每个后台服务个轻便的运行后台线程的单一进程执行。每个后台服务器线程完成一个特点的系统功能。器线程完成一个特点的系统功能。 专用服务器体系结构专用服务器体系结构1) Oracle为为每个连接到实例的客户机启动一个专用每个连接到实例的客户机启动一个专用的前台服务器线程的前台服务器线程 。该。该线程只为其客户机工作。线程只为其客户机工作。客户机客户机实例实例专用服务器专用服务器数据库数据库 多线程服务器体系结构（多线程服务器体系结构（MTS）客户机客户机实例实例调度程序调度程序数据库数据库共享服务器共享服务器请求与响应队列请求与响应队列 DBMS的层次结构的层次结构 最上层是
13、应用层，位于最上层是应用层，位于DBMS核心之外。它处理的对象是核心之外。它处理的对象是各种各样的数据库应用。该层是各种各样的数据库应用。该层是DBMS与终端用户和应用程序与终端用户和应用程序的界面层。的界面层。 第第2层是语言翻译处理层。它处理的对象是数据库语言，如层是语言翻译处理层。它处理的对象是数据库语言，如SQL。向上提供的数据接口是关系、视图，即元组的集合。其向上提供的数据接口是关系、视图，即元组的集合。其功能是对数据库语言的各类语句进行语法分析、视图转换、授功能是对数据库语言的各类语句进行语法分析、视图转换、授权检查、完整性检查、查询优化等。通过对下层基本模块的调权检查、完整性检查
14、、查询优化等。通过对下层基本模块的调用，生成可执行代码。这些代码的运行即可完成数据库语句用，生成可执行代码。这些代码的运行即可完成数据库语句的功能要求。的功能要求。 第第3层是数据存取层。该层处理的对象是单个元组。它把上层是数据存取层。该层处理的对象是单个元组。它把上层的集合操作转换为单记录操作。执行扫描层的集合操作转换为单记录操作。执行扫描 (如表扫描如表扫描)、排序、排序、元组的查找、插入、修，改、删除、封锁等基本操作。完成数元组的查找、插入、修，改、删除、封锁等基本操作。完成数据记录的存取、存取路径维护、并发控制、事务管理等工作。据记录的存取、存取路径维护、并发控制、事务管理等工作。 第
15、第4层是数据存储层。该层处理的对象是数据页和系统缓冲层是数据存储层。该层处理的对象是数据页和系统缓冲区。执行文件的逻辑打开、关闭、读页、写页、缓冲区读和写、区。执行文件的逻辑打开、关闭、读页、写页、缓冲区读和写、页面淘汰等操作，完成缓冲区管理、内外存交换、外存的数据页面淘汰等操作，完成缓冲区管理、内外存交换、外存的数据管理等功能。管理等功能。数据存储层数据存储层操作系统操作系统DB数据存取层数据存取层翻译处理层翻译处理层应用层应用层 操作系统是操作系统是DBMS的基础。它处理的对象是数的基础。它处理的对象是数据文件的物理块。执行物理文件的读写操作，保证据文件的物理块。执行物理文件的读写操作，保
16、证DBMS对数据逻辑上的读写真实地映射到物理文件对数据逻辑上的读写真实地映射到物理文件上。操作系统提供的存取原语和基本的存取方法通上。操作系统提供的存取原语和基本的存取方法通常作为和常作为和DBMS存储层的接口。存储层的接口。 DBMS运行过程示意图运行过程示意图应用程序应用程序数据字典数据字典RDBMSOSDB系统系统缓冲区缓冲区121 用户发出用户发出Select命令命令2 DBMS首先对命令进行语法首先对命令进行语法查。语法检查通过后，进行语查。语法检查通过后，进行语义检查和存取权限检查。义检查和存取权限检查。3 DBMS进行查询优化。进行查询优化。4 DBMS在在缓冲区中查找记录。缓冲区中查找记录。如有，则转到如有，则转到9；否则，转到；否则，转到5。5 查看存储模式。查看存储模式。6 向向OS发出读取记录的命令。发出读取记录的命令。7 OS执行。执行。8 OS将数据送往缓冲区。将数据送往缓冲区。3 54678109119 导出用户所需数据格式。导出用户所需数据格式。10 将数据从缓冲区送往工作区。将数据从缓冲区送往工作区。11 将执行状态信息返回应用程序。将执行状态信息返回应用程序。
