(2)數(shù)據(jù)一致性級別的概念。所謂并發(fā)控制就是要用正確的方式調(diào)度并發(fā)操作,避免造成數(shù)據(jù)的不一致性,使一個用戶事務(wù)的執(zhí)行不受其它事務(wù)的干擾。
4.封鎖
封鎖(Locking)就是事務(wù)T可以向系統(tǒng)發(fā)出請求,對某個數(shù)據(jù)對象(最常用的是記錄)加鎖。于是事務(wù)T對這個數(shù)據(jù)對象就有一定的控制。例如,其它事務(wù)不能更新此數(shù)據(jù)直到T釋放(unlock)它的鎖為止。確切的控制由封鎖的類型決定?;镜姆怄i類型有兩種:排它鎖(Exclu sive locks簡記為X鎖)和共享鎖(Share locks簡記為S鎖)。若事務(wù)T對數(shù)據(jù)R加上X鎖,則只允許T讀取和修改R;其它一切事務(wù)對R的任何(包括封鎖)請求都不成功,直至T釋放R上的X鎖為止。這就保證了其它事務(wù)不能再讀取和修改R,直到T釋放X鎖。若事務(wù)T對數(shù)據(jù)R加上S鎖,則其它事務(wù)對R的X鎖請求不能成功,而對R的共享請求可以得到。這就保證了其它事務(wù)以讀取R但不能修改R,直至T釋放S鎖為止。
5.可串行性
定義 當(dāng)且僅當(dāng)某組事務(wù)的一定交叉調(diào)度產(chǎn)生的結(jié)果和這些事務(wù)的某一串行調(diào)度的結(jié)果相同,則這個交叉調(diào)度是可串行化的??纱行裕⊿erializability)是并行事務(wù)正確性的準(zhǔn)則。這個準(zhǔn)則規(guī)定,一給定的交叉調(diào)度,當(dāng)且僅當(dāng)它是可串行化的,才認(rèn)為是正確的。
6.兩段鎖協(xié)議
兩段鎖協(xié)議規(guī)定所有的事務(wù)應(yīng)遵守下列規(guī)則:
(1)在對任何數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫操作之前,事務(wù)首先要獲得對該數(shù)據(jù)的封鎖,而且:
(2)在釋放一個封鎖之后,事務(wù)不再獲得任何其它鎖。所謂“兩段”鎖的含義是:事務(wù)分為兩個階段。第一階段是獲得封鎖,也稱為擴(kuò)展階段。第二階段是釋放封鎖,也稱為收縮階段。定理 若所有事務(wù)均遵守兩段鎖協(xié)議,則這些事務(wù)的所有交叉調(diào)度都是可串行化的(證明略)。為了確保事務(wù)并行執(zhí)行的正確性,許多系統(tǒng)采用兩段鎖協(xié)議。同時系統(tǒng)設(shè)有死鎖檢測機(jī)制,發(fā)現(xiàn)死鎖后按一定的算法解除死鎖。
7.恢復(fù)
盡管系統(tǒng)中采取了各種保護(hù)措施來保證數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性不被破壞,保證并行事務(wù)的正確執(zhí)行,但是計算機(jī)系統(tǒng)中硬件的故障、軟件的錯誤、操作員的失誤以及故意的破壞仍是不可避免的。這些故障輕則造成運行事務(wù)非正常地中斷,影響數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確性,重則破壞數(shù)據(jù)庫,使數(shù)據(jù)庫中全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。因此數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)必須具有把數(shù)擾庫從錯誤狀態(tài)恢復(fù)到某一已知的正確狀態(tài)(亦稱為完整狀態(tài)或一致狀態(tài))的功能,這就是數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)?;謴?fù)子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的一個重要組成部分,而且還相當(dāng)龐大,常常占整個系統(tǒng)代碼的10%以上(如IMS,DB2)。故障恢復(fù)是否考慮周到和行之有效,是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)。大型的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用對故障恢復(fù)的要求更加強(qiáng)烈。有時甚至采用雙工制。來源:www.examda.com
(1)故障的種類數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中可能發(fā)生各種各樣的故障,大致可以分以下幾類:①事務(wù)內(nèi)部的故障;②系統(tǒng)范圍內(nèi)的故障;③介質(zhì)故障;④計算機(jī)病毒。
