免费智能真题库 > 历年试卷 > 数据库系统工程师 > 2012年上半年 数据库系统工程师 上午试卷 综合知识
  第30题      
  知识点:   内模式   数据库系统的三级模式结构   外模式   数据库   数据库系统
  关键词:   内模式   数据库系统   外模式   数据   数据库        章/节:   数据库技术基础       

 
数据库系统中,(30)用于对数据库中全部数据的逻辑结构和特征进行描述。其中,外模式、模式和内模式分别描述(31)层次上的数据特性。
 
 
  A.  外模式
 
  B.  模式
 
  C.  内模式
 
  D.  存储模式
 
 
 

 
  第34题    2010年上半年  
   53%
假设某医院诊疗科、医生和患者各实体对应的关系模式如下:
诊疗科(科室代码,科室名称,电话)
医生(医生代码,姓名..
  第60题    2010年上半年  
   53%
关于分布式数据库,下列描述正确的是(60)。
  第30题    2009年上半年  
   43%
采用二维表格结构表达实体及实体间联系的数据模型是(30)。
   知识点讲解    
   · 内模式    · 数据库系统的三级模式结构    · 外模式    · 数据库    · 数据库系统
 
       内模式
        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。定义所有的内部记录类型、索引和文件的组织方式,以及数据控制方面的细节。
        例如,记录的存储方式是顺序存储,按照B树结构存储,还是Hash方法存储;索引按照什么方式组织;数据是否压缩存储,是否加密;数据的存储记录结构有何规定。
        需要说明的是,内部记录并不涉及物理记录,也不涉及设备的约束。比内模式更接近于物理存储和访问的那些软件机制是操作系统的一部分(即文件系统)。例如,从磁盘上读、写数据。
        描述内模式的数据定义语言称为“内模式DDL”。
        总之,数据按外模式的描述提供给用户,按内模式的描述存储在磁盘上,而概念模式提供了连接这两极模式的相对稳定的中间观点,并使得两级的任意一级的改变都不受另一级的牵制。
 
       数据库系统的三级模式结构
        站在数据库管理系统的角度看,数据库系统一般采用三级模式结构。
               数据抽象
               事实上,一个可用的数据库系统必须能够高效地检索数据。这种高效性的需求促使数据库设计者使用复杂的数据结构来表示数据。由于大多数数据库系统用户并未受过计算机的专业训练,因此系统开发人员需要通过视图层、逻辑层和物理层三个层次上的抽象来对用户屏蔽系统的复杂性,简化用户与系统的交互。
               视图层(view level)是最高层次的抽象,描述整个数据库的某个部分。因为数据库系统的很多用户并不关心数据库中的所有信息,而只关心所需要的那部分数据。例如,某高校信息管理系统有人事管理、教务管理、工资管理等多个子系统。但是,人事处只关心与人事管理有关的那部分信息,教务处只关心与教务管理有关的那部分信息,财务处只关心与工资管理有关的那部分信息。这些问题可以通过构建视图层实现,这样做除了使用户与系统交互简化,而且还可以保证数据的保密性和安全性。
               逻辑层(logical level)是比物理层更高一层的抽象,描述数据库中存储什么数据以及这些数据间存在什么关系。逻辑层通过相对简单的结构描述了整个数据库。尽管逻辑层的简单结构的实现涉及了复杂的物理层结构,但逻辑层的用户不必知道这些复杂性。因为,逻辑层抽象是数据库管理员的职责,由管理员确定数据库应保存哪些信息。
               物理层(physical level)是最低层次的抽象,描述数据在存储器是如何存储的。物理层详细地描述复杂的底层结构。
               数据库系统设计员可在视图层、逻辑层和物理层对数据抽象,通过外模式、概念模式和内模式来描述不同层次上的数据特性,其对应关系如下图所示。
               
