《数据库技术原理与应用教程第2版》——3.6计算机世界与物理模型

本节书摘来自华章出版社《数据库技术原理与应用教程第2版》一书中的第3章，第3.6节，作者 徐洁磐 操凤萍 　，更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

3.6计算机世界与物理模型

计算机世界是计算机系统与相应的操作系统的总称，概念世界与信息世界所表示的概

图3-13数据库物理模型的
三个层次念、方法、数据结构及数据操纵、控制等最终均须用计算机世界所提供的手段和方法实现。计算机世界一般用物理模型表示，而物理模型主要是指计算机系统的物理存储介质（特别是磁盘组织）、操作系统的文件以及在它们之上的数据库中的数据组织的三个层次。

图3-13给出了数据库物理模型的三个层次。

3.6.1数据库的物理存储介质

与数据库有关的物理存储介质以磁盘存储器为主，共有以下三类：

1.主存储器

主存储器（main memory）又称内存或主存，它是计算机机器指令执行操作的地方。由于其存储量较小，成本高、存储时间短，因此它在数据库中仅是数据存储的辅助实体，如作为工作区（work area，数据加工区）、缓冲区（buffer area，磁盘与主存的交换区）等。

2.磁盘存储器

磁盘存储器（magneticdisk storage）又称二级存储器或次级存储器。由于它存储量较大，能长期保存又有一定的存取速度且价格合理，因此成为目前数据库真正存放数据的物理实体。

3.磁带存储器

磁带（tape）是一种顺序存取存储器，它具有极大的存储容量，价格便宜，可以脱机存放数据，因此可以用于存储磁盘或主存中的拷贝数据，它是一种辅助存储设备，也称为三级存储器。
磁盘能存储数据，但不能对它的数据直接“操作”，只有将其数据通过缓冲区放入内存才能对数据进行操作（在工作区内），

图3-14磁带、磁盘与内存的有效结合

因此磁盘与内存的有效配合构成了数据库物理结构的主要内容，再加上磁带存储器的辅助，便构成了一个数据库物理存储的完整实体，
如图3-14所示。

3.6.2磁盘存储器及其操作

1.磁盘存储器的简介

磁盘存储器是一种大容量、直接存取的外部存储设备。所谓大容量指的是其存储容量极大，大约在GB到TB之间；所谓直接存取指的是可以随机到磁盘上任何一个位置存取数据。磁盘存储器由盘片所组成的盘片组与磁盘驱动器两部分组成。其中盘片组以轴为核心不停旋转，速度为每秒120或180转不等。

2.磁盘存储器的操作

现在的数据库管理系统可以直接管理磁盘，磁盘的数据存/取单位有块和卷。
1）块（block）是内/外存交换数据的基本单位，它也称物理块或磁盘块，其大小有512字节、1024字节、2048字节等。
2）磁盘设备的一个盘组称一个卷（volume）。
在计算机所提供的磁盘设备基础上，经操作系统包装，可以提供若干原语供用户使用，如对磁盘的Get（取）、Put（存）操作是一种简单的存取操作，其中“取”操作的功能是将磁盘中的数据以块为单位取出后放入指定的内存缓冲区，而“存”操作功能则相反。

3.6.3文件系统

1.文件系统的组成

文件系统是实现数据库系统的直接物理支持。文件系统由项、记录、文件及文件集合四个层次组成。
1）项（item）。项是文件系统中最小基本单位。
2）记录（record）。记录由若干项组成，它由型与值两部分组成。
3）文件（file）。文件是记录的集合。一般来讲，一个文件所包含的记录都是同型的。每个文件都有文件名。
4）文件集（file set）。若干个文件构成了文件集。

