1. 数据库系统

数据（data）：描述事物状态或者属性的符号记录，在特定的语义下成为信息

数据库(database)：存储数据的仓库

  • 数据是有组织的
  • 数据的冗余度小
  • 数据是需要长期存储的
  • 数据的独立性较高

数据库管理系统（Database Management System,DBMS）：由一个互相关联的数据的集合和一组用以访问这些数据的程序组成，是位于用户应用程序与操作系统之间的一层系统软件

  • 定义：提供数据定义语言，定义数据库结构
  • 操纵：提供数据操纵语言，实现查询、插入、删除和修改等基本操作
  • 运行管理：确保数据的安全性、完整性和同步性等性质
  • 建立与维护：实现数据库的创建 、备份、恢复、监视、分析和优化等功能

数据库系统（Database System,DBS）：引入数据库技术后的整个计算机系统

2. 数据库面临问题

  • 冗余（redundancy）：相同的数据可能在不同位置的位置重复存储，浪费存储空间

  • 不一致性问题（inconsistentcy）：由于数据冗余，在某些位置对数据的修改并未同步到其他位置

  • 数据孤立（data isolation）：数据通常分散在多个文件和应用程序中，导致数据之间难以整合

  • 完整性问题（integrity）：缺乏机制来强制执行数据的一致性约束

  • 原子性问题（atomicity）：操作中途中断会导致不一样的结果

  • 安全性问题（security）：数据可能容易受到未经授权的访问或篡改

  • 访问困难（difficulty in accessing）：访问数据需要依赖于应用程序的定制代码，不支持以一种方便而高效的方式去获得数据

  • 并发访问异常（concurrent-access anomaly）：当多个用户或程序同时访问和修改文件时，可能会产生冲突

3. 数据库视图

3.1 数据模型

  • 关系模型（relational）：以表格形式存储，每个表由行（记录）和列（字段）组成

  • 实体-联系模型（entity-relationship）：使用E-R图直观地表示实体和属性之间的联系

  • 半结构化数据模型（semi-structured data）：允许某些类型的数据含有不同属性集，如标记（XML标签）或键值对（JSON对象）

  • 基于对象的数据模型（object-based data）：数据以类的形式存在，包含属性和方法

3.2 数据抽象

  • 物理层（physical）：描述数据在计算机存储介质上的具体布局和组织

  • 逻辑层（logical）：描述了数据库中的数据是什么，以及数据之间的关系

  • 视图层（view）：描述了用户如何查看和操作数据库中的数据

3.3 数据模式

实例（instance）：特定时刻存储在数据库中的信息的集合

模式（schema）：数据库的总体设计

模式对应于程序中的变量声明，实例对应于变量某一时刻的值

4. 数据库语言

4.1 数据定义语言

数据定义语言（Data Definition Language,DDL）：定义数据库模式，负责数据的存储和定义

  • 域约束（domain constraint）：数据类型约束、取值范围约束、非空约束、默认值约束等

  • 引用完整性（referential integrity）：确保一个关系中的外键一定存在于另一关系中

  • 授权（authorization）：确保只有特定的用户或角色可以对数据库对象进行操作

数据字典（data dictionary）：DDL的输出放在数据字典中，数据字段包含了元数据

4.2 数据操纵语言

数据操纵语言（Data Manipulation Language,DML）：用于对数据库中的数据进行操作，包括检索（query）、插入（insert）、删除（delete）和修改（update）

  • 过程化（procedural）：要求用户指定需要什么数据以及如何获得这些数据

  • 声明式（declarative）：要求用户指定需要什么数据

5. 数据库引擎

5.1 存储管理器（storage manager）

功能：负责数据的物理存储、管理和访问

  • 权限及完整性管理：检测是否满足完整性约束，并检查试图访问数据的用户权限
  • 事务管理：管理数据事务日志，保证即使系统发生故障数据库也保持在正确状态，并保证并发事务的执行不发生冲突
  • 文件管理：将数据从内存写入磁盘，以及从磁盘读取数据到内存
  • 缓冲区管理：管理数据库缓冲区，以减少磁盘I/O操作

