851第13 講DBMS的基本功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、第第 13 講講 dbms的基本功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)庫技術(shù)數(shù)據(jù)庫技術(shù)1、dbms的基本功能的基本功能 數(shù)據(jù)庫定義數(shù)據(jù)庫定義 對數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)進行描述，包括外模式、模式、對數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)進行描述，包括外模式、模式、內(nèi)模式的定義；數(shù)據(jù)庫完整性的定義；安全保密定義內(nèi)模式的定義；數(shù)據(jù)庫完整性的定義；安全保密定義 (如用戶口令、級別、存取權(quán)限如用戶口令、級別、存取權(quán)限)；存取路徑；存取路徑 (如索引如索引)的定義。這些定義存儲在數(shù)據(jù)字典的定義。這些定義存儲在數(shù)據(jù)字典 (亦稱為系統(tǒng)目錄亦稱為系統(tǒng)目錄)中，是中，是dbms運行的基本依據(jù)。運行的基本依據(jù)。 數(shù)據(jù)存取數(shù)據(jù)存取 提供用戶對數(shù)據(jù)的操

2、作功能，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)提供用戶對數(shù)據(jù)的操作功能，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的檢索、插入、修改和刪除。一個好的的檢索、插入、修改和刪除。一個好的dbms應(yīng)該提應(yīng)該提供功能強、易學(xué)易用的數(shù)據(jù)操縱語言（供功能強、易學(xué)易用的數(shù)據(jù)操縱語言（dml）、方）、方便的操作方式和較高的數(shù)據(jù)存取效率。便的操作方式和較高的數(shù)據(jù)存取效率。 數(shù)據(jù)庫運行管理數(shù)據(jù)庫運行管理 這是指這是指dbms運行控制和管理功能。包括多用戶運行控制和管理功能。包括多用戶環(huán)境下的事務(wù)的管理和自動恢復(fù)、并發(fā)控制和死鎖檢環(huán)境下的事務(wù)的管理和自動恢復(fù)、并發(fā)控制和死鎖檢測測 (或死鎖防止或死鎖防止)、安全性檢查和存取控制、完整性檢、安全性檢查和存取控制、完

3、整性檢查和執(zhí)行、運行日志的組織管理等。這些功能保證了查和執(zhí)行、運行日志的組織管理等。這些功能保證了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的正常運行。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的正常運行。 數(shù)據(jù)組織、存儲和管理數(shù)據(jù)組織、存儲和管理 dbms要分類組織、存儲和管理各種數(shù)據(jù)，包要分類組織、存儲和管理各種數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)字典、用戶數(shù)據(jù)、存取路徑等。要確定以何括數(shù)據(jù)字典、用戶數(shù)據(jù)、存取路徑等。要確定以何種文件結(jié)構(gòu)和存取方式在存儲級上組織這些數(shù)據(jù)，種文件結(jié)構(gòu)和存取方式在存儲級上組織這些數(shù)據(jù)，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)組織和存儲的基本如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)組織和存儲的基本目標(biāo)是提高存儲空間利用率和方便存取，提供多種目標(biāo)是提高存儲空間利用率和方便

4、存取，提供多種存取方法（如索引查找、存取方法（如索引查找、hash查找、順序查找等）查找、順序查找等）提高存取效率。提高存取效率。 數(shù)據(jù)庫的建立和維護數(shù)據(jù)庫的建立和維護 包括數(shù)據(jù)庫的初始建立、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫包括數(shù)據(jù)庫的初始建立、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)儲和恢復(fù)、數(shù)據(jù)庫的重組織和重構(gòu)造以及性能的轉(zhuǎn)儲和恢復(fù)、數(shù)據(jù)庫的重組織和重構(gòu)造以及性能監(jiān)測分析等功能。監(jiān)測分析等功能。 其它功能其它功能 包括包括dbms的網(wǎng)絡(luò)通信功能，一個的網(wǎng)絡(luò)通信功能，一個dbms與另與另一個一個dbms或文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能；異構(gòu)數(shù)據(jù)或文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能；異構(gòu)數(shù)據(jù)庫之間的互訪和互操作能力等。庫之間的互訪和互操作能力等

