1、 數據庫技術從“實際研討到“原型開發與技術攻關再到“實踐產品研制和運用，曾經構成良性循環，成為計算機領域的勝利典范。 吸引了學術界和工業界眾多的科技人員，使得數據庫研討日新月異，新技術、新系統層出不窮，科技隊伍也不斷壯大。第十三章 數據庫技術新開展.數據庫技術開展概述數據庫開展的3個階段數據庫系統開展的特點數據庫技術開展趨勢小結第十三章 數據庫技術新開展.13.1 數據庫技術開展概述 數據庫技術產生于20世紀60年代中期，到今天為止僅僅40多年的歷史，卻曾閱歷了3代演化，培育了C.W.Bachman、E.F.Codd和James Gray三位圖靈獎得主。 開展了以數據建模和DBMS中心技術為主

2、，內容豐富的一門學科，帶動了一個宏大的軟件產業 DBMS產品及其相關工具和處理方案。 這40多年可謂成就輝煌。.13.1 數據庫技術開展概述 數據庫技術是計算機科學技術中開展最快的領域之一，也是運用最廣的技術之一，目前，它已成為計算機信息系統與運用系統的中心技術和重要根底。 當今數據庫系統是一個大家族，數據模型豐富多樣，新技術內容層出不窮，運用領域日益廣泛，當讀者步人數據庫領域時，面對眾多復雜的數據庫系統難免產生迷惑和混亂。.圖13.1經過一個三維空間的視圖從數據模型、新技術內容、運用領域3個方面，描畫了數據庫系統的開展、特點和相互關系。.13.1 數據庫技術開展概述 數據模型是數據庫系統的中

3、心和根底。按照數據模型的進展，數據庫技術可以相應地分為3個開展階段: 第一代的網狀、層次數據庫系統; 第二代的關系數據庫系統， 以及開展到今天以第三代數據庫系統為中心的數據庫大家族。.13.2 數據庫開展的3個階段 按照數據模型的進展,數據庫技術可以相應地分為三個階段:一、 第一代數據庫系統：層次和網狀數據庫系統 其代表是：1969年IBM公司研制的層次模型的數據庫管理系統IMSInformation Management System。美國數據庫系統言語協商會CODASYLConference On Data System Language下屬的數據庫義務組DBTGData Base Tas

4、k Group對數據庫方法進展了系統的研討、討論，于20世紀60年代初提出了假設干報告，稱為DBTG報告。DBTG報告確定了數據庫系統的許多概念、方法和技術。DBTG所提議的方法是基于網狀構造的。它是數據庫網狀模型的典型代表。. 層次數據庫是數據庫系統的先驅，而網狀數據庫那么是數據庫概念、方法、技術的奠基。 它們是數據庫技術中研討得最早的兩種數據庫系統。 兩者的區分是以數據模型為根底，層次數據庫的數據模型是分層構造的，而網狀數據庫的數據模型是網狀的，它們的數據構造都可以用圖來表示。 層次模型對應于有根定向有序樹，而網狀模型對應的是有向圖。所以，這兩種數據模型可以統稱為格式化數據模型。13.2

5、數據庫開展的3個階段.這兩種數據庫系統具有以下共同特點：1. 支持三級方式的體系構造 外方式、方式、內方式。方式之間具有轉換或稱為映射功能。2. 用存取途徑來表示數據之間的聯絡 數據之間的聯絡在層次和網狀數據庫系統中是用存取途徑來表示和實現的。例如，DBTG中一對多的聯絡用系Set來表示，而系普通是用指引元的方法實現的，因此系值就是一種數據的存取途徑。13.2 數據庫開展的3個階段.3. 獨立的數據定義言語 層次數據庫系統和網狀數據庫系統有獨立的數據定義言語，用以描畫數據庫的外方式、方式、內方式以及相互映象。諸方式曾經定義，就很難修正。4. 導航的數據支配言語 層次和網狀數據庫的數據查詢和數據

6、支配言語是一次一個記錄的導航式的過程化言語。這類言語通常嵌入某一種高級言語如COBOL，FORTRAN，PL/1中。 所謂導航就是指用戶不僅要了解“要干什么，而且要指出“怎樣干。用戶必需用某種高級言語編寫程序，一步一步地“引導程序按照數據庫中某一條預先定義的存取途徑來訪問數據庫，最終到達訪問的數據目的。13.2 數據庫開展的3個階段. 導航式的數據支配言語，優點是存取效率高，缺陷是編程繁瑣，給用戶編寫運用程序帶來了困難。 其設計在很大程度上依賴于設計者本人的閱歷和實際，因此只需具有計算機專業程度的運用程序員才干掌握和運用這類數據庫支配言語。 此外，運用程序的可移植性較差，數據的邏輯獨立性也較差

