【導(dǎo)讀】息具有可感知、可存儲(chǔ)、可加工、可傳遞和可再生的自然屬性。不同的物理符號(hào)體現(xiàn)出。數(shù)據(jù)的不同表現(xiàn)形式。以數(shù)據(jù)的形式表現(xiàn)出來(lái)，并為人們理解和接受。數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系很密切，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)不僅用到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的鏈表、樹(shù)、圖等知識(shí)，各種數(shù)據(jù)模型本。名各種數(shù)模，如層次、網(wǎng)狀、關(guān)系數(shù)模。部及數(shù)據(jù)之間聯(lián)系所必須滿足的語(yǔ)義約束。

　　

【正文】 與數(shù)據(jù)庫(kù)性能比較起來(lái)是可以忽略的，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)增加一些數(shù)據(jù)約束，就可以解決 3NF 引起的數(shù)據(jù)問(wèn)題了。 優(yōu)化屬性：確定各字段的類型和長(zhǎng)度； 確認(rèn)模式滿足需要： 5． 4． 3 數(shù)據(jù)完整性設(shè)計(jì) 指定義數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)值滿足的約束條件，通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)值的約束維護(hù)關(guān)系的完整性。 數(shù)據(jù)值滿足條件分為： （ 1） 域約束：限制指定列的取值及范圍； （ 2） 主碼約束：定義每個(gè)關(guān)系的主 碼值不空，且惟一； （ 3） 引用完整性約束：定義不同模式的屬性間滿足的條件，及一個(gè)關(guān)系模式中屬性間可能滿足的條件； 5． 4． 4 安全模式和外模式的設(shè)計(jì) 根據(jù)選定的 DBMS 支持的安全控制特征來(lái)確定； 根據(jù)不同用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)存取特點(diǎn)定義相關(guān)的外模式； 第六章 存儲(chǔ)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)物理設(shè)計(jì) 6． 1 文件組織 6． 1． 1 數(shù)據(jù)庫(kù)的物理結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)庫(kù)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)是以文件形式存儲(chǔ)在外存上的，文件在邏輯上被組織成記錄的序列，即每個(gè) DB 文件可看作是邏輯記錄的集合； 一個(gè)文件在磁盤(pán)上占有一定的物理存儲(chǔ)空間，文件中的每個(gè)邏輯記錄被映射存儲(chǔ)到 某個(gè)特定的磁盤(pán)塊上，一個(gè)文件在物理上可以看作是由存放文件記錄的一系列磁盤(pán)塊組成，稱為物理文件； 文件的邏輯記錄與磁盤(pán)間的映射關(guān)系是由操作系統(tǒng)或 DBMS 來(lái)管理的，當(dāng)需要對(duì)一個(gè)文件的邏輯記錄進(jìn)行操作時(shí)，先要根據(jù)這種映射關(guān)系找到該邏輯記錄所在的磁盤(pán)塊，然后再進(jìn)行操作。 從數(shù)據(jù)庫(kù)物理結(jié)構(gòu)角度需要解決如下問(wèn)題： （ 1） 文件的組織； （ 2） 文件的結(jié)構(gòu)； （ 3） 文件的存??； （ 4） 索引技術(shù)； 6． 1． 