数据库技术与应用 教学课件 ppt 作者 第11章 数据库管理系统

1、第11章 数据库管理系统,本章学习目标,理解数据库管理系统的作用及基本功能。 理解数据库管理系统的层次结构，了解各层的作用和主要任务。 了解数据库管理系统的执行过程。 了解几款主流商用数据库管理系统。,本章概述,数据库管理系统是一种功能强大的用于操纵和管理数据的软件。本章将进一步详细讨论数据库管理系统的功能，介绍数据库管理系统的层次结构，包括应用层、语言翻译处理层、数据存取层、数据存储层、操作系统层，讨论各个层次的主要任务和功能，举例说明数据库管理系统的执行过程。最后简单介绍几款目前主流商用数据库管理系统。,主要内容,11.1 DBMS的基本功能,11.3 主流商用DBMS介绍,11.2 DBMS的系统结构,主要内容,11.1 DBMS的基本功能,11.3 主流商用DBMS介绍,11.2 DBMS的系统结构,11.1 DBMS的基本功能,不同的数据库管理系统在功能和性能上有一定的差异，但一般拥有以下基本的功能。 数据库的定义和创建 DBMS提供数据定义语言(DDL)定义和创建数据库模式、外模式、内模式等数据库对象。在关系数据库中就是建立数据库(或Schema)、表、视图、索引等。另外还

2、创建用户、安全保密定义(如用户口令、级别、角色、存取权限)、数据库的完整性定义。关于数据库的定义存储在数据字典中，是DBMS运行的基本依据。,数据库管理系统(Database Management System)是一种建立在操作系统之上，位于用户和操作系统之间，用于操纵和管理数据库的大型软件，简称DBMS。它对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。它提供了数据库系统的用户接口，用户通过它访问数据库中的数据，数据库管理员也通过它进行数据库的维护工作。,15.1.1 PowerDesigner建模工具简介,数据组织、存储和管理 DBMS要分类组织、存储和管理各种数据，包括数据字典、用户数据、存取路径等。DBMS要确定以何种文件结构和存取方式在存储器上组织这些数据，如何实现数据之间的联系。数据组织和存储的基本目标是提高存储空间利用率和方便存取，提供多种存取方法(如索引查找、Hash查找、顺序查找等)提高存取效率。 数据库的操作 DBMS提供数据操纵语言(DML)实现对数据的操作，包括：查询、插入、删除和更新。一个好的DBMS应提供功能强大易学易用的DML、便捷的操作方式和

3、高效的数据存取机制。 数据库的保护功能 DBMS对数据库的保护主要通过四个方面实现：1)数据库的恢复。在数据库被破坏或数据不正确时，系统有能力把数据库恢复到正确的状态。2)数据库的并发控制。在多个用户同时对同一个数据进行操作时，系统应能加以控制，防止破坏DB中的数据。3)数据完整性控制。保证数据库中数据及语义的正确性和有效性，防止任何对数据造成错误的操作。4)数据安全性控制。防止未经授权的用户存取数据库中的数据，以避免数据的泄露、更改或破坏。,15.1.1 PowerDesigner建模工具简介,数据库的维护 数据库的维护包括数据库的数据载入和转换、数据库的转储和恢复、数据库的改组以及性能监控等功能。 其他功能 首先包括DBMS与网络中其他软件系统的通信功能。例如DBMS之间或DBMS和文件系统之间的数据转换功能，异构数据库之间的互访和互操作功能等。此外，DBMS要不断发展新的数据管理技术，例如XML数据、流数据、空间数据、多媒体数据等。 与操作系统、编译系统等系统软件相比，DBMS跨度大、功能多，从最底层的存储管理、缓冲区管理、数据存取操作、语言处理到最外层的用户接口、数据表示、开发