5、。2、dbms的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) dbms與操作系統(tǒng)：與操作系統(tǒng)： 從計算機軟件系統(tǒng)的構(gòu)成看，從計算機軟件系統(tǒng)的構(gòu)成看，dbms是建立在操是建立在操作系統(tǒng)之上的軟件系統(tǒng)，是操作系統(tǒng)的用戶。操作系作系統(tǒng)之上的軟件系統(tǒng)，是操作系統(tǒng)的用戶。操作系統(tǒng)負責(zé)計算機系統(tǒng)的進程管理、作業(yè)管理、存儲器管統(tǒng)負責(zé)計算機系統(tǒng)的進程管理、作業(yè)管理、存儲器管理、設(shè)備管理、文件管理等，因此理、設(shè)備管理、文件管理等，因此dbms對共享數(shù)據(jù)對共享數(shù)據(jù)的組織、管理和存取離不開操作系統(tǒng)的支持。的組織、管理和存取離不開操作系統(tǒng)的支持。dbms遇到創(chuàng)建和撤銷進程、進程通信、讀寫磁盤、分配內(nèi)遇到創(chuàng)建和撤銷進程、進程通信、讀寫磁盤、分配

6、內(nèi)存等要求時必須請求操作系統(tǒng)的服務(wù)。例如，存等要求時必須請求操作系統(tǒng)的服務(wù)。例如，dbms讀取數(shù)據(jù)庫中記錄時就要調(diào)用操作系統(tǒng)讀取磁盤塊的讀取數(shù)據(jù)庫中記錄時就要調(diào)用操作系統(tǒng)讀取磁盤塊的操作，操作系統(tǒng)從磁盤取來的是一個物理塊，對物理操作，操作系統(tǒng)從磁盤取來的是一個物理塊，對物理塊的解釋通常由塊的解釋通常由dbms來完成。來完成。 不同操作系統(tǒng)提供了不同的服務(wù)方式，例如現(xiàn)代不同操作系統(tǒng)提供了不同的服務(wù)方式，例如現(xiàn)代操作系統(tǒng)不僅提供進程管理還進一步發(fā)展了線程的概操作系統(tǒng)不僅提供進程管理還進一步發(fā)展了線程的概念和技術(shù)。操作系統(tǒng)不同的服務(wù)方式，導(dǎo)致了念和技術(shù)。操作系統(tǒng)不同的服務(wù)方式，導(dǎo)致了dbms在實現(xiàn)技

7、術(shù)和實現(xiàn)方法上的諸多差異。對于同一個操在實現(xiàn)技術(shù)和實現(xiàn)方法上的諸多差異。對于同一個操作系統(tǒng)，作系統(tǒng)，dbms也可以有不同的實現(xiàn)選擇。也可以有不同的實現(xiàn)選擇。 在諸多影響在諸多影響dbms性能的因素中，性能的因素中，dbms在操作在操作系統(tǒng)上的運行方式尤為突出，例如系統(tǒng)上的運行方式尤為突出，例如dbms進程結(jié)構(gòu)方進程結(jié)構(gòu)方案的選擇是案的選擇是dbms實現(xiàn)中一個關(guān)鍵問題，它影響實現(xiàn)中一個關(guān)鍵問題，它影響dbms的整體設(shè)計思想和的整體設(shè)計思想和dbms的性能，影響的性能，影響dbms實現(xiàn)的難易程度。實現(xiàn)的難易程度。dbosdbmsdbmsdbms應(yīng)用應(yīng)用1應(yīng)用應(yīng)用2應(yīng)用應(yīng)用n2n方案方案 每個用戶進

8、程均有一個每個用戶進程均有一個dbms進程為之服務(wù)。進程為之服務(wù)。在此情況下，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的各個活躍進程是獨立運在此情況下，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的各個活躍進程是獨立運行的。行的。dbosdbms應(yīng)用應(yīng)用1應(yīng)用應(yīng)用2應(yīng)用應(yīng)用nn+1方案方案 一個一個dbms進程為所有用戶進程服務(wù)。在此情進程為所有用戶進程服務(wù)。在此情況下，況下，dbms進程的行為類似一個服務(wù)器進程的行為類似一個服務(wù)器(server)。 由于要設(shè)計自己的多任務(wù)處理機制和調(diào)度算法，由于要設(shè)計自己的多任務(wù)處理機制和調(diào)度算法，使得使得n+1方案的方案的dbms設(shè)計在整體上比設(shè)計在整體上比2n方案要復(fù)雜。方案要復(fù)雜。server要處理所有用戶的申請，

