2011年計(jì)算機(jī)等考四級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)工程師復(fù)習(xí)資料(6)

　　六、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)范化理論

　　函數(shù)依賴

　　定義1 設(shè)R(U)是屬性集U上的關(guān)系模式。X，Y是U的子集。若對(duì)于R(U)的任意一個(gè)可能的關(guān)系r，r中不可能存在兩個(gè)元組在X上的屬性值相等，而在Y上的屬性值不等，則稱‘X函數(shù)確定Y’或‘Y函數(shù)依賴于X’，記作X→Y。

　　函數(shù)依賴和別的數(shù)據(jù)依賴一樣是語(yǔ)義范疇的概念。只能根據(jù)語(yǔ)義來(lái)確定一個(gè)函數(shù)依賴。例如姓名→年齡這個(gè)函數(shù)依賴只有在沒(méi)有同名人的條件下成立。如果允許有相同名字，則年齡就不再函數(shù)依賴于姓名了。設(shè)計(jì)者也可以對(duì)現(xiàn)實(shí)世界作強(qiáng)制的規(guī)定。例如規(guī)定不允許同名人出現(xiàn)，因而使姓名→年齡函數(shù)依賴成立。這樣當(dāng)插入某個(gè)元組時(shí)這個(gè)元組上的屬性值必須滿足規(guī)定的函數(shù)依賴，若發(fā)現(xiàn)有同名人存在，則拒絕插入該元組。注意，函數(shù)依賴不是指關(guān)系模式R的某個(gè)或某些關(guān)系滿足的約束條件，而是指R的一切關(guān)系均要滿足的約束條件

　　七、數(shù)據(jù)庫(kù)的安全與保護(hù)

　　1.安全性

　　數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性是指保護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)以防止不合法的或非正常的使用所造成的數(shù)據(jù)泄露、更改或破壞。安全性問(wèn)題不是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)所獨(dú)有的，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都有這個(gè)問(wèn)題。只是在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)集中存放，而且為許多用戶直接共享，是十分重要的信息資源。從而使安全性問(wèn)題變得更為突出。系統(tǒng)安全保護(hù)措施是否有效是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)之一。對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的安全保密方式可以有系統(tǒng)處理的和物理的兩個(gè)方面。所謂物理的是指，對(duì)于強(qiáng)力逼迫透露口令、在通信線路上竊聽(tīng)、以至盜竊物理存儲(chǔ)設(shè)備等行為。對(duì)此所采取的措施是將數(shù)據(jù)編為密碼，加強(qiáng)警衛(wèi)以識(shí)別用戶身份和保護(hù)存儲(chǔ)設(shè)備等措施。在一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，安全措施是一級(jí)一級(jí)層層設(shè)置的。

　　(1)用戶標(biāo)識(shí)和鑒定首先，系統(tǒng)提供一定的方式讓用戶標(biāo)識(shí)自己的名字或身份。系統(tǒng)進(jìn)行核實(shí)，通過(guò)鑒定后才提供機(jī)器使用權(quán)。常用的方法有:用一個(gè)用戶名或者用戶標(biāo)識(shí)號(hào)來(lái)標(biāo)明用戶身份。系統(tǒng)鑒別此用戶是否是合法用戶。若是，則可以進(jìn)入下一步的核實(shí);若不是，則不能使用計(jì)算機(jī)。用戶名的登錄只由系統(tǒng)管理員進(jìn)行，一般用戶不能實(shí)施用戶名登錄�？诹�(Password)，為了進(jìn)一步核實(shí)用戶，系統(tǒng)常常要求用戶輸入口令。

