数据管理发展的三个阶段

5.1.2　数据管理技术的发展

数据管理技术是应数据管理任务的需求而产生的。数据管理是研究如何对数据分类、组织、编码、存储、检索和维护的一门技术。数据管理经历了人工管理、文件系统管理、数据库系统等三个阶段。

1．人工管理阶段

人工管理阶段(20世纪50年代之前)，这个阶段没有专门的软件对数据进行管理。计算机主要用于科学计算，数据量小、结构简单，如高阶方程、曲线拟合等。此时没有操作系统，没有数据管理软件，数据需要由应用程序自己来管理，数据的组织、存储结构、存取方法、输入/输出等均由应用程序完全负责数据管理工作；数据无法长期保存，一组数据对应一个应用程序，数据不能共享，程序与程序之间可能存在大量的冗余；程序员在设计程序时不仅要规定数据的逻辑结构，而且要设计其物理结构，这样使程序和数据相互信赖，数据独立性差，程序中存取数据的子程序随着存储结构的改变而改变，数据与程序没有独立性。人工管理阶段操作示意图如图5-1所示。

图5-1　人工管理阶段操作示意图

2．文件系统管理阶段文件系统管理阶段(20世纪50年代末到60年代)，计算机不但用于科学计算，还用于管理。在硬件方面，磁盘、磁鼓等直接存储设备问世，为存放大量数据提供了硬环境。直接存

取设备(direct access device，DASD)具有数据无须顺序存取，由地址直接访问所需记录，有了专门管理数据的软件——文件系统等特点。在软件方面，操作系统中的文件系统实现了对数据进行存取的管理。在这个阶段，数据以文件的形式长期保留在外存中。文件系统管理阶段操作示意图如图5-2所示，文件系统对文件进行统一管理，程序员不必过多地考虑数据存储的物理细节，使程序与数据具有一定的独立性。文件是面向应用的，一般为一个应用程序所有，可以指定其他应用程序共享，但当不同应用程序具有一部分相同的数据时，则必须建立各自的数据文件，从而造成数据冗余。并且，应用程序依赖于数据的逻辑结构，一旦数据的逻辑结构改变，则必须修改文件结构的定义、应用程序。文件系统只提供打开、关闭、读/写等一些低级的文件操作，如需对文件进行查询、统计等相对复杂的操作，必须由应用程序来实现，因此程序设计复杂，使用不便。

图5-2　文件系统示意图

归纳起来，文件系统管理阶段有如下几点不足。

1)数据与程序的独立性差

文件系统的出现并没有从根本上改变数据与程序紧密结合的状况，数据的逻辑结构改变则必须修改应用程序；文件系统只是摆脱了程序员对物理设备存取的负担，它并不理解数据的语义，只负责存储；数据的语义信息只能由程序来解释，也就是说，数据收集以后怎么组织，以及数据取出来之后按什么含义应用，只有全权管理它的程序知道；一个应用若想共享另一个应用生成的数据，则必须同另一个应用沟通，了解数据的语义与组织方式。

2)数据的共享性差及冗余度大

数据面向应用，即使不同应用程序所需要的数据有部分相同，也必须建立各自的文件，而不能共享相同的数据；数据孤立，数据分散管理，许多文件、许多数据格式导致数据的不一致性；由于数据存在很多副本，给数据的修改与维护带来了困难，容易造成数据的不一致性。

3)数据查询困难

记录之间无联系，应用自己编程实现，对每个查询都重新编码。

4)数据完整性难于保证

在文件系统管理阶段，系统已具有对文件存储空间的管理；目录管理；文件读/写管理；文件保护；向用户提供操作接口等功能。

3．数据库系统阶段

数据库系统阶段(20世纪60年代以后)，数据管理的规模日趋增大，数据量急剧增加，数据关系复杂，多种应用、不同语言共享数据，共享性要求强；外存有了大容量磁盘、光盘；软件价格上升，硬件价格下降，编制和维护软件及应用程序成本相对增加，其中维护的成本更高，此时，文件系统管理已不能适应需求。于是，为了多用户、多应用共享数据的需要，数据库技术应运而生，出现统一管理数据的数据库系统。数据库系统对数据的管理方式与文件系统的不同，它把所有应用程序中使用的数据组织起来，按一定结构组织集成，由DBMS统一存取、维护数据语义及结构，在数据库管理系统的统一监督和管理下使用，多个用户、多种应用可充分共享，面向全组织，面向现实世界。数据库管理技术提供了更广泛的数据共享和更高的数据独立性，进一步减少了数据的冗余度，并为用户提供了方便的操作使用接口。以数据库为中心的数据库系统，是当代数据管理的主要方式。数据库系统阶段的示意图如图5-3所示。

图5-3　数据库系统阶段的示意图

在数据结构化的数据库系统中，数据反映了客观事物间的本质联系，而不着重于面向某个应用，是有结构的数据。这是数据库系统的主要特征之一，也是与文件系统的根本差别。文件系统只是记录的内部有结构，一个文件的记录之间是个线性序列，记录之间并无联系。

例如，学校的信息管理系统包括学生的人事管理、学籍管理、选课管理，教员的人事管理、科研管理等。其数据结构如图5-4所示。

图5-4　学校信息管理系统数据联系结构图

数据结构化的数据库系统归纳起来有如下特点。

1)数据的共享高，冗余度低，易扩充

数据面向整个系统，而不是面向某一应用，数据集中管理，数据共享，因此冗余度小；节省存储空间，减少存取时间，且可避免数据之间的不相容性和不一致性；每个应用选用数据库的一个子集，只要重新选取不同子集或者加上一小部分数据，就可以满足新的应用要求，这就是易扩充性。

2)数据独立性高

把数据库的定义和描述从应用程序中分离出去；数据描述是分级的(全局逻辑、局部逻辑、存储)；数据的存取由系统管理，用户不必考虑存取路径等细节，从而简化了应用程序。

3)数据由DBMS统一管理和控制

系统具有数据的安全性保护(security)功能。保护数据以防止不合法的使用所造成的数据泄露和破坏，其采取的技术措施是用户标识与鉴定、存取控制。数据的完整性检查(integrity)包括数据的正确性、有效性、相容性检查，其采取的技术措施是完整性约束条件定义和检查。并发控制(concurrency)具有对多用户的并发操作加以控制、协调，防止其互相干扰而得到错误的结果并使数据库完整性遭到破坏等功能，其采取的技术措施是封锁功能。数据库恢复(recovery)具有避免各种原因造成的数据破坏等功能，其采取的技术措施是做日志和备份。

狭义地讲，数据库系统是由数据库、数据库管理系统和用户构成。广义地讲，数据库系统是指采用数据库技术的计算机系统，它包括数据库、数据库管理系统、操作系统、硬件、应用程序、数据库管理员及终端用户，如图5-5所示。

图5-5　数据库系统示意图