CS08 分布式数据库和事务处理

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暇忽牙邴
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1 高级数据库系统 2010 年秋 1

2 第一章引言 2

3 目录数据库系统发展集中式系统与分布式系统关系模型与面向对象模型事务处理 3

4 数据库系统发展数据模型数据结构, 操作层次, 网状, 关系, OO, 时态, 空间, 图, 时空, 文本, 工程, 生物, 地理, 图像数据库等运行环境集中式, 分布式, 并行, Cluster, Web, 移动, 嵌入, 数据网格等主动, 实时数据库等事务处理 4

5 数据库系统发展及其相互关系示意图应用领域科学 / 统计 OIS/GIS CAD/CAM/CIM 对象关系语义层次 / 网状商业管理分布并行 AI 多媒体模糊处理移动计算相关技术数据模型 5

6 数据库系统数据库 - 可以存储长时间的信息集合数据库管理系统 - 允许用户使用专门的数据定义语言和操作语言, 支持大数据量数据的长时间存储, 并能正确控制多个用户对数据的立即存取的软件用户 - 包括 DBA, 终端用户, 应用程序员等数据模型 - 数据结构与操作构成, 语义模型逻辑模型物理模型 6

7 数据库方法优点数据共享减少数据冗余数据一致支持事务处理数据完整性数据安全性并发控制数据标准数据独立 ( 逻辑独立物理独立 ) 7

8 三级体系结构 8

9 数据模型数据模型为数据特征的抽象 : 真实描述现实世界易为人所理解便于在计算机上实现 DBMS 支持的数据模型直接支持用户对现实世界的描述, 其能力受实现模型的限制抽象方法 : 用三层模型逐步抽象 9

10 现实世界认知抽象概念模型信息世界机器世界逻辑数据模型逻辑层物理数据模型物理层 10

11 三层模型表示物理层对用户透明数据的表示 ( 存储格式 ) 数据的索引高效的操作实现一致性维护及故障处理 11

12 三层模型表示续逻辑层数据模型用户通过 DBMS 看到的现实世界传统的 DBMS 模型 : 层次, 网络, 关系模型新型的 DBMS 模型 :O O 模型, 对象关系模型等 12

13 三层模型表示续概念层直接面对用户语义表达能力强易于被用户理解独立于任何 DBMS 易于向逻辑模型转换语义模型 13

14 传统数据模型层次模型 (Hierarchical system 1960s) C.W. Bachman IDS (Integrated Data Store) 树结构模型指针导航式操作数据被多个应用共享网状模型 (Network System 1970s) CODASYL DBTG 报告图结构模型指针导航式操作 14

15 传统数据模型 - 续关系模型 (Relational system 1980s) E.F.CODD 提出二维表结构模型集合操作产品 : DB2, Ingres, Informix, SQL server, Oracle, Sybase, 等. 图灵奖 Bachman (network DB) in 1973 E.F.Codd (Relational DB) in 1981 Jim Gray (Transaction) in

16 三位获奖者 C.W.Bachman E.F.Codd Jim Gray 16

17 新的应用需求应用领域 CAD/CAM ; CASE,GIS; 知识库系统 ; 实时系统 ; 遥感信息处理系统 ; 医学影像信息处理系统等等 17

18 CAD/CAM 中的集成问题 CAD NC- 数控 CAQ File 1 File 2 File 3 无集成 18

19 CAD/CAM 中的集成问题 - 续应用 1 应用 2 DB/FS Cov 1,2 DB/FS Cov 1,3 DB/FS Cov 2,3 1 级集成应用 3 19

20 CAD/CAM 中的集成问题 - 续应用 1 应用 2 应用 3 DB/FS DB/FS DB/FS Cov 1 Cov 2 Cov 3 2 级集成 Neutral DB/FS 20

21 CAD/CAM 中的集成问题 - 续应用 1 应用 3 common DB 3 级集成应用 2 21

22 例 : 支架的 CSG(constructive solid geometry) 树 22

23 例 : 立方体 Cuboid 的边界表示 f1 f2 f3 f4 f5 f6 FACES e1 e2 e3 e4 e5 e6 EDGES v1 v2 v3 v4 v5 v6 v7 VERTICES (0,0,0) (1,0,0) COORDINATES 23

