数据库管理系统(DBMS)

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一.数据库管理系统

1.简介

数据库管理系统(Database Management System)是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库，简称DBMS。它对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。用户通过DBMS访问数据库中的数据，数据库管理员也通过DBMS进行数据库的维护工作。它可以支持多个应用程序和用户用不同的方法在同时或不同时刻去建立，修改和询问数据库。大部分DBMS提供数据定义语言DDL（Data Definition Language）和数据操作语言DML（Data Manipulation Language），供用户定义数据库的模式结构与权限约束，实现对数据的追加、删除等操作。

2.层级结构

        根据处理对象的不同，数据库管理系统的层次结构由高级到低级依次为应用层、语言翻译处理层、数据存取层、数据存储层、操作系统。

1. 应用层。应用层是DBMS与终端用户和应用程序的界面层，处理的对象是各种各样的数据库应用。
2.  语言翻译处理层。语言翻译处理层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、完整性检查等。
3. 数据存取层。数据存取层处理的对象是单个元组，它将上层的集合操作转换为单记录操作。
4. 数据存储层。数据存储层处理的对象是数据页和系统缓冲区。
5. 操作系统。操作系统是DBMS的基础。操作系统提供的存取原语和基本的存取方法通常是作为和DBMS存储层的接口。

3.DBMS的组成

        DBMS是由许多程序所组成的一个大型软件系统，每个程序都有自己的功能，共同完成DBMS的一个或几个工作。

（1）语言编译处理程序

语言编译处理程序包括：

a.数据定义语言DDL编译程序

它把用DDL编写的各级源模式编译成各级目标模式。这些目标模式是对数据库结构信息的描述，它们被保存在数据字典中，供以后数据操纵或数据控制时使用。

b.数据操纵语言DML编译程序

它将应用程序中的DML语句转换成可执行程序，实现对数据库的检索、插入、删除和修改等基本操作。

（2）系统运行控制程序

DBMS提供了一系列的运行控制程序，负责数据库系统运行过程中的控制与管理，主要包括一下几部分:

• 系统总控程序：用于控制和协调各程序的活动，它是DBMS运行程序的核心。
• 安全性控制程序：防止末被授权的用户存取数据库中的数据。
• 完整性控制程序：检查完整性约束条件，确保进入数据库中的数据的正确性、有效性和相容性。
• 并发控制程序：协调多用户、多任务环境下各应用程序对数据库的并发操作，保证数据的一致性。
• 数据存取和更新程序：实施对数据库数据的检索、插入、修改和删除等操作。
• 通信控制程序：实现用户程序与DBMS间的通信。

以及其他程序，所有这些程序在数据库系统运行过程中协同操作，监视着对数据库的所有操作，控制、管理数据库资源等。

（3）系统建立、维护程序

系统建立、维护程序，主要包括：

• 装配程序：完成初始数据库的数据装入。
• 重组程序：当数据库系统性能降低时(如查询速度变慢)，需要重新组织数据库，重新装数据。
• 系统恢复程序：当数据库系统受到破坏时，将数据库系统恢复到以前某个正确的状态。

（4）数据字典

数据字典（Data dictionary）：数据字典是一种用户可以访问的记录数据库和应用程序元数据的目录。主动数据字典是指在对数据库或应用程序结构进行修改时，其内容可以由数据库管理系统自动更新的数据字典。被动数据字典是指修改时必须手工更新其内容的数据字典。

4.DBMS的功能

（1）数据定义功能

DBMS提供数据定义语言（Data Define Language，DDL），定义数据的模式、外模式和内模式三级模式结构，定义模式/内模式和外模式/模式二级映像，定义有关的约束条件。例如，为保证数据库安全而定义用户口令和存取权限，为保证正确语义而定义完整性规则等。再如,DBMS提供的结构化查询语言（SQL）提供Create、Drop、Alter等语句可分别用来建立、删除和修改数据库。

