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Introduction

What is a database?

  • Database: A very large, integrated collection of data. 数据集合。

  • Database Management System (DBMS): A software system designed to store, manage, and facilitate access to databases. 数据库管理系统。

    DBMS = ( Database ) + A set of programs used to access, update and manage the data in database.

Purpose of Database Systems

Database Applications

Data processing and management. 主要用于数据处理和管理。

DBMS vs. File-processing Systems

  • DBMS:

    1. Efficiency and scalability in data access. 数据访问效率高，可扩展性强。
    2. Reduced application development time. 缩短应用开发时间。
    3. Data independence. 数据独立性。
    4. Data integrity and security. 数据完整性和安全性。
    5. Concurrent access and robustness. 并发访问和数据健壮性（可靠性）。

  • File-processing Systems:

    1. Data redundancy and inconsistency. 数据冗余和不一致。可能存在同一数据的多个副本，且这些副本可能不同步。
    2. Difficulty in accessing data. 数据访问困难。访问数据需要编写专门的程序。
    3. Data isolation. 数据隔离。难以检索和共享数据。
    4. Integrity problems. 完整性问题。难以添加新的约束或者更改已有的约束。
    5. Atomicity problems. 原子性问题。数据访问失败可能会导致整体数据不同步。
    6. Concurrent access anomalies. 并发访问异常。
    7. Security problems. 安全性问题。

View of Data

Levels of Data Abstraction

  • Physical level: describes how a record is stored. 数据的物理存储方式
  • Logical level: describes data stored in database, and the relationships among the data on upper level. 描述数据库中的数据，和数据之间的关系。
  • View level: application programs hide details of data types. Note that views can also hide information (e.g., employee’s salary) for security purposes. 选择性向用户展示数据。

Schemas and Instances

  • Schemas 架构: the structure of the database on different levels. 数据库的结构。

    1. Physical schema: database structure design at the physical level.
    2. Logical schema: database structure design at the logical level.
    3. Subschema: schema at view level.

  • Instances 实例: the actual content of the database at a particular point in time. 数据库的实际内容。

类比

  • Schema: 类比为数据类型（type）。
  • Instance: 类比为实例化后的变量（variable）。

Independence

Ability to modify a schema definition at one level without affecting a schema definition at a higher level. 在不影响更高层次的数据的情况下修改底层数据。

  • Physical Data Independence: the ability to modify the physical schema without changing the logical schema. 可以修改物理架构而不影响逻辑架构。DBMS 的主要优势
  • Logical Data Independence: protection from changes in the logical schema. 保护逻辑架构不受应用程序的影响。比较难以实现，因为大部分应用程序都依赖于逻辑架构。

Data Models

A collection of conceptual tools for describing data, data relationships, data semantics, and consistency constraints. 描述数据、数据关系、数据语义和一致性约束的概念工具集合。

  • Entity-Relationship model 实体关系模型: 描述实体的属性和实体之间的关系。
  • Relational model 关系模型: 描述数据的逻辑结构。
  • Others: Object-oriented, Semi-structured data models(XML), etc.

Database design step

  • Requirements analysis
  • Conceptual design: 使用 ER 模型
  • Logical design: 使用关系模型
  • ...

Database Language

  • Data Definition Language (DDL): Specification notation for defining the database schema. 用于定义数据库架构的规范符号。
  • Data Manipulation Language (DML): Language for accessing and manipulating the data organized by appropriate data model. 用于访问和操作数据的语言。
  • Data Control Language (DCL)

DDL

Specify a database schema by a set of definitions expressed by a data-definition language (DDL). The DDL is also used to specify additional properties of the data. DDL 用于定义关系模式、删除关系、修改关系模式以及创建数据库中的各种对象。

DDL 编译后生成一张包含元数据（metadata）的表，称作 data dictionary。

DML

用于操纵数据库中的数据，其中涉及数据查询到部分称为查询语言（query language）。

Two classes of DMLs:

  • Procedural DMLs 过程式: 用户需要指定如何获取数据。例如 C、Java 等语言。
  • Nonprocedural DMLs 非过程式（陈述式）: 用户只需要指定需要获取的数据。例如 SQL。

SQL

SQL = DDL + DML + DCL

Database Design

  • Requirement Analysis: What data, applications, and operations needed.
  • Conceptual Design: High-level description of data to be stored, using ER model. 高层次描述数据的存储，使用 ER 模型。
  • Logical Design: Translate ER model to DB schema. 将 ER 模型转换为数据库架构。
  • Schema Refinement: Improve the logical schema. 改进逻辑架构。
  • Physical Database Design: Design the internal storage structure. 设计内部存储结构。
  • Creating and Initializing the Database: 创建和初始化数据库。

E-R Model

ER Model of Real World: - Entities: Entities are described by a set of attributes. 实体由一组属性描述。 - Relationships: Relationships among entities. 实体之间的关系。

Example

Relational Model

Transfer E-R diagrams into relational schema.

转换后的表格第一行为实体的属性，随后每一行为一个元组，代表一个实例。

Example

将 customer 实体转换为关系模型：

Database Users and Administrators

Users

由其与系统交互的方式进行划分：

  • Naive users: 调用预定义的程序访问数据库，普通用户。
  • Application programmers: 开发应用程序的程序员，通过 SQL calls 访问数据库。
  • Sophisticated users: 通过 SQL 查询数据库。
  • Specialized users: write specialized database applications that do not fit into the traditional data processing framework. 编写专门的数据库应用程序。

Transaction Management

A transaction is a collection of operations that performs a single logical function in a database application. 事务是数据库应用程序中执行单个逻辑功能的一组操作。

Transaction requirements include atomicity, consistence, isolation, durability. 事务要求包括原子性、一致性、隔离性、持久性。

Database Architecture

Storage Manager

为应用程序提供访问底层数据的接口。分为：

  • Transaction manager: 事务管理。
  • Authorization and integrity manger: 授权和完整性管理。
  • File manager: interaction with the file system to process data files, data dictionary, and index files. 与文件系统交互处理数据文件、数据字典和索引文件。
  • Buffer manager: 数据缓存管理。

Query Processor

Query Processor includes DDL interpreter, DML compiler, and query processing. 查询处理器包括 DDL 解释器、DML 编译器和查询处理。

Database System Internals