24 新领域的应用需求复杂的数据类型定义 : 抽象数据类型, 无结构超长数据类型, 时间, 版本数据类型, 图像, 图形数据类型, 特点 : 结构复杂, 难于用关系模型描述 24

25 新领域的应用需求 - 续复杂对象的存取结构 ; 对象间复杂多样的语义联系及关联查询 ; 长事务和嵌套事务的处理 ; 对象模型的演进和版本控制 ; 程序设计语言与数据库语言的无缝集成 25

26 传统数据库系统的局限性面向机器的语法数据模型 : 强调高度结构化数据抽象简单语义表示能力差 26

27 传统数据库系统的局限性 - 续直接使用的缺点数据库结构与外部结构不一致由联接构造的视图不可更新关系系统是基于值的数据类型简单, 固定简单类型 : 整形, 实型, 字串, 等等固定的类型集合, 不支持 ADT 和嵌套 27

28 传统数据库系统的局限性 - 续结构与行为完全分离不支持抽象行为描述阻抗失配 SQL 与通用编程语言的失配编程模式失配类型系统不匹配被动响应 28

29 Smith & Smith 数据抽象 Aggregation ( 聚合 ) Part-of 联系 Generalization( 泛化 ) Is-a 联系 Specialization ( 特化 ) Is-a 联系 29

30 聚合 (aggregation) 抽象举例 Bicycle 自行车 Part-of Part-of Frame 支架 Wheel 车轮 Part-of Part-of Part-of Part-of Pipe 管子 Handlbar 车把 Rim 轮圈 Spoke 轮辐 30

31 泛化 (generalization) 抽象举例车辆 is-a is-a 非机动车辆机动车辆 is-a is-a is-a is-a is-a 自行车三轮车滑板车摩托车小汽车 31

32 泛化 vs 特化泛化教职工 Is-a 学校师生员工 Is-a 学生特化 Is-a Is-a Is-a Is-a Is-a Is-a 教师职员工人博士生硕士生本科生 Is-a Is-a Is-a Is-a 教授副教授讲师助教 32

33 概念模型及其描述工具 E/R 模型 : 实体联系模型用实体描述对象属性用联系描述对象间的语义关系缺点 : 语义表达能力不够强不能描述实体的行为 33

34 概念模型及其描述工具 - 续语义对象模型 (Semantic Object Model) 定义了 7 种对象类型, 增强了对象语义表达能力可以描述聚合抽象和继承抽象描述对象间的联系和依赖关系缺点 : 不能描述对象的行为 34

35 概念模型及其描述工具 - 续基于 UML 的面向对象的模型 (Unified Modeling Language) 静态对象模型描述对象的属性, 关联, 聚合, 继承, 等等动态对象模型描述对象行为, 相互作用, 合作和变化, 等等支持概念模型与逻辑模型无缝联接 35

36 概念模型及其描述工具 - 续基于 XML 的对象模型易学, 易扩充易于快速开发软件已有多个工具可以支持结构转换问题 :XML 不是一个面向对象的语言不提供对象间的联接不支持属性内容的共享不支持继承和运算等 O O 特征 36

37 逻辑模型的发展关系模型的扩充复杂数据模型结构扩充 : 嵌套关系模型语义扩充 : 支持继承, 可以定义函数域和运算局限性 : 仍然用关键字标识元组不支持太多的关联语义不区分类和实例 NF 2 37

38 逻辑模型的发展续面向对象模型 O O 模型对象标识 OID 对象封装类和类的嵌套类和类的继承持久对象概念 38

39 逻辑模型的发展续面向对象模型的问题 : 索引与封装导航的计算与集合操作数学基础不完美多重继承的多义性共享对象与持久对象的引用副作用, 等等 39

40 逻辑模型的发展续对象关系模型在关系的基础上扩充面向对象的概念支持抽象数据类型 ( 允许定义复杂类型 ) 支持对象行为 ( 允许定义操作 ) 支持复合对象 ( 允许对象嵌套 ) 不支持继承概念 40

41 面向对象数据库面向对象方法在数据库领域中的应用面向对象数据库的主要特征与要求具有多种数据类型并能构造抽象数据类型能力具有构造复杂数据结构与模式能力具有多种数据操作能力具有模式演化能力 41

42 集中式数据库系统 P 软件 : M... 简化单个前端接口集中维护锁如果处理器故障, 则系统故障... 应用程序 SQL 查询处理器事务处理器文件访问 42

