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數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(Data Base System，DBS)

目錄

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什么是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

　　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是指在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后構成的系統(tǒng)，一般由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(及其開發(fā)工具)、應用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶構成。

　　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個由硬件、軟件(操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)等)、數(shù)據(jù)庫和用戶構成的完整計算機應用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心和管理對象。因此，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的含義已經不僅僅是一個對數(shù)據(jù)進行管理的軟件，也不僅僅是一個數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個實際運行的，按照數(shù)據(jù)庫方式存儲、維護和向應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持的系統(tǒng)。

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數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段

　　20世紀60年代后期，使用電子計算機進行數(shù)據(jù)處理的規(guī)模越來越大，同時出現(xiàn)了大容量且價格低廉的磁盤存儲器，操作系統(tǒng)也日漸成熟。為了解決數(shù)據(jù)的獨立性問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，達到數(shù)據(jù)共享的目的，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫技術。數(shù)據(jù)庫技術從20世紀60年代中期產生到今天，僅僅30多年的歷史，經歷了三代演變，發(fā)展成為以數(shù)據(jù)建模和DBMS核心技術為主，內容豐富的一門學科；帶動了一個巨大的軟件產業(yè)——DBMs產品及其相關工具和解決方案。數(shù)據(jù)庫技術取得了巨大的成功，從第一代層次與網絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和第二代關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，發(fā)展到第三代以面向對象數(shù)據(jù)庫模型為主要特征的新一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

　　1.第一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

　　是20世紀70年代研制的層次和網狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。1963年，Bachman設計開發(fā)的IDS系統(tǒng)開始投入運行，它可以為多個COBOL程序共享數(shù)據(jù)庫；1968年，TOTAL等網狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開始出現(xiàn)；1969年，IBM公司McGee等人開發(fā)的層次式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的IMS系統(tǒng)發(fā)表，它可以讓多個程序共享數(shù)據(jù)庫。1969年lo月，CODASYL數(shù)據(jù)庫研制者提出了網絡模型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)規(guī)范報告，使數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開始走向規(guī)范化和標準化。1971年，美國數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)語言協(xié)會下屬的數(shù)據(jù)庫任務組對網絡數(shù)據(jù)庫方法進行了系統(tǒng)的研究、探討，提出了稱為DBTG報告的若干報告，DBTG報告確定并建立了網絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的許多概念、方法和技術，提出了三級抽象模式，即對應用程序所需的那部分數(shù)據(jù)結構描述的外模式，對整個客體系統(tǒng)數(shù)據(jù)結構描述的概念模式，對數(shù)據(jù)存儲結構描述的內模式，解決了數(shù)據(jù)獨立性的問題，標志著數(shù)據(jù)庫在理論上的成熟。正因為如此，許多專家認為數(shù)據(jù)庫技術起源于20世紀60年代末。

　　2.第二代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

　　是關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。1970年IBM公司Codd發(fā)表了題為“大型共享數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的關系模型”的論文，提出了關系數(shù)據(jù)模型，開創(chuàng)了關系數(shù)據(jù)庫方法和關系數(shù)據(jù)庫理論。關系方法由于其理論上的完美和結構上的簡單，對數(shù)據(jù)庫技術的發(fā)展起了至關重要的作用，成功地為關系數(shù)據(jù)庫技術奠定了理論基礎。20世紀70年代是關系數(shù)據(jù)庫理論研究和原型系統(tǒng)開發(fā)的時代。關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究取得了一系列的成果，主要包括以下幾個方面：

　　(1)奠定了關系模型的理論基礎，給出了被人們普遍接受的關系模型的規(guī)范說明。

　　(2)提出了關系數(shù)據(jù)語言，如關系代數(shù)、關系演算、SQL語言、QBE等。這些描述性語言一改以往程序設計語言和網狀、層次數(shù)據(jù)庫語言的面向過程的風格，以其易學易懂的優(yōu)點得到了最終用戶的歡迎，為20世紀80年代數(shù)據(jù)庫語言標準化打下了基礎。