　　(2)存取控制對(duì)于獲得上機(jī)權(quán)的用戶還要根據(jù)預(yù)先定義好的用戶權(quán)限進(jìn)行存取控制，保證用戶只能存取他有權(quán)存取的數(shù)據(jù)。所謂用戶權(quán)限是指不同的用戶對(duì)于不同的數(shù)據(jù)對(duì)象允許執(zhí)行的操作權(quán)限。它由兩部分組成，一是數(shù)據(jù)對(duì)象，二是操作類型。數(shù)據(jù)對(duì)象有二類。一類是數(shù)據(jù)本身，如關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的表、字段，非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄、字段(亦稱為數(shù)據(jù)項(xiàng))。另一類是外模式、模式、內(nèi)模式。在關(guān)系系統(tǒng)中DBA可以把建立、修改基本表的權(quán)力授予用戶，用戶獲得此權(quán)力后可以建立基本表、索引、視圖。這說(shuō)明關(guān)系系統(tǒng)中存取控制的數(shù)據(jù)對(duì)象不僅有數(shù)據(jù)而且有模式、外模式、內(nèi)模式等數(shù)據(jù)字典中的內(nèi)容。對(duì)于存取權(quán)限的定義稱為授權(quán)(Authorization)。這些定義經(jīng)過(guò)編譯后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)字典中。每當(dāng)用戶發(fā)出存取數(shù)據(jù)庫(kù)的操作請(qǐng)求后，DBMS查找數(shù)據(jù)字典，根據(jù)用戶權(quán)限進(jìn)行合法權(quán)限檢查(Authorization Check)。若用戶的操作請(qǐng)求超出了定義的權(quán)限，系統(tǒng)拒絕執(zhí)行此操作。授權(quán)編譯程序和合法權(quán)限檢查機(jī)制一起組成了安全性子系統(tǒng)。衡量授權(quán)子系統(tǒng)精巧程度的另一個(gè)盡度是否提供與數(shù)據(jù)值有關(guān)的授權(quán)。有的系統(tǒng)還允許存取謂詞中引用系統(tǒng)變量，如一天中的時(shí)刻，終端設(shè)備號(hào)。這樣用戶只能在某臺(tái)終端、某段時(shí)間內(nèi)存取有關(guān)數(shù)據(jù)，這就是與時(shí)間和地點(diǎn)有關(guān)的存取權(quán)限。另外，在操作系統(tǒng)中對(duì)文件、目標(biāo)等的存取還有一些安全保護(hù)措施。其中加密是一種防止數(shù)據(jù)內(nèi)容被別人引用或了解的切實(shí)可行的辦法。加密有程序加密和硬件加密卡兩種形式。

　　2.完整性

　　數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性是指數(shù)據(jù)的正確性和相容性。DBMS必須提供一種功能來(lái)保證數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的完整性。這種功能亦稱為完整性檢查，即系統(tǒng)用一定的機(jī)制來(lái)檢查數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是否滿足規(guī)定的條件。這種條件在數(shù)據(jù)庫(kù)中稱為完整性約束條件。數(shù)據(jù)的約束條件是語(yǔ)義的體現(xiàn)，這些完整性約束條件將作為模式的一部分存放數(shù)據(jù)字典中。數(shù)據(jù)的完整性和安全性是兩個(gè)不同的概念。前者是為了防止數(shù)據(jù)庫(kù)中存在不符合語(yǔ)義的數(shù)據(jù)，防止錯(cuò)誤信息的輸入和輸出，即所謂垃圾進(jìn)垃圾出(Garbage In Garbage Out)所造成的無(wú)效操作和錯(cuò)誤結(jié)果。而后者是保護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)防止惡意的破壞和非法的存取。當(dāng)然，完整性和安全性是密切相關(guān)的。特別從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法來(lái)看，往往是一種機(jī)制常常既可用于安全性保護(hù)亦可用于完整性保證。完整性約束條件可以分類如下:(1)值的約束和結(jié)構(gòu)的約束前者指對(duì)數(shù)據(jù)的值的限制，后者指對(duì)數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的限制。關(guān)于對(duì)數(shù)據(jù)值的約束 這類約束條件是指對(duì)數(shù)據(jù)取值類型、范圍、精度等的規(guī)定。關(guān)于數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的約束 數(shù)據(jù)庫(kù)中同一關(guān)系的不同屬性之間可以有一定的聯(lián)系，從而也應(yīng)滿足一定的約束條件。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)化的，不同的關(guān)系之間也可以有聯(lián)系，因而不同關(guān)系的屬性之間也可滿足一定的約束條件。

