1、第四章 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)引論,4.1 DBMS結(jié)構(gòu)簡介,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心，它對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能和性能有決定性影響。 DBMS最基本的功能是正確、安全、可靠地執(zhí)行數(shù)據(jù)庫語言語句。圖4-1表示一個(gè)解釋執(zhí)行的關(guān)系DBMS的結(jié)構(gòu)，可以從中了解DBMS的一般工作原理和主要組成部分。 與高級程序設(shè)計(jì)語言一樣，DBMS有兩種實(shí)現(xiàn)方法編譯和解釋。,圖41 DBMS結(jié)構(gòu),4.2 事務(wù)（transaction）,事務(wù)是DBMS的執(zhí)行單位，由有限的數(shù)據(jù)庫操作序列組成,一般要求事務(wù)具備下列性質(zhì)：,1.執(zhí)行的原子性（Atomic） 事務(wù)執(zhí)行時(shí)應(yīng)遵守“要么不做，要么全做” （nothing or

2、 all）的原則。,2.功能上的一致性（Consistency） 事務(wù)的作用應(yīng)使數(shù)據(jù)庫由一個(gè)一致狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)一致狀態(tài)。,3.彼此的隔離性（Isolation） 如果多個(gè)事務(wù)并發(fā)執(zhí)行，應(yīng)像各個(gè)事務(wù)獨(dú)立執(zhí)行一樣。由“并發(fā)控制”保證。,4.作用的持久性（Durability） 一個(gè)成功執(zhí)行的事務(wù)對DB的影響應(yīng)是持久的，即使DB因故障受到破壞，也應(yīng)能恢復(fù)。,這四個(gè)性質(zhì)稱為事務(wù)的ACID準(zhǔn)則。,下面是一個(gè)事務(wù)的例子，它將款項(xiàng)由A賬戶撥給B賬戶。,示例,BEGIN TRAN read A AAS if A 0 then /* A款不足*/ begin display “A款不足” ROLLBACK /

3、*出口1*/ end else begin BB+S display “撥款完成” COMMIT /*出口2*/ end,ROLLBACK 撤銷事務(wù)的影響，相當(dāng)于“do nothing”,COMMIT 提交，相當(dāng)于“do all”。只有在COMMIT之后，事務(wù)對數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生的變化才對其它事務(wù)開放。（為什么？）,事務(wù)的出口：commit 或rollback 只有在執(zhí)行commit之后，事務(wù)對數(shù)據(jù)庫所產(chǎn)生的變化才對其他事務(wù)開放。 執(zhí)行commit命令時(shí)，要封閉中斷，以防處理中斷時(shí)發(fā)生故障,COMMIT,中斷,處理中斷,發(fā)生故障,4.3 DBMS的進(jìn)程結(jié)構(gòu),DBMS進(jìn)程結(jié)構(gòu)的劃分主要著眼于結(jié)構(gòu)合理和性

4、能提高。 應(yīng)用進(jìn)程，系統(tǒng)進(jìn)程（可重入）,應(yīng)用1,系統(tǒng),應(yīng)用2,系統(tǒng),不同,重復(fù),不劃分：,目前，多數(shù)DBMS把主要功能組成一個(gè)DBMS核心進(jìn)程，也有些DBMS除了核心進(jìn)程外，還把一些可以“緩辦”的公共操作組成幾個(gè)后臺服務(wù)進(jìn)程。 例如預(yù)讀取可能用到的物理塊，延遲寫入緩存中的內(nèi)容，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理，撤銷事務(wù)，清除異常結(jié)束的DBMS進(jìn)程等。這些進(jìn)程在DBMS啟動時(shí)就建立，為各個(gè)事務(wù)服務(wù)。,1.一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程對應(yīng)一個(gè)DBMS核心進(jìn)程,下面主要考慮DBMS核心進(jìn)程的結(jié)構(gòu)方案：,缺點(diǎn)： (1).進(jìn)程的創(chuàng)建、撤銷、通信和切換的開銷大。 (2).并發(fā)事務(wù)的增加，進(jìn)程數(shù)激增，內(nèi)存空間有限，性能下降。 (3).不利于事