　　(3)研制了大量的關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原型，攻克了系統(tǒng)實現(xiàn)中查詢優(yōu)化、并發(fā)控制、故障恢復等一系列關鍵技術。不僅大大豐富了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)技術和數(shù)據(jù)庫理論，更重要的是促進了關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)產品的蓬勃發(fā)展和廣泛應用。

　　3.第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

　　20世紀80年代以來，數(shù)據(jù)庫理論和應用進入成熟發(fā)展時期。隨著計算技術和計算機網絡的發(fā)展，計算機應用領域迅速擴展，數(shù)據(jù)庫應用領域也在不斷地擴大，數(shù)據(jù)庫技術在商業(yè)領域的巨大成就刺激了其他領域對數(shù)據(jù)庫需求的迅速增長。一方面，新的數(shù)據(jù)庫應用領域，如計算機輔助設計／管理(CAD／CAM)、過程控制、辦公自動化系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、計算機制造系統(tǒng)(CIMS)等，為數(shù)據(jù)庫的應用開辟了新的天地；另一方面，在實際應用中管理方面的新需求也直接推動了數(shù)據(jù)庫技術的研究與發(fā)展。

　　以關系數(shù)據(jù)庫為代表的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫已經很難勝任新領域的需求，因為新的應用要求數(shù)據(jù)庫能處理復雜性較高的數(shù)據(jù)，如處理與時間有關的屬性，甚至還要求數(shù)據(jù)庫有動態(tài)性和主動性。這樣就必須有新的數(shù)據(jù)庫技術才能夠滿足現(xiàn)實需要，為了滿足現(xiàn)代應用的需求，必須將數(shù)據(jù)庫技術與其他現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(如面向對象技術、時序和實時處理技術、人工智能技術、多媒體技術)完善地集成，以形成“新一代數(shù)據(jù)庫技術”，也可稱為“現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫技術”，如時態(tài)數(shù)據(jù)庫技術、實時數(shù)據(jù)庫技術和多媒體數(shù)據(jù)庫技術等。第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中最主要的數(shù)據(jù)庫類型是面向對象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(objectorienteddatabasesystem，簡稱OODBS)，它是數(shù)據(jù)庫技術與面向對象程序設計方法相結合的產物，它既是一個DBMS，又是一個面向對象系統(tǒng)。因而既具有DBMS特性，如持久性、輔助管理、數(shù)據(jù)共享(并發(fā)性)、數(shù)據(jù)可靠性(事務管理和恢復)、查詢處理和模式修改等，又具有面向對象的特征，如類型／類、封裝性／數(shù)據(jù)抽象、繼承性、對象標識、復合對象和可擴充等特性。

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數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點

　　用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來管理數(shù)據(jù)具有如下特點：

　　1.數(shù)據(jù)結構化

　　在描述數(shù)據(jù)時不僅要描述數(shù)據(jù)本身，還要描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)結構化是數(shù)據(jù)庫的主要特征之一，也是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的本質區(qū)別。在同一數(shù)據(jù)庫中，各個數(shù)據(jù)文件存在聯(lián)系，且在整體上服從一定的結構形式(圖)。

　　

　　2.數(shù)據(jù)共享性高、冗余度低、易擴充

　　共享性高：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)從整體角度看待和描述數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不再面向某個應用而是面向整個系統(tǒng)，這樣可以減少數(shù)據(jù)冗余，節(jié)約存儲空間。即數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以被多個用戶、多個應用同時使用。

　　冗余度低：冗余度是指同一數(shù)據(jù)被重復存儲的程度，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)結構化，使得冗余度可能降到最低程序。

　　易擴充：由于設計時主要考慮數(shù)據(jù)結構化，即面向系統(tǒng)，而不是面向某個應用，所以容易擴充。

　　數(shù)據(jù)共享和減少冗余還能避免數(shù)據(jù)之間的不相容性和不一致性。

　　不相容性：例如，某人工作了兩個部門，1986-1990年在甲部門，19901996年在乙部門，在寫檔案材料時，甲部門寫成了1986-1990年，由于信息不共享，加之工作疏忽，乙部門寫成了1989-1996年，即造成了不相容，兩部門間重復了1年。

