数据库管理系统的设计与实现

　　1.DBMS的目标

　　(1)用户界面友好 对一个实用DBMS来说，用户界面的质量直接影响其生命力。DBMS的用户接口应面向应用，采用适合最终用户的交互式、表格式、菜单式、窗口式等界面形式，以方便使用和保持灵活性。一般地说，用户界面应具有可靠性、简单性、灵活性和立即反馈等特性。

　　(2)功能完备 DBMS功能随系统的规模的大小而异。大型DBMS功能齐全，小型DBMS功能弱一些。DBMS主要功能包括数据定义、数据库数据存取、事务控制、数据库组织和存储管理、数据库安全保护等等。我们在下面讨论这些功能的内容。

　　(3)效率高 系统效率包括三个方面:一是计算机系统内部资源的使用效率。能充分利用资源(包括存储空间、设备、CPU等)，并注意使各种资源负载均衡以提高整个系统的效率，二是DBMS本身的运行效率。三是用户的生产率。这是指用户学习、使用DBMS和在DBMS基础上开发的应用系统的效率。

　　2.DBMS的基本功能

　　(1)数据库定义 对数据库的结构进行描述，包括外模式、模式、内模式的定义;数据库完整性的定义;安全保密定义(如用户口令、级别、存取权限);存取路径(如索引)的定义。这些定义存储在数据字典(亦称为系统目录)中，是DBMS运行的基本依据。为此，提供数据定义语言DDL。

　　(2)数据存取 提供用户对数据的操纵功能，实现对数据库数据的检索、插入、修改和删除。一个好的DBMS应该提供功能强易学易用的数据操纵语言(DML)、方便的操作方式和较高的数据存取效率。DML有两类:一类是宿主型语言，一类是自含型语言。前者的语句不能独立使用而必须嵌入某种主语言，如C语言、COBOL语言中使用。而后者可以独立使用，通常以供终端用户交互使用和批处理方式两种形式使用。

　　(3)数据库运行管理 这是指DBMS运行控制、管理功能。包括多用户环境下的并发控制、安全性检查和存取权限控制、完整性检查和执行、数据加密、运行日志的组织管理、事务的管理和自动恢复(保证事务的正确性)，这些功能保证了数据库系统的正常运行。

　　(4)数据组织、存储和管理 DBMS要分门别类地组织、存储各类数据，包括数据字典(亦称系统目录)、用户数据、存取路径等等。要确定以何种文件结构和存取方式在存储级上组织这些数据，如何实现数据之间的联系。数据组织和存储的基本目标是提高存储空间利用率，选择合适的存取方法确保较高存取(如随机查找、顺序查找、增、删、改)效率。

　　(5)数据库的建立和维护 包括数据库的初始建立、数据的转换、数据库的转储和恢复、数据库的重组织和重构造以及有性能监测分析等功能。

　　(6)其它功能 包括DBMS与网络中其它软件系统的通信功能;一个DBMS与另一个DBMS或文件系统的数据转换功能等。

　　3.DBMS与操作系统

　　通常DBMS是建立在操作系统环境之上的。根据具体操作系统的特点，DBMS可以用不同的方法利用操作系统的基本功能来实现DBMS。一般有下面3类方法:

　　(1)共享模块法

　　(2)分离进程法

　　(3)和操作系统融合

　　4.DBMS程序模块的组成

　　作为一个庞大的系统软件，DBMS由众多程序模块组成，它们分别实现DBMS复杂而繁多的功能。数据库定义方面 有DDL翻译处理程序(包括外模式、模式、存储模式处理程序)、保密定义处理程序(如授权定义处理程序)、完整性约束定义处理程序等。这些程序接收相应的定义，进行语法、语义检查，把它们翻译为内部格式存储在数据字典中。DDL翻译程序还根据模式定义负责建立数据库的框架(即形式一个空库)，等待装入数据。数据库操纵方面 有DML处理程序、终端查询语言解释程序、数据存取程序、数据更新程序等。DML处理程序或终端查询语言解释程序对用户数据操纵请求进行语法、语义检查、由数据存取或更新程序完成对数据库的存取操作。数据库运行管理方面 有系统初启程序，负责初始化DBMS、建立DBMS的系统缓冲区、系统工作区 打开数据字典等等。还有安全性控制、完整性检查、并发控制、事务管理、运行日志管理等程序模块，在数据库运行过程中监视着对数据库的所有操作，控制管理数据库资源，处理多用户的并发操作等。它们一方面保证用户事务的正常运行，一方面保证数据库的安全性和完整性。数据库组织、存储和管理方面 有文件读写与维护程序、存取路径(如索引)管理程序、缓冲区管理程序(包括缓冲区读、写、淘汰等模块)，这些程序负责维护数据库的数据和存取路径，提供有效的存取的方法。数据库建立、维护和其它。有数据库初始数据装入程序、转储程序、恢复程序、数据库重构造程序、数据转换程序、通信程序等。DBMS的这些组成模块互相联系，互相依赖，共同完成DBMS复杂的功能。这些模块之间的联系有一定的层次关系。

　　5.DBMS的层次结构

　　和操作系统一样，可以也应该将DBMS划分成若干层次。许多DBMS实际上就是分层实现的。最上层是应用层，位于DBMS核心之处。它处理的对象包括各种各样的数据库应用，如用宿主语言编写的应用程序、终端用户通过应用接口(如FORMS)发出的事务请求等。该层是DBMS的最终用户和应用程序的界面层。第二层是语言翻译处理层。它处理的对象是数据库语言，如SQL。提供的数据接口是关系、视图，即元组的集合。其功能是对数据库语言的各类语句进行语法分析、视图转换、授权检查、完整性检查、查询优化等。通过对下层基本模块的调用，生成可执行代码。这些代码的运行，即可完成数据库语句的功能要求。第三层是数据存取层。该层处理的对象是单个元组。它把上层的集合操作转化为单记录操作。执行扫描、排序、元组的查找、插入、修改、删除、封锁等基本操作。完成数据记录的存取、存取路径维护、并发控制、事务管理等工作。第四层是数据存储层。该层处理的对象是数据页和系统缓冲区，执行文件的逻辑打开、关闭、读页、写页、缓冲区读和写、页面淘汰等操作，完成缓冲区管理、内外存交换、外存管理等功能。操作系统是DBMS的基础，它处理的对象是数据文件的物理块。执行物理文件的读写操作，保证DBMS对数据逻辑上的读写真实地映射到物理文件上。操作系统提供的存取原语和基本的存取方法通常作为和DBMS存储层的接口。