7、。13.2 數據庫開展的3個階段.二、 第二代數據庫系統關系數據庫系統 1970年美國IBM公司San Jose研討室的研討員E.F.Codd初次提出了數據庫系統的關系模型。 20世紀70年代是關系數據庫實際研討和原型開發的時代。其中以IBM公司San Jose研討室開發的System R和Berkeley大學研制的INGRES為典型代表。 經過大量的高層次的研討和開發獲得了一系列的成果。主要是：奠定了關系模型的實際根底，給出了人們一致接受的關系模型的規范闡明。13.2 數據庫開展的3個階段.研討了關系數據庫言語，有關系代數、關系演算、SQL言語及QBE等。這些描畫性言語一改以往程序設計言語和

8、網狀、層次數據庫系統中數據庫言語的風格，以其易學易懂的優點得到了最終用戶的喜歡，為20世紀80年代數據庫言語規范化打下了根底。 研制了大量的RDBMS的原型，攻克了系統實現中查詢優化、并發控制、缺點恢復等一系列關鍵技術。不僅大大豐富了DBMS實現技術和數據庫實際，更重要的是促進了RDBMS產品的蓬勃開展和廣泛運用。13.2 數據庫開展的3個階段. 關系數據庫是以關系模型為根底的。關系模型概括地講有三部分組成：1. 數據構造 數據構造包括域及域上定義的關系等。關系模型中，實體、實體與實體之間的聯絡都經過關系這種單一的構造類型來表示。2. 關系操作 關系操作的才干可用關系代數 或等價的關系演算中并

9、、交、差、廣義笛卡爾積、選擇、投影、銜接、除等操作來表示。關系操作的特點是集合操作。 3. 數據完好性 數據完好性包括實體完好性、參照完好性以及與運用有關的完好性。13.2 數據庫開展的3個階段. 關系模型建立在嚴厲的數學概念根底上，概念簡單、明晰，易于用戶了解和運用，大大簡化了用戶的任務。關系模型具有以下主要特點：關系模型的概念單一，實體以及實體之間的聯絡都用關系來表示；以關系代數為根底，方式化根底好；數據獨立性強，數據的物理存儲和存取途徑對用戶隱蔽。關系數據庫言語是非過程化的，將用戶從編程數據庫記錄的導航式檢索中解脫出來，大大降低了用戶編程的難度。13.2 數據庫開展的3個階段.三、 新一

10、代數據庫技術的研討和開展 從20世紀80年代以來,數據庫技術在商業領域的取大勝利刺激了其他領域對數據庫技術需求的迅速增長。 這些新的領域為數據庫運用開辟了新的天地，另一方面在運用中提出的一些新的數據管理的需求也直接推進了數據庫技術的研討與開展，尤其是面向對象數據庫系統Object Oriented DataBase System，簡稱OODBS的研討與開展。13.2 數據庫開展的3個階段.1、運用領域的需求 新的數據庫運用領域，如計算機輔助設計/管理CAD/CAM、計算機集成制造CIM、辦公信息系統OIS、地理信息系統GIS、知識庫系統和實時系統等，需求數據庫的支持，而其所需求的數據庫管理功能

11、有相當一部分是傳統的數據庫系統所不能支持的。13.2 數據庫開展的3個階段.2、傳統數據庫系統的局限性 傳統數據庫系統的局限性主要表如今以下幾個方面：. 面向機器的語法數據模型 傳統數據庫中采用的數據模型強調數據的高度構造化,是面向機器的語法數據模型。它們只能存儲離散的數據和有限的數據之間的關系，語義表示才干差，無法表示客觀世界中的復雜對象，即構造復雜、相互聯絡的語義也非常復雜的對象。從而限制了數據庫處置文本、超文本、圖形、圖像、CAD圖件、聲音等多種復雜對象，以及工程、地理、測繪等領域中的非格式化、非經典數據的才干。此外，傳統數據模型無法提示數據之間的深層含義和內在聯絡，缺乏數據籠統。 13