9、如果調(diào)度策略不當(dāng)或要處理所有用戶的申請，如果調(diào)度策略不當(dāng)或不能使數(shù)據(jù)庫進程獲得較高的優(yōu)先權(quán)，這種方案將導(dǎo)不能使數(shù)據(jù)庫進程獲得較高的優(yōu)先權(quán)，這種方案將導(dǎo)致瓶頸。致瓶頸。 另外，另外，n+1方案中要用到操作系統(tǒng)級的消息機制方案中要用到操作系統(tǒng)級的消息機制以實現(xiàn)多進程向單進程以及單進程向多進程的數(shù)據(jù)傳以實現(xiàn)多進程向單進程以及單進程向多進程的數(shù)據(jù)傳送。許多文獻指出消息系統(tǒng)是一種昂貴的設(shè)施，大多送。許多文獻指出消息系統(tǒng)是一種昂貴的設(shè)施，大多數(shù)操作系統(tǒng)中消息往返一次的開銷是幾干條指令。數(shù)操作系統(tǒng)中消息往返一次的開銷是幾干條指令。 n+1方案的一個優(yōu)點是可以采用多線程方案的一個優(yōu)點是可以采用多線程 (mul

10、ti-threaded)技術(shù)來實現(xiàn)，從而可大大提高系統(tǒng)性能，技術(shù)來實現(xiàn)，從而可大大提高系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)資源的開銷，簡化降低系統(tǒng)資源的開銷，簡化dbms許多部分的設(shè)計。許多部分的設(shè)計。這是因為線程機制使得這是因為線程機制使得n+!方案能用統(tǒng)一的方案能用統(tǒng)一的“線程線程”思想處理所有執(zhí)行流，其中包括思想處理所有執(zhí)行流，其中包括dbms核心的執(zhí)行流，核心的執(zhí)行流，這將省去所有后臺進程并能適應(yīng)系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)這將省去所有后臺進程并能適應(yīng)系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)的微內(nèi)核的微內(nèi)核 (micro-kernel)要求，使要求，使dbms的核心代碼的核心代碼簡明精巧、易于移植。簡明精巧、易于移植。 數(shù)據(jù)庫實例數(shù)據(jù)

11、庫實例(instance)： 一組操作系統(tǒng)進程和內(nèi)存區(qū)域的集合。一組操作系統(tǒng)進程和內(nèi)存區(qū)域的集合。oracle和和sql server 用它來管理數(shù)據(jù)庫訪問。常用用它來管理數(shù)據(jù)庫訪問。常用“數(shù)據(jù)庫服數(shù)據(jù)庫服務(wù)務(wù)”作為它的同義詞。作為它的同義詞。 數(shù)據(jù)庫實例就是用來訪問一個數(shù)據(jù)庫文件集的一數(shù)據(jù)庫實例就是用來訪問一個數(shù)據(jù)庫文件集的一個存儲結(jié)構(gòu)及后臺進程的集合。它使一個單獨的數(shù)據(jù)庫個存儲結(jié)構(gòu)及后臺進程的集合。它使一個單獨的數(shù)據(jù)庫可以被多個實例訪問（并行服務(wù)器方式）?？梢员欢鄠€實例訪問（并行服務(wù)器方式）。 windows nt上的每個數(shù)據(jù)庫上的每個數(shù)據(jù)庫實例作為一個包含多實例作為一個包含多個輕便的運行

12、后臺線程的單一進程執(zhí)行。每個后臺服務(wù)個輕便的運行后臺線程的單一進程執(zhí)行。每個后臺服務(wù)器線程完成一個特點的系統(tǒng)功能。器線程完成一個特點的系統(tǒng)功能。 專用服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)專用服務(wù)器體系結(jié)構(gòu) oracle為每個連接到實例的客戶機啟動一個專用的為每個連接到實例的客戶機啟動一個專用的前臺服務(wù)器線程前臺服務(wù)器線程 。該線程只為其客戶機工作。該線程只為其客戶機工作?？蛻魴C客戶機實例實例專用服務(wù)器專用服務(wù)器數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫 多線程服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)（多線程服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)（mts）客戶機客戶機實例實例調(diào)度程序調(diào)度程序數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫共享服務(wù)器共享服務(wù)器請求與響應(yīng)隊列請求與響應(yīng)隊列 dbms的層次結(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu) 最上層是應(yīng)用層

