第1章 数据库系统导论.ppt

1、第1部分 数据库系统基础 第1章 数据库系统导论,高级数据库系统及其应用,2020/7/8,2,第1章 数据库系统导论,数据模型,1.1,数据库方法特点与应用简史,1.2,数据库系统体系结构,1.3,数据库系统的发展与演化,1.4,2020/7/8,3,1.1 数据模型,1.1.1 数据模型的定义与分类,1.1.2 一些典型的数据模型特点综述,2020/7/8,4,1.1.2 数据模型分类,通常按描述DB结构概念的抽象层次进行分类 高级数据模型(概念数据模型) 所提供的概念抽象层次比较高，与领域用户理解数据的方式较接近，能更好隐藏数据存储组织和操作的细节。 典型代表包括：E-R模型、扩展E-R

2、模型(EER模型)和UML类图等。 低级数据模型(物理数据模型) 所提供的概念描述了数据如何在计算机上存储的具体细节。对应DBMS底层实现部分，没有/也不需要有统一的标准实现 主要感兴趣者：DB系统开发专家。 逻辑数据模型 介于概念和物理两类数据模型之间，是DB系统的主要工作模型。典型代表包括关系模型、OO模型和O-R数据模型，以及早期DB系统中用的层次模型和网状模型。,2020/7/8,5,一些典型数据模型特点综述 关系模型(1),2020/7/8,6,一些典型数据模型特点综述 关系模型(2),2020/7/8,7,一些典型数据模型特点综述 ER模型,2020/7/8,8,一些典型数据模型特

3、点综述 EER模型,是ER模型的扩展模型（Enhanced/Exented ER），它在ER模型的基础上，扩展了以下概念： 类、超类/子类(ISA)关系、特化与泛化关系。 EER的特化，能混合表达重叠/不相交约束，以及完全/部分约束。 UNION子类或类别。 EER的union子类，可表达完全和部分约束。 多值属性和复合结构属性； 与基本ER模型相比，EER模型表达能力更强，能表达更多的数据语义。3.2节将详细介绍EER模型。,2020/7/8,9,一些典型数据模型特点综述 UML类图,UML是一种基于OO范型的建模语言 定义了一个用于建模的概念框架 用符号表示概念 连接符号（路径）表示概念间

4、的联系。 UML常用于对软件系统进行描述和可视化构造，允许基于不同的视点，建立描述系统体系结构的各种视图,其中： UML类图也可作为一种有效的概念数据模型。 所属类型 概念模型，它是一种视图表达模型。 数学基础：无。,2020/7/8,10,一些典型数据模型特点综述 ODMG模型（1）,2020/7/8,11,一些典型数据模型特点综述 ODMG模型（2）,2020/7/8,12,一些典型数据模型特点综述 ODMG模型（3）,2020/7/8,13,1.2 数据模型,1.2.1 数据模型方法特点,1.2.2 书刊技术发展简史,2020/7/8,14,1.2.1 数据库方法特点,与利用OS文件进行

5、简单的数据管理相比，利用DB进行数据管理至少具有以下优势： 具有更好的数据独立性 具有更好的数据存储有效性 更便于数据共享 可以更好确保数据的完整性和安全性。 具有并发存取和崩溃恢复功能。 更有利于减小应用开发时间, 提高应用的健壮性。 不适合使用DB的一些应用举例 只有几个严格定义的关键操作，必须用高效风格的代码来实现。应用并不关心灵活查询、安全性、并发存取和崩溃恢复等性能时。 应用可能需要以DBMS不支持的方式来查询数据。,2020/7/8,15,1.2.2 数据库技术发展简史(1),1960s年代初期 通用电气的巴克曼1973年的ACM图灵奖获得者等人设计成功第一个通用DBMS系统 这个

6、模型后来被CODASYL (the Conference On Data Systems Languages)进一步标准化，并强烈影响了整个1960s年代的DB系统技术. 1960s年代后期 IBM成功开发IMS系统(Information Management System) IMS是网状数据模型之外的另一个重要数据表示模型(即层次数据模型)的基础.,2020/7/8,16,1.2.2 数据库技术发展简史(2),1970s年初期 IBM San Jose研究室的E.F.Codd提出了新一代的数据表示框架关系数据模型，定义了关系数据库的基本概念。该成果被认为是数据库系统发展的一个分水岭 197

