DBPA · 1.4

数据库系统的组成

数据库、DBMS、应用、软硬件与人员

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学习目标

数据库系统由数据库、DBMS、硬件、软件、DBA、用户组成

01查询成绩时，数据库、DBMS、应用、硬件、软件和人员各有什么分工？
02区分硬件怎样处理和保存数据，软件怎样接收请求、管理数据并显示结果
03判断确认需求、设计数据结构、编写程序、维护运行的角色分工
04说明应用程序员为何依据外模式开发，而不必直接处理内模式
05根据一项具体工作，判断主要角色、涉及哪一级模式以及依赖哪些软硬件
06用案例说明数据库系统上线后如何被使用、维护、恢复和修改

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LEARNING OBJECTIVES

数据库系统的组成

一个能工作的数据库系统，需要数据、软件、设备和人员协作

\(\mathrm{DBS} = \mathrm{DB} + \mathrm{DBMS} + \mathrm{App} + \mathrm{Platform} + \mathrm{DBA} + \mathrm{Users}\)

核心要素	平台 Platform	人员
数据库、DBMS、应用	硬件、软件	DBA、系统分析员、数据库设计员、应用程序员、最终用户

平台 Platform = 硬件 Hardware + 软件 Software

Takeaway

硬件可分为计算、存储、输入输出；软件可分为操作系统、运行时

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SYSTEM COMPOSITION

硬件平台提供处理与存储基础

今天的计算机基本采用冯·诺依曼体系

处理器

处理器执行应用和 DBMS 指令，完成查询、计算和数据处理

内存

暂存正在处理的数据和高频访问的数据

持久存储（外存）

长期保存数据库记录、索引和后备副本

Takeaway

处理器、内存和外存变化后，DBMS 的存储与查询方法也会变化

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HARDWARE PLATFORM

硬件不负责数据库管理

数据库系统的行为，取决于软件、配置和人员

描述	主要归属	原因
增加内存后查询更快	硬件平台	可能增加可用运行资源，但依然需结合应用、DBMS 和配置判断
设计成绩表的结构	设计员/DBA	定义模式与约束，也就是确定表、字段、联系和规则
提供成绩查询功能页面	应用系统	实现面向用户的业务功能
规定谁可以修改成绩	DBA 与 DBMS	DBA 制定权限策略，DBMS 执行访问控制

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HARDWARE BOUNDARY

操作系统、DBMS、开发工具和应用分工

软件平台由操作系统、DBMS、开发环境和应用系统共同组成

操作系统 Operating System

管理进程、文件、内存和设备，让 DBMS 和应用能够运行

数据库管理系统 DBMS

定义、组织、存储、操纵、控制和维护数据库

开发工具与环境

编程语言、编译系统和应用开发工具支持编写、调试和部署应用

应用系统

应用系统把具体业务流程实现为用户可以操作的功能

Takeaway

应用提出请求，DBMS 读写数据库，操作系统管理进程、内存和设备

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SOFTWARE PLATFORM

一次成绩查询的流程

点击“查看成绩”后，应用与 DBMS 处理，操作系统和硬件负责运行与读写

一次业务请求从最终用户经应用系统和 DBMS 访问数据库，并由软件与硬件平台支撑

流程：用户点击“查看成绩”，应用将用户请求转换为业务请求，DBMS 处理数据访问，访问结果返回应用并显示结果

支撑：操作系统管理进程、内存、文件和设备，硬件执行指令并保存数据；开发工具用于编写、调试和部署应用

外模式→映像→模式→映像→内模式

应用程序员依据外模式开发；DBMS 管理逻辑和物理细节

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SOFTWARE RESPONSIBILITY

数据库系统是人-机系统

不同角色在不同阶段参与，拥有不同的数据视图和责任

角色	主要工作	主要关注
DBA	参与设计；负责运行、权限、安全、性能、备份恢复与重构	系统状态、内模式与长期运行
系统分析员	分析需求、规范说明和总体设计	业务目标与总体方案
数据库设计员	确定数据并参与各级模式设计，与用户、系统分析员和 DBA 协作	全局结构与各级模式
应用程序员	依据外模式开发应用程序	业务流程与用户功能
最终用户	通过应用系统完成业务活动	自己需要的数据与操作

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PEOPLE IN DBS

DBA 负责管理数据库系统

真实环境中，DBA 的职责可以由多人分担

责任类别	典型工作
设计与定义	参与外模式、模式和内模式设计，协助确定数据定义
用户支持与培训	帮助用户理解和使用系统，处理日常运行问题并提供培训
运行控制与安全	管理访问权限，维护安全性与完整性，监视运行状态
性能改进与重组	监视空间利用率与处理效率，改进和重组数据库
转储与恢复	制定转储、备份和恢复策略，维护后备副本与日志
系统重构	参与模式和内模式的重构，并与应用团队协作调整系统

