​《数据库系统概念》2-存储、事务等的简介

 

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一、关系型数据库简介
a)DML
SQL语言是非过程的，一次查询中，可以输入多张表，但结果只是一张表。比如
select instructor.name
from instructor
where instructor.dept_name=’history’，
查询语句定义了要查找dept_name列为history的数据，并显示name列，执行后得到的是一张表，只有一个name列，每个符合dept_name=’history’筛选条件的数据作为一行。
b) DDL
DDL可以定义表、约束、断言等，比如有如下创建表的语句：
create table department(
dept_name char(20),
building char(15),
budget numeric(12,2));
创建了表department和它的列，并指定了各列的数据类型。DDL语句会同时更新数据字典。

c) 从应用程序访问数据库
SQL语句没有通用的图灵机那么强大，有很多计算是SQL无法做到的，比如接收用户输入、显示内容、网络通讯等，这些功能必须使用像c、c++等宿主(host)语言来实现，然后在程序中嵌入SQL语言来访问数据库。
从应用程序访问数据库有两种方式：
提供应用程序接口来传递DML、DDL，然后取回结果。比如c语言的ODBC、java的JDBC等；
在应用程序中使用DML预编译器，然后通过扩展宿主语言的语法来嵌入DML调用。

二、数据库设计
需求分析阶段、概念设计阶段和实现阶段。
a)在概念设计阶段，要选择数据模型，将需求转化为schema，这个阶段的重点是对数据和数据关系进行描述。这个阶段要解决使用哪些(what)字段和怎样(how)组织这些字段的问题，前者是商业问题，后者才是计算机科学问题。
关于组织字段的的方式通常有两种，一种是使用E-R模型，一种是使用算法自动生成表。
这个阶段设计的schema需要满足对数据增删改查的要求，
b) 实现阶段，包括逻辑设计和物理设计两步，逻辑设计将高度抽象的概念模型转换为数据库实现，然后物理设计则解决文件的组织、存储结构等问题。
c) 不好的设计会造成信息的冗余以及缺乏表达某些信息的能力：

比如这张表同时包含了教师(id,name,salary)和部门信息，history信息在两行中都有，修改history的budget时需要两行都修改；而如果我们想增加一个部门时，就会暴露出这个设计表达能力不足的问题，因为只有先增加一个教师才能增加部门。

三、数据存储和检索
对一个数据库系统来说，存储管理器和查询处理器是非常重要的两部分。
a) 存储管理器
数据存储在硬盘上，CPU的和内存的速度大于硬盘的读取速度，所以它需要尽可能地减少数据在硬盘与内存之间的转移，并负责将DML语句翻译成物理层的命令。即存储管理器负责数据的增删改查，它包含的模块或功能有：
权限及完整性管理器：负责检查完整性约束、控制用户访问权限；
事务管理器：用于保证系统在发生故障时的一致（正确）状态，以及保证并发事物无冲突地执行；
文件管理器：负责硬盘空间的分配并管理保存在硬盘上的数据结构；
缓存管理器：负责将数据从硬盘读取到内存，并决定将哪些数据缓存到内存。缓存管理器是数据库系统的重要部分，有了缓存管理器，数据库才能够处理比内存容积大得多的数据。
存储管理器所操作的文件类型有：
数据文件：数据库本身
数据字典：对schema的描述
索引：用于提高检索效率，索引维护了一系列指向特定数据的指针

b) 查询处理器
包含多个部分：
DDL翻译器：翻译DDL指令并记录到数据字典
DML编译器：将DML语句编译成查询评估引擎能理解的低级指令。DML语句往往可以有不同的翻译，这些翻译的执行结果相同但性能不一，DML编译器也负责查询优化，选择性能最高的翻译方式。
查询评估引擎：执行由DML编译器生成的低级指令

四、事务管理
a) 某些对数据的的操作常常会形成单一的逻辑工作单元，比如转账，从A账户扣款M元，然后给B账户增加M元，这两步操作必须要么都成功，要么都失败，这样的要求也称为原子性（atomicity）；另外A、B账户的总和在操作事务前后保持不变，这称为一致性（consistency）。事务操作必须满足原子性和一致性，在操作过程中允许暂时地违背一致性（比如转账，A、B账户的增减需要过程）。
b) 一致性由开发人员来保证，而原子性由数据库自身来保证；
对于转账操作来说，开发人员需要合理地划分操作步骤，比如讲之分为从A账户转出和给B账户转入两步，如果将这两步划分为一个事务，则符合一致性，如果任何一步独立，则会违背一致性；

c) 数据库的恢复管理器负(recovery manager)负责原子性，实际应用中，事务难免会失败，这时要屏蔽失败的事务对数据库的影响（回滚到失败前的状态failure recovery）。
并发控制器（concurrency-control manager），在遇到事务需要并发执行时，无法保存操作前的状态，这时由并发控制器通过控制事务间的交互来保证一致性。
恢复管理器和并发控制器组成了事务管理器。

五、数据库结构(database architecture)
数据库的结构多种多样，比如有集中式(centralize)、服务端-客户端式、并行式(parallel)、分布式(distrubuted)等。
数据库的通用结构如图：

六、数据库的普通用户和管理员
数据库的用户可以分为普通用户(user)和管理员(administrator)
a)普通用户及对应的用户接口
依据用户期望的与数据库的交互方式可以进一步分为四类，对应有不同的用户接口
无经验的用户(naive user)：使用事先写好的程序与数据库交互，用户接口通常为表单；
开发者：负责编写数据库交互界面；
熟练的用户(sophisticate)：比如数据分析员，使用专业的分析软件或直接写SQL来与数据库交互；
专门的用户(specialized user)，编写特殊的数据库应用的人员，比如计算机辅助设计系统、知识库、专家系统、存储复杂数据结构（声音、图像）的系统等。
b)管理员(DBA)
通常DBA可以做的操作包括：
定义schema
定义数据的存储结构和访问方式
修改schema和数据的物理组织方式
访问权限控制
日常维护，比如定期备份、确保硬盘空间充足、监控数据库高效运行等

学习资料：Database System Concepts, by Abraham Silberschatz, Henry F.Korth, S.Sudarshan