               数据库系统体系结构
               数据库的三级模式结构
               实际上,数据库的产品很多,它们支持不同的数据模型,使用不同的数据库语言,建立在不同的操作系统上,而且数据的存储结构也各不相同,但体系结构基本上都具有相同的特征,采用“三级模式和两级映像”。如上图所示。
               数据库系统采用三级模式结构,这是数据库管理系统内部的系统结构。数据库有“型”和“值”的概念,“型”是指对某一数据的结构和属性的说明,“值”是型的一个具体赋值。
               模式
                      概念模式
                      概念模式也称模式,是数据库中全部数据的逻辑结构和特征的描述,它由若干个概念记录类型组成,只涉及型的描述,不涉及具体的值。概念模式的一个具体值称为模式的一个实例,同一个模式可以有很多实例。概念模式反映的是数据库的结构及其联系,所以是相对稳定的;而实例反映的是数据库某一时刻的状态,所以是相对变动的。
                      需要说明的是,概念模式不仅要描述概念记录类型,还要描述记录间的联系、操作、数据的完整性和安全性等要求。但是,概念模式不涉及存储结构、访问技术等细节。只有这样,概念模式才算做到了“物理数据独立性”。
                      描述概念模式的数据定义语言称为“模式DDL(Schema Data Definition Language)”。
                      外模式
                      外模式也称用户模式或子模式,是用户与数据库系统的接口,是用户用到的那部分数据的描述。它由若干个外部记录类型组成。用户使用数据操纵语言对数据库进行操作,实际上是对外模式的外部记录进行操作。
                      描述外模式的数据定义语言称为“外模式DDL”。有了外模式后,程序员不必关心概念模式,只与外模式发生联系,按外模式的结构存储和操纵数据。
                      内模式
                      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。定义所有的内部记录类型、索引和文件的组织方式,以及数据控制方面的细节。
                      例如,记录的存储方式是顺序存储,按照B树结构存储,还是Hash方法存储;索引按照什么方式组织;数据是否压缩存储,是否加密;数据的存储记录结构有何规定。
                      需要说明的是,内部记录并不涉及物理记录,也不涉及设备的约束。比内模式更接近于物理存储和访问的那些软件机制是操作系统的一部分(即文件系统)。例如,从磁盘上读、写数据。
                      描述内模式的数据定义语言称为“内模式DDL”。
                      总之,数据按外模式的描述提供给用户,按内模式的描述存储在磁盘上,而概念模式提供了连接这两极模式的相对稳定的中间观点,并使得两级的任意一级的改变都不受另一级的牵制。
               两级映像
               数据库系统在三级模式之间提供了两级映像:模式/内模式映像、外模式/模式映像。正因为这两级映像保证了数据库中的数据具有较高的逻辑独立性和物理独立性。
               (1)模式/内模式的映像:存在于概念级和内部级之间,实现了概念模式到内模式之间的相互转换。
               (2)外模式/模式的映像:存在于外部级和概念级之间,实现了外模式到概念模式之间的相互转换。
               数据的独立性
               数据的独立性是指数据与程序独立,将数据的定义从程序中分离出去,由DBMS负责数据的存储,从而简化应用程序,大大减少应用程序编制的工作量。数据的独立性是由DBMS的二级映像功能来保证的。数据的独立性包括数据的物理独立性和数据的逻辑独立性。
               (1)数据的物理独立性:是指当数据库的内模式发生改变时,数据的逻辑结构不变。由于应用程序处理的只是数据的逻辑结构,这样物理独立性可以保证,当数据的物理结构改变了,应用程序不用改变。但是,为了保证应用程序能够正确执行,需要修改概念模式/内模式之间的映像。
               (2)数据的逻辑独立性:是指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构发生变化后,用户程序也可以不修改。但是,为了保证应用程序能够正确执行,需要修改外模式/概念模式之间的映像。
 
       外模式
        外模式也称用户模式或子模式,是用户与数据库系统的接口,是用户用到的那部分数据的描述。它由若干个外部记录类型组成。用户使用数据操纵语言对数据库进行操作,实际上是对外模式的外部记录进行操作。
        描述外模式的数据定义语言称为“外模式DDL”。有了外模式后,程序员不必关心概念模式,只与外模式发生联系,按外模式的结构存储和操纵数据。
 
       数据库
        数据库(DataBase,DB)是指长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和存储,具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性,并可为各种用户共享。
        系统使用的所有数据存储在一个或几个数据库中。
 