2 文件組織 數(shù)據(jù)庫(kù)與文件的對(duì)應(yīng)關(guān)系 《全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試四級(jí)教程 — 數(shù)據(jù)庫(kù)工程師》 第 25 頁(yè) 共 67 頁(yè) （ 1） 在外存中，數(shù)據(jù)庫(kù)以文件形式組織，文件由邏輯記錄組成，記錄由多個(gè)域組成； （ 2） 一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)包括一張或多張關(guān)系表， 關(guān)系表與文件的對(duì)應(yīng)關(guān)系有如下方式： （ A） 每張關(guān)系表單獨(dú)用一個(gè)文件來(lái)存儲(chǔ)，由 DBMS 通過(guò) OS 的文件管理功能來(lái)管理； （ B） 現(xiàn)代中大型 DBMS 是由 OS直接分配一塊大的磁盤(pán)空間， DBMS 將該磁盤(pán)空間作為數(shù)據(jù)庫(kù)磁盤(pán)文件直接管理， DB 的所有關(guān)系表都存儲(chǔ)在該文件中； （ 4） 關(guān)系表在邏輯上由一系列元組組成，元組由多個(gè)屬性組成，每個(gè)元組可以用磁盤(pán)文件中的一個(gè)邏輯記錄來(lái)存儲(chǔ)，記錄包括多個(gè)域，對(duì)應(yīng)元組的多個(gè)屬性； 文件記錄格式： （ 1） 數(shù)據(jù)庫(kù)文件通常采用兩種邏輯記錄格式：定長(zhǎng)記錄格式和變長(zhǎng)記錄格式； 6． 2 文件結(jié)構(gòu)與存取 6． 2． 1 堆文件 堆文件也稱無(wú)序文件，記錄隨機(jī)在存儲(chǔ)在文件物理空間是，新插入的記錄存儲(chǔ)在文件的末尾； 堆文件常常用作存儲(chǔ)那些將來(lái)使用，但目前不清楚如何使用的記錄，為了實(shí)現(xiàn)文件記錄的有效存取，堆文件經(jīng)常與附加的存取路徑一起使用； 查找操行平均需要搜索（ B+1） /2 個(gè)磁盤(pán)塊，效率比較低； 插入操作十分簡(jiǎn)單，先讀文件頭，找到最末磁盤(pán)地址，將最末磁盤(pán)塊讀入內(nèi)存，將需插入的新記錄寫(xiě)入磁盤(pán)塊的末端，最后將修改過(guò)的磁盤(pán)塊寫(xiě)回磁盤(pán)； 刪除比較復(fù)雜，可以先找到被刪除記錄所在的磁盤(pán)塊，讀入內(nèi)存后在內(nèi)存緩沖區(qū)刪除記錄，最后再寫(xiě)回 磁盤(pán)；也可以在每個(gè)記錄的磁盤(pán)空間增加一個(gè)刪除標(biāo)志位，當(dāng)需要?jiǎng)h除記錄時(shí)，將標(biāo)示位置 1； 6． 2． 2 順序文件 順序文件按照文件記錄在查詢碼上的取值的大小順序排列各個(gè)記錄； 順序文件的每個(gè)記錄中有一個(gè)指針字段，根據(jù)查詢碼大小用指針將各個(gè)記錄按序連接起來(lái)； 文件建立時(shí)，應(yīng)盡量使記錄的物理順序與查找碼的順序一致，以減少訪問(wèn)磁盤(pán)塊的次數(shù)； 根據(jù)查詢條件對(duì)順序文件進(jìn)行查詢時(shí)，如查詢條件定義在查找碼上，則使用二分法查找技術(shù)快速找到記錄，如條件不在查找碼上，則必須從頭到尾依次掃描磁盤(pán)塊，與堆文件一致，所以順序文件的訪問(wèn)效率 也不高； 順序文件插入工作包括定位和插入： （ 1） 定位：在指針鏈中找到插入的位置，即插入記錄在哪個(gè)記錄的前面； （ 2） 插入：如有自由空間，則在該位置插入新記錄，如沒(méi)有自由空間，則只能插入溢出塊中，重新調(diào)整記錄指針鏈關(guān)系，保證記錄順序； 6． 2． 3 聚集文件 《全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試四級(jí)教程 — 數(shù)據(jù)庫(kù)工程師》 第 26 頁(yè) 共 67 頁(yè) 聚集文件是一種具有多種記錄類型文件，存儲(chǔ)了來(lái)自多個(gè)關(guān)系表的數(shù)據(jù)，每個(gè)關(guān)系表對(duì)應(yīng)文件中的一種記錄類型； 當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)量效大時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢需要多次訪問(wèn)磁盤(pán)文件，嚴(yán)重影響性能指標(biāo)，為了降低多表操作時(shí)的磁盤(pán)訪問(wèn)次數(shù)，提高多表查詢速度，可采用聚集文件； 聚集文件將不同關(guān)系 表中有關(guān)聯(lián)關(guān)系的記錄存儲(chǔ)在同一磁盤(pán)塊內(nèi)，從而減少多表查詢時(shí)磁盤(pán)塊的訪問(wèn)次數(shù)，提高處理速度； 6． 2． 4 索引文件 是一種利用索引技術(shù)技術(shù)快速文件訪問(wèn)的文件組織和存取方法； 6． 