王珊、薩師煊數(shù)據(jù)庫(kù)第四版課件第十二章.ppt

An Introduction to Database System,中國(guó)人民大學(xué)信息學(xué)院,數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概論 An Introduction to Database System 第十二章 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),An Introduction to Database System,第十二章 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),12.1 DBMS的基本功能 12.2 DBMS的進(jìn)程結(jié)構(gòu)和多線索機(jī)制 12.3 DBMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 12.4 語(yǔ)言處理 12.5 數(shù)據(jù)存取層 12.6 緩沖區(qū)管理 12.7 數(shù)據(jù)庫(kù)物理組織 12.8 小結(jié),An Introduction to Database System,12.1 DBMS的基本功能,數(shù)據(jù)庫(kù)定義和創(chuàng)建 數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)和管理 數(shù)據(jù)存取 數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)管理和運(yùn)行管理 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和維護(hù) 其他功能,An Introduction to Database System,12.1 DBMS的基本功能（續(xù)）,數(shù)據(jù)庫(kù)定義和創(chuàng)建 外模式、模式、內(nèi)模式的定義 數(shù)據(jù)庫(kù)完整性的定義 安全保密定義（如用戶口令、級(jí)別、存取權(quán)限） 存取路徑（如索引）的定義 數(shù)據(jù)字典（亦稱為系統(tǒng)目錄）: 存儲(chǔ)定義,An Introduction to Database System,12.1 DBMS的基本功能（續(xù)）,數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)和管理 數(shù)據(jù)的種類(lèi) 數(shù)據(jù)字典 用戶數(shù)據(jù) 存取路徑 任務(wù) 以某種文件結(jié)構(gòu)和存取方式物理地組織這些數(shù)據(jù) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系 目標(biāo) 提高存儲(chǔ)空間利用率 提高隨機(jī)查找、順序查找、增、刪、改等操作的時(shí)間效率,An Introduction to Database System,12.1 DBMS的基本功能（續(xù)）,數(shù)據(jù)存取 數(shù)據(jù)操縱語(yǔ)言（DML） 檢索 插入 修改 刪除 兩類(lèi)DML 宿主型語(yǔ)言 自立（獨(dú)立）型語(yǔ)言,An Introduction to Database System,12.1 DBMS的基本功能（續(xù)）,數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)管理和運(yùn)行管理 多用戶環(huán)境下事務(wù)的管理和自動(dòng)恢復(fù) 并發(fā)控制和死鎖檢測(cè)（或死鎖防止） 安全性檢查和存取控制 完整性檢查和執(zhí)行 運(yùn)行日志的組織管理,An Introduction to Database System,12.1 DBMS的基本功能（續(xù)）,數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和維護(hù) 建立數(shù)據(jù)庫(kù) 數(shù)據(jù)庫(kù)的初始建立 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換 維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù) 數(shù)據(jù)庫(kù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)和恢復(fù) 數(shù)據(jù)庫(kù)的重組織和重構(gòu)造 性能監(jiān)測(cè)分析,An Introduction to Database System,12.1 DBMS的基本功能（續(xù)）,其他功能 DBMS與網(wǎng)絡(luò)中其他軟件系統(tǒng)的通信功能 與其他DBMS或文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能 異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的互訪和互操作功能,An Introduction to Database System,12.2 DBMS進(jìn)程結(jié)構(gòu)和多線索機(jī)制,12.2.1 N方案：DBMS與應(yīng)用程序相融合的方案 12.2.2 2N方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶進(jìn)程 