　　(2)靜態(tài)約束和動(dòng)態(tài)約束所謂靜態(tài)約束是指對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)每一確定狀態(tài)的數(shù)據(jù)所應(yīng)滿足的約束條件。以上所講的約束都屬靜態(tài)約束。動(dòng)態(tài)約束是指數(shù)據(jù)庫(kù)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時(shí)新、舊值之間所應(yīng)滿足的約束條件。

　　(3)立即執(zhí)行約束和延遲執(zhí)行約束立即執(zhí)行約束是指在執(zhí)行用戶事務(wù)時(shí)，對(duì)事務(wù)中某一更新語(yǔ)句執(zhí)行完后馬上對(duì)此數(shù)據(jù)所應(yīng)滿足的約束條件進(jìn)行完整性檢查。延遲執(zhí)行是指在整個(gè)事務(wù)執(zhí)行結(jié)束后方對(duì)此約束條件進(jìn)行完整性檢查，結(jié)果正確方能提交。完整性的實(shí)現(xiàn)應(yīng)包括兩個(gè)方面，一是系統(tǒng)要提供定義完整性約束條件的功能，二是提供檢查完整性約束條件的方法。對(duì)于數(shù)據(jù)值的那類完整性約束條件通常在模式中定義。例如在模式中定義屬性名、類型、長(zhǎng)度、碼屬性名并標(biāo)明其值是唯一的、非空的等等。另外的那些約束條件就要用專門的方式加以定義。

　　3.并發(fā)控制

　　數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)共享資源，可以由多個(gè)用戶使用。這些用戶程序可以一個(gè)一個(gè)地串行執(zhí)行，也可以并行執(zhí)行。在單CPU計(jì)算機(jī)上，為了充分利用數(shù)據(jù)庫(kù)資源，應(yīng)該允許多個(gè)用戶程序并行的存取數(shù)據(jù)。這樣就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)用戶程度并發(fā)地存取同一數(shù)據(jù)的情況。若對(duì)并發(fā)操作不加控制就會(huì)存取和存儲(chǔ)不正確的數(shù)據(jù)，破壞數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性(這里也稱為一致性)。在多CPU計(jì)算機(jī)或多計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，并發(fā)控制尤為重要。

　　(1)事務(wù)的概念 事務(wù)(Transaction)是并發(fā)控制的基本單位。所謂事務(wù)是一個(gè)操作序列。這些操作作為一個(gè)序列形成一個(gè)整體要么都做，要么都不做，是一個(gè)不可分割的工作單位。事務(wù)通常以BEGIN TRANSACTION開(kāi)始，以COMMIT或ROLLBACK操作結(jié)束。COMMIT即提交，提交事務(wù)中所有的操作，事務(wù)正常結(jié)束。ROLLBACK即撤消已作的所有操作，滾回到事務(wù)開(kāi)始時(shí)的狀態(tài)。這里的操作指對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的更新操作。滾回即相當(dāng)于所有操作均未執(zhí)行。事務(wù)和程序是兩個(gè)概念。一般地講，一個(gè)程序可包括多個(gè)事務(wù)，由于事務(wù)是并發(fā)控制的基本單位，所以下面的討論均以事務(wù)為對(duì)象。

　　(2)數(shù)據(jù)一致性級(jí)別的概念。所謂并發(fā)控制就是要用正確的方式調(diào)度并發(fā)操作，避免造成數(shù)據(jù)的不一致性，使一個(gè)用戶事務(wù)的執(zhí)行不受其它事務(wù)的干擾。

