任務(wù)1.1.2 熟悉數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)

微課1-2

熟悉數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)、了解數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方法及步驟

數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)可以從不同的角度以及層次進行理解。從DBMS的角度來看，數(shù)據(jù)庫采用的通常是三級模式結(jié)構(gòu)，這是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)部的體系結(jié)構(gòu)；從數(shù)據(jù)庫最終用戶的角度看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常有3種——集中式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)和客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，這是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)外部的體系結(jié)構(gòu)。此處主要學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)部的體系結(jié)構(gòu)。

1.數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域公認的標準數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)，它包括模式、外模式和內(nèi)模式。三級模式結(jié)構(gòu)可以有效地組織和管理數(shù)據(jù)，并使數(shù)據(jù)庫的邏輯獨立性和物理獨立性得到提高。數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。

（1）模式

模式又稱邏輯模式、概念模式，是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。它在數(shù)據(jù)庫三級模式結(jié)構(gòu)中處于中間層，既與數(shù)據(jù)的物理存儲具體位置和硬件環(huán)境無關(guān)，也不涉及具體的應(yīng)用程序、所使用的應(yīng)用開發(fā)工具，以及高級程序設(shè)計語言。

模式實際上是數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)在概念級上的視圖。每個數(shù)據(jù)庫都只存在一個模式，數(shù)據(jù)庫模式會將某一種數(shù)據(jù)模型作為基礎(chǔ)，考慮所有用戶的需求，然后將這些需求有機地結(jié)合成一個邏輯整體。定義模式時，不僅要定義數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)（如數(shù)據(jù)記錄中的數(shù)據(jù)項構(gòu)成，數(shù)據(jù)項的名稱、類型、取值范圍等），還要定義與數(shù)據(jù)有關(guān)的安全性、完整性要求，以及數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。

描述、定義模式的語言是數(shù)據(jù)定義語言（Data Definition Language,DDL）。

（2）外模式

外模式又稱子模式或用戶模式，它是模式的一個子集，這個子集是被某些特定用戶所使用的。從這個角度看，外模式是面向用戶的。本質(zhì)上，外模式描述了應(yīng)用程序所使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征，是數(shù)據(jù)庫用戶（包括應(yīng)用程序員和最終用戶）所看到的數(shù)據(jù)視圖。

外模式也是用戶與數(shù)據(jù)庫的接口，描述了被用戶所用到的那部分數(shù)據(jù)。因為不同的用戶在應(yīng)用需求、看待數(shù)據(jù)的方式、對數(shù)據(jù)保密性的要求等方面都具有差異，其對應(yīng)的外模式描述也有所不同。即使同一數(shù)據(jù)處于同一模式中，它們在外模式中的結(jié)構(gòu)、類型、長度、保密級別等方面也可能有差別。因此，一個數(shù)據(jù)庫可能具有多個外模式。有了外模式后，程序員只需關(guān)注與外模式所發(fā)生的聯(lián)系，而無須再關(guān)心模式，并且只需按外模式的結(jié)構(gòu)存儲數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)進行操作。另外，某一用戶的多個應(yīng)用系統(tǒng)也可以使用同一個外模式，但一個外模式只能為一個應(yīng)用程序所使用。

在保證數(shù)據(jù)庫的安全性方面，外模式是強有力的措施。有了外模式后，每個用戶只能訪問其所對應(yīng)的外模式中的數(shù)據(jù)，而不可訪問數(shù)據(jù)庫中的其余數(shù)據(jù)。

（3）內(nèi)模式

內(nèi)模式又稱存儲模式，對應(yīng)于物理級。它是全體數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式，是數(shù)據(jù)庫最底層的邏輯描述。它記錄了數(shù)據(jù)在存儲介質(zhì)上的存儲方式（如順序存儲、按照B樹結(jié)構(gòu)存儲或按哈希方法存儲）、索引的組織方式、數(shù)據(jù)是否壓縮存儲、數(shù)據(jù)是否加密、數(shù)據(jù)存儲記錄結(jié)構(gòu)的規(guī)定等，對應(yīng)著實際存儲在外存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)庫。

一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中只有唯一的數(shù)據(jù)庫，因此作為定義、描述數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)的內(nèi)模式也是唯一的。

2.數(shù)據(jù)庫的二級映像與數(shù)據(jù)庫獨立性

數(shù)據(jù)庫的三級模式是對數(shù)據(jù)的3個級別抽象。它把數(shù)據(jù)的具體組織（即物理模式）留給DBMS管理，使用戶無須關(guān)心數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)部的存儲方式。同時，為了建立3個抽象級的聯(lián)系與轉(zhuǎn)換，使模式與外模式雖然并不存在于計算機的外存中，但也能通過轉(zhuǎn)換獲得其存在的實體，DBMS在這3個模式之間建立了二級映像：外模式/模式映像和模式/內(nèi)模式映像。

這種二級映像保證了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)具有較高的物理獨立性及邏輯獨立性，即在內(nèi)模式或模式發(fā)生改變的情況下，可以通過調(diào)整映射方式，使用戶的外模式不必發(fā)生改變。

（1）外模式/模式映像

模式描述了數(shù)據(jù)的全局邏輯結(jié)構(gòu)，外模式描述了數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)。同一個模式可以存在任意多個外模式。每一個外模式都對應(yīng)一個外模式/模式映像，它定義了該外模式與模式之間的對應(yīng)關(guān)系，外模式的描述中通常包含了這些映像的定義。

當模式發(fā)生改變（如在原有記錄類型之間增加新的聯(lián)系、在某些記錄中增加新的數(shù)據(jù)項等）時，數(shù)據(jù)庫管理員可以通過改變有關(guān)的外模式／模式映像，使外模式保持不變。應(yīng)用程序是根據(jù)數(shù)據(jù)的外模式編寫的，因此應(yīng)用程序也無須發(fā)生改變，從而保證了數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序的邏輯獨立性，稱為數(shù)據(jù)的邏輯獨立性。

（2）模式/內(nèi)模式映像

數(shù)據(jù)庫中只有一個模式，也只有一個內(nèi)模式，所以一個數(shù)據(jù)庫只有唯一的模式/內(nèi)模式映像。它通常包含在模式的描述中，定義了數(shù)據(jù)的全局邏輯結(jié)構(gòu)與存儲結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系。當數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，數(shù)據(jù)庫管理員通過對模式/內(nèi)模式映像進行修改，可以使模式保持不變，從而使應(yīng)用程序也不用改變。這保證了數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序的物理獨立性，稱為數(shù)據(jù)的物理獨立性。

數(shù)據(jù)庫的二級映像通過保證數(shù)據(jù)的物理獨立性和邏輯獨立性，確保了數(shù)據(jù)庫外模式的穩(wěn)定性，也從底層確保了應(yīng)用程序的穩(wěn)定性。除非應(yīng)用需求本身發(fā)生變化，否則無須對應(yīng)用程序進行修改。

數(shù)據(jù)庫的三級模式與二級映像實現(xiàn)了數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序之間的獨立，使數(shù)據(jù)的定義和描述可以從應(yīng)用程序中分離出來。另外，由于數(shù)據(jù)的存取由 DBMS 進行管理，因此用戶無須考慮存取路徑、方式等細節(jié)，從而使應(yīng)用程序的編寫得到簡化，大大減輕了應(yīng)用程序維護人員的負擔。