12.2.3 N+1方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)所有用戶進(jìn)程 12.2.4 N+M方案：M個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)N個(gè)用戶進(jìn)程 12.2.5 多線索(Multi_Threaded) DBMS的概念,An Introduction to Database System,12.2.1 N方案：DBMS與應(yīng)用程序相融合的方案,N個(gè)DB用戶-N個(gè)進(jìn)程 連入式方案 SGA(Shared Global Area) 共享全局區(qū) 字典定義信息 數(shù)據(jù)和索引緩沖塊 日志緩沖塊 封鎖控制塊,An Introduction to Database System,12.2.1 N方案：DBMS與應(yīng)用程序相融合的方案,優(yōu)點(diǎn) 沒(méi)有進(jìn)程切換開(kāi)銷(xiāo) 實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單 缺點(diǎn) 內(nèi)存的需求量比較大：多DBMS副本 代碼冗余使系統(tǒng)性能下降 適用情況 用戶數(shù)少的小型DBMS,An Introduction to Database System,12.2 DBMS進(jìn)程結(jié)構(gòu)和多線索機(jī)制,12.2.1 N方案：DBMS與應(yīng)用程序相融合的方案 12.2.2 2N方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶進(jìn)程 12.2.3 N+1方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)所有用戶進(jìn)程 12.2.4 N+M方案：M個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)N個(gè)用戶進(jìn)程 12.2.5 多線索(Multi_Threaded) DBMS的概念,An Introduction to Database System,12.2.2 2N方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶進(jìn)程,解決N方案中DBMS代碼段在內(nèi)存中不能被共享 應(yīng)用程序與DBMS副本分開(kāi) 2N方案 一用戶一進(jìn)程（Shadow進(jìn)程） N個(gè)用戶進(jìn)程-N個(gè)DBMS進(jìn)程（共2N個(gè)進(jìn)程）,An Introduction to Database System,12.2.2 2N方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶進(jìn)程,An Introduction to Database System,12.2.2 2N方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶進(jìn)程,優(yōu)點(diǎn) DBMS對(duì)各數(shù)據(jù)庫(kù)用戶的多任務(wù)調(diào)度由OS完成 簡(jiǎn)化了用戶進(jìn)程與DBMS的接口 實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單 缺點(diǎn) 進(jìn)程間總的通信開(kāi)銷(xiāo)上升 操作系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)增大，空間、時(shí)間效率不高 DBMS必須設(shè)立并維護(hù)若干后臺(tái)進(jìn)程，增加了進(jìn)程切換 要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)不在內(nèi)存時(shí)會(huì)造成性能問(wèn)題 臨界區(qū)問(wèn)題(Critical Section) 適用情況 用戶數(shù)不龐大(非OLTP應(yīng)用)：Oracle 7之前版本, Ingres, Informix早期版本,An Introduction to Database System,12.2 DBMS進(jìn)程結(jié)構(gòu)和多線索機(jī)制,12.2.1 N方案：DBMS與應(yīng)用程序相融合的方案 12.2.2 2N方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶進(jìn)程 12.2.3 N+1方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)所有用戶進(jìn)程 12.2.4 N+M方案：M個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)N個(gè)用戶進(jìn)程 12.2.5 多線索(Multi_Threaded) DBMS的概念,An Introduction to Database System,12.2.3 N+1方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)所有用戶進(jìn)程,一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)所有用戶進(jìn)程 整個(gè)DBMS僅使用一個(gè)進(jìn)程，類(lèi)似于一個(gè)服務(wù)器(Server) 