2． 4 散列文件 是一種利用散列函數(shù)支持快速文件訪問(wèn)的文件組織和存取方法； 6． 3 索引技術(shù) 6． 3． 1 基本概念 索引技術(shù)：是一種快速文件訪問(wèn)技術(shù)，它將一個(gè)文件的每個(gè)記錄在某個(gè)或某些域（屬性）上的取值與該記錄的物理地址直接聯(lián)系起來(lái)，提供了一種根據(jù)記錄域的取值快速訪問(wèn)文件記錄的機(jī)制；它的關(guān)鍵是建立取值域到記錄的物理地址劉的映射關(guān)系，這 種映射關(guān)系叫索引； 索引技術(shù)分類： （ 1） 有序索引技術(shù)：利用索引文件實(shí)現(xiàn)記錄域（查找碼）取值到記錄物理地址間的映射關(guān)系，索引文件由索引記錄組成，每個(gè)記錄中記載一個(gè)索引項(xiàng)，索引項(xiàng)記錄了某個(gè)特定的查找碼值和具有該值的數(shù)據(jù)文件記錄的物理地址； （ 2） 散列技術(shù)：利用一個(gè)散列函數(shù)實(shí)現(xiàn)記錄域取值到記錄物理地址間的直接映射關(guān)系； （ 3） 有序索引：有序索引作為基于索引文件的索引技術(shù)，需要考慮兩個(gè)問(wèn)題：（ 1）如何組織索引文件中的索引記錄；（ 2）如何從索引文件出發(fā)，訪問(wèn)數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)記錄； （ A） 當(dāng)需要采用有序索引機(jī)制快速訪問(wèn)數(shù)據(jù)文件時(shí)，首先要為該 數(shù)據(jù)文件建立一個(gè)索引文件，它是索引記錄和索引項(xiàng)的集合； （ B） 索引文件建立的方法：首先選定某些記錄域作為查找碼，然后建立數(shù)據(jù)記錄在查找碼上的取值與物理地址間的映射關(guān)系，組成索引項(xiàng)。所有索引項(xiàng)作為索引記錄存儲(chǔ)在索引文件中，索引文件根據(jù)某個(gè)特定的查找碼值的順序組織為順序文件； （ C） 一個(gè)數(shù)據(jù)文件可以有多個(gè)查找碼和索引文件； 6． 3． 2 有序索引的分類及特點(diǎn) 聚集索引與非聚集索引 （ 1） 對(duì)數(shù)據(jù)文件和它的一個(gè)特定的索引文件，如果數(shù)據(jù)文件中數(shù)據(jù)記錄的排列順序與索引文件中索引項(xiàng)的排列順序相一致，則該索引文件稱為聚集索引，否則稱為 非聚集索引； 《全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試四級(jí)教程 — 數(shù)據(jù)庫(kù)工程師》 第 27 頁(yè) 共 67 頁(yè) （ 2） 在一個(gè)數(shù)據(jù)文件上除了建立一個(gè)聚集索引外，還可建立多個(gè)非聚集索引； 稠密索引和稀疏索引 如果數(shù)據(jù)文件中的每個(gè)查找碼都在索引文件中都對(duì)應(yīng)一個(gè)索引記錄，稱為稠密索引，如果只一部分對(duì)應(yīng)，則稱為稀疏索引； 主索引和輔索引 在數(shù)據(jù)文件包含主碼的屬性集上建立索引稱為主索引，在非主碼屬性上建立的索引稱為輔索引； 單層索引和多層索引 （ 1） 單層索引（線性索引）：索引項(xiàng)根據(jù)鍵值在索引文件中順序排列，組織成一維線性結(jié)構(gòu)，每個(gè)索引項(xiàng)直接指向數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)記錄； （ 2） 當(dāng)數(shù)據(jù)文件很大時(shí)，即使采用稀疏索引，建成的索引文件也很大 ，導(dǎo)致效率低下，為解決該問(wèn)題，可對(duì)索引文件中的索引項(xiàng)本身再建立一級(jí)稀疏索引，組成 2 層索引結(jié)構(gòu)；進(jìn)一步地，可建立多層樹(shù)型索引結(jié)構(gòu)來(lái)快速定位； 6． 4 散列技術(shù) 6． 4． 1 散列文件 散列是一種快速查找技術(shù)，它利用定義在文件記錄上的查找碼，通過(guò)計(jì)算一個(gè)散列函數(shù)，以散列函數(shù)值作為記錄的物理地址，實(shí)現(xiàn)對(duì)文件記錄直接快速訪問(wèn)。 