(2)轉(zhuǎn)儲和恢復(fù)轉(zhuǎn)儲是數(shù)據(jù)庫恢復(fù)中經(jīng)常采用的基本技術(shù)。所謂轉(zhuǎn)儲即DBA定期地將整個數(shù)據(jù)庫復(fù)制到磁帶或另一個磁盤上保存起來的過程。這些備用的數(shù)據(jù)文本為后備副本或后援副本。當(dāng)數(shù)據(jù)庫遭到破壞后就可以利用后備副本把數(shù)據(jù)庫恢復(fù)。這時,數(shù)據(jù)庫只能恢復(fù)到轉(zhuǎn)儲時的狀態(tài),從那以后的所有更新事務(wù)必須重新運行才能恢復(fù)到現(xiàn)時的正常狀態(tài)。轉(zhuǎn)儲是十分耗費時間和資源的,不能頻繁進(jìn)行。DBA應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)庫使用情況確定一個適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)儲周期。轉(zhuǎn)儲可分為靜態(tài)轉(zhuǎn)儲和動態(tài)轉(zhuǎn)儲。靜態(tài)轉(zhuǎn)儲是指轉(zhuǎn)儲期間不允許(或不存在)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行任何存取、修改活動。動態(tài)轉(zhuǎn)儲是指轉(zhuǎn)儲期間允許對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存取或修改。即轉(zhuǎn)儲和用戶事務(wù)可以并發(fā)執(zhí)行。靜態(tài)轉(zhuǎn)儲簡單,但轉(zhuǎn)儲必須等待用戶事務(wù)結(jié)束才能進(jìn)行。同樣,新的事務(wù)必須等待轉(zhuǎn)儲結(jié)束才能執(zhí)行。顯然,這會降低數(shù)據(jù)庫的可用性。動態(tài)轉(zhuǎn)儲可克服靜態(tài)轉(zhuǎn)儲的缺點。但是,轉(zhuǎn)儲結(jié)束時后援副本上的數(shù)據(jù)并不能保證正確有效。例如,在轉(zhuǎn)儲期間的某時刻t 1 系統(tǒng)把數(shù)據(jù)A=100轉(zhuǎn)儲到了磁帶上,而在時刻t 2 ,某一事務(wù)對A進(jìn)行了修改使A=200轉(zhuǎn)儲結(jié)束,后援副本上的A已是過時的數(shù)據(jù)了。為此,必須把轉(zhuǎn)儲期間事務(wù)對數(shù)據(jù)庫的修改活動登記下來,建立日志文件(log file)。這樣,后援副本加上日志文件就能把數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到某一時刻的正確狀態(tài)。轉(zhuǎn)儲還可以分為海量轉(zhuǎn)儲和增量轉(zhuǎn)儲。海量轉(zhuǎn)儲是指每次轉(zhuǎn)儲全部數(shù)據(jù)庫。增量轉(zhuǎn)儲則指每次只轉(zhuǎn)儲上次轉(zhuǎn)儲后更新過的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)庫很大,事務(wù)處理又十分頻繁,則增量轉(zhuǎn)儲方式是很有效的。(3)日志文件日志文件是用來記錄對數(shù)據(jù)庫每一次更新活動的文件。在動態(tài)轉(zhuǎn)儲方式中必須建立日志文件,后援副本和日志文件綜合起來才能有效地恢復(fù)數(shù)據(jù)庫。在靜態(tài)轉(zhuǎn)儲方式中,也可以建立日志文件。當(dāng)數(shù)據(jù)庫毀壞后可重新裝放后援副本把數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到轉(zhuǎn)儲結(jié)束時刻的正確狀態(tài),然后利用日志文件,把已完成的事務(wù)進(jìn)行重做處理,對故障發(fā)生時尚未完成的事務(wù)進(jìn)行撤消處理。這樣不必重新運行那些在轉(zhuǎn)儲前已完成的事務(wù)程序就可把數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到故障前某一時刻的正確狀態(tài)。
八、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計
1.數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計步驟
按規(guī)范設(shè)計的方法可將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為以下六個階段
(1)需求分析;
(2)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計;
(3)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計;
(4)數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計;
(5)數(shù)據(jù)庫實施;
(6)數(shù)據(jù)庫運行和維護(hù)。
2.需求分析
需求收集和分析是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的第一階段。明確地把它作為數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的第一步是十分重要的。這一階段收集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和一組數(shù)據(jù)流圖(Data Flow Diaˉgram———DFD)是下一步設(shè)計概念結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。概念結(jié)構(gòu)對整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計具有深刻影響。而要設(shè)計好概念結(jié)構(gòu),就必須在需求分析階段用系統(tǒng)的觀點來考慮問題、收集和分析數(shù)據(jù)及其處理。如何分析和表達(dá)用戶需求呢?在眾多的分析方法中,結(jié)構(gòu)化分析(Structured Analysis,簡稱SA方法)是一個簡單實用的方法。SA方法用自頂向下、逐層分解的方式分析系統(tǒng)。