用DDL定义的各种模式需要通过相应的模式翻译程序转换为机器内部代码表示形式，保存在数据字典（Data Dictionary，DD）（或称为系统目录）中。数据字典是DBMS存取数据的基本依据。因此，DBMS中应包括DDL的编译程序。

（2）数据操纵功能

DBMS提供数据操纵语言（Data Manipulation Language，DML）实现对数据库的基本操作，包括检索、更新（包括插入、修改和删除）等。因此，在DBMS中也应包括DML的编译程序或解释程序。DML有两类：一类是自主型的或自含型的，这一类属于交互式命令语言，语法简单可独立使用；另一类是宿主型的，它把对数据库的存取语句嵌入在高级语言（如Fortran、Pascal、C等）中，不能单独使用。SQL就是DML的一种。例如,DBMS提供的结构化查询语言SQL提供查询语句（Select）、插入语句（Insert）、修改语句（Update）和删除语句（Delete），可分别实现对数据库中数据记录的查询、插入、修改和删除等操作。

SQL语句大全：

-- 创建库 create database db1; -- 创建库是否存在，不存在则创建 create database if not exists db1; -- 查看所有数据库 show databases; -- 查看某个数据库的定义信息 show create database db1; -- 修改数据库字符信息 alter database db1 character set utf8; -- 删除数据库 drop database db1; --创建表 create table student( id int, name varchar(32), age int , score double(4,1), birthday date, insert_time timestamp ); -- 查看表结构 desc 表名; -- 查看创建表的SQL语句 show create table 表名; -- 修改表名 alter table 表名 rename to 新的表名; -- 添加一列 alter table 表名 add 列名 数据类型; -- 删除列 alter table 表名 drop 列名; -- 删除表 drop table 表名; drop table if exists 表名 ; -- 写全所有列名 insert into 表名(列名1,列名2,...列名n) values(值1,值2,...值n); -- 不写列名（所有列全部添加） insert into 表名 values(值1,值2,...值n); -- 插入部分数据 insert into 表名(列名1,列名2) values(值1,值2); -- 删除表中数据 delete from 表名 where 列名 = 值; -- 删除表中所有数据 delete from 表名; -- 删除表中所有数据（高效 先删除表，然后再创建一张一样的表。） truncate table 表名; -- 不带条件的修改(会修改所有行) update 表名 set 列名 = 值; -- 带条件的修改 update 表名 set 列名 = 值 where 列名=值; -- 查询年龄大于等于20 小于等于30 SELECT * FROM student WHERE age >= 20 && age <=30; SELECT * FROM student WHERE age >= 20 AND age <=30; SELECT * FROM student WHERE age BETWEEN 20 AND 30; -- 查询年龄22岁，18岁，25岁的信息 SELECT * FROM student WHERE age = 22 OR age = 18 OR age = 25 SELECT * FROM student WHERE age IN (22,18,25); -- 查询英语成绩不为null SELECT * FROM student WHERE english IS NOT NULL; _:单个任意字符 %：多个任意字符 -- 查询姓马的有哪些？ like SELECT * FROM student WHERE NAME LIKE '马%'; -- 查询姓名第二个字是化的人 SELECT * FROM student WHERE NAME LIKE "_化%"; -- 查询姓名是3个字的人 SELECT * FROM student WHERE NAME LIKE '___'; -- 查询姓名中包含德的人 SELECT * FROM student WHERE NAME LIKE '%德%'; -- 关键词 DISTINCT 用于返回唯一不同的值。 -- 语法：SELECT DISTINCT 列名称 FROM 表名称 SELECT DISTINCT NAME FROM student ; -- 例子 SELECT * FROM person ORDER BY math; --默认升序 SELECT * FROM person ORDER BY math desc; --降序 -- 按照性别分组。分别查询男、女同学的平均分 SELECT sex , AVG(math) FROM student GROUP BY sex; -- 按照性别分组。