首先指定文件記錄的一個(gè)域作為查找碼（散列域），然后定義一個(gè)查找碼上的函數(shù)（散列函數(shù)），函數(shù)的輸入為查找碼值，輸出為物理地址； 一般使用桶作為基本的存儲(chǔ)單位，一個(gè)桶可存放多個(gè)文件記錄，物理地址 可以是記錄所在的桶號(hào)，散列函數(shù)的輸出可以是桶號(hào)； 6． 4． 2 散列函數(shù) 散列方法依賴于好的散列函數(shù)，它應(yīng)該盡可能均勻地將查找碼分布到各個(gè)桶中，具體要滿足如下兩個(gè)條件： （ 1） 地址的分布是均勻的； （ 2） 地址的分布是隨機(jī)的； 6． 4． 3 桶溢出 產(chǎn)生桶溢出的兩個(gè)原因： （ 1） 文件初始設(shè)計(jì)時(shí)，為文件記錄預(yù)留的存儲(chǔ)空間不足； （ 2） 散列函數(shù)的均勻分布性不好； 設(shè)計(jì)散列函數(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)文件大小決定物理空間，一般應(yīng)有 20%余量，再設(shè)計(jì)合適的桶數(shù)目和桶大小，盡可能留有一些空閑桶，降低桶溢出的可能性； 《全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試四級(jí)教程 — 數(shù)據(jù)庫(kù)工程師》 第 28 頁(yè) 共 67 頁(yè) 桶溢出的現(xiàn)象是難免的，需要 DBS 采用相應(yīng)的桶 溢出處理機(jī)制； 散列方法的缺點(diǎn)：為了避免桶溢出。必須選一合適的散列函數(shù)，但這比較復(fù)雜，而且不象索引文件那樣可以據(jù)數(shù)據(jù)記錄變化動(dòng)態(tài)調(diào)整。 6． 5 數(shù)據(jù)字典 數(shù)據(jù)字典（系統(tǒng)目錄）中存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象的各類描述信息和 DBMS 所需的控制信息，全稱數(shù)據(jù)庫(kù)元數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象的各類描述信息：包括外模式、模式、內(nèi)模式以及它們之間的映射的描述； DBMS 所需的控制信息：包括查詢優(yōu)化、安全性檢查、用戶權(quán)限驗(yàn)證等； 數(shù)據(jù)字典主要包括： （ 1） 關(guān)系模式信息； （ 2） 與視圖描述有關(guān)的信息； （ 3） 關(guān)系的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和存取方法信息； （ 4） 完整性約束信息； （ 5） 安 全性有關(guān)信息； （ 6） 數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)信息； 6． 6 數(shù)據(jù)庫(kù)物理設(shè)計(jì) 6． 6． 1 設(shè)計(jì)步驟和內(nèi)容 數(shù)據(jù)庫(kù)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：在具體的硬件環(huán)境、 OS、 DBMS 約束下，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯設(shè)計(jì)結(jié)果，設(shè)計(jì)合適的數(shù)據(jù)庫(kù)物理結(jié)構(gòu)。目標(biāo)是存儲(chǔ)空間占用少、訪問(wèn)效率高和維護(hù)代價(jià)低； 一旦選定了硬件平臺(tái)、 OS和 DBMS，數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和存取方式等可用的物理模式也就隨之確定了； 數(shù)據(jù)庫(kù)物理設(shè)計(jì)主要包括以下步驟： （ 1） 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯模式調(diào)整：將數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯模式及其視圖轉(zhuǎn)換為 DBMS 支持的基本表和視圖，并利用 DBMS 提供的完整性機(jī)制設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)規(guī)則； （ 2） 文件組織與 存取設(shè)計(jì)：配置基本表的文件組織形式，據(jù)實(shí)際情況為基本表設(shè)計(jì)合適的存取方法和路徑； （ 3） 數(shù)據(jù)分布設(shè)計(jì)： （ 4） 安全模式設(shè)計(jì)： （ 5） 確定系統(tǒng)配置： （ 6） 物理模式評(píng)估： 6． 