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1、軟件數(shù)據(jù)庫的面向?qū)ο笠暯钦S著越來越多在線數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，并且通過計算機網(wǎng)絡(luò)越來越容易獲得，數(shù)據(jù)庫也變得更加重要了。今天，眾多領(lǐng)域的發(fā)展需求，例如，多媒體數(shù)據(jù)庫，互動視頻，流數(shù)據(jù)，數(shù)字圖書館等精彩視頻節(jié)目，人類基因圖和NASA的地球觀測系統(tǒng)等科學(xué)項目，以及公司對鞏固它們的決策支持處理和有用信息挖掘的渴望，正推動著數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的發(fā)展。在商業(yè)上，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)代表著最大和最具活力的市場之一。所以，有關(guān)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究回報豐厚！關(guān)鍵字：關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，面向?qū)ο?，概念模式，視圖一從歷史的角度回顧從數(shù)據(jù)庫的早期開始，存儲和操縱數(shù)據(jù)就一直是主要的應(yīng)用焦點。第一個通用的DBMS是由Charles Bechman

2、于20世紀60年代早期在通用電器公司設(shè)計的，稱為集成數(shù)據(jù)存儲(Integrated Data Store).它奠定了網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)。網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型由數(shù)據(jù)系統(tǒng)語言協(xié)會(CODASYL)標準化，并在整個20世紀60年代對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的影響。由于Bachman在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的貢獻，他成為第一個ACM圖靈獎（相當于計算機科學(xué)界的諾貝爾獎）的獲得者，并于1973年接受了這一獎勵。20世紀60年代末期，IBM成功開發(fā)了信息管理系統(tǒng)(IMS)DBMS。直至今天，它還在許多系統(tǒng)中使用。IMS奠定了另一個數(shù)據(jù)表達框架層次數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)。同時，美國航空公司和IBM聯(lián)合開發(fā)出用于飛機訂票的SABRE系統(tǒng)，它

3、允許多個用戶通過計算機網(wǎng)絡(luò)存取相同數(shù)據(jù)。有趣的是，今天SABRE系統(tǒng)被用于支持廣為流行的基于Web的旅游服務(wù)，如Travelocity。1970年，Edgar Codd在IBM的San Jose研究實驗室推出了一種新的，稱為關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)表達框架。這后來被證明是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)中的分水嶺：它推進了幾個基于關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的快速開發(fā)，并取得大量的理論成果，從而為數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域奠定了堅實的基礎(chǔ)。Coff因為其杰出的工作而獲得了1981年圖靈獎。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為學(xué)術(shù)學(xué)科已經(jīng)成熟了，而且關(guān)系型DBMS的普及改變了商業(yè)應(yīng)用前景。其益處被廣泛認同，使用DBMS來管理公司數(shù)據(jù)變得很普遍。在20世紀80年

4、代，關(guān)系模型鞏固了它作為主導(dǎo)DBMS模式的地位，而數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)繼續(xù)被廣泛使用。作為IBM的 System R項目的一部分而開發(fā)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫SQL查詢語言，現(xiàn)在成為了標準查詢語言。SQL于20世紀80年代末期得到標準化，目前的標準SQL:1999被美國國家標準協(xié)會（ANSI）和國際標準組織（ISO）接受。并發(fā)編程使用最廣的形式就是數(shù)據(jù)庫程序（稱為事務(wù)）的并發(fā)執(zhí)行。用戶編寫程序時不用考慮其他程序的運行，并發(fā)執(zhí)行操作由DBMS管理。James Gray因他對DBMS事務(wù)處理領(lǐng)域的貢獻而獲得了1999圖靈獎。也許，在DBMS的發(fā)展中，最重要的事是DBMS已經(jīng)進入了因特網(wǎng)時代。第一代Web站點是把數(shù)據(jù)存儲