       数据库系统
        简单地说,数据库系统就是基于数据库的计算机应用系统。这样一个系统包括以下内容。
        ①以数据为主体的数据库。
        ②管理数据库的系统(DBMS)。
        ③支持数据库系统的计算机硬件环境和操作系统环境。
        ④管理和使用数据库系统的人——数据库管理员。
        1)数据库的定义和特征
        数据库,顾名思义就是存放数据的仓库,这种想当然的理解是不准确的。数据库对应的英文单词是DataBase,如果直译则是数据基地;而数据仓库则另有其词DataWarehouse。所以数据库和数据仓库不是同义词,数据仓库是在数据库技术的基础上发展起来的又一新的应用领域。
        数据库技术发展到今天已经是一门成熟的技术,但却没有一个被普遍接受的、严格的定义。数据库是相互关联数据的集合,这是大家公认的数据库的基本特征之一。下面一段话概括了数据库应该具备的一些特征,也可以把它作为数据库的定义。
        数据库是相互关联数据的集合,它用综合的方法组织数据,具有较小的数据冗余,可供多个用户共享,具有较高的数据独立性,具有安全控制机制,能够保证数据的安全、可靠,允许并发地使用数据库,能有效、及时地处理数据,并能保证数据的一致性和完整性。
        (1)相互关联的数据集合。数据库中的数据不是孤立的,数据与数据之间是相互关联的。也就是说,在数据库中不仅要能够表示数据本身,还要能够表示数据与数据之间的联系。比如在学籍管理中,有学生和课程两类数据,在数据库中除了要存放这两类数据之外,还要存放哪些学生选修了哪些课程或哪些课程由哪些学生选修这样的信息,这就反映了学生数据和课程数据之间的联系。
        (2)用综合的方法组织数据。数据库能够根据不同的需要按不同的方法组织数据,如可以用顺序组织方法、索引组织方法、聚集(Cluster)组织方法等。
        (3)低冗余与数据共享。由于在数据库技术之前,数据文件都是独立的,所以任何数据文件都必须含有满足某应用的全部数据。比如,人事部门有一个职工文件,教育部门也有一个职工文件,两个部门的职工文件中都有"职工基本情况"的数据,也就是说这一部分数据是重复存储的,如果还有第三、第四个部门也有类似的职工文件,那么重复存储所造成的空间浪费是很大的。在数据库中,可以共享类似"职工基本情况"这样的共用数据,从而降低数据的冗余度。
        (4)数据具有较高的独立性。数据独立性是指数据的组织和存储方式与应用程序互不依赖、彼此独立的特性。在数据库技术之前,数据文件的组织方式和应用程序是密切相关的,当改变数据结构时,相应的应用程序也必须随之修改,这样就大大增加了应用程序的开发代价和维护代价。而数据库技术却可以使数据的组织和存储方法与应用程序互不依赖,从而大大降低应用程序的开发代价和维护代价。
        (5)保证数据的安全、可靠。数据库技术要能够保证数据库中的数据是安全、可靠的。数据库要有一套安全机制,以便可以有效地防止数据库中的数据被非法使用或非法修改;数据库还要有一套完整的备份和恢复机制,以便保证当数据遭到破坏时(软件或硬件故障引起的),能立刻将数据完全恢复,从而保证系统能够连续、可靠地运行。
        (6)最大限度地保证数据的正确性。保证数据正确的特性在数据库中称为数据完整性。在数据库中可以通过建立一些约束条件保证数据库中的数据是正确的。比如输入年龄小于0或者大于200时,数据库能够主动拒绝这类错误。
        (7)数据可以并发使用并能同时保证数据的一致性。数据库中的数据是共享的,并且允许多个用户同时使用同一数据,这就要求数据库能够协调一致,保证各个用户之间对数据的操作不发生矛盾和冲突,即在多个用户同时使用数据库的情况下,能够保证数据的一致性和正确性。
        2)数据库管理系统
        数据库的各种功能和特性,并不是数据库中的数据所固有的,而是靠管理或支持数据库的系统软件——数据库管理系统(DataBase Management System, DBMS)提供的。一个完备的数据库管理系统应该具备上一节提到的各种功能,其任务就是对数据资源进行管理,并且使之能为多个用户共享,同时还能保证数据的安全性、可靠性、完整性、一致性,并要保证数据的高度独立性。一个数据库管理系统应该具备以下功能。
        (1)数据库定义功能。可以定义数据库的结构和数据库的存储结构,可以定义数据库中数据之间的联系,可以定义数据的完整性约束条件和保证完整性的触发机制等。
        (2)数据库操纵功能。可以完成对数据库中数据的操纵,可以装入、删除、修改数据,可以重新组织数据库的存储结构,可以完成数据库的备份和恢复等操作。
