1.3 数据库管理系统和数据库系统

计算机科学与技术的发展，计算机应用的深入与拓展，使得数据库在计算机应用中的地位与作用日益重要；它在商业中、事务处理中占有主导地位，近年来在统计领域、多媒体领域以及智能化应用领域中的地位与作用也变得十分重要；随着网络的普及，它在网络中的应用也日趋重要。因此，数据库已成为构成一个计算机应用系统的重要支持。这里着重介绍数据库管理系统和数据库系统的体系结构。

1.3.1 数据库管理系统

数据库管理系统（DataBase Management System，简称DBMS）是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。数据库在建立、运用和维护时由数据库管理系统统一管理、统一控制。数据库管理系统使用户能方便地定义数据和操作数据，并能够保证数据的安全性、完整性，发生故障后能将系统恢复。

DBMS有很多，目前流行的软件有Oracle，Sybase，SQL Server，Access和Visual FoxPro等。

数据库管理系统（DBMS）作为数据库系统的核心软件，其主要目标是使数据成为用户使用的资源，易于为各种用户所共享，并增强数据的安全性、完整性和可用性。

不同的DBMS对硬件资源、软件环境的适应性各不相同，因而其功能也有差异。但一般来说，DBMS应该具有以下几方面的功能。

1.数据库定义功能

数据库定义也称为数据库描述，包括定义构成数据库系统的模式、存储模式和外模式，定义外模式与模式之间、模式与存储模式之间的映像，以及定义有关的约束条件，如为保证数据库中数据具有正确语义而定义的完整性规则，为保证数据库安全而定义的用户口令和存取权限等。

2.数据库操纵功能

数据库操纵是DBMS面向用户的功能。DBMS接受、分析和执行用户对数据库提出的各种操作要求，完成数据库数据的检索、插入、删除和更新等各种数据处理任务。

3.数据库运行控制功能

DBMS的核心工作是对数据库的运行进行管理，包括执行访问数据库时的安全性检查、完整性约束条件的检查和执行、数据共享的并发控制以及数据库的内部维护（如索引，数据字典的自动维护）等。所有访问数据库的操作都要在这些控制程序的统一管理下进行，其目的是保证数据库的可用性和可靠性。DBMS提供以下4 个方面的数据控制功能。

（1）数据安全性控制功能。这是对数据库的一种保护措施，目的是防止因非授权用户存取数据而造成数据泄密或破坏。例如，设置口令，确定用户的访问级别和数据存取的权限，经系统审核通过后才可执行所允许的操作。

（2）数据完整性控制功能。这是DBMS对数据库提供保护的另一方面。完整性是数据的准确性和一致性的测度。在将数据添加到数据库时，对数据的合法性和一致性的检验将会提高数据的完整性。这种检验不一定要由DBMS来完成，但大多数DBMS都有保证合法性和一致性的限制，并可在存储和修改数据时实施特定的检验。

（3）并发控制功能。数据库是提供给多个用户共享的，所以用户对数据的存取可能是并发的，即多个用户可能同时使用同一数据库，因此DBMS应能对多用户的并发操作加以控制、协调。例如，当一个用户正在修改某些数据项时，如果其他用户也要同时存取这些数据项，就可能导致错误。DBMS应对要修改的记录采取一定的措施，例如，可以加锁，暂时拒绝其他用户的访问，当修改完成并存盘后再开锁，允许其他用户访问。

（4）数据库恢复功能。在数据库运行过程中，可能会出现各种故障，如停电、软件或硬件错误、操作错误、人为破坏等，因此系统应提供恢复数据库的功能，如定时转储、恢复备份等，使系统有能力将数据库恢复到损坏之前的某个状态。

4.数据字典

数据字典（Data Dictionary，简称DD）中存放着对实际数据库各级模式所做的定义，即对数据库结构的描述。对数据库的使用和操作都要通过查阅数据字典来进行。在有些系统中，将数据字典单独抽出自成系统，使之成为一个软件工具，能够提供一个比DBMS更高级的用户和数据库之间的接口。

1.3.2 数据库系统

数据库系统（Data Base System，简称DBS）是指采用了数据库技术的计算机系统。因此，数据库系统是一种可实际运行的，按照数据库方式存储、维护和向应用系统提供数据或信息支持的系统，是存储介质、处理对象和管理系统的集合体。首先来看一下数据库系统的组成。

