数据库系统工程师软考备战：第一篇 - 数据库系统基础与体系结构

1. 数据库系统概述

数据库系统（Database System，DBS）是现代信息系统的核心组成部分，它由数据库、数据库管理系统、应用系统和数据库管理员组成。在软考中，我们需要深入理解数据库系统的基本概念、体系结构和工作原理。

1.1 数据库系统的组成要素

​​数据库（Database，DB）​​：长期存储在计算机内、有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和存储，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性。

​​数据库管理系统（Database Management System，DBMS）​​：位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，它为用户或应用程序提供访问数据库的方法，包括数据库的建立、查询、更新和各种数据控制。

​​应用系统​​：使用数据库的各种应用程序和工具软件。

​​数据库管理员（Database Administrator，DBA）​​：负责数据库的规划、设计、维护和监控的专业人员。

1.2 数据库系统的特点

• ​​数据结构化​​：数据库中的数据不再针对特定应用，而是面向全组织
• ​​数据共享性高、冗余度低​​：多个用户和应用程序可以共享数据
• ​​数据独立性高​​：包括物理独立性和逻辑独立性
• ​​数据由DBMS统一管理​​：提供数据安全性、完整性、并发控制和恢复功能

2. 数据库系统体系结构

数据库系统体系结构是软考中的重要考点，主要涉及三级模式结构和两级映像。

2.1 三级模式结构

​​外模式（External Schema）​​：也称为子模式或用户模式，是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征描述。一个数据库可以有多个外模式，每个外模式都为不同的用户需求而设计。

​​模式（Schema）​​：也称为概念模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。一个数据库只有一个模式，它是数据库数据在逻辑级别上的视图。

​​内模式（Internal Schema）​​：也称为存储模式，是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。一个数据库只有一个内模式。

2.2 两级映像与数据独立性

​​外模式/模式映像​​：定义了外模式与模式之间的对应关系。当模式改变时，通过修改外模式/模式映像，可以使外模式保持不变，从而应用程序也不需要改变，保证了数据的逻辑独立性。

​​模式/内模式映像​​：定义了模式与内模式之间的对应关系。当数据库的存储结构改变时，通过修改模式/内模式映像，可以使模式保持不变，从而保证了数据的物理独立性。

3. 数据模型

数据模型是数据库系统的核心和基础，它是对现实世界数据特征的抽象。

3.1 概念数据模型

概念数据模型是从用户观点对数据和信息的建模，主要用于数据库设计。最常用的是实体-联系模型（E-R模型），它通过实体、属性和联系三个基本概念来描述现实世界。

​​实体（Entity）​​：客观存在并可相互区别的事物
​​属性（Attribute）​​：实体所具有的某一特性
​​联系（Relationship）​​：实体之间的相互关系，包括一对一、一对多和多对多

3.2 逻辑数据模型

逻辑数据模型是从计算机观点对数据建模，主要用于DBMS实现。常见的有：

• ​​层次模型​​：用树形结构表示实体及其联系
• ​​网状模型​​：用图结构表示实体及其联系
• ​​关系模型​​：用二维表表示实体及其联系
• ​​面向对象模型​​：用对象和类表示实体及其联系

3.3 物理数据模型

物理数据模型描述了数据在存储介质上的组织方式，包括索引结构、数据文件组织等。

4. 数据库管理系统功能与组成

4.1 DBMS的主要功能

• ​​数据定义功能​​：提供数据定义语言（DDL）
• ​​数据操纵功能​​：提供数据操纵语言（DML）
• ​​数据库运行管理​​：并发控制、安全性检查、完整性约束等
• ​​数据库建立和维护功能​​：数据导入导出、转储恢复、性能监控等

4.2 DBMS的组成模块

• ​​查询处理器​​：DDL编译器、DML编译器、嵌入式DML预编译器、查询优化器
• ​​存储管理器​​：权限和完整性管理器、事务管理器、文件管理器、缓冲区管理器
• ​​磁盘存储中的数据结构​​：数据文件、数据字典、索引

5. 典型试题解析

5.1 选择题

​​试题1​​：数据库系统的三级模式结构中，定义局部数据逻辑结构的是（ ）
A. 外模式 B. 模式 C. 内模式 D. 存储模式

​​解析​​：正确答案是A。外模式也称为子模式或用户模式，它是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征描述。模式是全局逻辑结构，内模式（存储模式）是物理存储结构。

​​试题2​​：保证了数据物理独立性的映像机制是（ ）
A. 外模式/模式映像 B. 模式/内模式映像
C. 外模式/内模式映像 D. 模式/模式映像

​​解析​​：正确答案是B。模式/内模式映像定义了数据的全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。当存储结构改变时，通过修改模式/内模式映像，可以使模式保持不变，从而应用程序也不需要改变，保证了数据的物理独立性。

5.2 简答题

​​试题​​：简述数据库系统的数据独立性及其重要意义。

​​参考答案​​：数据独立性是指应用程序与数据库的数据结构之间相互独立，不受影响。包括物理独立性和逻辑独立性。

物理独立性是指当数据库的物理结构改变时，通过修改模式/内模式映像，可以使模式保持不变，从而应用程序也不需要改变。

逻辑独立性是指当数据库的逻辑结构改变时，通过修改外模式/模式映像，可以使外模式保持不变，从而应用程序也不需要改变。

数据独立性的重要意义在于：

1. 减少了应用程序的维护工作量
2. 提高了数据共享程度
3. 增强了数据库系统的稳定性和可靠性
4. 方便了数据库管理员对数据库的维护和管理

6. 备考建议

1. ​​理解基本概念​​：数据库系统的基本概念是后续学习的基础，务必深入理解
2. ​​掌握体系结构​​：三级模式结构和两级映像是重要考点，需要熟练掌握
3. ​​区分数据模型​​：清楚概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型的区别和联系
4. ​​结合实践​​：理论学习要结合实际数据库系统的使用经验，加深理解

下一篇我们将深入讲解关系数据库的基本概念和关系代数，这是数据库系统工程师考试的核心内容之一。

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本文仅供参考，具体备考请以官方指定教材和考纲为准。