数据库系统
1.数据库系统
数据库系统DBS:是一个采用了数据库技术，有组织地、动态地存储大量相关
数据，方便多用户访问的计算机系统。其由下面四个部分组成:- 数据库(统一管理、长期存储在计算机内的，有组织的相关数据的集合)
- 硬件(构成计算机系统包括存储数据所需的外部设备)
- 软件(操作系统、数据库管理系统及应用程序)
- 人员(系统分析和数据库设计人员、应用程序员、最终用户、数据库管理员DBA)
数据库管理系统DBMS的功能
实现对共享数据有效的组织、管理和存取。包括数据定义、数据库操作、数据库运行管理、数据的存储管理、数据库的建立和维护等。
2.三级模式-两级映射
1.模式
内模式:管理如何存储物理的数据，对应具体物理存储文件。
模式:又称为概念模式，就是我们通常使用的基本表，根据应用、需求将物理数据划分成一张张表。
外模式:对应数据库中的视图这个级别，将表进行一定的处理后再提供给用户使用
2.映射
2.1 外模式一模式映像
外模式一模式映像:是表和视图之间的映射，存在于概念级和外部级之间，若表中数据发生了修改，只需要修改此映射，而无需修改应用程序。
当数据库的底层逻辑结构（模式）发生变化时，那些依赖于视图（外模式）的应用程序代码无需进行任何修改，就能继续正常工作。这是逻辑数据独立性带来的直接好处。
初始状态
- 模式（基本表）：有一张员工信息表
Employees。CREATETABLEEmployees(EmpIDINTPRIMARYKEY,NameVARCHAR(100),SalaryDECIMAL(10,2),DeptIDINT); - 外模式（视图）：为了方便财务部门只查看工资信息，DBA创建了一个视图
FinanceView。CREATEVIEWFinanceViewASSELECTEmpID,Name,SalaryFROMEmployees; - 应用程序：财务部门的薪资系统程序
FinanceApp，它的代码里只查询这个视图。-- FinanceApp 内部的查询语句是：SELECT*FROMFinanceViewWHERESalary>5000;FinanceApp完全不知道Employees表的存在，它只知道FinanceView。
场景：模式发生改变（数据库重构）
公司业务发展，需要将员工信息拆分到更专业的表中。模式（表结构）被修改了：
- 新建
EmployeeBasic表存储基本信息。 - 新建
EmployeeSalary表存储薪资信息。 - 删除原来的
Employees表。
新的模式如下：
CREATETABLEEmployeeBasic(EmpIDINTPRIMARYKEY,NameVARCHAR(100),DeptIDINT);CREATETABLEEmployeeSalary(EmpIDINTPRIMARYKEY,SalaryDECIMAL(10,2),FOREIGNKEY(EmpID)REFERENCESEmployeeBasic(EmpID));关键操作：更新“外模式-模式映像”
此时，数据库管理员（DBA）只需要修改FinanceView视图的定义（即更新外模式-模式映像），将视图的查询逻辑从指向旧的单表，改为关联新的两张表。
-- 旧的视图定义被替换-- CREATE VIEW FinanceView AS SELECT EmpID, Name, Salary FROM Employees;-- 新的视图定义（映像被更新了）CREATEORREPLACEVIEWFinanceViewASSELECTb.EmpID,b.Name,s.SalaryFROMEmployeeBasic bJOINEmployeeSalary sONb.EmpID=s.EmpID;结果：应用程序发生了什么？
- 应用程序
FinanceApp需要修改吗？—— 完全不需要！ - 为什么？
- 应用程序的代码里访问的仍然是
FinanceView（外模式名称没变）。 - 视图
FinanceView返回的数据“形态”没有变：依然是包含EmpID, Name, Salary三列的记录集（外模式结构没变）。 - 虽然底层数据从一个表变成了两个表的连接，但这个复杂性被“外模式-模式映像”（即新的视图定义）完全屏蔽和消化了。
- 应用程序就像一个最终用户，它看到并使用的“界面”（外模式）没有发生任何变化。
- 应用程序的代码里访问的仍然是
“不变”的具体含义
| 需要改变的部分 | 负责方 | 无需改变的部分 | 受益方 |
|---|---|---|---|
| 物理存储（内模式） | 存储管理员、DBMS | 模式、外模式、应用程序 | 所有用户和程序 |
| 全局逻辑结构（模式） | 数据库管理员（DBA） | 外模式、应用程序 | 应用程序员、最终用户 |
| 外模式定义（视图） | 数据库管理员（DBA） | 应用程序 | 应用程序所有者 |
总结一下：
“与外模式相关的应用程序可以保持不变”指的就是程序的源代码、编译后的二进制文件、配置文件等都不需要因为数据库底层结构的调整而重新编写、编译或部署。程序的数据访问接口、SQL语句、业务逻辑代码都保持原样。
逻辑数据独立性魅力
这种机制极大地降低了软件维护成本，提高了系统的可维护性和可扩展性。当数据库为了优化性能或适应新需求而进行重构时，大量的现有业务程序可以安然无恙，这是数据库三级模式架构设计的巨大成功。
2.2 模式一内模式映像
模式一内模式映像:是表和数据的物理存储之间的映射存在于概念级和内部级之间，若修改了数据存储方式，只需要修改此映射，而不需要去修改应用程序。
假设books表原来是MyISAM引擎，现在要换成InnoDB引擎并分区：