7、0s中后期 数据库作为一个学科分支开始逐步走向成熟， 关系DBMS也变得十分流行，其优点已被人们广泛认可。 利用DBMS管理公司/组织的数据逐渐开始成为趋势。,2020/7/8,17,1.2.2 数据库技术发展简史(3),1980s年代 关系数据模型成为DBMS的主流数据模型，并进一步巩固了其领域地位。 SQL在1986年被美国国家标准信息委员会(ANSI)和国际标准化组织(ISO)采纳为关系数据库语言的标准。 该时期，最广泛使用的并发程序形式是可并发执行的、被称为“事务”的DB程序。,2020/7/8,18,1.2.2 数据库技术发展简史(4),从1980s后期到1990s年代初期 DB领域

8、在许多方面-从更强有力的查询语言到各种新型数据模型，都得到了广泛且深入的研究并取得了重要进展。 很多著名的DBMS开发商，都增加了对大型图像、文本等新数据类型的支持，增强了针对复杂数据集进行数据分析处理和回答更复杂查询的能力，增强了支持创建数据仓库的特性。 该时期另一个重要进展是关于“对象数据库系统(ODBMS)”研究和开发。 但该时期，ODBMS相关技术及产品由于没有统一标准，缺乏可移植性，故大都属于原型产品。,2020/7/8,19,1.2.2 数据库技术发展简史(5),从1990s年代中期开始，DB进入了或许是最重要的Internet时代。 几乎所有DBMS开发商都在他们的产品中增加了更

9、适合在Internet上部署的特性。,2020/7/8,20,1.2.2 数据库技术发展简史(6),1993年，ODMG提出了第一个对象数据管理标准ODMG 1.0。 该标准后续修订版包括ODMG 2.0(1997)和ODMG 3.0 (2000)。ODMG标准出现，不仅改善对象数据库系统的可移植性，而且进一步促进了ODBMS的规范健康发展。 新一代的ORDBMS不仅能提供了更为丰富的类型系统，包括复杂数据类型和面向对象，而且还在SQL-99标准的框架下，扩展了传统的关系查询/关系数据操纵语言，以适应更丰富的类型系统。,2020/7/8,21,1.3 数据库系统体系结构,1.3.1 DB数据的

10、三层抽象模型,1.3.2 一种典型的DBMS实现体系结构,1.3.3 五层DBMS体系结构模型,2020/7/8,22,1.3.1 DB数据的三层抽象模型,2020/7/8,23,1.3.2 一种典型的DBMS实现体系结构,2020/7/8,24,1.3.3 五层模型体系结构,2020/7/8,25,1.4 数据库系统的发展与演化,1.4.1 五层模型体系结构的发展综述,1.4.2 层次模型与事务模型,1.4.3 体系结构变体,1.4.4 可靠性与可适应性,1.4.5 结论与展望,2020/7/8,26,1.4.1 五层模型体系结构的发展综述,过去的20多年中，DB系统无论是在功能还是在性能方

11、面，都已经发生了巨大变化。 虽然其中大部分的增强和改变，已被五层体系结构模型所容纳。 但由于许多新特征/新特性引入，五层模型的各层次也不可避免需要进行一定的调整和变化。 20多年前，SQL尚未标准化，关系模型也很简单。今天，我们必须引用SQL-99，或引用对象-关系模型，它们的各部分通常较复杂且不那么好理解。,2020/7/8,27,L5层的演化发展,用户定义类型、嵌套子表/类型、递归等新特性引入，须在L5层进行调整。 通过增强利用各类实例统计数据，基于代价的查询优化器得到了更成功的改进，但对标志性新概念-用户定义类型，尚缺乏通用且有效的处置方法。 在为动态QEP 建立更有效优化器，以更好处理

12、新资源适用性问题，以及减少查询引擎的“刹车距离”等方面，已取得了一定进展，但还远未达到可实用的程度。,2020/7/8,28,L4层的演化发展（1）,L4层适配技术，不仅与单个算法处理有关，而且与单个查询的多个操作符，或与多个并发查询处理有关。 较新出现的、影响操作符实现的重要自适应技术: 根据当前工作集设置和调整并行度； 对重复进入的索引进行重排序或范围整合； 在多个查询之间共享表扫描等技术。 某些特定的查询类型，如top/bottom N查询、OLAP查询，往往存在新的可动态优化机会。,2020/7/8,29,L4层的演化发展（2）,在针对一些已有标准操作的优化处理方面，也已提出了一些改进

