數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理及應用教程 第4版 教學課件 作者 劉瑞新第9章

本章教學目標、重點和難點教學目標：使學生了解面向對象數(shù)據(jù)模型，理解分布式數(shù)據(jù)庫特點和實現(xiàn)方法。了解傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的缺陷和新一代的數(shù)據(jù)庫技術特點，掌握數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

教學重點：面向對象的數(shù)據(jù)庫模式結構；分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)特點和實現(xiàn)方法；新數(shù)據(jù)庫技術，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。教學難點：面向對象的數(shù)據(jù)庫，分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點和實現(xiàn)方法。

第9章數(shù)據(jù)庫的研究與發(fā)展9.1數(shù)據(jù)庫技術的發(fā)展9.2分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)9.3面向對象的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)9.4數(shù)據(jù)倉庫及數(shù)據(jù)挖掘技術9.5其他新型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)9.1數(shù)據(jù)庫技術的發(fā)展1.傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的技術缺陷傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用的是面向機器的語法數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)類型簡單且固定、結構與行為分離、阻抗失配、只能被動響應、存儲和管理的對象有限、事務處理能力較差。2.第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的技術(1)第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的技術的特點面向對象的方法和技術對數(shù)據(jù)庫發(fā)展的影響最為深遠。數(shù)據(jù)庫技術與多學科技術的有機結合。面向應用領域的數(shù)據(jù)庫技術的研究。(2)第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本特征支持數(shù)據(jù)管理、對象管理和知識管理。保持或繼承第二代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的技術。對其他系統(tǒng)開放。(1)新型的數(shù)據(jù)模型對傳統(tǒng)的關系模型進行擴充，引入少數(shù)構造器，提出了復雜數(shù)據(jù)模型；提出了新的數(shù)據(jù)構造器和數(shù)據(jù)處理原語，即語義數(shù)據(jù)模型，以表達復雜的結構和豐富的語義；將語義數(shù)據(jù)模型和面向對象程序設計方法結合起來提出了面向對象的數(shù)據(jù)模型。3.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的新技術(2)新型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術與其他技術結合，產(chǎn)生了分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、知識庫系統(tǒng)和主動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、多面體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、模糊數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。(3)新型的特種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫技術被應用到特定的領域中，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)倉庫、工程數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、科學數(shù)據(jù)庫等多種數(shù)據(jù)庫，使數(shù)據(jù)庫領域的應用范圍不斷擴大。9.2分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

9.2.1分布式數(shù)據(jù)庫技術概述

1.分布式數(shù)據(jù)庫的特點①數(shù)據(jù)的物理分布性：數(shù)據(jù)分別存儲在不同的計算機上;②數(shù)據(jù)的邏輯相關性：各結點的數(shù)據(jù)在邏輯上是統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫。③區(qū)域自治性：每個場地又是一個獨立的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，擁有自己的硬件系統(tǒng)外，還擁有自己的數(shù)據(jù)庫和客戶，運行自己的DBMS，執(zhí)行局部應用，具有高度的自治性。④數(shù)據(jù)結點之間通過通信網(wǎng)絡進行聯(lián)系.

分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DistributedDatabaseSystem）將地理上分散的局部數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結合為一個邏輯整體。

2.分布式數(shù)據(jù)庫的分布透明性為用戶提供了一個邏輯上的集中式系統(tǒng)。

①位置透明性：使得用戶和應用程序不必知道它所使用的數(shù)據(jù)在什么場地，不管數(shù)據(jù)在本地數(shù)據(jù)庫中還是在外地的數(shù)據(jù)庫中。

②復制透明性：系統(tǒng)中的有些數(shù)據(jù)并不是只存放在一個場地，很可能同時重復地存放在不同的場地。3.分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的種類①同構同質型：不但各場地的數(shù)據(jù)模型是同一類型的，而且數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)也是同種型號的。

②同構異質型：各場地的數(shù)據(jù)模型是同一類型的，但數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)不是同一型號的（如INGRES、ORACLE等）。

③異構型：各場地的數(shù)據(jù)模型不是同一類型的。9.2.2分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結構1.數(shù)據(jù)分片方式①水平分片方式：按一定條件，通過選擇運算，把全局關系的所有元組分成若干不相交的子集，每個子集是關系的一個片段。②垂直分片方式：通過投影運算來實現(xiàn)，即先把一個全局關系的屬性集分成若干子集，然后在這些子集上作投影運算，得到的結果即為垂直分片。③混合型分片方式：按照上面兩種方式的一種先進行分片，然后對分片的結果用另外一種方式再分片，這種方式稱為混合型分片。2.數(shù)據(jù)分片條件①完備性條件：指全部關系的所有數(shù)據(jù)必須映射到每個片段中，不允許出現(xiàn)某些數(shù)據(jù)屬于全局關系但不屬于任何片段的情況。②重構條件：指劃分所采用的方法必須確保能夠重建原全局關系，即由每個片段能夠重新建立原有的全局關系。③不相交條件：要求一個全局關系被劃分后得到的各個數(shù)據(jù)片段必須是相互不重疊的。這樣要求是為了在數(shù)據(jù)分配時易于控制數(shù)據(jù)的復制。（4）分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結構①全局外模式：全局應用的用戶視圖，是全局概念模式的子集。