6． 2 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯模式調(diào)整 物理數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)首先需要根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)信息，設(shè)計(jì)目標(biāo) DBMS 平臺(tái)支持的基本表的模式信息，這些模式信息代表了所要開(kāi)發(fā)的具體目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)，這個(gè)過(guò)程稱為數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯模式調(diào)整，主要包括如下設(shè)計(jì)內(nèi)容： 《全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試四級(jí)教程 — 數(shù)據(jù)庫(kù)工程師》 第 29 頁(yè) 共 67 頁(yè) （ 1） 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)基本表和視圖：采用目標(biāo) DBMS 所支持的建表方法，設(shè)計(jì)基本表及其面向模型的完整性約束； （ 2） 設(shè)計(jì)基本表業(yè)務(wù)規(guī)則； 6． 6． 3 DB 文件組織與存取設(shè)計(jì) 分析事務(wù)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)特性 （ 1） 使用事務(wù) 基本表交叉引用矩陣，分析系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)對(duì)各個(gè)基本表的訪問(wèn)情況，確定事務(wù)訪問(wèn)了哪些基本表，對(duì)這些基本表執(zhí)行了何種操作，并進(jìn)一步分析各操作涉及到的基本表屬性； （ 2） 估計(jì)各事務(wù)的執(zhí)行頻率； （ 3） 對(duì)每張基本表，匯總所有作用于該表上的各事務(wù)的操作頻率信息； 了解并選擇數(shù)據(jù)庫(kù)文件結(jié)構(gòu) （ 1） 如果數(shù)據(jù)庫(kù)中的一個(gè)基本表中的數(shù)據(jù)量很少，并且操作非常頻繁，該基本表可采用堆文件組織方式； （ 2） 順序文件支持基于查找碼的順序訪問(wèn)，也支持快速二分查找； （ 3） 如果用戶查詢是基于散列域值的等值匹配，特 別是如果訪問(wèn)順序是隨機(jī)的，散列文件比較合適。但散列文件組織不適合以下情況： （ A） 基于散列值域的非精確查詢； （ B） 基于非散列域進(jìn)行查詢時(shí)； （ 4） B樹(shù)和 B+樹(shù)文件是實(shí)際數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中使用非常廣泛的索引文件結(jié)構(gòu)，適合于定義在大數(shù)據(jù)量基本表上、基于查找碼的等值查詢等； （ 5） 如果某此重要而頻繁的用戶查詢經(jīng)常需要進(jìn)行多表連接操作，可考慮將這些基本表組織為聚集文件； 設(shè)計(jì)存取路徑： （ 1） 為數(shù)據(jù)庫(kù)文件設(shè)計(jì)合理的物理存儲(chǔ)位置； （ 2） 為基本表設(shè)計(jì)索引機(jī)制：索引可以提高文件存取速度，改善訪問(wèn)性能，但索引由 DBMS 管理，它的建立、維護(hù)需要一定的系統(tǒng)開(kāi)銷， 數(shù)據(jù)的操作會(huì)引起索引的重新調(diào)整，還占用一定的存儲(chǔ)空間，可根據(jù)如下原則決定是否為一個(gè)基本表建立索引： （ A） 對(duì)于經(jīng)常需要查詢、連接、統(tǒng)計(jì)操作，且數(shù)據(jù)量大的基本表可考慮建立索引，而對(duì)于經(jīng)常執(zhí)行插入、刪除、更新操作