用數(shù)據(jù)流圖,數(shù)據(jù)字典描述系統(tǒng)。然后把一個處理功能的具體內(nèi)容分解為若干子功能,每個子功能繼續(xù)分解,直到把系統(tǒng)的工作過程表達(dá)清楚為止。在處理功能逐步分解的同時,它們所用的數(shù)據(jù)也逐級分解。形成若干層次的數(shù)據(jù)流圖。數(shù)據(jù)流圖表達(dá)了數(shù)據(jù)和處理過程的關(guān)系。處理過程的處理邏輯常常用判定表或判定樹來描述。數(shù)據(jù)字典(Data Dictionary,簡稱DD)則是對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的詳盡描述,是各類數(shù)據(jù)屬性的清單。對數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計來講,數(shù)據(jù)字典是進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析所獲得的主要結(jié)果。數(shù)據(jù)字典是各類數(shù)據(jù)描述的集合,它通常包括以下5個部分:
(1)數(shù)據(jù)項,是數(shù)據(jù)最小單位。
(2)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),是若干數(shù)據(jù)項有意義的集合。來源:www.examda.com
(3)數(shù)據(jù)流,可以是數(shù)據(jù)項,也可以是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。表示某一處理過程的輸入輸出。
(4)數(shù)據(jù)存儲,處理過程中存取的數(shù)據(jù)。常常是手工憑證、手工文檔或計算機(jī)文件。
(5)處理過程。
3.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計
如同軟件工程中重視需求分析與規(guī)范說明的思想一樣,數(shù)據(jù)庫設(shè)計中同樣十分重視數(shù)據(jù)分析、抽象與概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計。概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計,是整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵之一。概念結(jié)構(gòu)獨立于數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu),獨立于支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的DBMS,也獨立于具體計算機(jī)軟件和硬件系統(tǒng)。歸納總結(jié),其主要特點是:
(1)能充分地反映現(xiàn)實世界,包括實體和實體之間的聯(lián)系,能滿足用戶對數(shù)據(jù)處理的要求,是現(xiàn)實世界的一個真實的模型,或接近真實的模型。
(2)易于理解,從而可以和不熟悉計算機(jī)的用戶交換意見。用戶的積極參與是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。
(3)易于更動。當(dāng)現(xiàn)實世界改變時容易修改和擴(kuò)充,特別是軟件、硬件環(huán)境變化時更應(yīng)如此。
(4)易于向關(guān)系、網(wǎng)狀或?qū)哟蔚雀鞣N數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。概念結(jié)構(gòu)是各種數(shù)據(jù)模型的共同基礎(chǔ),它比任意一種數(shù)據(jù)模型更獨立于機(jī)器,更抽象,從而更加穩(wěn)定。描述概念結(jié)構(gòu)的有力工具是E-R模型。P.P.S.Chen把用E-R模型定義的概念結(jié)構(gòu)稱為組織模式。設(shè)計概念結(jié)構(gòu)的策略有3種:
(1)自頂向下 首先定義全局概念結(jié)構(gòu)的框架,然后逐步細(xì)化。
(2)自底向上 首先定義各局部應(yīng)用的概念結(jié)構(gòu),然后將它們集成,得到全局概念結(jié)構(gòu)。
(3)混合策略 自頂向下和自底向上相結(jié)合的方法。用自頂向下策略設(shè)計一個全局概念結(jié)構(gòu)的框架,以它為骨架集成由自底向上策略中設(shè)計的各局部概念結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)介紹自底向上設(shè)計概念結(jié)構(gòu)的策略。按照這種策略,概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計可按下面步驟進(jìn)行。
(1)數(shù)據(jù)抽象與局部視圖設(shè)計