分别查询男、女同学的平均分,人数 SELECT sex , AVG(math),COUNT(id) FROM student GROUP BY sex; -- 按照性别分组。分别查询男、女同学的平均分,人数 要求：分数低于70分的人，不参与分组 SELECT sex , AVG(math),COUNT(id) FROM student WHERE math > 70 GROUP BY sex; -- 按照性别分组。分别查询男、女同学的平均分,人数 要求：分数低于70分的人，不参与分组,分组之后。人数要大于2个人 SELECT sex , AVG(math),COUNT(id) FROM student WHERE math > 70 GROUP BY sex HAVING COUNT(id) > 2; SELECT sex , AVG(math),COUNT(id) 人数 FROM student WHERE math > 70 GROUP BY sex HAVING 人数 > 2; -- 每页显示3条记录 SELECT * FROM student LIMIT 0,3; -- 第1页 SELECT * FROM student LIMIT 3,3; -- 第2页 SELECT * FROM student LIMIT 6,3; -- 第3页 -- 查询员工表的名称，性别。部门表的名称 SELECT emp.name,emp.gender,dept.name FROM emp,dept WHERE emp.`dept_id` = dept.`id`; SELECT t1.name, -- 员工表的姓名 t1.gender,-- 员工表的性别 t2.name -- 部门表的名称 FROM emp t1, dept t2 WHERE t1.`dept_id` = t2.`id`; -- 语法： select 字段列表 from 表名1 [inner] join 表名2 on 条件 -- 例如： SELECT * FROM emp INNER JOIN dept ON emp.`dept_id` = dept.`id`; SELECT * FROM emp JOIN dept ON emp.`dept_id` = dept.`id`; -- 查询工资最高的员工信息 -- 1 查询最高的工资是多少 9000 SELECT MAX(salary) FROM emp; -- 2 查询员工信息，并且工资等于9000的 SELECT * FROM emp WHERE emp.`salary` = 9000; -- 一条sql就完成这个操作。这就是子查询 SELECT * FROM emp WHERE emp.`salary` = (SELECT MAX(salary) FROM emp); -- 查询员工工资小于平均工资的人 SELECT * FROM emp WHERE emp.salary < (SELECT AVG(salary) FROM emp); -- 查询'财务部'和'市场部'所有的员工信息 SELECT id FROM dept WHERE NAME = '财务部' OR NAME = '市场部'; SELECT * FROM emp WHERE dept_id = 3 OR dept_id = 2; -- 子查询 SELECT * FROM emp WHERE dept_id IN (SELECT id FROM dept WHERE NAME = '财务部' OR NAME = '市场部'); -- 查询员工入职日期是2011-11-11日之后的员工信息和部门信息 -- 子查询 SELECT * FROM dept t1 ,(SELECT * FROM emp WHERE emp.`join_date` > '2011-11-11') t2 WHERE t1.id = t2.dept_id; -- 普通内连接 SELECT * FROM emp t1,dept t2 WHERE t1.`dept_id` = t2.`id` AND t1.`join_date` > '2011-11-11' --添加用户 语法：CREATE USER '用户名'@'主机名' IDENTIFIED BY '密码'; --删除用户 语法：DROP USER '用户名'@'主机名'; -- 查询权限 SHOW GRANTS FOR '用户名'@'主机名'; SHOW GRANTS FOR 'lisi'@'%'; -- 授予权限 grant 权限列表 on 数据库名.表名 to '用户名'@'主机名'; -- 给张三用户授予所有权限，在任意数据库任意表上 GRANT ALL ON *.* TO 'zhangsan'@'localhost'; -- 撤销权限： revoke 权限列表 on 数据库名.表名 from '用户名'@'主机名'; REVOKE UPDATE ON db3.`account` FROM 'lisi'@'%'; 

（3）数据库运行管理功能

对数据库的运行进行管理是DBMS运行的核心部分。DBMS通过对数据库的控制以确保数据正确有和数据库系统的正常运行。DBMS对数据库的控制主要通过4个方面实现：数据的安全性控制、数据的完整性控制、多用户环境干的并发控制和数据库的恢复。