数据库系统通常由数据库、硬件、软件和数据库管理员（Data Base Administrator，简称DBA）组成。

1.数据库

数据库是与一个特定组织的各项应用相关的全部数据的汇集。它通常由两大部分组成：一是有关应用所需要的业务数据的集合，称为物理数据库，它是数据库的主体；二是关于各级数据结构的描述数据，称为描述数据库，通常由一个数据字典系统管理。

2.计算机设备

运行数据库系统的计算机要有足够大的内存储器、大容量的磁盘等联机直接存取设备和较高的传输数据的硬件设备，以支持对外存储器的频繁访问，还需要有足够数量的脱机存储介质，如软盘、移动硬盘、磁带、可擦写式光盘等，以存放数据库备份。

3.软件支持系统

数据库系统的核心组成部分是DBMS。DBMS是在操作系统支持下工作的庞大软件。利用DBMS提供一系列命令，用户可以建立数据库文件、定义数据以及对数据库进行各种操作，如增加、删除、更新、查找、输出等。

数据库系统的支持软件还包括操作系统和各种实用程序。另外，在开发操纵数据库的应用系统时，不仅可以使用数据库管理系统自含的程序设计语言，也可以使用其他软件开发工具，如PowerBuilder，Delphi，VB和VC等。在这种情况下，支持软件还应包括相应的宿主语言（软件开发工具）及其编译系统。

4.数据库管理员

管理、开发和使用数据库系统的人员主要有数据库管理员、系统分析员、程序员和用户。对于较大规模的数据库系统来说，必须有人全面负责建立、维护和管理数据库系统，承担这种任务的人员称为数据库管理员。数据库管理员负责保护和控制数据，使数据能被任何有权使用的人有效使用。数据库管理员的职责包括：定义并存储数据库的内容，监督和控制数据库的使用，负责数据库的日常维护，必要时重新组织和改进数据库。

1.3.3 数据库系统的体系结构

目前世界上大多数数据库系统，尽管种类不同，但它们的结构基本上是与下面介绍的3级结构相一致的，因此可以认为如图1.19所示是数据库系统的一般结构。

数据库系统结构的3个抽象描述级，定义了数据库的3个层次，反映了看待数据库的3种不同角度。

整个数据库系统分为3层：外层、概念层、内层。用户只能看到外层，其他两层是看不到的。子模式有多个，而概念模式只有一个。内模式是整个数据库的最低层。用数据描述语言精确地定义数据模型的程序称为模式。

1.子模式

定义用户视图的模式叫子模式，又叫外模式，用子模式的数据描述语言来定义。具有相同数据视图的用户共享一个子模式，一个子模式可以为多个用户所使用。从逻辑关系来看，子模式是模式的一个逻辑子集，从一个模式可以推导出许多不同的子模式。

2.模式

定义概念模型的模式叫概念模式，简称为模式，用模式数据描述语言来定义。它是数据库的整个逻辑描述，并说明了一个数据库所采用的数据模型。同时它还给出了实体和属性的名字，并说明了它们之间的关系，是一个可以放进数据项值的框架。

目前模式中通常还包括寻址方式、存取控制、保密定义、安全性和完整性等方面的内容。

3.内模式

内模式也叫物理模式，是用设备介质描述语言来定义的。它规定数据项、记录、数据集、索引和存取路径在内的一切物理组织方式，以及优化性能、响应时间和存储空间需求。它还规定记录的位置、块的大小与溢出区等。

这里必须强调指出，对一个数据库系统来说，只有物理数据库才是真正的存在，它是存放在外存上的实际数据，而其他两个数据库在外存上是不存在的。概念数据库只不过是物理数据库的一种抽象（逻辑）的描述，用户数据库则是用户需要使用的数据库子集的逻辑描述，是用户与数据库的接口。用户根据子模式进行操作，通过子模式/模式的映像与概念数据库联系起来，又通过模式/物理模式映像与物理数据库联系起来。所谓映像是一种对应规则，指出映像双方如何进行转换。数据库的三级结构就是靠映像来连接的。数据库管理系统的一项重要工作就是完成三级数据库之间的映像，将用户对数据库的操作转化成对物理数据库的操作。

注意：用户数据库是概念数据库的部分抽取；概念数据库是物理数据库的抽象表示；物理数据库是概念数据库的具体实现。

设计数据库时，设计者应主要考虑整个数据库的轮廓框架。使用数据库时，用户关心的是数据库的内容。数据库的框架是相对稳定的，而数据库的内容是经常变化的。