4、环境的支持都是DBMS要实现的功能。因此，DBMS的实现，既要充分利用计算机硬件、操作系统、编译系统和网络通信等技术，又要强调对海量数据存储、管理和处理的支持，并保证数据存取和事务运行的高效率。,主要内容,11.1 DBMS的基本功能,11.2 DBMS的系统结构,11.3 主流商用DBMS介绍,11.2 DBMS的系统结构,11.2.1 DBMS的层次结构 同操作系统一样，可以将DBMS划分为若干层次，以便更清晰地了解DBMS，有助于DBMS的设计和维护。根据处理对象的不同，数据库管理系统的层次结构如图11-1所示，由高级到低级依次为应用层、语言处理层、数据存取层和数据存储层。下面依次介绍各层的主要任务。 1.应用层 应用层是DBMS与终端用户和应用程序的界面层，位于DBMS核心之外，处理各种数据库应用。例如用户通过应用接口发出的查询要求、事务请求等。 2.语言处理层 语言处理层主要是处理数据库语言，如SQL。语言处理层对数据库语言的各类语句进行语法分析、视图转换、安全性检查、完整性检查、查询优化等，通过对下层基本模块的调用，生成可执行代码。该层涉及的主要数据结构为元组、关系、视图等

5、逻辑数据结构。,11.2 DBMS的系统结构,RDBMS支持用户采用多种形式的语言编写数据库语句，例如交互式语言(如SQL)、嵌入式语言(如ESQL)、过程化语言(如PL/SQL和存储过程)。语言处理层的任务就是将用户以不同形式提交的数据库语句转换成对RDBMS内存可执行的基本存取模块的调用序列。,11.2 DBMS的系统结构,通常，数据库语言由DDL(Data Definition Language)、DCL(Data Control Language)和DML(Data Manipulation Language)三部分语句组成。DBMS对不同语句的处理方式也不同。 DDL负责数据的模式定义与数据的物理存取模式。对于DDL语句的处理相对简单，首先DDL语句翻译成内部表示，然后存储在数据字典中。其中，数据字典是数据库的重要组成部分，它包括用户表、属性表、试图表、用户权限表等重要内容，是执行处理DML语句、数据库管理系统运行管理的基本依据。 DCL负责数据完整性和安全性的定义与检查，同时完成并发控制和故障恢复等职能。对于DCL语句，如完整性约束的定义、用户存取权限的定义等的处理与DDL

6、一致。 DML负责数据的操纵处理，例如增加、删除、查询和修改等。对DML语句的处理过程比较复杂。首先，通过对DML语句的语法和词法分析，将便于用户记忆和使用的外部关系名、属性名转换为整齐划一的内部名，符号名转换时需存取数据字典。词法和语法分析通过后生成语法分析树，然后根据数据字典中的内容进行查询检查和查询优化，审核用户的存取权限和完整性检查。,11.2 DBMS的系统结构,3.数据存取层 数据存取层处理单个元组，将上层集合操作转换成单元组操作。完成扫描、排序、元组的查找、插入、更新、删除等基本操作，同时包括数据记录的存取、封锁、存取路径维护、并发控制、事务管理和恢复等工作。该层主要涉及的数据结构为逻辑数据记录、逻辑块、逻辑存取路径。 在实际的DBMS中，数据存取层功能是由多个功能子系统来完成的。它主要包括以下功能子系统。 存储子系统，用于保存数据的存取原语。 事物管理子系统，提供定义和控制事物的操作。 信息控制管理子系统，提供对数据字典中说明信息的读取、增加、修改和删除操作。 排序/合并子系统，根据用户要求输出有序结果、删除重复值、加速关系运算的处理过程，通常要对元组进行重新排序和合并

7、。 存取路径维护子系统，提供数据执行插入、删除、修改操作时对相应存储路径的维护。 封锁子系统，用于完成并发控制功能。 日志管理子系统，除了记录系统运行日志外，还和事务管理子系统配合来执行恢复任务，完成事务和数据库的恢复工作。,11.2 DBMS的系统结构,4.数据存储层 数据存储层的处理对象是数据页和系统缓冲区，执行文件的逻辑打开、关闭、读页、写页、缓冲区读和写、页面淘汰等操作，包括缓冲区管理、内外存交换、外存的数据管理等。该层涉及的数据结构为存储记录、块、块组成的系统缓冲区。 数据存储层中系统缓冲区的管理十分重要，系统缓冲区具有两方面的作用。首先，提供设备独立性。它把存储层以上各系统成分和真实的外存设备隔离，因此外存设备的变化不会影响其他系统成分。其次，提高存取效率。RDBMS利用缓冲区存储数据，当存取层读取数据时存储子系统首先在系统缓冲区中查找，当数据不在缓冲区时才从外存读取该数据所在的页面，这样就减少内外存数据页交换次数，提高存取效率。 操作系统是DBMS的基础，它处理的对象是数据文件的物理块。执行物理文件的读写操作，保证DBMS对数据逻辑上的读写真实地映射到物理文件上。操作系统

