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(jìn)行描述，包括外模式、模式、對數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yùn)行的基本依據(jù)。運(yùn)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)

2、據(jù)的操作功能，實(shí)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(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的檢索、插入、修改和刪除。一個(gè)好的的檢索、插入、修改和刪除。一個(gè)好的DBMS應(yīng)該提應(yīng)該提供功能強(qiáng)、易學(xué)易用的數(shù)據(jù)操縱語言（供功能強(qiáng)、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(yùn)行管理數(shù)據(jù)庫運(yùn)行管理 這是指這是指DBMS運(yùn)行控制和管理功能。包括多用戶運(yùn)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(dòng)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(dòng)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

3、制、完整性檢查和執(zhí)行、運(yùn)行日志的組織管理等。這些功能保證了查和執(zhí)行、運(yùn)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(yùn)行。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的正常運(yùn)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)，包括要分類組織、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。要確定以何種數(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)，如文件結(jié)構(gòu)和存取方式在存儲級上組織這些數(shù)據(jù)，如何實(shí)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何實(shí)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，提供多種存標(biāo)是提高存儲空間利

4、用率和方便存取，提供多種存取方法（如索引查找、取方法（如索引查找、Hash查找、順序查找等）提查找、順序查找等）提高存取效率。高存取效率。. 數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù) 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(gè)的網(wǎng)絡(luò)通信功能，一個(gè)DBMS與另與另一個(gè)一個(gè)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

5、操作能力等。.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(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的構(gòu)成看，從計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的構(gòu)成看，DBMS是建立在操作是建立在操作系統(tǒng)之上的軟件系統(tǒng)，是操作系統(tǒng)的用戶。操作系統(tǒng)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(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)程管理、作業(yè)管理、存儲器管理、負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)程管理、作業(yè)管理、存儲器管理、設(shè)備管理、文件管理等，因此設(shè)備管理、文件管理等，因此DBMS對共享數(shù)據(jù)的組織、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。管理和存取離不開操作系統(tǒng)的支持。DBMS遇到創(chuàng)建和遇到創(chuàng)建和撤銷進(jìn)程、進(jìn)程通信、讀寫磁盤、分配內(nèi)存等要求時(shí)撤銷進(jìn)程、進(jìn)

6、程通信、讀寫磁盤、分配內(nèi)存等要求時(shí)必須請求操作系統(tǒng)的服務(wù)。例如，必須請求操作系統(tǒng)的服務(wù)。例如，DBMS讀取數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)庫中記錄時(shí)就要調(diào)用操作系統(tǒng)讀取磁盤塊的操作，操作系記錄時(shí)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(gè)物理塊，對物理塊的解釋通常統(tǒng)從磁盤取來的是一個(gè)物理塊，對物理塊的解釋通常由由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(jìn)程管理還進(jìn)一步發(fā)展了線程的概操作系統(tǒng)不僅提供進(jìn)程管理還進(jìn)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D

7、BMS在實(shí)現(xiàn)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法上的諸多差異。對于同一個(gè)操在實(shí)現(xiàn)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法上的諸多差異。對于同一個(gè)操作系統(tǒng)，作系統(tǒng)，DBMS也可以有不同的實(shí)現(xiàn)選擇。也可以有不同的實(shí)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(yùn)行方式尤為突出，例如系統(tǒng)上的運(yùn)行方式尤為突出，例如DBMS進(jìn)程結(jié)構(gòu)方進(jìn)程結(jié)構(gòu)方案的選擇是案的選擇是DBMS實(shí)現(xiàn)中一個(gè)關(guān)鍵問題，它影響實(shí)現(xiàn)中一個(gè)關(guān)鍵問題，它影響DBMS的整體設(shè)計(jì)思想和的整體設(shè)計(jì)思想和DBMS的性能，影響的性能，影響DBMS實(shí)實(shí)現(xiàn)的難易程度。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

8、方案 每個(gè)用戶進(jìn)程均有一個(gè)每個(gè)用戶進(jìn)程均有一個(gè)DBMS進(jìn)程為之服務(wù)。在進(jìn)程為之服務(wù)。在此情況下，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的各個(gè)活躍進(jìn)程是獨(dú)立運(yùn)行此情況下，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的各個(gè)活躍進(jìn)程是獨(dú)立運(yùn)行的。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(gè)一個(gè)DBMS進(jìn)程為所有用戶進(jìn)程服務(wù)。在此情況進(jìn)程為所有用戶進(jìn)程服務(wù)。在此情況下，下，DBMS進(jìn)程的行為類似一個(gè)服務(wù)器進(jìn)程的行為類似一個(gè)服務(wù)器(Server)。. 由于要設(shè)計(jì)自己的多任務(wù)處理機(jī)制和調(diào)度算法，由于要設(shè)計(jì)自己的多任務(wù)處理機(jī)制和調(diào)度算法，使得使得N+1方案的方案的DBMS設(shè)計(jì)在整體上比設(shè)計(jì)在整體上比2N方案要復(fù)雜。方案要復(fù)雜。Server要

