DBMS的基本功能和系统结构.ppt

第 13 讲 DBMS的基本功能和系统结构 数据库技术 1、DBMS的基本功能 数据库定义 对数据库的结构进行描述，包括外模式、模式、 内模式的定义；数据库完整性的定义；安全保密定义 (如用户口令、级别、存取权限)；存取路径 (如索引) 的定义。这些定义存储在数据字典 (亦称为系统目录) 中，是DBMS运行的基本依据。 数据存取 提供用户对数据的操作功能，实现对数据库数据 的检索、插入、修改和删除。一个好的DBMS应该提 供功能强、易学易用的数据操纵语言（DML）、方 便的操作方式和较高的数据存取效率。 数据库运行管理 这是指DBMS运行控制和管理功能。包括多用户 环境下的事务的管理和自动恢复、并发控制和死锁检 测 (或死锁防止)、安全性检查和存取控制、完整性检 查和执行、运行日志的组织管理等。这些功能保证了 数据库系统的正常运行。 数据组织、存储和管理 DBMS要分类组织、存储和管理各种数据，包 括数据字典、用户数据、存取路径等。要确定以何 种文件结构和存取方式在存储级上组织这些数据， 如何实现数据之间的联系。数据组织和存储的基本 目标是提高存储空间利用率和方便存取，提供多种 存取方法（如索引查找、Hash查找、顺序查找等） 提高存取效率。 数据库的建立和维护 包括数据库的初始建立、数据的转换、数据库 的转储和恢复、数据库的重组织和重构造以及性能 监测分析等功能。 其它功能 包括DBMS的网络通信功能，一个DBMS与另 一个DBMS或文件系统的数据转换功能；异构数据 库之间的互访和互操作能力等。 2、DBMS的系统结构 DBMS与操作系统： 从计算机软件系统的构成看，DBMS是建立在操作 系统之上的软件系统，是操作系统的用户。操作系统 负责计算机系统的进程管理、作业管理、存储器管理 、设备管理、文件管理等，因此DBMS对共享数据的组 织、管理和存取离不开操作系统的支持。DBMS遇到创 建和撤销进程、进程通信、读写磁盘、分配内存等要 求时必须请求操作系统的服务。例如，DBMS读取数据 库中记录时就要调用操作系统读取磁盘块的操作，操 作系统从磁盘取来的是一个物理块，对物理块的解释 通常由DBMS来完成。 不同操作系统提供了不同的服务方式，例如现代 操作系统不仅提供进程管理还进一步发展了线程的概 念和技术。操作系统不同的服务方式，导致了DBMS 在实现技术和实现方法上的诸多差异。对于同一个操 作系统，DBMS也可以有不同的实现选择。 在诸多影响DBMS性能的因素中，DBMS在操作 系统上的运行方式尤为突出，例如DBMS进程结构方 案的选择是DBMS实现中一个关键问题，它影响 DBMS的整体设计思想和DBMS的性能，影响DBMS实 现的难易程度。 DB OS DBMSDBMSDBMS 应用1应用2应用N 2N方案 每个用户进程均有一个DBMS进程为之服务。 在此情况下，数据库系统的各个活跃进程是独立运 行的。 DB OS DBMS 应用1应用2应用N N+1方案 一个DBMS进程为所有用户进程服务。在此情 况下，DBMS进程的行为类似一个服务器(Server)。 由于要设计自己的多任务处理机制和调度算法， 使得N+1方案的DBMS设计在整体上比2N方案要复杂 。Server要处理所有用户的申请，如果调度策略不当 或不能使数据库进程获得较高的优先权，这种方案将 导致瓶颈。 另外，N+1方案中要用到操作系统级的消息机制 以实现多进程向单进程以及单进程向多进程的数据传 送。许多文献指出消息系统是一种昂贵的设施，大多 数操作系统中消息往返一次的开销是几干条指令。 N+1方案的一个优点是可以采用多线程 (Multi- Threaded)技术来实现，从而可大大提高系统性能， 降低系统资源的开销，简化DBMS许多部分的设计。 这是因为线程机制使得N+!方案能用统一的“线程”思 想处理所有执行流，其中包括DBMS核心的执行流， 这将省去所有后台进程并能适应系统软件设计与开发 的微内核 (Micro-Kernel)要求，使DBMS的核心代码 简明精巧、易于移植。 数据库实例(Instance)： 一组操作系统进程和内存区域的集合。Oracle和 SQL Server 用它来管理数据库访问。常用“数据库服务 ”作为它的同义词。 数据库实例就是用来访问一个数据库文件集的一个 存储结构及后台进程的集合。它使一个单独的数据库可 以被多个实例访问（并行服务器方式）。 Windows NT上的每个数据库实例作为一个包含多 个轻便的运行后台线程的单一进程执行。每个后台服务 器线程完成一个特点的系统功能。 专用服务器体系结构 Oracle为每个连接到实例的客户机启动一个专用的 前台服务器线程 。该线程只为其客户机工作。 客户机 实例 专用服务器 数据库 多线程服务器体系结构（MTS） 客户机 实例 调度程序 数据库 共享服务器 请求与响应队列 DBMS的层次结构 最上层是应用层，位于DBMS核心之外。它处理的对象是 各种各样的数据库应用。该层是DBMS与终端用户和应用程序 的界面层。 第2层是语言翻译处理层。它处理的对象是数据库语言，如 SQL。向上提供的数据接口是关系、视图，即元组的集合。其 功能是对数据库语言的各类语句进行语法分析、视图转换、授 权检查、完整性检查、查询优化等。通过对下层基本模块的调 用，生成可执行代码。这些代码的运行即可完成数据库语句 的功能要求。 第3层是数据存取层。该层处理的对象是单个元组。它把上 层的集合操作转换为单记录操作。执行扫描 (如表扫描)、排序 、元组的查找、插入、修，改、删除、封锁等基本操作。完成 数据记录的存取、存取路径维护、并发控制、事务管理等工作 。 第4层是数据存储层。该层处理的对象是数据页和系统缓冲 区。执行文件的逻辑打开、关闭、读页、写页、缓冲区读和写 、页面淘汰等操作，完成缓冲区管理、内外存交换、外存的数 据管理等功能。 数据存储层 操作系统 DB 数据存取层 翻译处理层 应用层 操作系统是DBMS的基础。它处理的对象是数 据文件的物理块。执行物理文件的读写操作，保证 DBMS对数据逻辑上的读写真实地映射到物理文件 上。操作系统提供的存取原语和基本的存取方法通 常作为和DBMS存储层的接口。 DBMS运行过程示意图 应用程序 数据字典 RDBMS OS DB 系统 缓冲区 1 2 1 用户发出Select命令 2 DBMS首先对命令进行语法 查。语法检查通过后，进行语 义检查和存取权限检查。 3 DBMS进行查询优化。 4 DBMS在