第 1 章 · 数据库系统概述

数据库系统 = 把现实信息可靠、独立、可共享地存进机器，并高效取出。

1.1 从文件系统到数据库系统

文件系统只提供「按名字读写字节」，关联、约束、并发全由应用自己扛；DBMS 把这些下沉为专门软件：

能力	文件系统	数据库系统
数据结构化	无，字节流	有（关系/文档/图）
数据共享	难，各自私有	集中统一，多用户
一致性约束	应用自写	DBMS 强制（主键/外键/检查）
并发与恢复	应用自写	内置（事务、日志）
数据独立性	无	三级模式两层映像保证

DBMS 屏蔽存储细节，应用只面对逻辑数据 → 数据独立性。

1.2 数据模型：三种历史形态

数据模型 = 现实→机器的抽象规则（数据怎么组织、怎么联系）。三种形态：

层次模型                网状模型                关系模型
┌────────┐            ┌────────┐            表（二维结构）
│  系     │            │  系  ──┤            学生(学号,姓名,系)
│  │  │  │            │  │\    │            ┌────┬────┬────┐
│ 教  学  │            │ 教  学 │            │S001│张三 │ CS │
│  │      │            │  │    │            └────┴────┴────┘
│ 研     │            │ 研 ──┘            联系 = 公共属性(外键)
└────────┘            └────────┘
一对多树，父子指针     多对多网，指针链      集合代数，值匹配

• 层次模型：记录成树，一对多自然，多对多需冗余节点，且须从根遍历。
• 网状模型：记录成图，用指针链表达任意联系；表达力强但指针密布、须自己导航。
• 关系模型：一切是表，联系靠值相等（外键）非指针；数学基础（关系代数），SQL 声明式。

1.3 三级模式与两级映像

ANSI/SPARC 分三层，两层映像解耦：

外部层   外模式1(视图A)   外模式2(视图B)   ← 每个应用的视角
              │ 外模式/模式映像            ← 逻辑独立性
概念层   模式（全局逻辑结构）                ← 全库唯一的逻辑视图
              │ 模式/内模式映像            ← 物理独立性
内部层   内模式（存储结构、索引、物理文件）  ← 磁盘上的样子

• 外模式（视图）：单个用户看到的数据，可隐藏、裁剪。

• 模式（概念模式）：全库逻辑结构（有哪些表、什么约束），不管物理。

• 内模式（存储模式）：数据怎么存、用什么索引、聚簇与否（见第 9 章）。

• 逻辑独立性：改模式不改外模式。

• 物理独立性：改内模式不动模式（加索引、换存储）。

1.4 DBMS 的组成

用户/应用
   │ SQL
┌──▼──────────────┐
│ 查询处理器       │ 解析 → 优化 → 执行（见第 9 章）
├─────────────────┤
│ 存储管理器       │ 缓冲池、文件组织、索引
├─────────────────┤
│ 事务管理器       │ 并发控制（第 7 章）、故障恢复（第 8 章）
├─────────────────┤
│ 数据字典         │ 元数据：表结构、约束、索引定义
└─────────────────┘

• 查询处理器：声明式 SQL → 执行计划（见第 9 章）。
• 事务管理器：保证 ACID（见第 7 章）。
• 数据字典：存「关于数据的数据」，三级模式登记在此。

对比：层次最简但僵化；网状灵活但程序员须自己导航指针；关系数学基础、声明式、独立性最好，代价是连接/规范化开销（第 5 章）。演进把复杂度从「写指针」转给「DBMS 优化」。