📖 前言：有效地管理数据可以帮助人们存储数据信息，把原本看似杂乱无章的数据转换成可供利用的数据资源，提高记录和检索信息的效率。只有对数据进行有效的管理才能发挥数据的价值与作用。因此我们需要梳理一下数据库系统结构和组成。

🕒 0. 思维导图

🕒 1. 数据库系统结构

🕘 1.1 两种角度

• 从数据库应用开发人员角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构
• 从数据库管理系统与应用程序的关系看（数据库系统外部的体系结构） ，数据库系统的结构分为：
  单用户结构、主从式结构、分布式结构、客户端/服务器（Client/Server，C/S）结构
  客户端/应用服务器/数据库服务器（Client/Application Server/Database Server）多层级结构
  浏览器/应用服务器/数据库服务器（Browser/Application Server/Database Server，B/S）多层级结构

🕘 1.2 数据库系统模式的概念

数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成

模式是数据库结构的描述、关系模式是表的结构的描述

🕤 1.2.1 “型” 和“值” 的概念

• 型（Type）：对某一类数据的结构和属性的说明
• 值（Value）：是型的一个具体赋值

例如
学生记录型：
（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）
一个记录值：
（202110344852，育锐，男，计算机，20，广东）

🕤 1.2.2 模式（Schema）

• 数据库逻辑结构和特征的描述
• 是型的描述
• 反映的是数据的结构及其联系
• 模式是相对稳定的

🕤 1.2.3 实例（Instance）

• 模式的一个具体值
• 反映数据库某一时刻的状态
• 同一个模式可以有很多实例
• 实例随数据库中的数据的更新而变动

一个数据库只有一个模式，可以把模式看成唯一的数据库，实例就是数据库里面的多个表

例如：在学生选课数据库模式中，包含学生记录、课程记录和学生选课记录

• 2022年的一个学生数据库实例，包含：
  2022年学校中所有学生的记录
  学校开设的所有课程的记录
  所有学生选课的记录
• 2021年度学生数据库模式对应的实例与2022年度学生数据库模式对应的实例是不同的

模式是相对稳定的，实例是相对变动的。

🕘 1.3 数据库系统的三级模式结构

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作者：HinsCoder
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🕤 1.3.1 模式

模式（也称逻辑模式）

• 数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述
• 所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求

一个数据库只有一个模式，可以把模式看成唯一的数据库，实例就是数据库里面的多个表

模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层

• 与数据的物理存储细节和硬件环境无关
• 与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关

模式的定义（DBMS提供描述语言（DDL））

• 数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）
• 数据之间的联系
• 数据有关的安全性、完整性要求

🕤 1.3.2 外模式（External Schema）

外模式（也称子模式或用户模式）

• 数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述
• 数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示，可以看成把数据库的部分数据，运用在不同的应用程序上，在UI界面上显示

外模式的地位：介于模式与应用之间

• 模式与外模式的关系：一对多，外模式通常是模式的子集
• 一个数据库可以有多个外模式。反映了不同的用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求;
• 对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同;
• 外模式与应用的关系：一对多；同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用；但一个应用程序只能使用一个外模式

外模式的用途

• 保证数据库安全性的一个有力措施；
• 每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据；

🕤 1.3.3 内模式（Internal Schema）

内模式（也称存储模式）

• 是数据物理结构和存储方式的描述
• 是数据在数据库内部的表示方式:
  • 记录的存储方式（顺序存储，按照B+树结构存储，按hash方法存储）
  • 索引的组织方式
  • 数据是否压缩存储
  • 数据是否加密
  • 数据存储记录结构的规定
• 一个数据库只有一个内模式

🕤 1.3.4 总结

三个模式中，模式是内模式的逻辑表示；内模式是模式的物理实现；外模式则是模式的部分抽取

三个模式反映了对数据库的三种不同观点：

• 模式表示了概念级数据库，体现了对数据库的总体观；
• 内模式表示了物理数据库，体现了对数据库的存储观；
• 外模式表示了用户数据库，体现了对数据库的用户观

总体观和存储观只有一个，而用户观可能有多个，有一个应用就有一个用户观

数据库模式

• 即全局逻辑结构是数据库的中心与关键
• 独立于数据库的其他层次
• 设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式

数据库的外模式

• 面向具体的应用程序
• 定义在逻辑模式之上
• 独立于存储模式和存储设备
• 当应用需求发生较大变化，相应外模式不能满足其视图要求时，该外模式就得做相应改动
• 设计外模式时应充分考虑到应用的扩充性