多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)用戶向Server發(fā)message申請(qǐng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù) Server用自己的機(jī)制來(lái)調(diào)度這些申請(qǐng)，以支持一個(gè)多任務(wù)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 沒(méi)有SGA，DBMS進(jìn)程的數(shù)據(jù)區(qū)=SGA 沒(méi)有后臺(tái)進(jìn)程 用多線索(Multi_Threaded)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)N+1方案,An Introduction to Database System,12.2.3 N+1方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)所有用戶進(jìn)程,An Introduction to Database System,12.2.3 N+1方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)所有用戶進(jìn)程,優(yōu)點(diǎn) 采用多線索(Multi_Threaded)技術(shù) 提高系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)資源的開(kāi)銷(xiāo)，簡(jiǎn)化DBMS許多部分的設(shè)計(jì) 缺點(diǎn) DBMS的設(shè)計(jì)整體上較復(fù)雜 消息系統(tǒng)過(guò)于昂貴 實(shí)際系統(tǒng) Sybase,An Introduction to Database System,12.2 DBMS進(jìn)程結(jié)構(gòu)和多線索機(jī)制,12.2.1 N方案：DBMS與應(yīng)用程序相融合的方案 12.2.2 2N方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶進(jìn)程 12.2.3 N+1方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)所有用戶進(jìn)程 12.2.4 N+M方案：M個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)N個(gè)用戶進(jìn)程 12.2.5 多線索(Multi_Threaded) DBMS的概念,An Introduction to Database System,12.2.4 N+M方案：M個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)N個(gè)用戶進(jìn)程,M個(gè)DBMS進(jìn)程- N個(gè)用戶進(jìn)程（一般 M N） DBMS進(jìn)程不負(fù)責(zé)多任務(wù)調(diào)度，每個(gè)用戶進(jìn)程也不固定地對(duì)應(yīng)于某個(gè)DBMS進(jìn)程 用戶的數(shù)據(jù)庫(kù)請(qǐng)求被動(dòng)態(tài)分配給某個(gè)DBMS進(jìn)程來(lái)處理 DBMS進(jìn)程的分派由分派程序完成,An Introduction to Database System,12.2.4 N+M方案：M個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)N個(gè)用戶進(jìn)程,An Introduction to Database System,12.2.4 N+M方案：M個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)N個(gè)用戶進(jìn)程,優(yōu)點(diǎn) 改進(jìn)了2N方案，提高了內(nèi)存資源的利用率 缺點(diǎn) 沒(méi)有克服2N方案的本質(zhì)弱點(diǎn) 分派程序給系統(tǒng)增加了開(kāi)銷(xiāo)并可能成為瓶頸 DBMS進(jìn)程動(dòng)態(tài)增減的開(kāi)銷(xiāo)亦很大 實(shí)際系統(tǒng) Oracle Informix,An Introduction to Database System,12.2 DBMS進(jìn)程結(jié)構(gòu)和多線索機(jī)制,12.2.1 N方案：DBMS與應(yīng)用程序相融合的方案 12.2.2 2N方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶進(jìn)程 12.2.3 N+1方案：一個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)所有用戶進(jìn)程 12.2.4 N+M方案：M個(gè)DBMS進(jìn)程對(duì)應(yīng)N個(gè)用戶進(jìn)程 12.2.5 多線索(Multi_Threaded) DBMS的概念,An Introduction to Database System,一、 線程的概念,進(jìn)程細(xì)化為 “任務(wù)”(Task)、 “線程”(Thread) 進(jìn)程 一分為二 Task是申請(qǐng)資源的最小單位 Thread是調(diào)度和運(yùn)行的最小單位 一個(gè)Task中可有多個(gè)Thread Thread共享Task的所有資源，共同完成一個(gè)任務(wù) 