9、處理所有用戶的申請，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(jìn)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(jìn)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(jī)制方案中要用到操作系統(tǒng)級的消息機(jī)制以實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程向單進(jìn)程以及單進(jìn)程向多進(jìn)程的數(shù)據(jù)傳以實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程向單進(jìn)程以及單進(jìn)程向多進(jìn)程的數(shù)據(jù)傳送。許多文獻(xiàn)指出消息系統(tǒng)是一種昂貴的設(shè)施，大多送。許多文獻(xiàn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以采用多線程方案的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可

10、以采用多線程 (Multi-Threaded)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，從而可大大提高系統(tǒng)性能，技術(shù)來實(shí)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(jì)。許多部分的設(shè)計(jì)。這是因?yàn)榫€程機(jī)制使得這是因?yàn)榫€程機(jī)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(jìn)程并能適應(yīng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)這將省去所有后臺進(jìn)程并能適應(yīng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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

11、移植。. 數(shù)據(jù)庫實(shí)例數(shù)據(jù)庫實(shí)例(Instance)： 一組操作系統(tǒng)進(jìn)程和內(nèi)存區(qū)域的集合。一組操作系統(tǒng)進(jìn)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(shí)例就是用來訪問一個(gè)數(shù)據(jù)庫文件集的一個(gè)數(shù)據(jù)庫實(shí)例就是用來訪問一個(gè)數(shù)據(jù)庫文件集的一個(gè)存儲結(jié)構(gòu)及后臺進(jìn)程的集合。它使一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫可存儲結(jié)構(gòu)及后臺進(jìn)程的集合。它使一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫可以被多個(gè)實(shí)例訪問（并行服務(wù)器方式）。以被多個(gè)實(shí)例訪問（并行服務(wù)器方式）。 Windows NT上的每個(gè)數(shù)據(jù)庫上的每個(gè)數(shù)據(jù)庫實(shí)例作為一個(gè)包含多實(shí)例作

12、為一個(gè)包含多個(gè)輕便的運(yùn)行后臺線程的單一進(jìn)程執(zhí)行。每個(gè)后臺服務(wù)個(gè)輕便的運(yùn)行后臺線程的單一進(jìn)程執(zhí)行。每個(gè)后臺服務(wù)器線程完成一個(gè)特點(diǎn)的系統(tǒng)功能。器線程完成一個(gè)特點(diǎn)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)1) Oracle為每個(gè)連接到實(shí)例的客戶機(jī)啟動(dòng)一個(gè)專用為每個(gè)連接到實(shí)例的客戶機(jī)啟動(dòng)一個(gè)專用的前臺服務(wù)器線程的前臺服務(wù)器線程 。該線程只為其客戶機(jī)工作。該線程只為其客戶機(jī)工作。客戶機(jī)客戶機(jī)實(shí)例實(shí)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(jī)客戶機(jī)實(shí)例實(shí)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(duì)列請求與響應(yīng)隊(duì)列. DBMS的

13、層次結(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu) 最上層是應(yīng)用層，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，如層是語言翻譯處理層。它處理的對象是數(shù)據(jù)庫語言，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。其。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(jìn)行語法分析、視圖轉(zhuǎn)換、授功能是對數(shù)據(jù)庫語言的各類語句進(jìn)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

14、基本模塊的調(diào)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調(diào)用，生成可執(zhí)行代碼。這些代碼的運(yùn)行即可完成數(shù)據(jù)庫語句用，生成可執(zhí)行代碼。這些代碼的運(yùn)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(gè)元組。它把上層是數(shù)據(jù)存取層。該層處理的對象是單個(gè)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)、排序、排序、元組的查找、插入、修，改、刪除、封鎖等基本操作。完成數(shù)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(hù)、并發(fā)控制、事務(wù)管理等工作。據(jù)記錄的存取、存取路徑維護(hù)、

15、并發(fā)控制、事務(wù)管理等工作。 第第4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)讀和寫、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、外存的數(shù)據(jù)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。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(shí)地映射到物理文件對數(shù)據(jù)邏輯上的讀寫真實(shí)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(yùn)行過程示意圖運(yùn)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(jìn)行語法首先對命令進(jìn)行語法查。語法檢查通過后，進(jìn)行語查。語法檢查通過后，進(jìn)行語義檢查和存取權(quán)限檢查。義檢查