12、.2 數據庫開展的3個階段. 數據類型簡單、固定 傳統的DBMS只能了解、存儲和處置簡單的數據類型。如整數、浮點數、字符串、日期、貨幣等。傳統的RBMS只支持某一固定類型集，不能根據某一運用所需的特定數據類型來擴展其類型集。例如，不能定義包含三個實數分量的數據類型vector來表示三維向量。. 構造與行為分別 從運用程序員角度來看，在某一運用領域內標識的對象應包含兩個方面的內容：構造表示行為規格 前者可映射到數據庫方式，而后者在傳統的數據庫系統中那么完全失去了。13.2 數據庫開展的3個階段. 阻抗失配 在關系數據庫系統中，數據支配言語如SQL與通用程序設計言語之間的失配稱為阻抗失配。這種不匹

13、配表如今兩個方面：一是編程方式不同，描畫性的SQL言語與指令式的編程言語如C言語不同；二是類型系統不匹配，編程言語不能直接表示諸如關系這樣的數據庫構造，在其界面會喪失信息。進一步地，由于使兩個類型系統，自動的類型檢查也成了問題。. 被動呼應 傳統數據庫管理系統只能呼應和重做用戶要求它們做的事情，從這種意義上說，它們是被動呼應。13.2 數據庫開展的3個階段. 存儲、管理的對象有限 傳統的DBMS只存儲和管理數據，缺乏知識管理和對象管理的才干。 傳統數據庫管理中，主要進展的是數據的存儲、管理、查詢、排序和報表生成等比較簡單的、離散化的信息處置任務。數據庫中反映的是客觀世界中靜態、被動的現實。 傳

14、統的DBMS還缺乏描畫和表達知識的才干，缺乏對知識的處置才干，不具有演繹和推理的功能，因此無法滿足MIS，DSS，OA和AI等領域中進展高層管理和決策的要求，從而限制了數據庫技術的高級運用。13.2 數據庫開展的3個階段. 事務處置才干較差 傳統數據庫只能支持非嵌套事務。對長事務的呼應較慢，而且在長事務發生缺點時恢復也比較困難。13.2 數據庫開展的3個階段.3、新一代數據庫技術的特點面向對象的方法和技術對數據庫開展的影響最為深遠數據庫技術與多學科技術的有機結合面向運用領域的數據庫技術的研討4、第三代數據庫系統其根本特征為：第三代數據庫系統應支持數據管理、對象管理和知識管理第三代數據庫系統必需

15、堅持或承繼第二代數據庫系統的技術第三代數據庫系統必需對其他系統開放13.2 數據庫開展的3個階段.13.3 數據庫系統開展的特點一、數據模型的開展 數據庫的開展集中表如今數據模型的開展。從最初的層次、網狀數據模型開展到關系數據模型，數據庫技術產生了宏大的飛躍。 關系模型的提出，是數據庫開展史上具有劃時代意義的艱苦事件。 關系實際研討和關系數據庫管理系統研制的宏大勝利進一步促進了關系數據庫的開展，使關系數據模型成為具有統治位置的數據模型。 20世紀80年代之后，幾乎一切的數據庫系統都是關系的，它的運用遍及各個領域。.13.3 數據庫系統開展的特點 隨著數據庫運用領域的擴展，數據對象的多樣化，傳統

16、的關系數據模型開場暴顯露許多弱點，如對復雜對象的表示才干較差，語義表達才干較弱，缺乏靈敏豐富的建模才干，對文本、時間、空間、聲音、圖像和視頻等數據類型的處置才干差等。 為此，人們提出并開展了許多新的數據模型。這些嘗試是沿著如下幾個方向進展的。.13.3 數據庫系統開展的特點 1.對傳統的關系模型(1NF)進展擴展，引入了少數構造器，使它能表達比較復雜的數據類型，加強其構造建模才干，這樣的數據模型稱為復雜數據模型。 按照它們進展擴展的偏重點，復雜數據模型可分為兩種。 一種是偏重于構造的擴展。首先出現的這類模型是嵌套關系模型(NF2)。它能表達“表中表，并且表中的一個域可以是一個函數(稱為虛域)。

17、 另一種是偏重于語義的擴展，像U.C.Berkeley大學的POSTGRES系統。它支持關系之間的承繼，也支持在關系上定義函數和運算符，但關系的構造依然是一張平面表。表中表只能經過關系上定義的函數來模擬。.13.3 數據庫系統開展的特點 2.新提出和開展的數據模型相比關系模型來說添加了全新的數據構造器和數據處置原語，以表達復雜的構造和豐富的語義。這類模型中比較有代表性的是函數數據模型(FDM)、語義數據模型(SDM)、RM/T模型以及E-R模型等，經常統稱它們為語義數據模型。 它們的特點是引人了豐富的語義關聯(如ISA、ISP)，能更自然、恰當地表達客觀世界中實體間的聯絡。此外，由于擁有比較豐