E-R模型是對現(xiàn)實世界的一種抽象。一般地講,所謂抽象是對實際的人、物、事和概念的人為處理。它抽取人們關(guān)心的共同特性,忽略非本質(zhì)的細(xì)節(jié),并把這些特性用各種抽象的概念精確地加以描述。這些概念組成了現(xiàn)實世界的一種模型表示。有3種抽象方法形成了抽象機(jī)制,來對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織:①分類(Classification) 定義某一概念作為現(xiàn)實世界中一組對象的類型。這些對象具有某些共同的特性和行為。它抽象了對象值和型之間的“is a member of”的語義。在E-R模型中,實體型就是這種抽象。②聚集(Aggregation) 定義某一類型的組成成分。它抽象了對象內(nèi)部屬性類型和整體與部分之間“is a part of”的語義。在E-R模型中若干屬性的聚集組成了實體型,就是這種抽象。③概括(Generalization) 定義類型之間的一種子集聯(lián)系。它抽象了類型之間的“is a subset of”的語義。概括具有一個很重要的性質(zhì):繼承性。子類繼承超類上定義的所有抽象性質(zhì)。當(dāng)然,子類可以增加自己的某些特殊屬性。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一步就是利用上面介紹的抽象機(jī)制對需求分析階段收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織,形成實體、實體的屬性,標(biāo)識實體的碼,確定實體之間的聯(lián)系類型(1∶1,1∶n,n∶m),設(shè)計成部分E-R圖。
(2)視圖的集成視圖集成就是把上一步得到的各個部分E-R圖綜合成一個總體的E-R圖。視圖集成可以有兩種方式:①多個部分E-R圖一次集成。②逐步集成。用累加的方式一次集成兩個部分E-R圖。無論哪種方式,每次集成可分兩步走。第一步是合并,解決各部分E-R圖之間的沖突問題,生成初步E-R圖。第二步是修改和重構(gòu),消除不必要的冗余,生成基本E-R圖。
4.邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計
邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)就是把概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為選用的DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型的過程。設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)按理應(yīng)選擇對某個概念結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型,然后對支持這種數(shù)據(jù)模型的各種DBMS進(jìn)行比較,選出最合適的DBMS。但實際情況常常是已給定了某臺機(jī)器,設(shè)計人員沒有選擇DBMS的余地?,F(xiàn)行的DBMS一般只支持關(guān)系、網(wǎng)狀或?qū)哟稳N模型中的某一種,對某一種數(shù)據(jù)模型,各個機(jī)器系統(tǒng)又有許多不同的限制,提供不同的環(huán)境與工具。因而我們把設(shè)計過程分三步進(jìn)行。首先把概念結(jié)構(gòu)向一般的關(guān)系模型轉(zhuǎn)換,然后向特定的DBMS支持下的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換,最后進(jìn)行模型的優(yōu)化。
(1)E-R圖向關(guān)系數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換下面給出把E-R圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則。
①一個實體轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。實體的屬性就是關(guān)系的屬性,實體的碼就是關(guān)系的碼。
②一個聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式,與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系的屬性轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性。該關(guān)系的碼則有三種情況:若聯(lián)系為1∶1,則每個實體的碼均是該關(guān)系的候選碼。若聯(lián)系為1∶n,關(guān)系的碼為n端實體的碼。若聯(lián)系為n∶m,則關(guān)系的碼為諸實體碼的組合。具有相同碼的關(guān)系模式可合并。形成了一般的數(shù)據(jù)模型后,下一步就向特定的DBMS規(guī)定的模型轉(zhuǎn)換。設(shè)計人員必須熟知所用DBMS的功能及限制。這一步轉(zhuǎn)換是依賴于機(jī)器的,不能給出一個普遍的規(guī)則。轉(zhuǎn)化后的模型必須進(jìn)行優(yōu)化。對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化是指調(diào)整數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu),以提高數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的性能。性能有動態(tài)性能和靜態(tài)性能兩種。靜態(tài)性能分析容易實現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)用要求,選出合適的模型是一項復(fù)雜的工作。
(2)規(guī)范化理論的應(yīng)用規(guī)范化理論是數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計的指南和工具,具體地講可應(yīng)用在下面幾個具體的方面:
第一,在數(shù)據(jù)分析階段用數(shù)據(jù)依賴的概念分析和表示各數(shù)據(jù)項之間的關(guān)系。
第二,在設(shè)計概念結(jié)構(gòu)階段,用規(guī)范化理論為工具消除初步E-R圖中冗余的聯(lián)系。
第三,由E-R圖向數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換過程中用模式分解的概念和算法指導(dǎo)設(shè)計?,F(xiàn)在,不管選用的DBMS是支持哪種數(shù)據(jù)模型的,均先把概念結(jié)構(gòu)向關(guān)系模型轉(zhuǎn)換。然后,充分運用規(guī)范化理論的成果優(yōu)化關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式的設(shè)計。
5.數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計
物理設(shè)計的內(nèi)容主要包括:
(1)確定數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu) 從DBMS所提供的存儲結(jié)構(gòu)中選取一種合適的加以實現(xiàn)。確定存儲結(jié)構(gòu)的主要因素是存取時間、存儲空間利用率和維護(hù)代價三個方面。設(shè)計者常常要對這些因素進(jìn)行權(quán)衡。一般的DBMS也總是具有一定靈活性供你選擇。例如,若引入某些冗余數(shù)據(jù),則可能減少物理I/O次數(shù)提高檢索效率。相反節(jié)約存儲空間檢索代價就會增加。當(dāng)然應(yīng)該盡量尋找優(yōu)化方法,使這三方面的性能都較好。折衷有時是必須的。
(2)存取路徑的選擇和調(diào)整 數(shù)據(jù)庫必須支持多個用戶的多種應(yīng)用,因而必須提供對數(shù)據(jù)庫的多個存取入口,也就是對同一數(shù)據(jù)存儲要提供多條存取路徑。物理設(shè)計的任務(wù)應(yīng)確定建立哪些存取路徑。設(shè)計者應(yīng)該進(jìn)行定量的分析,根據(jù)計算結(jié)果確定存取路徑。
(3)確定數(shù)據(jù)存放位置 首先按數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況劃分為不同的組,然后確定存放位置。一般的應(yīng)把數(shù)據(jù)的易變部分和穩(wěn)定部分分開,把經(jīng)常存取和不常存取的數(shù)據(jù)分開。經(jīng)常存取或存取時間要求高的記錄應(yīng)存放在高速存儲器上,如硬盤。存取頻率小或存取時間要求低的放在低速存儲器上,如軟盤磁帶。對于同一數(shù)據(jù)文件也可根據(jù)情況進(jìn)行水平劃分或垂直劃分。
(4)確定存儲分配 許多DBMS提供了存儲分配的參數(shù)供設(shè)計者物理優(yōu)化處理用。例如溢出空間的大小和分布參數(shù),塊的長度,塊因子的大小,裝填因子,緩沖區(qū)的大小和個數(shù)等等,它們都要在物理設(shè)計中確定。這些參數(shù)的大小影響存取時間和存儲空間的分配。物理設(shè)計過程需要對時間、空間效率、維護(hù)代價和各種用戶要求進(jìn)行權(quán)衡,其結(jié)果可以產(chǎn)生多種方案。在實施數(shù)據(jù)庫前對這些方案進(jìn)行方案進(jìn)行細(xì)致的評價,以選擇一個較優(yōu)的方案是十分必要的。
6.數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的實施和維護(hù)
對數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計初步評價完成后就可建立數(shù)據(jù)庫了。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)實施對應(yīng)于軟件工程的編碼、調(diào)試階段。設(shè)計人員運用DBMS提供的數(shù)據(jù)定義語言將邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的結(jié)果嚴(yán)格地描述出來,成為DBMS可接受的源代碼。經(jīng)過調(diào)試產(chǎn)生目標(biāo)模式。然后組織數(shù)據(jù)入庫。組織數(shù)據(jù)入庫是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)實施階段最主要的工作。
八、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計
1.數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計步驟
按規(guī)范設(shè)計的方法可將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為以下六個階段
(1)需求分析;
(2)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計;
(3)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計;
(4)數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計;
(5)數(shù)據(jù)庫實施;
(6)數(shù)據(jù)庫運行和維護(hù)。