5154-数据库系统底层究竟是如何实现查询与数据持久化的？

数据库系统是一个极其复杂且精密的软件工程产物，它的核心任务是在硬件之上构建一个高效、可靠、便捷的数据管理环境，它的“制作”过程并非单一行为，而是多个层次、多个模块协同工作的结果,我们可以从架构设计和功能实现两个维度来理解它是如何被构建起来的。

数据库系统底层究竟是如何实现查询与数据持久化的？

核心架构：三级模式与两级映射

现代数据库系统的理论基础是著名的三级模式结构，它通过抽象和隔离,实现了数据独立性的核心目标。

这是一个从上到下、从用户到物理的抽象层次。

外模式：也称为用户模式或子模式，它是数据库用户（包括应用程序员）能够看到和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，一个数据库可以有多个外模式，对应不同用户的需求，人事部门的用户视图只关心员工的姓名、职位和薪资，而不会看到库存信息，外模式保证了数据的安全性,用户只能访问其权限范围内的数据。
概念模式：也称为模式或逻辑模式，它是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图，它定义了数据实体、属性、实体之间的关系以及完整性约束，一个完整的“学生管理系统”的概念模式会包含学生表、课程表、选课表，以及它们之间的关联关系,概念模式是数据库的中心和关键。
内模式：也称为存储模式或物理模式，它是对数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的组织方式，记录的存储方式是定长还是变长，索引的组织方式是B+树还是哈希，数据是否压缩存储，数据在磁盘上如何存放（如堆文件或有序文件）等,内模式是数据库最底层的抽象。

这三级模式之间的关系可以用一个表格来清晰地展示：

为了在三级模式之间实现转换和隔离,数据库系统提供了两级映射：

外模式/模式映射：它定义了某个外模式与概念模式之间的对应关系，当概念模式发生改变时（例如增加新属性或关系），数据库管理员可以只修改这个映射，而无需修改基于该外模式的应用程序，从而保证了数据的逻辑独立性。
模式/内模式映射：它定义了概念模式与内模式之间的对应关系，当数据库的存储结构发生变化时（例如更换了存储设备或改变了索引策略），DBA只需修改这个映射，而概念模式和所有外模式都可以保持不变，从而保证了数据的物理独立性。

基于上述架构，一个数据库系统通过两大核心模块来实现其功能：查询处理器和存储管理器。

查询处理器是数据库系统的“大脑”，负责处理用户提交的请求（主要是SQL语句）,其工作流程如下：

解析与翻译：对SQL语句进行词法分析和语法分析，检查其语法是否正确，将其翻译成一个内部表示形式,通常是关系代数表达式。
优化：这是查询处理器中最关键也最复杂的部分，一个查询通常有多种执行方式（是先做选择再做连接，还是反过来），优化器的任务就是估算各种执行计划的成本（如I/O次数、CPU占用），并选择成本最低的一个作为最终执行方案,好的优化器是高性能数据库的基石。
执行：执行引擎根据优化器选择的执行计划，调用存储管理器提供的接口，实际访问数据并完成查询操作,最终将结果返回给用户。

存储管理器是数据库系统的“管家”，负责管理底层的物理存储和数据处理,它包含多个重要组件：

事务管理器：确保数据库的ACID特性（原子性、一致性、隔离性、持久性），它通过并发控制机制（如锁或多版本并发控制MVCC）来处理多个用户同时访问数据的问题,通过日志和恢复机制来保证在系统发生故障后数据不丢失。
文件管理器：负责管理磁盘空间，为数据分配和回收存储空间,维护数据文件的目录结构。
缓冲区管理器：这是性能的关键，由于磁盘I/O速度远慢于内存，缓冲区管理器负责在内存和磁盘之间调度数据页，它将频繁访问的数据页缓存在内存中，从而大大减少磁盘I/O次数,提升系统整体性能。
权限与完整性管理器：检查用户的访问权限，并确保数据满足预先定义的完整性约束（如主键唯一、外键参照、数据类型等）。

一个数据库系统的“制作”，是建立在坚实的理论架构之上，通过精密设计的查询处理器和存储管理器协同工作，最终为用户屏蔽了底层物理细节，提供一个安全、高效、易于使用的数据管理平台，每一个环节都凝聚了计算机科学在算法、操作系统、文件系统和并发理论等方面的智慧结晶。