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Chapter1 Introduction to Database Systems

1.1 Database System Applications

Database Management System (DBMS):

DBMS包含的信息：

  • 数据
  • 处理数据的程序
  • 友好的环境（convenient and efficient）

DBMS处理的数据的特征：

  • 高价值
  • 大体量
  • 常被并发访问

1.2 Purpose of Database Systems

Drawbacks of File Systems:

早期的数据库应用直接建立在文件系统之上，会导致以下问题：

  • data redundancy and inconsistency
    数据冗余与不一致：数据在多个文件中重复存储，修改需要在多个地方进行
  • difficulty in accessing data
    存取数据困难：对于每一个任务都要写新的程序
  • data isolation
    数据孤立：多个文件，多种格式
  • integrity problems
    完整性问题：程序无法显式声明完整性约束
  • atomicity problem
    原子性问题
  • concurrent access by multiple users
    并发访问异常
  • Security problems
    安全性问题

Definition

integrity constraint 完整性约束：

数据库中用于确保数据一致性和准确性的规则。它定义了数据必须满足的条件，以防止无效或不一致的数据进入数据库。例如：

account balance >= 0
银行卡上金额非负

Characteristics of Databases:

  • data persistence 数据持久性
  • convenience in accessing data 数据访问便捷性
  • data integrity 数据完整性
  • concurrency control for multiple users 多用户并发控制
  • failure recovery 故障恢复
  • security control 安全控制

1.3 View of Data

Data Models:

数据模型是用来描述以下内容的工具集合：

  • data 数据
  • data relationships 联系
  • data semantics 语义
  • data constraints 约束

有两种主要模型：

  • Relation model 关系模型
  • Entity-relationship model 实体-关系模型（常用）

Relational Model:

每一张表格称为一个关系（relation），表格中的每一行称为一个元组（tuple），每一列称为一个属性（attribute）。

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Levels of Abstraction:

  • physical level 物理层
    如何存储
  • logical level 逻辑层
    如何联系
  • view level 视图层
    如何展示

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Schemas and Instances:

模式（schema）类似于编程语言中的变量类型。

  • logical schema 逻辑模式
  • physical schema 物理模式

实例（instance）类似于编程语言中的变量赋值。

Note

Applications depends on the logical schema.

Definition

Physical Data Independence 物理数据独立性：
修正物理模式时不会改变逻辑模式。

1.4 Database Language

Data Definition Language (DDL) 数据定义语言：

定义数据库的模式。例如：

create table instructor(
    ID char(5),
    name varchar(20),
    dept_name varchar(20),
    salary numeric(8, 2)
);

DDL编译器生成的表格模板储存在数据字典（data dictionary）中，作为元数据（metadata）。

Data Manipulation Language (DML) 数据操作语言：

对数据库中的数据进行操作（增删改查）。有两种基本的类型：

  • procedural DML
    过程式：要求用户声明需要什么数据，如何获得数据等
  • declarative DML
    陈述式（非过程式）：只要声明需求即可，具体怎么获得无需声明

包含information retrieval功能的DML称为查询语言（query language）。

SQL Query Language:

属于陈述式DML。一个query的输入是至少一张表，输出是一张表（注意：不是value）。例如：

select name
from instructor
where dept_name = 'Comp.Sci';

SQL不是一种图灵机完备语言，需要和高级语言交互，例如将SQL嵌入C，Python（host language）等，或者使用API调用。

1.5 Database Engine

Functional Components:

数据库的功能组件包括：

  • storage manager 存储管理
  • query processor component 查询处理
  • transaction management component 事务管理

Storage Manager:

storage manager包含：

  • authorization and integrity manager
  • transaction manager
  • file manager
  • buffer manager

存储的数据结构包括：

  • data files
  • data dictionary
  • indices

Query Processor:

query processor包含：

  • DDL interpreter
    解释DDL，在data dictionary中记录definitions
  • DML compiler
    用query language解释DML，进行query optimization，生成evaluation plan
  • query evaluation engine
    执行DML compiler生成的指令

Definition

Evaluation Plan 评估计划：
用于执行query的详细步骤和策略。它是查询优化器的输出，定义了如何高效地访问和处理数据。

Query Processing:

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Transaction Management:

事务（transaction） 是单个逻辑工作单元执行的一系列操作。

transaction manager确保数据库的一致性。

concurrency control manager确保多个用户同时访问数据库时的数据一致性。

1.6 Database Architecture

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1.7 Database Users and Administrators

Two-tier and Three-tier Architectures:

两层架构：client + server

三层架构：client + application server + database system

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