5、務(wù)共享內(nèi)存空間。,優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)容易,2.單進(jìn)程多線程DBMS進(jìn)程結(jié)構(gòu),線程是現(xiàn)代OS引入的概念。,以線程為程序并發(fā)執(zhí)行的單位； 一個(gè)進(jìn)程中可創(chuàng)建多個(gè)可以相互切換的線程； 這些線程中至少有一個(gè)處于就緒狀態(tài)，進(jìn)程才處于就緒狀態(tài)； 進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，其中必有一個(gè)線程運(yùn)行； 同一進(jìn)程所屬的線程共享進(jìn)程占用的資源，屬于線程本身的專用資源很少，描述線程的狀態(tài)也比進(jìn)程要少，因此，線程所需資源比進(jìn)程少； 線程的切換開銷和線程間的通信開銷小。,單進(jìn)程多線程的DBMS中，系統(tǒng)只創(chuàng)建一個(gè)DBMS進(jìn)程（用戶接口仍然是進(jìn)程）。該進(jìn)程中有常駐的公共服務(wù)線程和應(yīng)用戶要求而創(chuàng)建的用戶線程。,在多處理機(jī)系統(tǒng)中，引入線程，增強(qiáng)了進(jìn)程的可

6、并發(fā)程度。,DBMS的并發(fā)執(zhí)行從進(jìn)程級改為線程級。,盡管很多現(xiàn)代OS的核心具有線程管理的功能，但對DBMS來說，還是在DBMS進(jìn)程（相對于OS，是用戶進(jìn)程）中實(shí)現(xiàn)線程為宜。理由如下：,（1）可以按照DBMS的需要確定線程調(diào)度策略；,（2）線程的切換在用戶態(tài)，不必轉(zhuǎn)入操作系統(tǒng)的核心態(tài)，切換開銷??；,（3）可以在不支持線程的操作系統(tǒng)上運(yùn)行，減少對操作系統(tǒng)的依賴，有利于提高操作系統(tǒng)的可移植性。,由DBMS管理線程，需要OS提供如下支持: （1）.提供非阻塞I/O（Nonblocking I/O）和異步I/O（asynchronous I/O）功能； （2）.支持“公平”調(diào)度（fair schedul

7、e）；,即不把具有多線程的DBMS進(jìn)程，與其它進(jìn)程等同看待，應(yīng)區(qū)分輕重。,4.4 DBMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),1.分時(shí)系統(tǒng)環(huán)境下的集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 應(yīng)用的要求以及軟硬件條件決定了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以集中為宜，數(shù)據(jù)庫建立在本單位的主要計(jì)算機(jī)上，用戶通過終端或遠(yuǎn)距離終端分時(shí)訪問。 數(shù)據(jù)及其管理都是集中的，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的所有功能，從用戶接口到DBMS核心都集中在DBMS所在的計(jì)算機(jī)上。,2.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu),20世紀(jì)70年代：微機(jī)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，改變了計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的格局。,客戶機(jī)/服務(wù)器是一種特殊的分布式處理系統(tǒng)。其中，有一至多臺稱為客戶機(jī)的計(jì)算機(jī)和一至多臺稱為服務(wù)器的