43 分布式系统计算机网络的发展带来了分布式系统分布式系统是一些独立的计算机集合, 但是对这个系统的用户来说, 系统就像一台计算机一样硬件角度单个计算机是自治的软件角度整个系统是一台计算机特点高性价比高速度高可靠高可扩展 43

44 分布式数据系统定义 : 物理上分散而逻辑上集中的数据库系统. 特点物理分布性数据不在单个 Site 上, 按全局需求将数据划分成一定的数据子集, 分散存储在各个 Site 上逻辑整体性各个 Site 上的数据子集, 相互间有严密的约束规则加以限定, 逻辑上是一个整体站点自治性各个 Site 上的数据 ( 即 LDB) 是由本地的 DBMS 管理, 具有自治处理能力 44

45 为什么需要分布式数据库举例 : 某大公司分别在 London, New York 及北京有分公司. 职工数据 : 问题 : EMP(ENO, NAME, TITLE, SALARY, ) 该职工数据表数据应该如何存储 45

46 职工数据的访问方式大多数情形, 职工数据被其服务的各分公司管理 E.g. 工资, 福利, 聘用与解聘定期地, 总公司统一地访问职工数据 E.g. 总公司修改影响所有职工的利益计划 E.g. 根据公司的全体净利润, 销售确定年终分红与公司发展计划等 46

47 London Payroll app New York Payroll app London EMP Internet New York Bei Jing Payroll app 纽约和北京的应用运行很慢! Bei Jing 47

48 London Payroll app New York Payroll app London London Emp New York NY Emp Internet Bei Jing Payroll app 较好!! Bei Jing BJ Emp 48

49 London Payroll app New York Payroll app London London Emp New York NY Emp Internet Bei Jing Payroll app 分布为并行执行提供了可能性 Bei Jing BJ Emp 49

50 London Payroll app Annual Bonus app New York Payroll app London London Emp New York NY Emp Internet Bei Jing Payroll app 故障, 降低了可用性 Bei Jing BJ Emp 50

51 London Payroll app Annual Bonus app New York Payroll app London Lon, NY Emp New York NY, BJ Emp Internet Bei Jing Payroll app 复制增加了可用性 BJ, Lon Emp Bei Jing 51

52 异构与自治应用选择新的投资证卷票据 tape RDBMS Files 52

53 分布的类型同构型 (Homogeneous) 各个 Site 上的 DB 数据模型相同, 进一步可分为同构同质型同构异质型异构型 (Heterogeneous) 各个 Site 上的 DB 数据模型不同. 53

54 分布控制的类型集中型 DDB 的全局控制信息位于一个中心 Sie 上分散型每个 Site 上包含有全局控制信息的一个 Copy 可变型 DDB 分成两组, 一组 Site 包含全局控制信息 Copy( 主 Site), 另一组不含全局 Copy( 辅 Site) 54

55 分布 DB 的研究因此, 分布式数据库是要考虑在具有多处理器并可能是自治, 异构情况下的数据管理受影响的内容有 : 数据组织查询处理存取结构并发控制恢复处理 55

56 事务处理事务模型分布事务处理协调事务执行多 DBMSs 高性能嵌套事务和长事务并发与恢复 56

57 参考教材 < 面向对象数据库系统及其应用 > 科学出版社 2003 年徐洁磐 < 面向对象数据库管理 > ALfons Kemper & Guido Moerkotte Prentice Hall 1994 清华大学出版社影印 ( 复印 ) < 分布式数据库系统及其应用 > 科学出版社 2003 年邵佩英第二版 M. Tamer Ozsu and Patrick Valduriez, Principles of Distributed Database Systems, Second Edition, Prentice Hall 清华大学出版社影印参考文献 57

58 成绩评定 ( 参考指标 ) 课后作业 (15%) ppt 中给出上机作业 (20%) 期末考试 (65%) 58

59 上机作业面向对象数据库系统的应用 Versant 系统 59

60 上机作业 Travel Reservation System Client 1 Client 2 Client n Resource Manager Flights, Hotels, Cars, Customers 60

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untitled http://idc.hust.edu.cn/~rxli/ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 2 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 3 1.1.1 Data (0005794, 601,, 1, 1948.03.26, 01) (,,,,,) 4 1.1.1 Database DB 5 1.1.1 (DBMS) DDL ( Create, Drop, Alter) DML(