18、富的構造構造器(如TUPLE、LIST、SET等)，它們也具有了很強的構造表達才干。.13.3 數據庫系統開展的特點 也許是由于語義數據模型比較復雜，在程序設計言語和技術方面沒有相應的支持，因此，它們都沒有在數據庫系統實現方面有艱苦的突破，只是作為數據庫設計中概念建模的一種工具(如E-R模型)。.13.3 數據庫系統開展的特點 3.將上述語義數據模型和面向對象的程序設計方法結合起來，我們提出了面向對象的數據模型。面向對象的數據模型吸收了面向對象程序設計方法學的中心概念和根本思想。 一個面向對象數據模型是用面向對象觀念來描畫現實世界實體(對象)的邏輯組織、對象間限制、聯絡等的模型。 一系列面向對

19、象中心概念構成了面向對象數據模型的根底。.13.3 數據庫系統開展的特點 對象關系數據庫系統是關系數據庫系統與面向對象數據模型的結合。 它堅持了關系數據庫系統的非過程化數據存取方式和數據獨立性,承繼了關系數據庫已有的技術,支持原有的數據管理，又能支持面向對象模型和對象管理。 .13.3 數據庫系統開展的特點4.XML數據模型 隨著互聯網的迅速開展，Web上各種半構造化、非構造化數據源曾經成為重要的信息來源，XML已成為網上數據交換的規范和數據界的研討熱點。 人們研討和提出了多種XML數據模型，還沒有公認的一致的XML數據模型。 W3C曾經提出的有:XML lnformation Set、Xpa

20、th1.0 Data Model、DOM model和XML Query Data Model。這四種模型都采用樹構造。在這些模型中，XML Query Data Model是較為完全的一種。 當前，DBMS產品都擴展了對XML的處置、存儲XML數據、支持XML和關系數據之間的相互轉換。.13.3 數據庫系統開展的特點二、數據庫技術與其它相關技術相結合數據庫技術與分布處置技術相結合，出現了分布式數據庫系統；數據庫技術與并行處置技術相結合，出現了并行數據庫系統；數據庫技術與人工智能技術相結合，出現了知識庫系統和自動數據庫系統；數據庫技術與多媒體技術結合，出現了多媒體數據庫系統；數據庫技術與模糊技

21、術相結合，出現了模糊數據庫系統等。.13.3 數據庫系統開展的特點一、并行數據庫系統 并行數據庫系統是在并行機上運轉的具有并行處置才干的數據庫系統。并行數據庫系統是數據庫技術與并行計算技術相結合的產物。 近十幾年來，數據庫運用曾經從商業事務處置迅速拓展到諸如超大型規模數據庫檢索、數據倉庫、OLAP聯機數據分析、數據發掘等運用領域。這些運用領域的特點是數據量宏大(TB甚至PB級)、查詢計算復雜，對數據庫系統的處置才干提出了非常高的要求，這些運用需求直接驅動了新一代高性能數據庫系統并行數據庫系統的研制。.13.3 數據庫系統開展的特點 隨著微處置機技術和磁盤陣列技術的提高，并行計算機的開展非常迅速

22、，出現了像Sequent、Tandem、Teradata和曙光機這樣一些商品化的并行計算機系統。 這些系統運用數個、數十個、甚至成百上千個廉價的微處置機協同任務，大大提高了性價比;而且，更為吸引人的是，這些系統由于廣泛地采用了磁盤陣列技術，添加了I/O的帶寬，能有效地處理運用中的I/O瓶頸問題。.13.3 數據庫系統開展的特點 并行數據庫系統研討不斷以三種并行計算構造為根底，它們是:共享內存(主存儲器)構造(Shared_Memory),簡稱SM構造;共享磁盤構造(Shared_Disk),簡稱SD構造;無共享構造(Shared_Nothing),簡稱SN構造。.13.3 數據庫系統開展的特點