　　不一致性：例如，某職工為“李萍”，由于信息不共享，系別輸入的姓名為“李萍”，但工資記錄輸入的姓名為“李平”，即造成了不一致。

　　3.數(shù)據(jù)獨立性高

　　由于應用程序取數(shù)不是直接從數(shù)據(jù)庫中取數(shù)，而是通過DBMS間接取數(shù)，故保持了應用與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的物理獨立性和邏輯獨立性。所謂物理獨立性是指：當數(shù)據(jù)的存儲結構(或物理結構)改變時，通過DBMS的相應改變可以保持數(shù)據(jù)的邏輯結構不變，從而應用程序也不必改變。邏輯獨立性是指：當數(shù)據(jù)的總體邏輯結構改變時，通過DBMS的相應改變可以保持數(shù)據(jù)的局部邏輯結構不變，應用程序是依據(jù)數(shù)據(jù)的局部邏輯結構編寫的，所以應用程序不必改變。

　　4.數(shù)據(jù)由DBMS統(tǒng)一管理和控制

　　由于數(shù)據(jù)庫的共享是并發(fā)的共享，即多個用戶可以同時存取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，甚至可以同時存取數(shù)據(jù)庫中同一個數(shù)據(jù)。為此DBMS必須提供以下幾方面的數(shù)據(jù)控制功能：

　　(1)數(shù)據(jù)的安全性保護指保護數(shù)據(jù)，防止不合法使用數(shù)據(jù)造成數(shù)據(jù)的泄密和破壞，使每個用戶只能按規(guī)定，對某些數(shù)據(jù)以某些方式進行訪問和處理。

　　(2)數(shù)據(jù)的完整性檢查指數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性。即將數(shù)據(jù)控制在有效的范圍內，或要求數(shù)據(jù)之間滿足一定的關系。

　　正確性：如輸入工資時，應該輸入數(shù)值，而實際輸入了字符，即不正確。

　　有效性：如輸人年齡時，應該輸人0～150之間的數(shù)據(jù)，而實際輸入了-5，即無效。

　　相容性：如輸入飼料配比百分比時，應該5種原料百分比之和加起來為100，而實際輸入數(shù)據(jù)加起來大于100，即不相容。

　　(3)并發(fā)控制指控制多個用戶同時存取、修改數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)庫的完整性。例如，多個用戶可以同時讀，但同一時間只能允許一個用戶寫數(shù)據(jù)。

　　(4)數(shù)據(jù)庫恢復指將數(shù)據(jù)庫從錯誤狀態(tài)恢復到某一已知的正確狀態(tài)(亦稱為完整狀態(tài)或一致狀態(tài))的功能。計算機系統(tǒng)的硬件故障、軟件故障、操作員的失誤，以及故意的破壞均會影響數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確性，甚至造成數(shù)據(jù)庫部分或全部數(shù)據(jù)的丟失。

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數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成

　　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成如下圖所示。

　　1)硬件

　　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的硬件包括計算機的主機、鍵盤、顯示器和外圍設備(例如打印機、光盤機、磁帶機等)。由于一般數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所存放和處理的數(shù)據(jù)量很大，加之DBMS豐富的功能軟件，使得自身所占用的存儲空間很大，因此整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對硬件資源提出了較高的要求。這些要求是：①有足夠大的內存以存放操作系統(tǒng)、DBMS的核心模塊、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和應用程序；②有足夠大的直接存取設備存放數(shù)據(jù)(如磁盤)，有足夠的存儲設備來進行數(shù)據(jù)備份；③要求計算機有較高的數(shù)據(jù)傳輸能力，以提高數(shù)據(jù)傳送率。