5、在操作系統(tǒng)的文件中，而現(xiàn)在，使用DBMS存儲數(shù)據(jù)并通過Web瀏覽器瀏覽數(shù)據(jù)已變得越來越普遍。通過Web可存取的表單界面來產(chǎn)生查詢請求，并使用諸如HTML的標記語言將查詢結(jié)果格式化，從而便于在瀏覽器中顯示。所有數(shù)據(jù)庫提供商都在增加它們的DBMS功能，使之更適于在因特網(wǎng)上部署。二物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計簡介與數(shù)據(jù)庫設(shè)計的其他方面一樣，我們要根據(jù)數(shù)據(jù)的性質(zhì)和用途來進行物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計。特別是，我們必須了解數(shù)據(jù)庫所必須支持的典型的工作負載，工作負載是查詢和更新的混合體。用戶有一些特定的要求，如，某些查詢或更新的執(zhí)行速度應(yīng)該有多快，或者每秒鐘必須處理多少個事務(wù)等。在物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中，工作負載的描述和用戶的需求是

6、作出許多決策的基礎(chǔ)。 為了獲得一個好的物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計，我們還要調(diào)整系統(tǒng)的性能以滿足用戶的需求。設(shè)計者需要明白DBMS工作的細節(jié)，特別是DBMS所支持的索引和查詢處理技術(shù)。如果數(shù)據(jù)庫允許多個用戶并發(fā)訪問，或者是分布式數(shù)據(jù)庫，那么這是設(shè)計任務(wù)就變得更復(fù)雜了，還需要考慮DBMS的其他特點。三數(shù)據(jù)庫負載一個好的數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵是對所希望的負載有準確的描述。一個工作負載的描述包括以下幾個部分：1.一個查詢及其出現(xiàn)的頻率的列表，一個查詢的頻率指該查詢在所有的查詢和更新中所占的比例。2.更新及其出現(xiàn)的頻率列表。3.每一種查詢和更新類型所對應(yīng)的性能目標。對于在工作負載中的每個查詢，我們必須確定：需要訪問哪些關(guān)

7、系。需要保留那些屬性（在SELECT子句中）。在那些屬性上有選擇或連接條件（在WHERE子句中），以及這些條件具有多大的選擇性。類似地，對工作負載中每個更新，我們必須確定：在哪些屬性上有選擇或連接條件（在WHERE語句中），以及有多大的選擇性。更新的類型（INSERT,DELETE,UPDATE）以及所要更新的關(guān)系。對于UPDATE命令，要更新哪些字段。典型的查詢和更新都帶有參數(shù)，例如，借款或存款操作都涉及某個特定的帳號。這些參數(shù)的值決定了選擇和連接條件的選擇性。更新中包括一個查詢部分，用來找到目標元組。這個部分可以得益于一個好的物理設(shè)計和索引。另一方面，更新操作一般還要做一些額外的工作，以維

8、護所修改的屬性上的索引。這樣，盡管查詢總可以從索引受益，但是索引也可能使一個給定的更新加快或變慢。在生成索引時，設(shè)計者應(yīng)該在頭腦中進行一下權(quán)衡。四數(shù)據(jù)庫調(diào)整的必要性準確地講，在系統(tǒng)設(shè)計的初始階段，我們很難得到工作負載的詳細信息。所以在系統(tǒng)設(shè)計完以后，對數(shù)據(jù)庫的調(diào)整就變得很重要，我們必須按照實際的使用模式來對初始的設(shè)計進行求精，以便獲得好的性能。對于如何區(qū)別數(shù)據(jù)庫設(shè)計和數(shù)據(jù)庫調(diào)整，人們有不同的看法。一種看法認為，一旦初始模式、索引和聚簇決策已經(jīng)確定，那么設(shè)計過程也就結(jié)束了。接下去對概念模式或索引的任何改變，都被認為是對數(shù)據(jù)庫進行調(diào)整的活動。另一種看法是，對于概念模式的進一步求精（和受這些改進影響