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DATABASE ADMINISTRATOR

从需求到可用系统

系统分析师分析需求，数据库设计师组织数据，应用程序员实现功能

系统分析师

向用户确认要解决什么问题、给谁使用、有哪些功能和规则，再写成设计师和程序员可以执行的说明

数据库设计师

确定需要保存哪些数据，参与各级模式设计，并与用户、分析师和 DBA 核对表、联系、视图和上线后的管理办法

应用程序员

以外模式为基础实现界面、业务流程和数据库访问程序

Takeaway

应用程序员在外模式上工作；设计师和 DBA 在模式与内模式上工作

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DESIGN AND DEVELOPMENT

最终用户通过应用程序完成任务

最终用户无需直接管理数据库，但需要参与需求分析和反馈

01使用：通过应用系统的用户界面查询、录入和更新业务数据
02提出需求：说明业务目标、字段和工作规则，帮助分析员澄清需求
03反馈与检验：报告运行问题，检验系统是否支持实际工作

最终用户通过应用界面使用外模式提供的局部数据，不直接面对内模式

Takeaway

最终用户看到的是针对自己工作任务的数据视图，而不是数据库的内部结构

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END USERS

数据库系统的生命周期

不同角色接力协作，需求变化时回到分析与设计

01

需求分析

最终用户与系统分析师提出并梳理业务需求

02

模式与运行方案

数据库设计师与 DBA 设计模式、外模式和运行方案

03

外模式与应用开发

应用程序员依据外模式实现界面、业务流程和访问程序

04

上线运行与反馈

最终用户通过应用完成业务，DBMS 按定义、权限和完整性规则管理数据

05

性能、恢复与重构

DBA 监控、调优、备份、恢复并参与系统重构；需求变化时回到分析与设计

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DATABASE LIFECYCLE

练习：判断角色与层次

写出谁主要负责、会改哪一级模式或哪类软硬件，并说明理由

Exercise

01决定学生查询成绩表时，需要查询哪些属性
02设计学生、课程和选课关系中的联系
03编写选课页面和提交功能
04为选课查询调整索引
05系统故障后恢复到正确状态

答案包括：主要负责人、需要协作的人、涉及的模式或软硬件，判断理由

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RESPONSIBILITY JUDGMENT

案例：教学系统增加完成度查询功能

教学系统新增“培养方案完成度”查询

开发团队提出：为成绩查询增加索引；数据库服务器更换存储设备；教师反馈成绩录入规则不清楚；发生了一次数据库故障，需要恢复到正确状态

Exercise

01分别判断每项变化主要涉及的角色，以及需要协作的其他角色
02变化会改动用户需求、应用、哪一级模式，还是操作系统与硬件
03说明变化如何从用户提出问题，传到应用、DBMS，再到操作系统和硬件

判断时要沿着变化经过的人、应用、DBMS、数据和软硬件逐步追踪

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CASE JUDGMENT

结构、组成和体系结构

1.3 节讲 DBMS 分层，1.4 节讲人员和组件，1.5 节讲组件怎样部署与连接

比较维度	模式结构	系统组成	系统体系结构
主要内容	三级模式、两级映像	软硬件、DBMS、应用和人员	各组件的部署与连接方式
主要判断	变化在哪一层，哪一级映像吸收	哪个角色负责，依赖哪些平台	集中式、客户-服务器、并行、分布式或云
需要判断	应用能否不随存储变化而修改	工作由谁完成、需要什么组件	数据库和应用放在哪里、怎样互相连接

体系结构问题：数据库和应用如何存放；各组件怎样连接

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STRUCTURE AND COMPOSITION

数据库系统需要所有组件才能正常运行

硬件、软件或人员缺少任何一项，系统都可能无法查询、更新、维护或恢复

硬件平台

遇到资源或性能问题，区分硬件容量、DBMS/存储组织、应用逻辑和配置

软件平台

遇到“某个请求应该怎样被处理”时，沿着应用、DBMS 和操作系统逐步追踪

人员分工

遇到“某个问题应该谁来负责”时，按需求、设计、开发、使用和维护分配职责

Takeaway

沿用户操作 → 应用 → DBMS → OS 与硬件逐步检查，再确认由谁处理

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SECTION REVIEW

本节知识地图

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KNOWLEDGE MAP

本节问题

01数据库系统为什么不能只理解为数据库或 DBMS？
02硬件平台和软件平台各自具体做什么？
03DBA 的六类职责分别会在什么情况下使用？
04数据库系统各角色是如何在需求、模式和应用之间分工的？
05为什么应用程序员可以依据外模式开发，而不必直接处理内模式？
06教务系统的教学完成度查询会涉及哪些角色与平台？

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SECTION QUESTIONS