線程 將進(jìn)程中的程序代碼與進(jìn)程所占資源相分離，從而在一個(gè)地址空間運(yùn)行多個(gè)指令流,An Introduction to Database System,一、 線程的概念（續(xù)）,An Introduction to Database System,二、 多線索（Multi_Threaded）DBMS,DBMS是一個(gè)Task 用戶申請(qǐng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)時(shí)，Task分配至少一個(gè)Thread為之服務(wù) 多個(gè)Thread并行工作，共享資源,An Introduction to Database System,三、 線索與進(jìn)程的比較,線索比進(jìn)程占用較少的資源 線索調(diào)度比較靈活，可控制性強(qiáng) 線索切換開(kāi)銷(xiāo)較小 線索間通信簡(jiǎn)便,An Introduction to Database System,12.3 DBMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu),12.3.1 DBMS的層次結(jié)構(gòu) 12.3.2 RDBMS的運(yùn)行過(guò)程示例,An Introduction to Database System,12.3.1 DBMS的層次結(jié)構(gòu),處理各種各樣的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用 是RDBMS與用戶/應(yīng)用程序的界面層,處理數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言，如SQL 向上提供的數(shù)據(jù)接口是元組的集合,處理單個(gè)元組 把集合操作化為單記錄操作并執(zhí)行,處理數(shù)據(jù)頁(yè)和系統(tǒng)緩沖區(qū),An Introduction to Database System,12.3 DBMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu),12.3.1 DBMS的層次結(jié)構(gòu) 12.3.2 RDBMS的運(yùn)行過(guò)程示例,An Introduction to Database System,12.3.2 RDBMS的運(yùn)行過(guò)程示例,An Introduction to Database System,12.4 語(yǔ)言處理,12.4.1 語(yǔ)言處理層的任務(wù)和工作 12.4.2 解釋方法 12.4.3 預(yù)編譯方法,An Introduction to Database System,12.4.1 語(yǔ)言處理層的任務(wù)和工作,An Introduction to Database System,12.4.1 語(yǔ)言處理層的任務(wù)和工作（續(xù)）,DDL語(yǔ)句處理過(guò)程 把它翻譯成內(nèi)部表示 存儲(chǔ)在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)字典中 DCL語(yǔ)句處理過(guò)程 與DDL的處理類(lèi)似,An Introduction to Database System,12.4.1 語(yǔ)言處理層的任務(wù)和工作（續(xù)）,DML語(yǔ)句的處理 束縛過(guò)程 束縛時(shí)間,An Introduction to Database System,An Introduction to Database System,An Introduction to Database System,12.4.1 語(yǔ)言處理層的任務(wù)和工作（續(xù)）,束縛時(shí)間 編程時(shí)- - -執(zhí)行前- - -執(zhí)行時(shí) 編程時(shí)-已淘汰 執(zhí)行時(shí)-解釋方法 執(zhí)行前-預(yù)編譯方法,An Introduction to Database System,12.4 語(yǔ)言處理,12.4.1 語(yǔ)言處理層的任務(wù)和工作 12.4.2 解釋方法 12.4.3 預(yù)編譯方法,An Introduction to Database System,12.4.2 解釋方法,特點(diǎn) 執(zhí)行前，DML語(yǔ)句都以原始字符串的形式保存 執(zhí)行時(shí)，解釋程序完成束縛過(guò)程，然后予以執(zhí)行 優(yōu)點(diǎn) 數(shù)據(jù)獨(dú)立性好 靈活、應(yīng)變性好 缺點(diǎn) 效率比較低 適用 交互式SQL,An Introduction to Database System,12.4 語(yǔ)言處理,12.4.1 語(yǔ)言處理層的任務(wù)和工作 12.4.2 解釋方法 12.4.3 預(yù)編譯方法,An Introduction to Database System,12.4.3 預(yù)編譯方法,不同束縛時(shí)間的權(quán)衡 早：系統(tǒng)效率高，數(shù)據(jù)獨(dú)立性差 晚：數(shù)據(jù)獨(dú)立性高，執(zhí)行效率差 預(yù)編譯方法是介于上面二者之間的一個(gè)方案 特點(diǎn) 用戶提交DML語(yǔ)句后，運(yùn)行前對(duì)它進(jìn)行翻譯處理 保存產(chǎn)生的執(zhí)行代碼 運(yùn)行時(shí)，取出執(zhí)行代碼加以執(zhí)行,An Introduction to