数据库的内模式

• 依赖于它的全局逻辑结构
• 独立于具体的存储设备
• 将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储 策略进行组织，以达到较好的时间与空间效率

🕘 1.4 数据库的二级映像功能与数据独立性

三级模式是对数据的三个抽象级别

二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换

• 外模式／模式映像
• 模式／内模式映像

①、外模式／模式映象

• 模式：描述的是数据的全局逻辑结构
• 外模式：描述的是数据的局部逻辑结构
• 同一个模式可以有任意多个外模式
• 每一个外模式，数据库系统都有一个外模式／模式映象，定义外模式与模式之间的对应关系
• 映象定义通常包含在各自外模式的描述中

用途：保证数据的逻辑独立性

• 当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式／模式映象，使外模式保持不变
• 应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。

②、模式／内模式映象
模式／内模式映象定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。

• 例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的

数据库中模式／内模式映象是唯一的
该映象定义通常包含在模式描述中

用途：保证数据的物理独立性
当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），数据库管理员修改模式／内模式映象，使模式保持不变
应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。

特定的应用程序

• 在外模式描述的数据结构上编制的
• 依赖于特定的外模式
• 与数据库的模式和存储结构独立
  不同的应用程序有时可以共用同一个外模式

数据库的二级映像

• 保证了数据库外模式的稳定性
• 从底层保证了应用程序的稳定性，除非应用需求本身发生变化，否则应用程序一般不需要修改

对一个数据库系统而言：

• 实际存在的只有物理数据库，是数据访问的基础
• 概念数据库是物理数据库的抽象表示
• 用户数据库是概念数据库的部分抽取，是用户与数据库的接口
  用户根据外模式进行操作，通过外模式/模式映像与概念数据库联系起来，再通过模式/内模式映像与物理数据库联系起来。

DBMS的中心工作之一就是完成三个层次数据库之间的转换，把用户对数据库的操作转化成对物理数据库的操作。

🕒 2. 数据库的组成

数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员、硬件平台及数据库、软件、人员

🕘 2.1 硬件平台及数据库

数据库系统对硬件资源的要求

①、足够大的内存

• 操作系统
• DBMS的核心模块
• 数据缓冲区
• 应用程序

②、足够大的外存

• 磁盘或磁盘阵列
• 数据库
• 光盘、磁带
• 数据备份

③、较高的通道能力，提高数据传送率

🕘 2.2 软件

• DBMS
• 支持DBMS运行的操作系统
• 与数据库接口的高级语言及其编译系统
• 以DBMS为核心的应用开发工具
• 为特定应用环境开发的数据库应用系统

🕘 2.3 人员

• 数据库管理员
• 系统分析员和数据库设计人员
• 应用程序员
• 用户
  

①、数据库管理员(DBA)
具体职责：

• 决定数据库中的信息内容和结构
• 决定数据库的存储结构和存取策略
• 定义数据的安全性要求和完整性约束条件
• 监控数据库的使用和运行
  • 周期性转储数据库
  • 数据文件
  • 日志文件
  • 系统故障恢复
  • 介质故障恢复
  • 监视审计文件
• 数据库的改进和重组
  • 性能监控和调优
  • 定期对数据库进行重组织，以提高系统的性能
  • 需求增加和改变时，数据库须需要重构造

②、系统分析员
具体职责：

• 负责应用系统的需求分析和规范说明
• 与用户及DBA协商，确定系统的硬软件配置
• 参与数据库系统的概要设计

③、数据库设计人员
具体职责：

• 参加用户需求调查和系统分析
• 确定数据库中的数据
• 设计数据库各级模式

④、应用程序员
具体职责：

• 设计和编写应用系统的程序模块
• 进行调试和安装

⑤、用户
用户是指最终用户（End User）。
最终用户通过应用系统的用户接口使用数据库。

• 偶然用户

  • 不经常访问数据库，但每次访问数据库时往往需要不同的数据库信息
    企业或组织机构的高中级管理人员

• 简单用户

  • 主要工作是查询和更新数据库
  • 银行的职员、机票预定人员、旅馆总台服务员

• 复杂用户

  • 工程师、科学家、经济学家、科技工作者等
  • 直接使用数据库语言访问数据库，甚至能够基于数据库管理系统的API编制自己的应用程序

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