2.文件的操作

文件一般有如下五种操作：打开文件、关闭文件、读记录、写记录、删除记录。

3.6.4数据库的物理结构

1.数据库中数据的分类

存储于数据库中的数据除了数据主体外还需要很多相应配合的信息，它们共同构成了完整的数据库数据。
1）数据主体。数据库中数据主体（main data）分为数据体及辅助体，其中数据体即存储的数据本身，如关系数据库中的数据元组分量，而辅助体就是相应的控制信息，如数据长度、相应物理地址等。
2）数据间联系的信息。数据主体内部存在着数据间的联系，需要用一定的“数据”表示，用链接或邻接方法实现，如用指针方法或层次顺序方法等实现。而在关系数据库中，数据主体的内在联系也用关系表示并且融入主体中。
3）数据存取路径信息。在关系数据库中，数据存取路径在数据查询要求时临时动态建立，它们通过索引及散列实现，而索引与散列的有关数据（如索引目录及散列的桶信息）均需存储并在数据操纵时调用。
4）数据字典。有关数据的描述作为系统信息存储于数据字典内，数据字典信息量小但使用频率高，是一种特殊的信息体。
5）日志。日志用于记录对数据库进行“更新”操作的有关信息，以便在数据库遭受破坏时进行恢复之用。此外还有用于“审计”的日志以及服务器日志等。

2.数据库存储空间组织

数据库数据存储空间由DBMS统一组织管理，它包括系统区和数据区，其中系统区有数据字典、日志信息等，而数据区则由数据主体及相应信息组成。
数据库的存储空间组织在逻辑上一般由若干分区组成。其中系统区有数据字典分区、日志分区等。数据区也有若干个分区，每个分区包括一至多个数据库表，它们只属于有关分区，不能跨分区存放。在数据分区中又自动分为数据段与索引段，其中数据段存放数据元组及相应控制信息，而索引段则存放相应索引信息。图315给出了数据库存储空间组织的逻辑结构。

本章小结

本章讨论了数据模型，它是数据管理的核心，读者学完本章后应对数据管理的本质内容有所了解。

1.数据模型基本概念

数据模型是数据管理特征的抽象。
数据模型描述数据结构、定义其上操作及约束条件。
数据模型分三个层次：概念模型、逻辑模型与物理模型。
数据模型的结构图：

2.概念模型

E R模型。

3.逻辑模型

关系模型。

4.物理模型

三个组织层次：
物理存储介质及磁盘层。
文件层。
数据库结构层。

5.概念模型、逻辑模型与物理模型

E R模型——关系模型——关系物理模型。

6.本章重点内容

模型基本概念。
ER模型与ER图。
关系模型。

习 题 3

3.1什么叫数据模型，它分为哪几种类型？
3.2试述数据模型与数据模式的区别。
3.3试述数据模型4个世界的基本内容。
3.4试介绍ER模型，并举例说明。
3.5试说明关系模型的基本结构与操作。
3.6从目前流行的RDBMS选择一些你比较熟悉的，试介绍其特点。
3.7请你画出某图书馆阅览部门的书刊、读者及借阅三者间的ER模型。其中，书刊的属性为书刊号、书刊名、出版单位，而读者的属性为读者名及读者姓名。一个读者可借阅多种书刊，而一种书刊可以被多个读者借阅。
3.8设有一个图书出版销售系统，其中的数据有：图书的书号、书名及作者姓名；出版社名称、地址及电话；书店名称、地址及其经销图书的销售数量。其中图书、出版社及书店间满足如下关系：
每种图书只能由一家出版社出版。
每种图书可由多家书店销售。
每家书店可以经销多种图书。
（1）请画出该数据库的ER图。
（2）在该ER图中必须标明联系间的函数关系。
3.9设有一个车辆管理系统，其中的数据有：
车辆号码、名称、型号。
驾驶员身份证号、姓名、地址、电话。
驾驶证号、发证单位。
其中车辆、驾驶员及驾驶证间满足如下条件：
一辆车可以由多个驾驶员驾驶。
每个驾驶员可以驾驶多辆车。
每个驾驶员可以有多个驾驶证。
每个驾驶证只能供一个驾驶员使用。
请设计该数据库的ER图，并给出联系间的函数关系。
3.10试说明数据库中有哪几种物理存储介质以及它们之间的关系。
3.11试给出文件系统组成结构以及它的操作。
3.12数据库物理结构中有哪些数据分类？请说明。
3.13在数据库的物理模型中有哪几个层次，它们间关系如何？请说明之。
3.14试说明数据模型的四个世界间的转化关系。