（4）数据库的建立和维护功能

数据库的建立包括数据库的初始数据的装入与数据转换等，数据库的维护包括数据库的转储、恢复、重组织与重构造、系统性能监视与分析等。这些功能分别由DBMS的各个实用程序来完成。

（5）数据组织、存储、管理

DBMS负责对数据库中需要存放的各种数据（如数据字典、用户数据、存取路径等）的组织、存储和管理工作,确定以何种文件结构和存取方式物理地组织这些数据，以提高存储空间利用率和对数据库进行增、删、查、改的效率。

（6）数据通信功能

DBMS提供与其他软件系统进行通信的功能。一般,DBMS提供了与其他DBMS或文件系统的接口,从而使该DBMS能够将数据转换为另一个DBMS或文件系统能够接受的格式,或者可接收其他DBMS或文件系统的数据,实现用户程序与DBMS、DBMS与DBMS、DBMS与文件系统之间的通信。通常这些功能要与操作系统协调完成。

5.特点

（1）数据结构化且统一管理

有DBMS统一管理。优点是数据易维护，易扩展，数据冗余明显减少，真正实现了数据的共享。

（2）有较高的数据独立性

数据库的独立性包括数据的物理独立性和数据的逻辑独立性。

（3）数据库控制功能

数据库的控制功能包括对数据库中数据的安全性、完整性、并发和恢复的控制。

数据库的4类故障分别为：事务内部故障、系统故障、介质故障和计算机病毒。

数据恢复的原理：建立冗余数据。简单讲就是其包含的每一条信息是否都可以利用冗余的存储在别处的信息重构。冗余是物理级的，通常认为逻辑级是没有冗余的。

6.分类

（1）关系数据库系统

        关系数据库系统指对应于一个关系模型的所有关系的集合。

        关系数据库系统建立了关系模型，并用它来处理数据。关系模型在表中讲信息与字段关联起来，从而存储数据。

        数据库管理系统需要结构（例如表）在存储数据之前被定义出来。表中的每一列（字段）都存储一个不同类型（数据类型）的信息。数据库中的每个记录，都有自己唯一的key，作为属于某一表的一行，行中的每一个信息都对应了表中的一列，所有的关系一起，构成了关系模型。

（2）面向对象数据库系统

        面向对象数据库系统支持定义和操作面向对象数据库，应满足两个标准：首先它是数据库系统，其次它也是面向对象系统。第一个标准即作为数据库系统应具备的能力（持久性、事务管理、并发控制、恢复、查询、版本管理、完整性、安全性）。第二个标准就是要求面向对象数据库充分支持完整的面向对象概念和控制机制。

（3）对象-关系数据库管理系统

        对象-关系数据库管理系统是指数据库管理系统既具备关系数据库的功能，同时又支持面向对象的特征：抽象数据类型（ADT），对象之间的继承（概括）关系、包含（聚集）关系，对象的封装，对象（包括方法和成员变量）在数据库中的可持续性，对象的消息驱动特征，对象的多态性等。

二.DBMS的数据存取的过程

1. 用户使用某种特定的数据操作语言向DBMS发出存取请求；
2. DBMS接受请求并将该请求解释转换成机器代码指令；
3. DBMS依次检查外模式、外模式模式映像、模式、模式内模式映像及存储结构定义；
4. DBMS对存储数据库执行必要的存取操作；
5. 从对数据库的存取操作中接受结果；
6. 对得到的结果进行必要的处理，如格式转换等；
7. 将处理的结果返回给用户。

上述存取过程中还包括安全性控制、完整性控制，以确保数据的正确性、有效性和一致性。

DBMS的工作方式和数据存取过程如图所示：

参考文章：

数据库管理系统（DBMS）的主要功能、组成以及数据存取的过程