13、、建议和扩展算法，其中很多成果已被集成到商业DBMS系统中。 一些原先被认为是非标准应用的操作，被重新利用并扩展了它们的使用范围。 如空间连接，或一些支持OLAP的功能。 但仅通过调整已有的或增加新操作符，似乎并不足以或不可能应对呈爆炸性增长的新类型集。,2020/7/8,30,L3层的演化发展,L3层是在过去20多年中，一项很“火爆”的研究热点。通过提供更合适的存取路径和存取结构，L3层中的操作已变为更加有效。 Volker Gaede等人详细分析对比了1998年以前提出的各种存取结构。 但除了无处不在的B+树，以及它的一些变体外，它们中只有少数结构被成功集成到特殊的数据处理系统。,2020

14、/7/8,31,L2层的演化发展,最剧烈改进发生在并不需DB研究者下太多功夫的L2层。 Moore定律已为他们完成了大部分工作。 巨大缓存容量也使平滑实现预取缓存分区成为可能。 隔离L2层的“段/页”与L1层的“文件/块”，为复杂的数据映射和更新传播提供了机会。 但至今，这方面体系结构还没有任何变化发生。,2020/7/8,32,L1层的演化发展,L1层通常不是DB研究者们感兴趣的焦点。操作系统(OS)研究者对文件系统处理的各种改进，只有部分会对DB管理有用。 至今，对于L1层抽象，仍未得到任何事务支持。但标准的文件映射已更为精细，能支持2G字节的长字段和大对象。 许多新出现的设备或技术的使用

15、，已被能被透明地集成到体系的L1层中。RAID技术及存储设备支持并行存取能力提高，为在L1L3层支持不同的存储策略和优化提供了新的机会。,2020/7/8,33,1.4.2 层次模型与事务模型,所谓的事务，指的是DBMS中一个可执行的、具有一定偏序的动作/操作序列。 任何事务，都具有以下四个基本特性，即原子性、一致性、孤立性和持久性，简称ACID特性。 进一步考虑ACID，层模型能更好帮助我们清晰描述概念和引出一些更合适的解决方案。,2020/7/8,34,1.4.3 体系结构变体,在过去的20多年中，出现了很多较特殊的新型数据管理应用场景。如何将它们纳入五层或简化的DBMS体系？ 一个很好的

16、观察切入点是：DBMS结构变化决定于体系结构中“映射步”的变化。 我们应能通过标识相关层中变体组件和扩展映射，并通过解释DB处理中的相似性和特殊性，来平滑处理各种体系结构变体问题。,2020/7/8,35,DB处理的横向分布变化：分布式DBMS系统,图1.5 DBMSs沿水平分布扩展后演化成分布式DBMSs系统,2020/7/8,36,DBMSs处理的垂直分布变化：C/S DBMS,这类DBMS体系结构的典型代表是所谓的C/S DBMSs ( client/server DBMSs)。它们的主要目标是：使应用或客户机能有效使用DBMS的处理能力。 C/S DBMSs通常被用在需要较长事务，且需

17、要对数据进行检查/校验的场合。图1.6中给出了三种常见的C/S体系结构变体。 这方面面临的主要挑战是：如何利用当前查询缓存结果内容，来处理声明性的、面向集合的查询。,2020/7/8,37,1.4.3.3 新的体系结构需求,五层或其简化体系结构已能很好满足面向集合操作的、记录式的数据库管理，使得它们能以不变或稍许变化的方式，重用已有标准DBMS或其简单变体来实现。然而，近年来，需求已有强烈偏离这种规范的倾向。 一个最引人关注的进展是：基于组件体系的、松散耦合的数据库系统研制与应用，这种体系现已被广泛应用到对象-关系数据库系统（ORDBMSs）中。 例如，Informix 的数据刀片（DataB

18、lades）、Oracle的盒式插件（Cardridges）等框架结构。 但目前这类方法尚未达到真正无缝集成的要求，也没有达到所期许的性能和可伸缩性。将来的挑战可能仍主要是面向体系结构方面的调整。,2020/7/8,38,1.4.3.4 XTC体系结构,2020/7/8,39,1.4.3.5 未来DBMS扩展框架（图1.8 ）,一种以数据存储系统作为通用低层的、可扩展的DBMS体系结构 。,2020/7/8,40,1.4.4 可靠性与可适应性,DBMS在当代社会关键的角色地位，除了给它带来更多的功能扩展需求外，也同时对它的性能提出了更高要求。 但功能扩展需求和质量增强需求所导致的体系结构设计指导准则，往往是正交的或矛盾的。 为开发可靠（=自调节维护无故障）的DBMSs，Gerhard Weikum等人建议了一种高度组