②全局概念模式：定義分布式數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)的邏輯結構。

③分片模式：定義了片段以及全局關系與片段之間的映像。

④分布模式：根據(jù)數(shù)據(jù)分布策略的選擇定義片段的存放場地。⑤局部概念模式：定義站點數(shù)據(jù)的邏輯結構。9.3面向對象的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)面向對象的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（ObjectOrientedDatabaseSystem，簡稱OODBS）1.面向對象的數(shù)據(jù)庫模式結構構成面向對象數(shù)據(jù)庫模式的主要因素是類和類層次結構、對象和對象層次結構，面向對象數(shù)據(jù)庫模式的主要特性是類和對象的特性，如類的繼承性、對象的嵌套等。2.面向對象數(shù)據(jù)庫語言

面向對象數(shù)據(jù)庫語言可以分為類的定義和操縱語言、對象的定義和操縱語言、方法的定義和操縱語言三類。

3.面向對象數(shù)據(jù)模式的完整性約束（1）模式的一致性約束1）唯一性約束在同一個模式中，所有類的名字必須是唯一的；類中的屬性和方法名字必須是唯一的。2）存在性約束顯式引用的某些成分必須存在。3）子類性約束子類和超類的聯(lián)系不能形成環(huán)；如果子類是從通過多繼承形成的，則這種多繼承不得造成沖突；如果模式只支持單繼承，則必須標明子類的超類。（2）模式演進保證模式一致性模式演進：模式為適應需求而隨時間的變化稱為模式演進。模式演進主要包括創(chuàng)建新的類、刪除舊的類、修改類的屬性和操作等。演進中保持模式的一致性：面向對象的數(shù)據(jù)庫模式應當提供相應的操作以支持模式演進。在進行模式演進的過程中必須保持模式的一致性，即保持模式自身內(nèi)部不能出現(xiàn)矛盾和錯誤。9.4數(shù)據(jù)倉庫及數(shù)據(jù)挖掘技術

數(shù)據(jù)倉庫（DataWarehouse）用于分析型處理，包括決策分析，為管理人員提供決策信息等，如決策支持系統(tǒng)（DSS）和多維分析等。1.傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術不適合運行分析型的應用系統(tǒng)事務處理和分析處理的性能特性不同；分析處理系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)集成、歷史數(shù)據(jù)和綜合數(shù)據(jù)；事務處理系統(tǒng)不能進行數(shù)據(jù)動態(tài)集成操作；傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中是當前的、細節(jié)性數(shù)據(jù)，不適合數(shù)據(jù)分析處理的要求。2.數(shù)據(jù)倉庫的特點（1）數(shù)據(jù)倉庫是面向主題的：數(shù)據(jù)庫面向應用，數(shù)據(jù)倉庫對應企業(yè)或組織中某一宏觀分析領域所涉及的分析對象。（2）數(shù)據(jù)倉庫是集成的：進行數(shù)據(jù)綜合和計算，使面向應用的數(shù)據(jù)成為面向主題的數(shù)據(jù)結構。（3）數(shù)據(jù)倉庫是不可更新的：為決策分析提供數(shù)據(jù)，操作主要是數(shù)據(jù)查詢，不需要對數(shù)據(jù)進行修改操作。（4）數(shù)據(jù)倉庫是隨時間而變化的：整個生存周期中的數(shù)據(jù)集合卻是會隨著時間的變化而變化的。3.數(shù)據(jù)挖掘技術采用人工智能、仿生物技術、數(shù)理統(tǒng)計和計算智能方法從數(shù)據(jù)倉庫中提取、挖掘和發(fā)現(xiàn)知識，以滿足數(shù)據(jù)分析和決策處理的要求。數(shù)據(jù)倉庫需要并支持數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)。數(shù)據(jù)挖掘（DataMining，DM）是從超大型數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫中發(fā)現(xiàn)并提取隱藏在內(nèi)部的信息的一種新技術，其目的是幫助決策者尋找數(shù)據(jù)間潛在的關聯(lián)，發(fā)現(xiàn)被經(jīng)營者忽略的要素，而這些要素對預測趨勢、決策行為可能是非常有用的信息.9.5其他新型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

3.