23、 自并行數據庫的概念提出以來，國外的許多研討機構相繼研制出了各種構造平臺上的并行數據庫原型系統，例如加州Berkeley大學的XPRS系統、Colorado大學的Volcano系統、Wisconsin大學的Gamma系統等。 這些系統討論了并行數據庫實際和實現中的假設干重要問題，為并行數據庫的進一步開展奠定了堅實的基。與此同時，Teradata、Tandem以及Oracle、Sybase、Informix等傳統數據庫廠商都正在或曾經開發出本人的并行數據庫系統。 國內中國人民大學、哈爾濱工業大學等單位開展了對并行數據庫實際和系統實現技術的研討，開發了并行數據庫管理系統。.13.3 數據庫系統開展

24、的特點二、自動數據庫 自動數據庫(Active DataBase)是在傳統數據庫根底上，結合人工智能技術和面向對象技術產生的數據庫新技術。 相對于傳統數據庫的被動性而言，許多實踐的運用領域，如計算機集成制造系統、管理信息系統、辦公室自動化系統中經常希望數據庫系統在緊急情況下能根據數據庫的當前形狀，自動適時地做出反響，執行某些操作，向用戶提供有關信息。 傳統數據庫系統是被動的系統，它只能被動地按照用戶給出的明確懇求執行相應的數據庫操作，很難充分順應這些運用的自動要求。自動數據庫的主要目的是提供對緊急情況及時反響的才干。.13.3 數據庫系統開展的特點 自動數據庫通常采用的方法是在傳統數據庫系統中

25、嵌人ECA，即事件-條件-動作規那么，在某一事件發生時引發數據庫管理系統去檢測數據庫當前形狀，看能否滿足設定的條件，假設條件滿足，便觸發規定動作的執行。 為了有效地支持ECA規那么，自動數據庫的研討主要集中于處理以下問題。.13.3 數據庫系統開展的特點1.自動數據庫的數據模型和知識模型。即如何擴展傳統的數據庫模型，使之能描畫、存儲、管理規那么，順應自動數據庫的要求。2.執行模型。即規那么的處置和執行方式，是對傳統數據庫系統事務模型的開展和擴展。3.條件檢測。是自動數據庫系統實現的關鍵技術之一，由于條件復雜，如何高效地對條件求值對提高系統效率有很大的影響。.13.3 數據庫系統開展的特點4.事

26、務調度。與傳統數據庫系統中的數據調度不同，它不僅要滿足并發環境下的可串行化要求，而且要滿足對事務時間方面的要求，研討對執行時間估計的代價模型。5.體系構造。目前，自動數據庫的體系構造大多是在傳統DBMS根底上，擴展事務管理部件和對象管理部件以支持執行模型和知識模型，并添加事件偵測部件、條件檢測部件和規那么管理部件。6.系統效率。系統效率是自動數據庫研討中的一個重要問題，是設計各種算法和選擇體系構造時應主要思索的設計目的。.13.3 數據庫系統開展的特點三、面向運用領域的數據庫新技術 數據庫技術被運用到特定的領域中，出現了數據倉庫、工程數據庫、統計數據庫、空間數據庫、科學數據庫等多種數據庫，使數

27、據庫領域的運用范圍不斷擴展。 這些數據庫系統都明顯地帶有某一領域運用需求的特征。由于傳統數據庫系統具有局限性，無法直接運用當前DBMS市場上銷售的通用的DBMS來管理和處置這些領域內的數據對象，因此寬廣數據庫任務者針對各個領域的數據庫特征探求和研制了各種特定的數據庫系統，獲得了豐盛的成果，不僅為這些運用領域建立了可供運用的數據庫系統，有的已適用化，而且為新一代數據庫技術的開展做出了奉獻。.13.3 數據庫系統開展的特點一、數據倉庫Data Warehouse 是建立決策支持系統DSS的根底。二、工程數據庫Engineering Data Base 是一種能存儲和管理工程設計圖形和工程設計文檔，并能為工程設計提供各種效力的數據庫。三、統計數據庫Statistical Data Base 統計數據庫是一種用來對統計數據進展存儲、統計、分析的數據庫系統。四、空間數據庫Spatial Data Base 空間數據是用于表示空間物體的位置、外形、大小和分布特征等諸方面信息的數據，適用于描畫一切二維、三維和多維分布的關于區域的景象。 空間數據庫系統是描畫、存儲和處置空間數據及其屬性數據的數據庫系統。.13.4 數據庫技術的開展趨勢 數據、運用需求和計算機相關技術是推進數據庫開展的3個主要動力或3個重要要素。 一、信息特性和來源的變化 Internet、Web、科技、電子商務等曾經成為信息和