数据库的基本概念与模式结构

本文描述了数据库的基本概念，并对模式结构进行了较为详细的介绍。

一、数据库的基本概念

1.数据库

数据库（Database，DB）是指长期存储在计算机内，有组织的、可共享的大量数据的集合。其具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并为各种用户所共享。

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2.数据库管理系统（DBMS）

位于用户和操作系统之间的一层数据管理软件，主要目标是使数据成为方便各种用户使用的资源，提高数据的安全性、完整性和可用性。

主要功能：

① 数据库定义功能。提供数据定义语言DDL（Data Definition Language），对各级数据模式进行精确定义。

② 数据库操纵功能。提供数据操纵语言DML（Data Manipulation Language），对数据进行追加、插入、修改、删除和检索操作。

③数据库运行控制功能。提供数据控制语言DCL（Data Control Language），对数据进行并发控制、数据的安全性控制、数据的完整性控制。

④数据组织、存储和管理功能。

⑤数据库的建立和维护功能。

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3.数据库系统（DBS）

由数据库及其管理软件组成的系统，一般由数据库、数据库管理系统、数据库管理员（DBA）、用户和程序组成。

4.数据管理技术的发展阶段

三个阶段：人工管理阶段、文件系统阶段和数据库系统阶段

①人工管理阶段

外部存储器只有磁带、卡片和纸带等，还没有磁盘等直接存取存储设备。软件只有汇编语言，数据处理方式：批处理。

特点

·计算机系统不提供对用户数据的管理功能

·数据不能共享

·不单独保存数据

②文件系统阶段

外部存储器已出现磁盘等直接存取的存储设备，数据处理方式：批处理&联机实时处理。

特点

·数据以“文件”形式可以长期保存在外部存储器的磁盘上。计算机的应用转向信息管理，因此要对文件进行大量的查询、修改和插入操作。

·数据的逻辑结构和物理结构有了区别，但是比较简单。

缺陷

数据冗余（因为文件间缺乏联系）、不一致性（数据冗余造成的）、数据联系弱（因为文件之间相互独立，缺乏联系）

③数据库系统阶段

克服了文件系统的缺陷，提供了对数据更高级、更有效的管理。此阶段的程序和数据的联系通过数据库管理系统来实现（DBMS）。

特点

·采用数据模型表示复杂的数据结构

·有较高的数据独立性

·数据库系统为用户提供了方便的用户接口

·数据库系统提供了数据控制功能（数据的并发控制、数据的恢复、数据完整性以及数据安全性）

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二、数据库系统的模式（Schema）结构

1. 三层模式结构

总的来说，下面这张图很好地概括了三层模式结构

①内模式

内部层有一个内模式，描述的是数据库的物理存储结构，使用一个物理模型，全面描述数据库中数据的全部细节和存取路径。

②模式（概念模式）

概念层有一个概念模式，为用户群体描述了整个数据库的结构。

③外模式（子模式）

外部层有许多外模式。每个外模式描述的是一个特定用户组所感兴趣的那部分数据库，而对该用户组隐藏了数据库的其他部分。外模式为用户提供了数据视图。对于同一个数据，不同的视图可能会有不同的表达方式。

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2. 模式间的映射与数据独立性

模式间的映射： 概念模式通过概念层到内部层的映射与内部模式相联系；而外部模式通过外部层到概念层的映射与概念模式相联系。

三层体系结构的目的： 保证数据的独立性——较低层的修改不会对较高层造成影响。

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数据的独立性
①逻辑独立性： 外部模式不受概念模式变化影响。对于概念模式的修改，例如新实体、属性或者联系的添加或删除，应该不影响已经存在的外模式，也不需要重新编写应用程序。
②物理独立性： 概念模式不受内部模式变化的影响。对内模式的修改，例如使用不同的文件组织方式或者存储结构，使用不同的设备，修改索引或散列算法，应该不影响概念模式或外部模式。对于用户而言，唯一需要注意的是对性能的影响。

下面的实例对于理解三层模式结构有所帮助。