【笔记】“俯瞰”数据库系统全貌

可以很明确地说，数据正在影响着我们生活的方方面面，特别是大数据技术的应用，明显地让我们的生活更加便利。在当今信息时代，对大多数互联网公司而言，数据无疑是一项具有重大价值并且可以创造出更多财富的资源。而数据是存储于数据库中的，为了管理这么多的数据，于是便顺势产生了数据库系统这个数据管理技术。和绝大多数技术一样，数据库系统这门技术包括很多细枝末节，要学习的第一步，肯定是要纵览全局，清楚这门技术，学的是什么。

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数据库技术结构.png

一、数据库技术的四个基本概念

数据——描述事物的符号记录（数字，图形，音频，视频等），是数据库中存储的基本对象。
数据库——长期储存在计算机内，有组织的、可共享的大量数据的集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织，描述和存储，具有较小冗余度，较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。
数据库管理系统——位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，和操作系统一样是计算机的基础软件。可完成数据定义功能、数据组织，存储和管理、数据操纵功能、数据库的事务管理和运行管理、数据库的建立和维护功能、与其他软件系统通信功能、不同数据管理系统或文件系统的数据转换功能等
数据库系统——由数据库、数据库管理系统（及其应用开发工具）、应用程序和数据库管理员组成的存储、管理、处理和维护数据的系统。

二、数据

（一）数据模型——对现实世界数据特征的抽象，是数据库系统的核心和基础。

1.数据模型的分类：

模型转换过程.png

（1）概念模型，按用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计，如E-R模型
一些概念：
实体—客观存在并可相互区别的事物称为实体，如一个学生
属性—实体所具有的某一特性，如学号，姓名，性别等
码—唯一标识实体的属性集，如学号
实体型—用实体名及其实体集合来抽象和刻画同类实体，如学生（学号、姓名、性别、出生年月）。
实体集—同一类型实体的集合。如，全体学生。
联系—通常指不同实体集之间的联系。实体间的联系有一对一、一对多和多对多等多种类型

（2）逻辑模型，按计算机系统的观点对数据建模，主要用于数据库管理系统的实现，其主要包括：
层次模型
网状模型
关系模型
面向对象数据模型
对象关系数据模型
半结构化数据模型

（3）物理模型，面向计算机系统的对数据最底层的抽象，描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，或在磁盘或磁带上的存储方式和存储方法。

2.数据模型的组成要素

（1）数据结构——描述数据库的组成对象以及对象之间的联系。是所描述的对象类型的集合，是对系统静态特性的描述。
（2）数据操作——是指对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则。是对系统动态特性的描述。
（3）数据的完整性约束条件——一组完整性规则。完整性规则是给定数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则。用以限定符合数据模型的数据库状态自己状态的变化，以保证数据的正确、有效和相容。

三、数据库

严格地讲，数据库是长期储存在计算机存储设备上，有组织的、可共享的大量数据的集合。
数据库中的数据按一定的数据模型组织，描述和存储，具有较小冗余度，较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。
概括地讲，数据库数据具有永久存储、有组织和可共享三个基本特点。

四、数据库管理系统

（一）特点：

1.数据结构化
数据库系统实现整体数据的结构化，是数据库的主要特征之一，也是数据库系统与文件系统的本质区别。整体结构化是指数据库中的数据不再仅仅针对某一个应用，而是面向整个组织或企业；不仅数据内部是结构化的，而且整体是结构化的，数据之间是具有联系的。

2.数据的共享性高、冗余度低且易扩充
数据库系统从整体角度看待和描述数据，数据不再面向某个应用而是面向整个系统，因此数据可以被多个用户、多个应用共享使用。数据共享，可以大大减少数据冗余，节约存储空间；能够避免在文件系统中出现的不同应用修改数据副本的不一致性；也容易选取整体数据的不同子集来增加新的应用系统，使得数据库系统弹性大，易于扩充。

3.数据独立性高——由数据库管理系统提供的二级映像功能来保证。
（1）物理独立性——指用户的应用程序与数据库中数据的物理存储是相互独立的。
（2）逻辑独立性——指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。

4.数据由数据库管理系统统一管理和控制
（1）数据的安全性保护——是指保护数据以防止不合法使用造成的数据泄密和破坏
（2）数据的完整性保护——指数据的正确性、有效性和相容性。
（3）并发控制——对多用户的并发操作加以控制和协调。
（4）数据库恢复——将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态（亦称为完整状态或一致状态）的功能。

（二）结构：

数据库管理系统结构.png

1.基本概念
（1）模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，即数据的结构和属性的说明，如，(学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯)
（2）实例，是模式的一个具体值，如，(201315130，李明，男，计算机系，19，江苏南京市)。
（3）同一个模式可以有很多实例。

2.数据库管理系统的三级模式结构
（1）模式，也称逻辑模式——是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。
（2）外模式，也称子模式或用户模式——是数据库用户(包括应用程序猿和最终用户)能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。
（3）内模式，也称存储模式，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，是数据在数据库内部的组织方式。

3.数据库的二级映像功能和数据独立性
（1）外模式/模式映像。当模式改变时(例如增加了新的关系、新的属性、改变属性的数据类型)，由数据库管理员对各个外模式/模式的映像作相应改变，可以使外模式保持不变。应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。
（2）模式/内模式映像。当数据库的存储结构改变时(如选用了另一种存储结构)，由数据库管理员对模式/内模式映像作相应改变，可以使模式保持不变，从而应用程序也不必改变。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。

（三）常见：

常见数据库管理系统.png

五、数据库系统

(1)硬件平台及数据库
要有足够大的内存，存放操作系统、数据库管理系统的核心模块、数据缓冲区和应用程序
要有足够大的磁盘或磁盘阵列等设备存放数据库，有足够大的磁盘(或光盘)作数据备份。
要求系统有较高的通道能力，以提高数据传输效率。
(2)软件
数据库管理系统，数据库建立、使用和维护配置的系统软件。
支持数据库管理系统运行的操作系统。
具有与数据库接口的高级语言及其编译系统，便于开发应用程序
以数据库管理系统为核心的应用开发工具。
为特定应用环境开发的数据库应用系统。
(3)人员
a.数据库管理员
决定数据库中的信息内容和结构
决定数据库的存储结构和存取策略
定义数据的安全性要求和完整性约束条件
监控数据库的使用和运行
数据库的改进和重组、重构。

b.系统分析员和数据库设计人员
c.应用程序员
d.用户