　　4.封鎖

　　封鎖(Locking)就是事務(wù)T可以向系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求，對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象(最常用的是記錄)加鎖。于是事務(wù)T對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象就有一定的控制。例如，其它事務(wù)不能更新此數(shù)據(jù)直到T釋放(unlock)它的鎖為止。確切的控制由封鎖的類型決定�；�本的封鎖類型有兩種:排它鎖(Exclu sive locks簡(jiǎn)記為X鎖)和共享鎖(Share locks簡(jiǎn)記為S鎖)。若事務(wù)T對(duì)數(shù)據(jù)R加上X鎖，則只允許T讀取和修改R;其它一切事務(wù)對(duì)R的任何(包括封鎖)請(qǐng)求都不成功，直至T釋放R上的X鎖為止。這就保證了其它事務(wù)不能再讀取和修改R，直到T釋放X鎖。若事務(wù)T對(duì)數(shù)據(jù)R加上S鎖，則其它事務(wù)對(duì)R的X鎖請(qǐng)求不能成功，而對(duì)R的共享請(qǐng)求可以得到。這就保證了其它事務(wù)以讀取R但不能修改R，直至T釋放S鎖為止。

　　5.可串行性

　　定義 當(dāng)且僅當(dāng)某組事務(wù)的一定交叉調(diào)度產(chǎn)生的結(jié)果和這些事務(wù)的某一串行調(diào)度的結(jié)果相同，則這個(gè)交叉調(diào)度是可串行化的�？纱�行性(Serializability)是并行事務(wù)正確性的準(zhǔn)則。這個(gè)準(zhǔn)則規(guī)定，一給定的交叉調(diào)度，當(dāng)且僅當(dāng)它是可串行化的，才認(rèn)為是正確的。

　　6.兩段鎖協(xié)議

　　兩段鎖協(xié)議規(guī)定所有的事務(wù)應(yīng)遵守下列規(guī)則:

　　(1)在對(duì)任何數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫操作之前，事務(wù)首先要獲得對(duì)該數(shù)據(jù)的封鎖，而且:

　　(2)在釋放一個(gè)封鎖之后，事務(wù)不再獲得任何其它鎖。所謂“兩段”鎖的含義是:事務(wù)分為兩個(gè)階段。第一階段是獲得封鎖，也稱為擴(kuò)展階段。第二階段是釋放封鎖，也稱為收縮階段。定理 若所有事務(wù)均遵守兩段鎖協(xié)議，則這些事務(wù)的所有交叉調(diào)度都是可串行化的(證明略)。為了確保事務(wù)并行執(zhí)行的正確性，許多系統(tǒng)采用兩段鎖協(xié)議。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)有死鎖檢測(cè)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)死鎖后按一定的算法解除死鎖。

　　7.恢復(fù)

　　盡管系統(tǒng)中采取了各種保護(hù)措施來(lái)保證數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性和完整性不被破壞，保證并行事務(wù)的正確執(zhí)行，但是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件的故障、軟件的錯(cuò)誤、操作員的失誤以及故意的破壞仍是不可避免的。這些故障輕則造成運(yùn)行事務(wù)非正常地中斷，影響數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的正確性，重則破壞數(shù)據(jù)庫(kù)，使數(shù)據(jù)庫(kù)中全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。因此數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)必須具有把數(shù)擾庫(kù)從錯(cuò)誤狀態(tài)恢復(fù)到某一已知的正確狀態(tài)(亦稱為完整狀態(tài)或一致?tīng)顟B(tài))的功能，這就是數(shù)據(jù)庫(kù)的恢復(fù)�；謴�(fù)子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，而且還相當(dāng)龐大，常常占整個(gè)系統(tǒng)代碼的10%以上(如IMS，DB2)。故障恢復(fù)是否考慮周到和行之有效，是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。大型的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用對(duì)故障恢復(fù)的要求更加強(qiáng)烈。有時(shí)甚至采用雙工制。

　　(1)故障的種類數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中可能發(fā)生各種各樣的故障，大致可以分以下幾類:①事務(wù)內(nèi)部的故障;②系統(tǒng)范圍內(nèi)的故障;③介質(zhì)故障;④計(jì)算機(jī)病毒。