8、計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。,可以將DBMS的核心部分放在服務(wù)器中，而客戶機(jī)處理數(shù)據(jù)庫的接口部分?？蛻魴C(jī)也可以有自己的局部DBMS。,客戶機(jī)面向用戶，接受任務(wù)，并將任務(wù)中需要由服務(wù)器完成的部分委托服務(wù)器執(zhí)行。而服務(wù)器只接受客戶機(jī)的委托，完成特定的任務(wù)，例如數(shù)據(jù)庫服務(wù)。因此，處理是分布的，數(shù)據(jù)卻是集中的，仍屬于集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。,問題1： 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的打印服務(wù)器、文件服務(wù)器屬于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)嗎？,不屬于，打印服務(wù)器、文件服務(wù)器的處理仍然是集中的。,問題2： 如果有多個(gè)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器呢？還屬于集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)嗎？,即使系統(tǒng)中有多個(gè)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，也只是多個(gè)集中的數(shù)據(jù)庫，這些庫中的數(shù)據(jù)彼此獨(dú)立，其聯(lián)系只能由應(yīng)

9、用程序自己解決。,客戶器與服務(wù)器劃分界面的一般原則是：,（1）客戶提供用戶接口、執(zhí)行應(yīng)用程序，對服務(wù)器提出服務(wù)請求； （2）服務(wù)器只完成客戶器委托的公共服務(wù)； （3）服務(wù)器與客戶器間的數(shù)據(jù)交換量要盡可能的少；,例如，MS SQL Server，Oracle,三層結(jié)構(gòu)：,表示層,應(yīng)用層,DB,3.物理上分布、邏輯上集中的分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)集中管理是數(shù)據(jù)庫的主要特征。隨著單位規(guī)模的擴(kuò)大和地理上的分散，集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有如下缺點(diǎn)：,通信開銷大 性能差，瓶頸 可用性差,由于存在這些缺點(diǎn)，從20世紀(jì)70年代后期，開始了分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究。,可擴(kuò)充性差 難以管理,物理上分布、邏輯上集中的

10、分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的思想是：把全局?jǐn)?shù)據(jù)模式按數(shù)據(jù)的來源和用途，合理分布在系統(tǒng)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，使大部分的數(shù)據(jù)可以就近存取。 邏輯上，用戶看到的是一個(gè)數(shù)據(jù)模式為全局?jǐn)?shù)據(jù)模式的集中式數(shù)據(jù)庫。,缺點(diǎn)：全局?jǐn)?shù)據(jù)模式很難設(shè)計(jì)、管理、擴(kuò)充和修改（類似高度集中的計(jì)劃經(jīng)濟(jì)難以管理）。,4.物理上分布、邏輯上分布的分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu),（事實(shí)上，對大范圍統(tǒng)一的邏輯幾乎不可能） 特點(diǎn)： （1）節(jié)點(diǎn)自治 （2）沒有全局?jǐn)?shù)據(jù)模式,每個(gè)節(jié)點(diǎn)看到的數(shù)據(jù)模式： （1）本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)模式 （2）供本節(jié)點(diǎn)共享的其它節(jié)點(diǎn)上有關(guān)的數(shù)據(jù)模式,沒有全局?jǐn)?shù)據(jù)模式，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)模式的修改甚至節(jié)點(diǎn)的加入、撤離 ，僅僅影響有關(guān)的節(jié)點(diǎn)。 這種分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)又稱為“聯(lián)邦式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”（federated distributed database system）。,4.5 數(shù)據(jù)目錄,數(shù)據(jù)目錄（catalog）存放一組關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)（描述數(shù)據(jù)模式的數(shù)據(jù)），也叫元數(shù)據(jù)（meta-data）。 DBMS的任務(wù)是管理大量的、共享的、持久的數(shù)據(jù)，有關(guān)這些數(shù)據(jù)的描述需長期保存，一般把這些元數(shù)據(jù)組成若干表，即數(shù)據(jù)目錄。,數(shù)據(jù)目錄中一般包含下列表： SYSTAB、SYSCOL、SYSIDX、SYSVIEW、SYSVWATR,數(shù)據(jù)目錄既是數(shù)據(jù)，又不同于一般數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)目錄也是表，可供查詢，主要為DBMS服務(wù)，數(shù)據(jù)目錄本身的定義和描述也包含在數(shù)據(jù)