        (3)数据库查询功能。可以以各种方式提供灵活的查询功能,可以使用户方便地使用数据库中的数据。
        (4)数据库控制功能。可以完成对数据库的安全性控制、完整性控制、多用户环境下的并发控制等各方面的控制。
        (5)数据库通信功能。在分布式数据库或提供网络操作功能的数据库中还必须提供数据库的通信功能。
        3)数据库管理员
        从事数据库管理工作的人员称为数据库管理员(DataBase Administrator, DBA)。DBA有大量的工作要做,既有技术方面的工作,又有管理方面的工作,要参加数据库开发和使用的全部工作。总体来说,DBA的工作可以概括如下。
        (1)在数据库规划阶段要参与选择和评价与数据库有关的计算机软件和硬件,要与数据库用户共同确定数据库系统的目标和数据库应用需求,要确定数据库的开发计划。
        (2)在数据库设计阶段要负责数据库标准的制定和共用数据字典的研制,要负责各级数据库模式的设计,要负责数据库安全、可靠方面的设计。
        (3)在数据库运行阶段首先要负责对用户进行数据库方面的培训;要负责数据库的转储和恢复;要负责对数据库中的数据进行维护;要负责监视数据库的性能,并调整、改善数据库的性能,提高系统的效率;要继续负责数据库安全系统的管理;要在运行过程中发现问题、解决问题。
        4)数据库的发展
        数据库的核心任务是数据管理,它包括数据的分类、组织、编码、存储、检索和维护等。数据管理经历了以下3个阶段。
        (1)人工管理阶段。人工管理阶段是指计算机诞生的初期(20世纪50年代中期以前)。这个时期的计算机技术,从硬件看还没有磁盘这样的可直接存取的存储设备,从软件看没有操作系统,更没有管理数据的软件。这个时期数据管理的特点如下。
        ①数据不保存。因为计算机主要用于科学计算,一般也不需要长期保存数据,只是在完成某一个计算或课题时才将数据输入,然后不仅原始数据不保存,计算结果也不保存。
        ②没有文件的概念。这个时期的数据组织必须由每个程序的程序员自行组织和安排。
        ③一组数据对应一个程序。每组数据只对应一个应用,即使两个程序用到相同的数据,也必须各自定义、各自组织,数据无法共享、无法相互利用和互相参照。因此,程序和程序之间有大量的数据重复。
        ④没有形成完整的数据管理的概念。由于以上几个特点及没有对数据进行管理的软件系统,所以这个时期的每个程序都要包括数据存取方法、输入输出方法和数据组织方法等。因为程序是直接面向存储结构的,所以存储结构的任何一点修改,都会导致程序的修改,程序与数据不具有独立性。
        (2)文件系统阶段。文件系统阶段是指20世纪50年代后期到60年代中期这一阶段。从那时起,计算机不仅大量用于科学计算,也开始大量用于信息管理。像磁盘这样的直接存取存储设备也已经出现,在软件方面也有了操作系统和高级语言,还有了专门用于数据管理的软件,即文件系统(或操作系统的文件管理部分)。这个阶段的数据管理具有以下特点。
        ①数据可以长期保存在磁盘上,也可以反复使用,即可以经常对文件进行查询、修改、插入和删除等操作。
        ②操作系统提供了文件管理功能和访问文件的存取方法,程序和数据之间有了数据存取的接口,程序开始通过文件名和数据打交道,可以不再关心数据的物理存放位置。因此,这时也有了数据的物理结构和数据的逻辑结构的区别。程序和数据之间有了一定的独立性。
        ③文件的形式已经多样化。由于有了磁盘这样的直接存取存储设备,文件也就不再局限于顺序文件,也有了索引文件、链表文件等。因而,对文件的访问可以是顺序访问,也可以是直接访问。但文件之间是独立的,它们之间的联系要通过程序去构造,文件的共享性还比较差。
        ④有了存储文件以后,数据就不再仅仅属于某个特定的程序,而是可以由多个程序反复使用。但文件结构的设计仍然是基于特定的用途,程序仍然是基于特定的物理结构和存取方法编制的。因此,数据的存储结构和程序之间的依赖关系并未根本改变。
        ⑤数据的存取基本上以记录为单位。
        (3)数据库系统阶段。数据库系统阶段从20世纪60年代后期开始,数据库技术的诞生既有计算机技术的发展做依托,又有数据管理的需求做动力。数据库的数据不再是面向某个应用或某个程序,而是面向整个企业(组织)或整个应用。
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