　　(2)轉(zhuǎn)儲(chǔ)和恢復(fù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)是數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)中經(jīng)常采用的基本技術(shù)。所謂轉(zhuǎn)儲(chǔ)即DBA定期地將整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)復(fù)制到磁帶或另一個(gè)磁盤上保存起來(lái)的過(guò)程。這些備用的數(shù)據(jù)文本為后備副本或后援副本。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)遭到破壞后就可以利用后備副本把數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)。這時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)只能恢復(fù)到轉(zhuǎn)儲(chǔ)時(shí)的狀態(tài)，從那以后的所有更新事務(wù)必須重新運(yùn)行才能恢復(fù)到現(xiàn)時(shí)的正常狀態(tài)。轉(zhuǎn)儲(chǔ)是十分耗費(fèi)時(shí)間和資源的，不能頻繁進(jìn)行。DBA應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)使用情況確定一個(gè)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)儲(chǔ)周期。轉(zhuǎn)儲(chǔ)可分為靜態(tài)轉(zhuǎn)儲(chǔ)和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)儲(chǔ)。靜態(tài)轉(zhuǎn)儲(chǔ)是指轉(zhuǎn)儲(chǔ)期間不允許(或不存在)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行任何存取、修改活動(dòng)。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)儲(chǔ)是指轉(zhuǎn)儲(chǔ)期間允許對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存取或修改。即轉(zhuǎn)儲(chǔ)和用戶事務(wù)可以并發(fā)執(zhí)行。靜態(tài)轉(zhuǎn)儲(chǔ)簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)儲(chǔ)必須等待用戶事務(wù)結(jié)束才能進(jìn)行。同樣，新的事務(wù)必須等待轉(zhuǎn)儲(chǔ)結(jié)束才能執(zhí)行。顯然，這會(huì)降低數(shù)據(jù)庫(kù)的可用性。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)儲(chǔ)可克服靜態(tài)轉(zhuǎn)儲(chǔ)的缺點(diǎn)。但是，轉(zhuǎn)儲(chǔ)結(jié)束時(shí)后援副本上的數(shù)據(jù)并不能保證正確有效。例如，在轉(zhuǎn)儲(chǔ)期間的某時(shí)刻t 1 系統(tǒng)把數(shù)據(jù)A=100轉(zhuǎn)儲(chǔ)到了磁帶上，而在時(shí)刻t 2 ，某一事務(wù)對(duì)A進(jìn)行了修改使A=200轉(zhuǎn)儲(chǔ)結(jié)束，后援副本上的A已是過(guò)時(shí)的數(shù)據(jù)了。為此，必須把轉(zhuǎn)儲(chǔ)期間事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改活動(dòng)登記下來(lái)，建立日志文件(log file)。這樣，后援副本加上日志文件就能把數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)到某一時(shí)刻的正確狀態(tài)。轉(zhuǎn)儲(chǔ)還可以分為海量轉(zhuǎn)儲(chǔ)和增量轉(zhuǎn)儲(chǔ)。海量轉(zhuǎn)儲(chǔ)是指每次轉(zhuǎn)儲(chǔ)全部數(shù)據(jù)庫(kù)。增量轉(zhuǎn)儲(chǔ)則指每次只轉(zhuǎn)儲(chǔ)上次轉(zhuǎn)儲(chǔ)后更新過(guò)的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)庫(kù)很大，事務(wù)處理又十分頻繁，則增量轉(zhuǎn)儲(chǔ)方式是很有效的。(3)日志文件日志文件是用來(lái)記錄對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)每一次更新活動(dòng)的文件。在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)儲(chǔ)方式中必須建立日志文件，后援副本和日志文件綜合起來(lái)才能有效地恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)。在靜態(tài)轉(zhuǎn)儲(chǔ)方式中，也可以建立日志文件。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)毀壞后可重新裝放后援副本把數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)到轉(zhuǎn)儲(chǔ)結(jié)束時(shí)刻的正確狀態(tài)，然后利用日志文件，把已完成的事務(wù)進(jìn)行重做處理，對(duì)故障發(fā)生時(shí)尚未完成的事務(wù)進(jìn)行撤消處理。這樣不必重新運(yùn)行那些在轉(zhuǎn)儲(chǔ)前已完成的事務(wù)程序就可把數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)到故障前某一時(shí)刻的正確狀態(tài)。