　　2)軟件

　　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的軟件除了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之外，還包括操作系統(tǒng)各種高級語言處理程序(編譯或解釋程序)、應用開發(fā)工具軟件和特定應用軟件等。應用開發(fā)工具包括應用程序生成器和第四代語言等高效率、多功能的軟件工具，如報表生成系統(tǒng)、表格軟件、圖形編輯系統(tǒng)等。它們?yōu)?strong>數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應用開發(fā)人員和最終用戶提供了有力的支持。特定應用軟件是指為特定用戶開發(fā)的數(shù)據(jù)庫應用軟件，如基于數(shù)據(jù)庫的各種管理軟件、管理信息系統(tǒng)(MIS)、決策支持系統(tǒng)(DSS)和辦公自動化(OA)等。

　　3)數(shù)據(jù)

　　數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫的基本組成，是對客觀世界所存在事物的一種表征，也是數(shù)據(jù)庫用戶的操作對象。數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，也是企業(yè)或組織的真正財富。數(shù)據(jù)應按照需求進行采集并有結構地存人數(shù)據(jù)庫。由于數(shù)據(jù)的類型多樣性，數(shù)據(jù)的采集方式和存儲方式也會不同。數(shù)據(jù)作為一種資源是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中最穩(wěn)定的成分，即硬件可能更新，甚至軟件也可以更新，但只要企業(yè)或組織的性質不改變，數(shù)據(jù)將是可以長期使用的財富。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有如前所述的集合、共享、最少冗余和能為多種應用服務的特征。

　　4)用戶

　　數(shù)據(jù)庫用戶是管理、開發(fā)、使用數(shù)據(jù)庫的主體。根據(jù)工作任務的差異，數(shù)據(jù)庫用戶通�？梢苑殖山K端用戶、應用程序員和數(shù)據(jù)庫管理員等3種不同類型。

　　(1)終端用戶

　　終端用戶使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供的終端命令語言，或者菜單驅動、表格驅動、圖形顯示和報表生成等對話方式，來存取和應用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。這類人員是一些并不精通計算機和程序設計的各級管理人員，但必須接受必要的數(shù)據(jù)庫應用培訓。

　　(2)應用程序員

　　應用程序員是負責設計和編制應用程序的人員。他們通常使用C語言、數(shù)據(jù)庫語言或4GL(第四代語言)等來設計和編寫應用程序，供終端用戶使用。應用程序員不僅要求具有較高的技術專長，而且還要具備較深的資歷，熟悉部門全部數(shù)據(jù)的性質和用途，兼有系統(tǒng)程序員、系統(tǒng)分析員的能力。其具體職責是：①決定數(shù)據(jù)庫的內容和結構；②決定數(shù)據(jù)庫的存儲結構和存取策略，使數(shù)據(jù)的存儲空間利用率和存取效率均較優(yōu)；③定義數(shù)據(jù)的安全性要求和完整性約束條件；④根據(jù)終端用戶的需要，設計和編制各種功能強勁的應用程序。

　　對于應用程序員而言，有兩個重要的工具是必需的，一個是系列的實用程序(DBMS的裝配、重組日志、恢復、統(tǒng)計等程序)；另一個是數(shù)據(jù)字典(存儲數(shù)據(jù)庫結構的定義、記錄類型和字段定義等信息)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立時，DBA還必須和系統(tǒng)分析員一起負責應用系統(tǒng)的需求分析和規(guī)范說明，確定系統(tǒng)的軟硬件配置并參與數(shù)據(jù)庫的設計。

　　(3)數(shù)據(jù)庫管理員

　　數(shù)據(jù)庫管理員(data basead ministrator，DBA)是指全面負責數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的日常管理、維護和運行的人員。DBA處于終端用戶與應用程序員之間，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能否正常運轉的關鍵，大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要設置專門的管理辦公室。其職責是監(jiān)督控制數(shù)據(jù)庫的使用和運行，實施數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的維護、改進和重組，，開展信息社會化服務。

　　對于不同規(guī)模的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用戶的人員配置是不相同的。只有大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)才配備有應用程序員和數(shù)據(jù)庫管理員。應用型微機數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)比較簡單，其用戶通常兼有終端用戶和數(shù)據(jù)庫管理員的職能，但必要時也應當兼有應用程序員的能力。

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相關條目

數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

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參考文獻

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