9、的物理設(shè)計決策）也應(yīng)該是物理設(shè)計過程的一部分。如何區(qū)分設(shè)計和調(diào)整并不是很重要的（五）數(shù)據(jù)庫調(diào)整簡介當數(shù)據(jù)庫初始設(shè)計完成后，數(shù)據(jù)庫的實際使用提供了一些有用的詳細信息，它們可以用來對初始設(shè)計進行進一步求精。先前對工作負載的很多假設(shè)都可以用觀察到的模式來代替；一般來講，一些初始的關(guān)于工作負載的說明將得到驗證，其中有一些可能是錯誤的。關(guān)于數(shù)據(jù)大小的初始猜測可以用實際的數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計數(shù)字來代替（盡管這個信息會隨著系統(tǒng)的不斷進化而變化）。對于查詢的仔細監(jiān)測可龕發(fā)現(xiàn)一些預(yù)測不到的問題，例如，優(yōu)化器可能不使用某些索引，盡管這些索引可以產(chǎn)生好的計劃。 為了獲得可能的最好的性能，對數(shù)據(jù)庫進行連續(xù)的調(diào)整是很重要的。（

10、六）調(diào)整概念模式在數(shù)據(jù)庫設(shè)計期間，我們也許會意識到，在給定工作負載和任何一組可行的物理設(shè)計選擇的情況下，當前選擇的關(guān)系模式并不能滿足性能目標。如果是這樣，我們也許必須重新設(shè)計概念模式（而且還要重新檢查那些受到影響的物理設(shè)計決策）。在系統(tǒng)已經(jīng)運行了一段時間后，我們也許會認識到在初始設(shè)計期間或之后重新設(shè)計的必要性。一旦數(shù)據(jù)庫設(shè)計完成并且已經(jīng)被裝載數(shù)據(jù)了，如果要改變概念模式，就需要做出很大的努力去映射受到影響的關(guān)系的內(nèi)容。然而，有時需要根據(jù)使用系統(tǒng)的經(jīng)驗來對概念模式進行修正?，F(xiàn)在，我們從性能的角度來考慮概念模式（重新）設(shè)計中的一些問題。在對概念模式進行調(diào)整時我們必須考慮以下幾點：我們也許應(yīng)當采用3N

11、F設(shè)計來代替BCNF設(shè)計。如果將一個關(guān)系分解為3NF或BCNF有兩種方式，那么應(yīng)該根據(jù)工作負載來進行選擇。有時我們需要對一個應(yīng)景是BCNF的關(guān)系進一步分解。在某些情況下可能進行反規(guī)范化。也就是，可能將一組由一個大關(guān)系分解而得到的關(guān)系用它們的原大關(guān)系代替，盡管這樣會引起一些冗余的問題。而且，我們可能在特定的關(guān)系上加上一些字段來加速一些重要的查詢，即使這樣會導(dǎo)致對一些信息的冗余存儲（從而使得模式既不是3NF也不是BCNF）。關(guān)于規(guī)范化的討論集中在分解技術(shù)上，實際上就是對關(guān)系的垂直劃分。另一個技術(shù)是對關(guān)系進行水平劃分，這將導(dǎo)致兩個具有相同模式的關(guān)系。這里需要注意的是，這里討論的不是一個關(guān)系元組的物理

12、劃分；而是想創(chuàng)建兩個不同的關(guān)系（可能具有不同的約束和索引）。另外，在重新設(shè)計概念模式時，特別是如果調(diào)整一個現(xiàn)存數(shù)據(jù)庫的模式時，我們需要考慮是否定義視圖來向用戶隱藏這些改變，因為對于用戶來說原始的模式可能更自然一些。（七）調(diào)整查詢和視圖如果一個查詢比預(yù)計的要慢得多，那么我們就必須仔細檢查并找出問題。通過對查詢進行重寫，并且進行一些索引的調(diào)整，常常能夠解決問題。如果在視圖上的一些查詢運行得很慢，也可以進行類似的調(diào)整。當調(diào)整一個查詢時，第一件事就是確定系統(tǒng)是否使用了你所希望的執(zhí)行計劃。由于一些原因，有時系統(tǒng)可能沒有找到最好的執(zhí)行計劃。下面是很多優(yōu)化器都不能有效處理的一些情況：含有空值的選擇條件；選擇

