06.05 軟件架構師—數據庫系統之數據庫結構與模式

數據庫管理系統的類型

通常有多個分類標準。如按數據模型分類、按用戶數分類、按數據庫分佈站點分類等。這裡主要討論按數據模型分類。當前,許多商業DBMS中所用的主要數據模型任然是關係型數據模型。有些商業系統中實現了對象系統模型,但沒有得到廣泛使用。近幾年隨著NoSQL技術的興起,也產生了一些新的數據模型。目前常見的DBMS按數據模型劃分,包括:關係型DBMS、鍵值型DBMS、對象型DBMS、文檔型DBMS等。

數據庫模式與範式是數據庫系統中的兩個重要概念,是進行數據庫設計的基礎。

數據庫技術中採用分級的方式將數據庫的結構換分為多個層次,最著名的是美國ANSI/SPARC數據庫系統研究組於1975年提出的三級劃分法。如下圖:

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數據庫系統的機構層次

如上圖,數據庫系統劃分為三個抽象級:用戶級、概念級、物理級。

  1. 用戶級數據庫對應於外模式,是最接近用戶的一級數據庫,是用戶可以看到和使用的數據庫,又稱為用戶試圖。主要由外部記錄組成,不同的用戶視圖可以相互重疊,用戶的所有操作是針對用戶視圖進行的。
  2. 概念級數據庫對應於概念模式,介於用戶級和物理級之間,是所有用戶視圖的最小並集,是 數據庫管理員可以看到和使用的數據庫,又稱DBA(DataBase Administrator,數據庫管理員)視圖。由概念視圖組成,一個數據庫可以有多個不同的用戶視圖,每個用戶視圖由數據庫某一部分的抽象概念記錄組成。一個數據庫應用系統只存在一個DBA視圖,它把數據庫作為一個整體的抽象表示。概念級模式把用戶視圖有機地結合成一個整體,綜合平衡考慮所有用戶要求,實現數據一致性、最大限度降低數據冗餘、準確的反映數據間的聯繫。
  3. 物理級數據庫對應於內模式,是數據庫的底層表示,它描述數據的實際存儲組織,是最接近於物理存儲的級,又稱為內部視圖。物理級數據庫由內部記錄組成,並不是真正的物理存儲,而是最接近物理存儲的級。

數據庫系統的三級模式分別為:外模式、概念模式、內模式。

  1. 外模式用於描述用戶看到或使用的那部分的邏輯結構,用戶根據外模式用數據操作語句或應用程序操作數據庫中的數據。外模式主要描述組成用戶視圖的各個記錄的組成、相互關係、數據項的特徵、數據的安全性和完整性約束條件。一個數據庫可以有多個外模式,一個應用程序只能有一個外模式。
  2. 概念模式用以描述整個數據庫中數據庫的邏輯結構,描述現實生活中的實體及其性質和聯繫,定義記錄、數據項、數據的完整性約束條件及記錄之間的聯繫,是數據項值的框架。也是數據庫全體數據的邏輯結構和特徵的描述,是所有用戶的公共數據視圖。一個數據庫只有一個概念模式。
  3. 內模式定義的是存儲記錄的類型、存儲域的表示以及存儲記錄的物理順序,指引元、索引和存儲路徑等數據的存儲組織。

兩級獨立性是指物理獨立性和邏輯獨立性。三個抽象級間通過兩級映射(外模式—模式映射,模式—內模式映射)進行相互轉換,使得數據庫的三級形成一個整體。

物理獨立性是指用戶的應用程序和存儲在磁盤上的數據是相互獨立的。當數據的物理存儲改變時,應用程序不需要改變。物理獨立性存在於概念模式和內模式之間的映射轉換,說明物理組織發生變化時應用程序的獨立程度。

邏輯獨立性是指用戶的應用程序與數據庫中的邏輯結構是相對獨立的。當數據的邏輯結構改變時,應用程序不需要改變,邏輯獨立存在於外模式和概念模式之間的映射轉換,說明概念模式發生變化時應用程序的獨立程度。

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