8、提供的存取原语和基本的存取方法通常作为和DBMS存储层的接口。 上述的DBMS层次结构划分的思想具有普遍性。当然具体系统在划分细节上会是多种多样。,11.2 DBMS的系统结构,11.2.2 DBMS的运行过程 DBMS是一个复杂有序的系统，下面介绍用户/应用程序通过DBMS来读取数据库中数据的过程。图11-2展示了DBMS执行查询的过程。,11.2 DBMS的系统结构,(1) 用户通过应用程序向DBMS发出调用数据库数据的命令，如SELECT命令。 (2) DBMS对命令进行语法检查、语义检查、用户存取权限检查，决定是否执行该命令。具体的过程是：DBMS读取数据字典，检查是否存在该关系及相应的字段，该用户是否能读取它们，是否拥有读取它们的权限。确认语义正确、存取权限合法后才执行该命令，否则拒绝执行，并返回错误信息。 (3) DBMS执行查询优化。优化器根据数据字典中的信息进行优化，并把命令转换为一串单记录的存取操作序列。 (4) DBMS执行存取操作序列(反复执行以下各步，直至结束)。 (5) DBMS首先在缓冲区内查找记录，若找到满足要求的记录就转到10，否则转到6。 (6) DB

9、MS查看存储模式，决定从哪个文件、采取什么方式读取哪个物理记录。 (7) DBMS根据6的结果，向操作系统发出读取记录的命令。 (8) 操作系统执行读取数据的命令。 (9) 操作系统将数据从数据库的存储区送到系统缓冲区。 (10) DBMS根据用户命令和数据字典的内容导出用户所要读取的数据格式。 (11) DBMS将数据记录从系统缓冲区传送到应用程序的用户工作区。 (12) DBMS将执行状态信息，如成功读取或失败的错误提示、例外状态信息等返回给应用程序。,11.2 DBMS的系统结构,对照在11.2.1节中给出的DBMS层次结构，可以将以上步骤做如下对应： 应用层执行第(1)步。 语言处理层执行第(2)、(3)步骤。 数据存取层执行第(4)、(10)、(11)、(12)步骤。 数据存储层执行第(5)、(6)、(7)步骤。 操作系统执行第(8)、(9)步骤。 对其他一些操作，如插入、删除、修改，其过程和上述读一个记录是类似的。 DBMS根据用户要求完成对数据库的操作，需要整个DBMS各层模块的互相配合来共同完成。,主要内容,11.1 DBMS的基本功能,11.3 主流商用DBMS介绍,11.2 DBMS的系统结构,11.3 主流商用DBMS介绍,目前主流的数据库管理系统都是关系型数据库管理系统，由于其数据结构简单，提供了非过程化的查询语言，并且有一套理论支持关系数据库的设计，所以得到了广泛的应用。下面介绍几种目前主流的数据库管理系统。 11.3.1 Oracle Oracle是由专门从事研究、开发关系型数据库管理系统的Oracle公司推出的DBMS。Oracle可在几十种机型(包括大、小、微机)、多种操作系统(如MVS、VMS、UNIX、LINUX、Macintosh、DOS等)下工作。Oracle作为一个最早商品化的关系型DBMS，是比较典型的完整系统，具有能存储大量数据、定义和操纵数据、并发控制、安全性控制、完整性控制、故障恢复、与高级语言的接口等功能。Oracle还是一个分布式 DBMS，支持各种分布式功能，如支持Web数据库等。Oracle使用PL/SQL语言执行各种操作。另外，Oracle还提供了许多数据库开发工具，使用户拥有良好的应用开发环境。Oracle也提供了对数据库的深层次应用的支持，如联

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