13、條件含有算數(shù)或字符串表達式，或者使用OR進行條件連接。例如，如果在WHERE語句中有一個條件E.age=2*D.age，那么優(yōu)化器可能會正確利用現(xiàn)有的在E.age上的索引，但是不能正確利用在D.age上的索引。當將條件變?yōu)镋.age/2=D.age時，將會出現(xiàn)相反的情況。不能識別出一個復(fù)雜的執(zhí)行計劃，例如不能發(fā)現(xiàn)在GROUP BY語句中含有的聚集操作的查詢中的只讀索引掃描計劃。如果優(yōu)化器不太聰明，不能發(fā)現(xiàn)最好的執(zhí)行計劃（使用DBMS支持的一些訪問方法和執(zhí)行策略），一些系統(tǒng)允許用戶通過提供給優(yōu)化器一些提示來指導(dǎo)計劃的選擇。例如，用戶可能強迫系統(tǒng)使用特定的索引或連接的方法和順序。如果一個用戶希望以

14、這種方式來指導(dǎo)優(yōu)化，那么他應(yīng)該對優(yōu)化和給定的DBMS的能力有一個全面的理解。（八）其他專題移動數(shù)據(jù)庫便攜計算機和無線通信的應(yīng)用創(chuàng)建了一批移動數(shù)據(jù)庫用戶。一方面，這些用戶只是簡單地通過網(wǎng)絡(luò)來訪問數(shù)據(jù)庫，類似于分布式DBMS。另一方面，不論是網(wǎng)絡(luò)，還是數(shù)據(jù)和用戶，都有一些新的特性，這就影響了DBMS中的許多構(gòu)件，包括查詢引擎，事務(wù)管理程序和虎伏管理程序。通過無線連接的用戶帶寬是以太網(wǎng)的1/10左右，是ATM網(wǎng)的1/100左右。因此通信開銷比I/O和CPU開銷更高。用戶的位置通常是變動的，而且移動計算機的電池壽命是有限的。因此，除內(nèi)容傳輸開銷以及因位置的頻繁變動而產(chǎn)生的開銷外，真正的通信開銷體現(xiàn)在連

15、接時間和電池的使用上。通常將數(shù)據(jù)生成多個副本，以使從不同位置的訪問開銷最小化。當一個用戶移動的時候，一個事務(wù)可能需要從多個數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中訪問數(shù)據(jù)，此時丟失連接的可能性比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)要大。因此，集中式的事務(wù)管理也是不實際的，尤其是有些數(shù)據(jù)存儲在移動計算機上更是這樣。事實上，我們可能不得不放棄具有ACID特性的事務(wù)，而是為用戶程序開發(fā)其他的一致性方法。主存數(shù)據(jù)庫由于主存的價格已經(jīng)很便宜了，許多應(yīng)有可以購買足夠的主存來保存整個數(shù)據(jù)庫。而且，現(xiàn)代的CPU使用64位的尋址，有了很大的尋址空間。一些商用的數(shù)據(jù)庫已有幾個GB的主存。這促使重新考慮一些基本的DBMS設(shè)計決策，因為對于駐留內(nèi)存的數(shù)據(jù)庫，磁盤訪問不再是主要的處理時間。主存也不能幸免于系統(tǒng)崩潰，所以仍然需要實現(xiàn)日志和恢復(fù)機制，以保證事務(wù)的原子性和持久性。在提交事務(wù)的時候，日志記錄必須寫到固定的存儲中。這個處理可能會變成一個瓶頸。為了使該問題最小化，不是每完成一個事務(wù)就進行提交，而是收集已完成的事務(wù)，然后批