数据库系统概念学习 01. 概述

数据存储介质从打卡机、磁带、硬盘发展到网络服务的今天，数据库系统也发生了巨大变化。数据库存储的数据具有相关性和规范性，与一般的存储数据并不一样，但是最初这些关系数据就是用文件系统进行存储，这样做具体导致以下问题：

• 数据存储高度冗余
• 业务访问数据困难
• 无法保证安全（即权限属性）
• 无法进行并发操作
• 难以保证数据的一致性和完整性

以上问题是数据库系统需要解决的问题，也正是数据库系统与文件系统的区别。由操作系统的概念知道，文件系统本身是存储介质硬件设备的抽象，向用户屏蔽了硬件丑陋接口的实现细节。与文件系统不同的是，数据库不仅需要存储关系数据，也要定义对这些关系数据的操作，然而这就是数据库管理系统（DBMS）的定义了:

DBMS is a collection of interrelated data and a set of programs to access those data.

DBMS存在的意义在于为用户提供高效方便存取修改数据信息的介质，也就是向用户屏蔽数据存储和操作的繁琐细节，暴露给用户清晰简单易用的接口，使得用户可以从各个角度认识和理解管理的数据。这个接口就是视图（View of Data），是数据抽象的最上面一层视图层。

　　为了方便非计算机专业的用户理解并使用数据库系统，屏蔽实现细节，数据库的设计者们把数据库中的数据进行了分层抽象，即物理层、逻辑层和视图层。其中，物理层是使用硬件存储资源构建复杂的数据结构，向上层提供数据具体的存储单元的操作接口；逻辑层可以看作是具体实现关系代数；视图层是数据抽象的最高层，可以看作是对整个存储系统数据的抽象；当然，DBMS向用户提供的视图层通常不止一个。

　　与数据抽象（Data Abstraction）类似，数据模型（Data Model）是对数据库系统的抽象。数据库具体可以抽象为：　

• 数据（data）
• 数据关系（data relationships）
• 数据语义（data semantics）
• 数据限制（data constraints）

典型的数据模型有关系模型、E-R数据模型、面向对象数据模型、半结构数据模型，以及并不常用的网络模型、分层模型（Hierarchical Model）。

　　在具体的数据模型中，通过数据库语言对数据进行具体管理。数据库语言分为数据定义语言（Data Definition Language, DDL）和数据操作语言（Data Manlipulation Language, DML）。

　　DDL以用户的指令为输入，输出包含元数据（metadata）的数据字典（data dictionary），这个数据字典可以视作一种特殊的表（table），但是只有系统可以进行更改，并且系统在每次修改数据之前都要核对数据字典。总而言之，DDL确定了数据库的模式（schema）、限制（constaints）和权限（authorization）。这里要说的是，存储在数据库中的数据值必须满足一致性约束（consistency constraints）， 然后具体操作中，数据库更多的是测试检查数据的完整性约束（integrity constraints），禁止不合乎规范的数据进入数据库。

　　DML使得用户可以访问和操作某种具体的数据模型组织的数据。DML以需要访问和操作的数据作为输入，输出对应的数据。DML具体可以分为两种，Procedual DMLs（需要指定操作方式的数据操作语言）和Declarative DMLs（无需指定操作方式的数据操作语言），后者需要系统确定具体的数据操作方式。查询（query）仅仅是DML的一个部分，但是大多被混为一谈。

　　具体的数据库设计包含逻辑设计和物理设计先后两部分，具体方法有：正规化理论（Normalization Theory）和元关系建模（Entity Relationship Model）。数据库系统是复杂的系统，可以分为数据存储管理子系统和数据查询处理子系统。这些系统相互协作共同完成数据库系统的对数据的访问和操作。然而，这些相关的多个操作会构成单一的逻辑工作单元，即事务。事务具体有ACID属性（即原子性、一致性、隔离性、持久性）。为了完成这些设计需求，数据库系统通常架构较为复杂，如图所示：

　　　　

本章节算是全书的概要，从概念到设计，一应俱全，满满干货，明天继续:)