并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三種基本結構：共享內(nèi)存結構、共享磁盤結構和無共享資源結構。并行查詢處理技術：并行處理執(zhí)行計劃、并行化形式、并行操作算法及并行查詢優(yōu)化技術等。物理組織：并行數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)劃分、并行數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)復制和并行數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)重組的問題。

1.并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)利用并行計算機技術使數(shù)個、數(shù)十、甚至成千上百個廉價的計算機協(xié)同工作，實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)管理和并行查詢功能，提供一個高性能、高可靠性、高擴展性的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。2.知識庫系統(tǒng)知識庫系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫和人工智能技術結合的產(chǎn)物。知識庫系統(tǒng)的主要特點是：能夠存放和管理大量的知識，具有數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫；知識庫語言為邏輯語言；知識庫系統(tǒng)的核心為推理機構。知識庫系統(tǒng)主要用于智能決策支持系統(tǒng)（IDSS）、智能計算機輔助設計系統(tǒng)（ICAD）和專家系統(tǒng)（ES）。（1）模糊數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

事務的模糊特征和行為使用模糊數(shù)據(jù)表示，模糊數(shù)據(jù)主要用模糊集合及其隸屬度表示。模糊數(shù)據(jù)服從模糊運算規(guī)則和模糊數(shù)據(jù)約束。模糊數(shù)據(jù)庫能夠存儲和管理模糊數(shù)據(jù)和模糊聯(lián)系，支持模糊運算，保證模糊數(shù)據(jù)約束。（2）主動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠依據(jù)ECA規(guī)則，即事件(Event)-條件(Condition)-動作(Action)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫的當前狀態(tài)，主動適時地做出反應，執(zhí)行某些操作或向用戶提供有關信息。主動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系為：傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)＋事件庫（存放ECA規(guī)則）＋事件監(jiān)測器習題99.1什么是分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)？分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有哪些特點？答：將分散在各處的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過網(wǎng)絡通信技術連接起來形成的系統(tǒng)稱為分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有體系結構靈活、能適應分布式的管理和控制機構、經(jīng)濟性能好、可靠性高、可用性好、在一定條件下響應速度快以及可擴充性好等優(yōu)點。分布式數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)的物理分布性、數(shù)據(jù)的邏輯相關性、區(qū)域自治性、各個計算機之間的聯(lián)系通過信網(wǎng)絡進行的特點。9.2分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由哪些主要部分組成?答：分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員、分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫字典和網(wǎng)絡存取進程六部分組成。9.3試述分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結構。答：分布式數(shù)據(jù)庫的結構從整體上可以分為兩大部分：集中式數(shù)據(jù)庫原有的體系結構和分布式數(shù)據(jù)庫增加的結構。分布式數(shù)據(jù)庫增加的結構又可以分成4級：①全局外模式。全局外模式是全局應用的用戶視圖，是全局概念模式的子集。②全局概念模式。它定義了分布式數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)的邏輯結構。③分片模式。它定義了片段以及全局關系與片段之間的映象。④分布模式。分布模式根據(jù)數(shù)據(jù)分布策略的選擇定義片段的存放場地。9.4試述分布透明性的內(nèi)容。答：分布透明性是指用戶不必關心數(shù)據(jù)的邏輯分片，不比關心數(shù)據(jù)物理位置的分布細節(jié)以及局部場地上的數(shù)據(jù)庫的邏輯模型。分布獨立性包括：分片透明性、位置透明性和局部數(shù)據(jù)模型透明性。9.5在分布式數(shù)據(jù)庫中，什么是“數(shù)據(jù)分片”？答：在DDB中，數(shù)據(jù)存放的單位不是關系，而是片段。片段是對全局概念模式中的全局關系進行分片。9.6在分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，試解釋“適當增加數(shù)據(jù)冗余度”這個概念。為什么要適當增加數(shù)據(jù)冗余度？答：在DDBS中，希望通過冗余數(shù)據(jù)提高系統(tǒng)的可靠性、可用性和改善系統(tǒng)性能。當某一場地出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以對另一場地上相同的副本進行操作，不會因一個場地上的故障而造成整個系統(tǒng)的癱瘓。另外，系統(tǒng)可以選擇用戶最近的數(shù)據(jù)副本進行操作，以減少通信代價，改善整個系統(tǒng)的性能。9.7試述數(shù)據(jù)倉庫產(chǎn)生的背景。答：事務處理環(huán)境不適宜決策支持系統(tǒng)應用，主要原因是不能解決下列問題：①事務處理和分析處理的性能特性不同；②數(shù)據(jù)集成問題；③數(shù)據(jù)的動態(tài)集成問題；④歷史數(shù)據(jù)問題；⑤數(shù)據(jù)的綜合問題。以上種種問題表明，在事務處理環(huán)境中直接構造分析型就用是不合適的。建立在事務處理環(huán)境上的分析系統(tǒng)并不能有效地進行決策分析。要提高分析和決策的效率，就必須將分析型處理及其數(shù)據(jù)與操作型處理及其數(shù)據(jù)分離開來，必須把分析數(shù)據(jù)從事務處理環(huán)