数据结构：

  • 数据文件（data file）：存储数据库中实际数据
  • 数据字典（data dictionary）：存储数据库的元数据
  • 索引（index）：提供对数据项的快速访问

5.2 查询处理器（query processor）

  • DDL解释器（interpreter）：它解释DDL语句并将这些定义记录在数据字典中

  • DML编辑器（compiler）：将查询语言中的DML语句翻译为一个执行方案，包括一系列查询执行引擎能理解的低级指令

  • 查询执行引擎（query evaluation engine）：执行由DML编译器产生的低级指令，并将执行结果整理并返回给用户

5.3 事务管理器（transaction manager）

数据库的一致性状态：数据库在某一时刻符合所有预定义的约束、规则和逻辑的状态，即数据是准确度、完整的、正确的

事务（transaction）：在数据库中执行的一个操作序列，被视为一个单一的工作单元

  • 提交（commit）：如果事务中的所有操作都执行成功，事务会被提交，所有的更改会被保存到数据库中
  • 回滚（rollback）：如果事务中的任何操作执行失败，事务会被回滚，所有发生的更改都会被撤销，数据库恢复到事务开始之前的状态

事务的性质：ACID原则

  • 原子性（Atomicity）：要么事务中的所有操作都成功执行，要么事务中的所有操作都不执行
  • 一致性（Consistency）：事务的执行应将数据库从一个一致性状态转换到另一个一致性状态
  • 隔离性（Isolation）：事务的执行是独立的，不应受到其他事务的干扰，即一个事务的操作和中间结果对其他事务是不可见的，直到事务提交为止
  • 持久性（Durability）：一旦事务提交，其对数据库的更改是永久性的，即使系统发生崩溃或故障，提交后的数据更改仍然会被保留

日志（log）：记录了所有事务的操作，包括事务的开始、更新和提交或回滚等

事务管理器的核心部件：

  • 恢复管理器（recovery）：在系统故障时将数据库恢复到一致性状态，包括重做（Redo）或撤销（Undo）
  • 并发控制器（concurrency-control）：控制并发事务间的相互影响

6. 数据库体系结构

数据库系统体系结构：可以是集中式的，也可以是分布式的

两层应用体系结构

  • 客户端层（Client）：应用程序层，负责直接与数据库通信并展示结果
  • 服务器层（Server）：数据库管理系统，处理客户端的请求，执行数据库操作，并返回结果

三层应用体系结构

  • 视图层：前端应用程序，提供用户与系统交互的界面，负责数据的输入和输出
  • 应用层：应用服务器，包含业务逻辑，处理数据的计算和处理，协调用户请求与数据库之间的交互
  • 数据层：数据库管理系统，负责数据的存储、管理和访问

7. 数据库成员

  • 初学者用户（naive user）：使用事先已经定义好的用户界面同数据库进行交互

  • 应用程序员（application programmer）：编写应用程序的计算机专业人员

  • 老练用户（sophisticated user）：通过数据库查询语言或数据分析软件来与数据库进行交互

  • 数据库管理员（DataBase Administrator,DBA）：对数据和访问数据的程序进行集中控制

    • 模式定义（schema definition）：执行用DDL编写的一系列数据定义语句来创建最初的数据库模式
    • 存取方法定义（access-method definition）：定义高效检索数据的方法
    • 物理组织的修改（physical-organization modification）：根据数据库的使用情况或负载情况调整数据文件的分布、索引结构或存储介质，以优化性能或适应变化
    • 数据访问授权（granting for authorization）：控制用户和应用程序对数据库的访问权限
    • 日常维护（routine maintenance）
      • 周期性地备份数据库到远程服务器上
      • 监控数据库性能指标，识别和解决性能瓶颈
      • 管理数据库日志，跟踪数据库活动
      • 处理数据库故障和修复损坏的数据