13、，位于最上層是應(yīng)用層，位于dbms核心之外。它處理的對象是核心之外。它處理的對象是各種各樣的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。該層是各種各樣的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。該層是dbms與終端用戶和應(yīng)用程序與終端用戶和應(yīng)用程序的界面層。的界面層。 第第2層是語言翻譯處理層。它處理的對象是數(shù)據(jù)庫語言，層是語言翻譯處理層。它處理的對象是數(shù)據(jù)庫語言，如如sql。向上提供的數(shù)據(jù)接口是關(guān)系、視圖，即元組的集合。向上提供的數(shù)據(jù)接口是關(guān)系、視圖，即元組的集合。其功能是對數(shù)據(jù)庫語言的各類語句進行語法分析、視圖轉(zhuǎn)換、其功能是對數(shù)據(jù)庫語言的各類語句進行語法分析、視圖轉(zhuǎn)換、授權(quán)檢查、完整性檢查、查詢優(yōu)化等。通過對下層基本模塊的授權(quán)檢查、完整性檢查、查詢優(yōu)

14、化等。通過對下層基本模塊的調(diào)用，生成可執(zhí)行代碼。這些代碼的運行即可完成數(shù)據(jù)庫語句調(diào)用，生成可執(zhí)行代碼。這些代碼的運行即可完成數(shù)據(jù)庫語句的功能要求。的功能要求。 第第3層是數(shù)據(jù)存取層。該層處理的對象是單個元組。它把層是數(shù)據(jù)存取層。該層處理的對象是單個元組。它把上層的集合操作轉(zhuǎn)換為單記錄操作。執(zhí)行掃描上層的集合操作轉(zhuǎn)換為單記錄操作。執(zhí)行掃描 (如表掃描如表掃描)、排、排序、元組的查找、插入、修，改、刪除、封鎖等基本操作。完序、元組的查找、插入、修，改、刪除、封鎖等基本操作。完成數(shù)據(jù)記錄的存取、存取路徑維護、并發(fā)控制、事務(wù)管理等工成數(shù)據(jù)記錄的存取、存取路徑維護、并發(fā)控制、事務(wù)管理等工作。作。 第第4

15、層是數(shù)據(jù)存儲層。該層處理的對象是數(shù)據(jù)頁和系統(tǒng)緩層是數(shù)據(jù)存儲層。該層處理的對象是數(shù)據(jù)頁和系統(tǒng)緩沖區(qū)。執(zhí)行文件的邏輯打開、關(guān)閉、讀頁、寫頁、緩沖區(qū)讀和沖區(qū)。執(zhí)行文件的邏輯打開、關(guān)閉、讀頁、寫頁、緩沖區(qū)讀和寫、頁面淘汰等操作，完成緩沖區(qū)管理、內(nèi)外存交換、外存的寫、頁面淘汰等操作，完成緩沖區(qū)管理、內(nèi)外存交換、外存的數(shù)據(jù)管理等功能。數(shù)據(jù)管理等功能。數(shù)據(jù)存儲層數(shù)據(jù)存儲層操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)db數(shù)據(jù)存取層數(shù)據(jù)存取層翻譯處理層翻譯處理層應(yīng)用層應(yīng)用層 操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)是dbms的基礎(chǔ)。它處理的對象是數(shù)的基礎(chǔ)。它處理的對象是數(shù)據(jù)文件的物理塊。執(zhí)行物理文件的讀寫操作，保證據(jù)文件的物理塊。執(zhí)行物理文件的讀寫操作，保證dbms對數(shù)據(jù)邏輯上的讀寫真實地映射到物理文件對數(shù)據(jù)邏輯上的讀寫真實地映射到物理文件上。操作系統(tǒng)提供的存取原語和基本的存取方法通上。操作系統(tǒng)提供的存取原語和基本的存取方法通常作為和常作為和dbms存儲層的接口。存儲層的接口。 dbms運行過程示意圖運行過程示意圖應(yīng)用程序應(yīng)用程序數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)字典rdbmsosdb系統(tǒng)系統(tǒng)緩沖區(qū)緩沖區(qū)121 用戶發(fā)出用戶發(fā)出select命令命令2 dbms首先對命令進行語法首先對命令進行語法查。語法檢查通過后，進行語查。語法檢查通過后，進行語義檢查和存取權(quán)限檢查。義檢查和