修改前：
-- books表使用MyISAM，存储在单个文件CREATETABLEbooks(book_idINTPRIMARYKEY,titleVARCHAR(100),authorVARCHAR(50),categoryVARCHAR(30),publish_yearINT)ENGINE=MyISAM;-- 数据文件：/var/lib/mysql/library/books.MYD-- 索引文件：/var/lib/mysql/library/books.MYI修改内模式（物理存储）：
-- 1. 修改存储引擎为InnoDB-- 2. 添加分区（按category分区存储）ALTERTABLEbooksENGINE=InnoDBPARTITIONBYLISTCOLUMNS(category)(PARTITIONp_computerVALUESIN('计算机'),PARTITIONp_literatureVALUESIN('文学'),PARTITIONp_scienceVALUESIN('科学'),PARTITIONp_othersVALUESIN(DEFAULT));-- 3. 将数据文件迁移到SSD存储-- 修改MySQL配置-- 原数据目录：/var/lib/mysql/library/-- 新数据目录：/ssd_storage/mysql/library/发生了什么变化？
| 变化项 | 修改前 | 修改后 |
|---|---|---|
| 存储设备 | 机械硬盘 | SSD固态硬盘 |
| 存储结构 | 单个数据文件 | 按类别分4个物理文件 |
| 索引方式 | B-tree索引 | B+tree索引 + 分区裁剪 |
| 文件位置 | /var/lib/mysql/ | /ssd_storage/mysql/ |
最重要的部分：用户和程序完全无感知！
用户角度：
-- 用户还是这样查询，完全不变SELECT*FROMcomputer_booksWHEREtitleLIKE'%数据库%';-- 应用程序代码完全不变-- Java/Python/PHP中的查询语句不需要修改Stringsql="SELECT * FROM new_books ORDER BY publish_year DESC";为什么用户感觉不到变化？
因为模式-内模式映像（DBMS内部的数据访问层）完成了所有适配：
用户查询 ↓ 视图层（外模式）←→ 没变！ ↓ 基本表层（模式）←→ 没变！表名、列名、数据类型都没变 ↓ ╔═══════════════════════════════════╗ ║ 模式-内模式映像（DBMS内部） ║ ← 这里变了！ ║ 负责将逻辑查询转换为物理操作 ║ ╚═══════════════════════════════════╝ ↓ 物理存储层（内模式）←→ 完全变了！DBMS内部适配的过程：
- 用户查询：
SELECT * FROM books WHERE category='计算机' - DBMS解析：这是一个计算机类书籍查询
- 新映射规则生效：
-- 旧规则：全表扫描books.MYD文件-- 新规则：只扫描p_computer分区文件-- 利用SSD快速随机读取-- 使用分区索引快速定位 - 物理操作：
- 访问
/ssd_storage/mysql/library/books#P#p_computer.ibd - 使用InnoDB的B+tree索引
- 返回结果给用户
- 访问
实际生产中的例子
案例：双十一前的数据库升级
阿里云某电商平台，订单表原来存储在：
- 存储设备：普通SAS硬盘RAID5
- 存储结构：单表，按订单ID哈希分片
- 索引：普通B-tree索引
问题：双十一期间查询太慢
升级方案：
- 存储设备：换成NVMe SSD
- 存储结构：改为按时间范围分区（每天一个分区）
- 索引：添加覆盖索引，使用列存储索引
实施后：
- 查询速度快了10倍
- 存储空间节省40%
- 但业务系统完全没改一行代码！
为什么？因为DBA只是修改了：
- 表的分区策略（
ALTER TABLE ... PARTITION BY RANGE ...） - 存储路径指向新的SSD阵列
- 添加了新类型的索引
所有的应用程序仍然访问原来的表名和视图，SQL语句完全不变。
这就是"物理数据独立性"的魅力！
就像你家的地址没变（模式），但：
- 从平房搬到了楼房（存储设备变了）
- 从普通门锁换成了指纹锁（索引方式变了）
- 房间从按大小排列改为按功能排列（存储结构变了）
但所有朋友寄信时：
- 还是写"XX市XX路XX号"（逻辑地址不变）
- 快递员还是能送到（DBMS内部处理了映射）
- 你不需要通知所有朋友"我搬家了，请用新地址"（应用程序不变）
这种机制让数据库可以：
- 无缝升级硬件：HDD → SSD → NVMe
- 优化存储结构：单表 → 分区 → 分片
- 改进索引算法：B-tree → B+tree → LSM-tree
- 迁移到云存储：本地磁盘 → 云盘 → 对象存储
而所有这些变化，对使用数据库的成百上千个应用程序来说，都是透明无感知的。这就是数据库系统设计的精妙之处！
3.数据库设计
- 需求分析：即分析数据存储的要求，产出物有数据流图、数据字典、需求说明书。
- 概念结构设计：就是设计E-R图，也即实体-属性图，与物理实现无关，说明有哪些实体，实体有哪些属性。
- 逻辑结构设计：将E-R图，转换成关系模式，也即转换成实际的表和表中的列属性，这里要考虑很多规范化的东西。
- 物理设计：根据生成的表等概念，生成物理数据库。