Database System,An Introduction to Database System,預(yù)編譯方法的問(wèn)題 應(yīng)用規(guī)劃失效（數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)改變、存取路徑改變） 解決方法 重編譯 重編譯進(jìn)行時(shí)刻 立即重編譯 被執(zhí)行時(shí)才進(jìn)行自動(dòng)重編譯 自動(dòng)重編譯技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 既擁有了編譯時(shí)進(jìn)行束縛所帶來(lái)的高效率 又具備了執(zhí)行時(shí)束縛帶來(lái)的數(shù)據(jù)獨(dú)立性,12.4.3 預(yù)編譯方法（續(xù)）,An Introduction to Database System,12.5 數(shù)據(jù)存取層,An Introduction to Database System,12.5 數(shù)據(jù)存取層,12.5.1 數(shù)據(jù)存取層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 12.5.2 數(shù)據(jù)存取層的功能子功能,An Introduction to Database System,12.5.1 數(shù)據(jù)存取層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),An Introduction to Database System,12.5 數(shù)據(jù)存取層,12.5.1 數(shù)據(jù)存取層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 12.5.2 數(shù)據(jù)存取層的功能子功能,An Introduction to Database System,12.5.2 數(shù)據(jù)存取層的功能子功能,記錄存取、事務(wù)管理子系統(tǒng) 日志登記子系統(tǒng) 控制信息管理模塊 排序合并子系統(tǒng) 存取路徑維護(hù)子系統(tǒng) 封鎖子系統(tǒng),An Introduction to Database System,一、記錄存取、事務(wù)管理子系統(tǒng),記錄存取子系統(tǒng) 在某個(gè)存取路徑上按屬性值找元組（FIND） 按相對(duì)位置找元組（NEXT，PRIOR，F(xiàn)IRST，LAST）。 給某關(guān)系增加一個(gè)元組（INSERT） 從找到的元組中取某個(gè)屬性值（GET） 從某關(guān)系中刪去一個(gè)元組（DELETE） 把某修改完的元組寫(xiě)回關(guān)系中（REPLACE） 事務(wù)管理子系統(tǒng) 定義事務(wù)開(kāi)始（BEGIN TRANSACTION） 事務(wù)提交（COMMIT） 事務(wù)回滾（ROLLBACK）,An Introduction to Database System,二、日志登記子系統(tǒng),寫(xiě)日志記錄（WRITELOG） 讀日志記錄（READLOG） 掃描日志文件（SCANLOG） 撤消尚未結(jié)束的事務(wù)（UNDO） 重做已經(jīng)結(jié)束的事務(wù)（REDO）,An Introduction to Database System,三、控制信息管理模塊,負(fù)責(zé)在內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)登記記錄類(lèi)型、存取路徑的說(shuō)明信息和控制信息。,An Introduction to Database System,四、排序/合并子系統(tǒng),輸出有序結(jié)果 刪去重復(fù)值 支持排序 合并方法的連接操作 支持動(dòng)態(tài)建立索引結(jié)構(gòu) 減少數(shù)據(jù)塊的存取次數(shù),An Introduction to Database System,五、存取路徑維護(hù)子系統(tǒng),對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行插入、刪除、修改操作的同時(shí)對(duì)相應(yīng)的存取路徑進(jìn)行維護(hù) B+樹(shù)的維護(hù)算法 初始建立B+樹(shù)索引 插入 刪除 更新,An Introduction to Database System,7. 封鎖子系統(tǒng),An Introduction to Database System,12.6 緩沖區(qū)管理,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的功能 緩沖區(qū)管理 內(nèi)外存交換 外存管理 系統(tǒng)緩沖區(qū)設(shè)立的原因 提供DBMS的設(shè)備獨(dú)立性 外存設(shè)備的變更不會(huì)對(duì)它們?cè)斐捎绊?提高存取效率 異步讀寫(xiě)：預(yù)先讀，延遲寫(xiě),An Introduction to Database System,12.6 緩沖區(qū)管理（續(xù)）,系統(tǒng)緩沖區(qū)的組成 內(nèi)存 虛存 緩沖區(qū)管理 緩沖區(qū)大小 太大： 占據(jù)內(nèi)存空間 太小： 頻頻缺頁(yè)調(diào)頁(yè)，造成“抖動(dòng)”，影響效率 數(shù)據(jù)庫(kù)緩沖區(qū)及上下接口 緩沖區(qū)管理示意圖,An Introducti