软考笔记--数据库的控制功能

要想数据库中的数据达到应用的要求，必须对其进行各种控制，这就是DBMS的控制功能，包括并发控制，性能优化，数据完整性和安全性，以及数据备份与恢复等问题。这些技术虽然给人们的感觉是边缘性技术，但对DBMS的应用而言，却是至关重要的。

 一．并发控制

 在多用户共享系统中，许多事务可能同时对同一数据进行操作，称为并发操作。此时，DBMS的并发控制子系统负责协调并发事务的执行，报纸数据库的完整性不受破坏，同时避免用户得到不正确的数据。

1.事务的基本概念

DBMS的基本工作单位是事务，事务的用户定义的一个数据库操作序列，这些操作序列要么不做，要么全做，是一个不可分割的逻辑工作单位，事务具有以下特色：

（1）原子性。事务的数据库的逻辑工作单位，事务的原子性保证事务包含的一组更新操作是原子不可分的。

（2）一致性。一致性是指使数据库从一个一致性状态变到另一个一致性状态。

（3）隔离性。隔离性是指一个事务的执行不能被其它事务干扰，即一个事务内部的操作及使用的数据对并发的其它事务是隔离的，并发执行的各个事务之间不能相互干扰。

（4）持久性。持久性也称为永久性，是指事务一旦提交，改变就是永久性的，无论发生何种故障，都不应该对其有任务影响。

 2.数据不一致问题

数据库的并发操作会带来一些数据不一致的问题，例如丢失修改，读脏数据和不可重复读等。

（1）丢失修改。事务A与事务从数据库中读入同一数据并修改，事务B的提交结构破坏了事务A提交的结构。

（2）读脏数据。事务A修改某一数据，并将其写回磁盘，事务B读取同一数据后，事务A由于某种原因被撤销，这时事务A已经修改过的数据恢复原值，数据B读到的数据就与数据库中的数据不一致，是不正确的数据。

（3）不可重复读。不可重复读是指事务A读取数据之后，事务B执行了更新操作，事务A使用的仍然是更新前的值，造成了数据的不一致。

 3.封锁协议

处理并发控制的主要方法是采取封锁技术，主要有两种封锁，X封锁（排他型封锁），S封锁（共享型封锁）。

在多个事务并发执行的系统中，主要采取封锁协议来进行处理，常见的封锁协议如下：

(1) 一级封锁协议。事务T在修改数据R之前必须先对其加X锁，直到事务结束才释放。一级封锁协议可防止丢失修改，并保证事务T 是可恢复的，但不能保证可重复读和不读“脏数据”。

( 2 ) 二级封锁协议。一级封锁协议加上事务T 在读取数据R 之前先对其加S 锁，读完后即可释放S 锁。二级封锁协议可防止丢失修改，还可防止读“脏数据”，但不能保证可重复读。

( 3 ) 三级封锁协议。 一 级封锁协议加上事务T 在读取数据R 之前先对其加S 锁，直到事务结束才释放。三级封锁协议可防止丢失修改、读 “脏数据”，且能保证可重复读。

( 4 ) 两段锁协议。所有事务必须分两个阶段对数据项加锁和解锁。其中扩展阶段是在对任何数据进行读、写操作之前，首先要申请并获得对该数据的封锁，收缩阶段是在释放一个封锁之后，事务不能再申请和获得任何其他封锁。若并发执行的所有事务均遵守两段封锁协议，则对这些事务的任何并发调度策略都是可串行化的。遵守两段封锁协议的事务可能发生死锁。

4 .死锁问题

采用封锁的方法虽然可以有效防lh数据的不一致性,但封锁本身也会产生一些麻烦，最主要就是死锁问题。死锁是指多个用户申请不同封锁，由于申请者均拥有一部分 封锁权，而又需等待另外用户拥有的部分封锁而引起的永无休止的等待

