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軟考數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)工程師知識(shí)點(diǎn)講解：數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　九、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1.DBMS的目標(biāo)

　　(1)用戶界面友好 對(duì)一個(gè)實(shí)用DBMS來(lái)說(shuō)，用戶界面的質(zhì)量直接影響其生命力。DBMS的用戶接口應(yīng)面向應(yīng)用，采用適合最終用戶的交互式、表格式、菜單式、窗口式等界面形式，以方便使用和保持靈活性。一般地說(shuō)，用戶界面應(yīng)具有可靠性、簡(jiǎn)單性、靈活性和立即反饋等特性。

　　(2)功能完備 DBMS功能隨系統(tǒng)的規(guī)模的大小而異。大型DBMS功能齊全，小型DBMS功能弱一些。DBMS主要功能包括數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)存取、事務(wù)控制、數(shù)據(jù)庫(kù)組織和存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)安全保護(hù)等等。我們?cè)谙旅嬗懻撨@些功能的內(nèi)容。

　　(3)效率高 系統(tǒng)效率包括三個(gè)方面:一是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部資源的使用效率。能充分利用資源(包括存儲(chǔ)空間、設(shè)備、CPU等)，并注意使各種資源負(fù)載均衡以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，二是DBMS本身的運(yùn)行效率。三是用戶的生產(chǎn)率。這是指用戶學(xué)習(xí)、使用DBMS和在DBMS基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)的效率。

　　2.DBMS的基本功能

　　(1)數(shù)據(jù)庫(kù)定義 對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)完整性的定義;安全保密定義(如用戶口令、級(jí)別、存取權(quán)限);存取路徑(如索引)的定義。這些定義存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)字典(亦稱為系統(tǒng)目錄)中，是DBMS運(yùn)行的基本依據(jù)。為此，提供數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言DDL。

　　(2)數(shù)據(jù)存取 提供用戶對(duì)數(shù)據(jù)的操縱功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的檢索、插入、修改和刪除。一個(gè)好的DBMS應(yīng)該提供功能強(qiáng)易學(xué)易用的數(shù)據(jù)操縱語(yǔ)言(DML)、方便的操作方式和較高的數(shù)據(jù)存取效率。DML有兩類(lèi):一類(lèi)是宿主型語(yǔ)言，一類(lèi)是自含型語(yǔ)言。前者的語(yǔ)句不能獨(dú)立使用而必須嵌入某種主語(yǔ)言，如C語(yǔ)言、COBOL語(yǔ)言中使用。而后者可以獨(dú)立使用，通常以供終端用戶交互使用和批處理方式兩種形式使用。

　　(3)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行管理 這是指DBMS運(yùn)行控制、管理功能。包括多用戶環(huán)境下的并發(fā)控制、安全性檢查和存取權(quán)限控制、完整性檢查和執(zhí)行、數(shù)據(jù)加密、運(yùn)行日志的組織管理、事務(wù)的管理和自動(dòng)恢復(fù)(保證事務(wù)的正確性)，這些功能保證了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　(4)數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)和管理 DBMS要分門(mén)別類(lèi)地組織、存儲(chǔ)各類(lèi)數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)字典(亦稱系統(tǒng)目錄)、用戶數(shù)據(jù)、存取路徑等等。要確定以何種文件結(jié)構(gòu)和存取方式在存儲(chǔ)級(jí)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(chǔ)的基本目標(biāo)是提高存儲(chǔ)空間利用率，選擇合適的存取方法確保較高存取(如隨機(jī)查找、順序查找、增、刪、改)效率。

　　(5)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和維護(hù) 包括數(shù)據(jù)庫(kù)的初始建立、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫(kù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)和恢復(fù)、數(shù)據(jù)庫(kù)的重組織和重構(gòu)造以及有性能監(jiān)測(cè)分析等功能。

　　(6)其它功能 包括DBMS與網(wǎng)絡(luò)中其它軟件系統(tǒng)的通信功能;一個(gè)DBMS與另一個(gè)DBMS或文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能等。

　　3.DBMS與操作系統(tǒng)

　　通常DBMS是建立在操作系統(tǒng)環(huán)境之上的。根據(jù)具體操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，DBMS可以用不同的方法利用操作系統(tǒng)的基本功能來(lái)實(shí)現(xiàn)DBMS。一般有下面3類(lèi)方法:

　　(1)共享模塊法

　　(2)分離進(jìn)程法

　　(3)和操作系統(tǒng)融合

　　4.DBMS程序模塊的組成

　　作為一個(gè)龐大的系統(tǒng)軟件，DBMS由眾多程序模塊組成，它們分別實(shí)現(xiàn)DBMS復(fù)雜而繁多的功能。數(shù)據(jù)庫(kù)定義方面 有DDL翻譯處理程序(包括外模式、模式、存儲(chǔ)模式處理程序)、保密定義處理程序(如授權(quán)定義處理程序)、完整性約束定義處理程序等。這些程序接收相應(yīng)的定義，進(jìn)行語(yǔ)法、語(yǔ)義檢查，把它們翻譯為內(nèi)部格式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)字典中。DDL翻譯程序還根據(jù)模式定義負(fù)責(zé)建立數(shù)據(jù)庫(kù)的框架(即形式一個(gè)空庫(kù))，等待裝入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)操縱方面 有DML處理程序、終端查詢語(yǔ)言解釋程序、數(shù)據(jù)存取程序、數(shù)據(jù)更新程序等。DML處理程序或終端查詢語(yǔ)言解釋程序?qū)τ脩魯?shù)據(jù)操縱請(qǐng)求進(jìn)行語(yǔ)法、語(yǔ)義檢查、由數(shù)據(jù)存取或更新程序完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的存取操作。數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行管理方面 有系統(tǒng)初啟程序，負(fù)責(zé)初始化DBMS、建立DBMS的系統(tǒng)緩沖區(qū)、系統(tǒng)工作區(qū) 打開(kāi)數(shù)據(jù)字典等等。還有安全性控制、完整性檢查、并發(fā)控制、事務(wù)管理、運(yùn)行日志管理等程序模塊，在數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)視著對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的所有操作，控制管理數(shù)據(jù)庫(kù)資源，處理多用戶的并發(fā)操作等。它們一方面保證用戶事務(wù)的正常運(yùn)行，一方面保證數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性和完整性。數(shù)據(jù)庫(kù)組織、存儲(chǔ)和管理方面 有文件讀寫(xiě)與維護(hù)程序、存取路徑(如索引)管理程序、緩沖區(qū)管理程序(包括緩沖區(qū)讀、寫(xiě)、淘汰等模塊)，這些程序負(fù)責(zé)維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)和存取路徑，提供有效的存取的方法。數(shù)據(jù)庫(kù)建立、維護(hù)和其它。有數(shù)據(jù)庫(kù)初始數(shù)據(jù)裝入程序、轉(zhuǎn)儲(chǔ)程序、恢復(fù)程序、數(shù)據(jù)庫(kù)重構(gòu)造程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序、通信程序等。DBMS的這些組成模塊互相聯(lián)系，互相依賴，共同完成DBMS復(fù)雜的功能。這些模塊之間的聯(lián)系有一定的層次關(guān)系。

　　5.DBMS的層次結(jié)構(gòu)

　　和操作系統(tǒng)一樣，可以也應(yīng)該將DBMS劃分成若干層次。許多DBMS實(shí)際上就是分層實(shí)現(xiàn)的。最上層是應(yīng)用層，位于DBMS核心之處。它處理的對(duì)象包括各種各樣的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用，如用宿主語(yǔ)言編寫(xiě)的應(yīng)用程序、終端用戶通過(guò)應(yīng)用接口(如FORMS)發(fā)出的事務(wù)請(qǐng)求等。該層是DBMS的最終用戶和應(yīng)用程序的界面層。第二層是語(yǔ)言翻譯處理層。它處理的對(duì)象是數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言，如SQL。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(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言的各類(lèi)語(yǔ)句進(jìn)行語(yǔ)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(guò)對(duì)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(kù)語(yǔ)句的功能要求。第三層是數(shù)據(jù)存取層。該層處理的對(duì)象是單個(gè)元組。它把上層的集合操作轉(zhuǎn)化為單記錄操作。執(zhí)行掃描、排序、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(hù)、并發(fā)控制、事務(wù)管理等工作。第四層是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。該層處理的對(duì)象是數(shù)據(jù)頁(yè)和系統(tǒng)緩沖區(qū)，執(zhí)行文件的邏輯打開(kāi)、關(guān)閉、讀頁(yè)、寫(xiě)頁(yè)、緩沖區(qū)讀和寫(xiě)、頁(yè)面淘汰等操作，完成緩沖區(qū)管理、內(nèi)外存交換、外存管理等功能。操作系統(tǒng)是DBMS的基礎(chǔ)，它處理的對(duì)象是數(shù)據(jù)文件的物理塊。執(zhí)行物理文件的讀寫(xiě)操作，保證DBMS對(duì)數(shù)據(jù)邏輯上的讀寫(xiě)真實(shí)地映射到物理文件上。操作系統(tǒng)提供的存取原語(yǔ)和基本的存取方法通常作為和DBMS存儲(chǔ)層的接口。