二.数据库性能优化

通常，对一个集中式数据库的性能进行优化，可以从硬件升级、数据库设计、检索策略和查询优化等方面入手。

1.硬盘升级

要提升数据库的运行速度，最直接的方式就是硬件升级，涉及的硬件包括处理器，内存，磁盘子系统和网络。

2.数据库设计

在数据库设计阶段，可以着手考虑性能优化问题。对数据库进行设计优化，主要从逻辑设计和物理设计两方面入手。

逻辑设计方面：

(1)将常用的计算属性（例如，总计和最大值等）存储到数据库实体中。

(2)重新定义实体，以减少外部属性数据或行数据的开支。

(3)将关系进行水平或垂直分割，以提升并行访问度。

物理设计方面：

(1)与每个属性相关的数据类型应该反映数据所需的最小存储空间，特别是对于被索引的属性更是如此。

(2)将一个频繁使用的大关系分割开，并放在两个单独的智能型磁盘控制器的数据库设备上，这样也可以提高性能。因为有多个磁头在查找，数据分离也能提高性能。

(3)将数据库中文本或图像属性的数据存放一个单独的物理设备上，也可以提高性能。如果使用专用的智能型控制器，就能进一步提高性能。

3.索引优化策略

索引是提高数据库查询速度的有效武器，而数据库查询往往又是数据库系统中最频繁的操作，因此，索引的建立与选择对数据库性能优化很重要。建立索引的原则：

(1)建立索引时，选择经常作为查询而不更新的属性。避免对一个经常被更新的属性建立索引。

(2)一个关系上的索引过多会影响更新、插入和删除的性能，所有的索引都必须跟着做相应的调整。

(3)尽量分析出每个重要查询的使用频度，找出使用最多的索引，然后可以对这些索引进行适当的优化。

(4)对于数据量小的关系不必建立索引。

4.查询优化

(1)建立物化视图或尽可能减少多表查询；

(2)以不相干的子查询替代想干子查询；

(3)只检索需要的属性；

(4)用待IN的条件子句等价替换OR子句；

(5)经常提交COMMIT尽早释放锁。

三.数据库的完整性

数据库的完整性是指数据库数据的正确性和相容性。数据库完整性由各种各样的完整性约束来保证。

1.完整性约束条件

保证数据完整的方法之一是设置完整性检查，即对数据库中的数据设置一些约束条件，这是数据的语义体现。

2.实体完整性

实体完整性要求主键中的任意属性不能为空。

3.参照完整性

若基本关系及中含有与另一基本关系S 的主键PK相对应的属性组FK(FK 称为R的外键),则参照完整性要求，对及中的每个元组在F K 上的值必须是S 中某个元组的PK 值，或者为空值。

4.用户定义的完整性

用户定义的完整性就是针对某一具体数据库的约束条件，反应某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求。

5.触发器

触发器是在关系型DBMS中应用比较多的一种完整性保护，其功能比完整性约束要强得多。

四.数据库的安全性

数据库系统的安全性在技术上依赖于两种方式，一种是DBMS本身提供的用户身份识别、视图、使用权限控制和审计等管理措施，大型DBMS均有此功能；另一种就是靠应用程序来实现对数据库访问进行控制和管理。

1.用户标识和鉴别

(1)口令验证

(2)强身份认证

(3)数据授权

当用户通过身份认证以后，并不是所有的用户都能操作所有的数据，要分不同的用户角色来区别对待。一般可以将权限角色分为三类：数据库登录权限类、资源管理权限类和DBA。

2.视图

视图可以被看成足虚拟关系或存储查询，可通过视图访问的数据不作为独特的对象存储在数据库内，数据库内存储的是select语句。

3.审计与追踪

如果身份认证是一种事前的防范措施，审计则是一种事后监督的手段，跟踪也是DBMS提供的监视用户操作的功能。

五.备份与恢复技术

需要备份与恢复技术来进一步保障数据的安全，即当数据被破坏后，在一定时间内将数据库调整到破坏前的状态。

数据库备份有多种分类方式。按备份的实现方式，可分为物理备份与逻辑备份，。

1.物理备份

物理备份又可以分为冷备份与热备份；按备份数据量情况，可分为完全备份、增量备份与差异备份。其中，完全备份是指将整个数据库中的数据进行备份，增量备份是指备份上一次备份（包括完全备份、增量备份和差异备份）后发生变化的数据，差异备份是指备份上一次完全备份后发生变化的所有数据。

2.逻辑备份

逻辑备份是指利用DBMS自带的工具软件备份和恢复数据库的内容。逻辑备份是一个非常有效的手段，既简单又方便，但现在随着数据量的越来越大，甚至高达TB级，利用逻辑备份来恢复数据库己力不从心, 速度很慢。

3.日志文件

日志文件是用来记录对数据库每一次更新活动的文件。对于任何一个事务，事务日志都有非常全面的记录，根据这些记录可以将数据文件恢复成事务前的状态。从事务动作开始，事务日志就处于记录状态，事务执行过程中对数据库的任何操作都记录在内，直到用户提交或回滚后才结束记录。

4.数据恢复

将数据库从错误状态恢复到某一个已知的正确状态的功能，称为数据库的恢复。数据恢复的基本原理就是冗余，建立冗余的方法有数据备份和登录日志文件等。可根据故障的不同类型，采用不同的恢复策略。