采用三级模式结构的数据库系统中，如果对一个表创建聚簇索引，那么改变的是数据库的()..

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第5题

知识点：三级模式簇模式结构数据库数据库系统索引

关键词：聚簇索引数据库系统数据数据库章/节：数据库系统

采用三级模式结构的数据库系统中，如果对一个表创建聚簇索引，那么改变的是数据库的()。

A. 外模式

B. 模式

C. 内模式

D. 用户模式


知识点讲解
· 三级模式 · 簇 · 模式结构 · 数据库 · 数据库系统 · 索引

三级模式

从上图可以看出，数据库系统可以分为外模式、概念模式和内模式三个层次。

（1）概念模式（模式、逻辑模式）：用以描述整个数据库中数据库的逻辑结构，描述现实世界中的实体及其性质与联系，定义记录、数据项、数据的完整性约束条件及记录之间的联系，是数据项值的框架。概念模式通常还包含有访问控制、保密定义、完整性检查等方面的内容，以及概念／物理之间的映射。概念模式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。一个数据库只有一个概念模式。

（2）外模式（子模式、用户模式）：用以描述用户看到或使用的那部分数据的逻辑结构，用户根据外模式用数据操作语句或应用程序去操作数据库中的数据。外模式主要描述组成用户视图的各个记录的组成、相互关系、数据项的特征、数据的安全性和完整性约束条件。外模式是数据库用户（包括程序员和最终用户）能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。一个数据库可以有多个外模式。一个应用程序只能使用一个外模式。

（3）内模式：是整个数据库的最低层表示，不同于物理层，它假设外存是一个无限的线性地址空间。内模式定义的是存储记录的类型、存储域的表示、存储记录的物理顺序，指引元、索引和存储路径等数据的存储组织。内模式是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。一个数据库只有一个内模式。

概念模式是数据库的中心与关键；内模式依赖于概念模式，独立于外模式和存储设备；外模式面向具体的应用，独立于内模式和存储设备；应用程序依赖于外模式，独立于概念模式和内模式。

簇

簇（cluster），有时被称为索引簇，是Oracle数据库中用于存储表的一种方法。在一个簇中，系统将多个相关的表存储在一起，以缩短用户访问相关记录的时间。只有当这些相关表经常被同时访问时，才适合使用簇。对用户和应用程序而言，簇的存在是透明的，簇只影响数据的存储方式。

在某些情况下使用簇是非常有利的，而在另外一些情况下，使用簇却可能非常不利。应当仔细考虑簇是否有助于提高系统性能。一般而言，如果集中存放的数据主要用于连接表中，那么使用簇是很好的。如果两个表存放了相关数据，并且这两个表经常被同时访问，那么通过使用簇可将相关数据预装入SGA中，从而提高用户访问数据的性能。因为开发人员经常同时使用这两个表，所以在用户访问其中一个表时，将另一个表的数据也放入SGA中，可大大缩短用户访问数据的时间。如果一般情况下开发人员不会同时使用这些信息，那么簇将不能提高系统性能，并且这种情况下，簇实际上会导致系统性能的轻微下降，其原因是额外的表信息将占据更多的SGA空间。簇的另一个不足之处在于，当用户执行insert语句时将降低系统性能。引起性能下降的原因是簇在使用存储空间上采用的方法更加复杂，并且系统需要将多个表存储在同一个数据块中。簇表比单个表占用了更多的存储空间，这将导致系统扫描更多的数据。另外如果系统经常对这些表中的某一个表作全表扫描，那么不应当为这些表创建簇。因为如果创建了簇，那么额外数据将占用SGA的部分空间并导致额外的I/O操作，这两方面的原因都会降低系统性能。

模式结构

数据库系统采用三级模式结构，这是数据库管理系统内部的系统结构。

（1）概念模式（Schema）。也称模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它由若干个概念记录类型组成，只涉及行的描述，不涉及具体的值。概念模式的一个具体值称为模式的一个实例，同一个模式可以有很多实例。

（2）外模式（External Schema）。也称用户模式或子模式，是用户与数据库系统的接口，是用户用到的那部分数据的描述，由若干个外部记录类型组成。描述外模式的数据定义语言称为外模式DDL。

（3）内模式（Internal Schema）。也称存储模式，是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式，定义所有的内部记录类型、索引和文件的组织方式以及数据控制方面的细节。描述内模式的数据定义语言称为内模式DDL。

数据库

数据库（DataBase，DB）是指长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和存储，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。

系统使用的所有数据存储在一个或几个数据库中。

数据库系统

简单地说，数据库系统就是基于数据库的计算机应用系统。这样一个系统包括以下内容。

①以数据为主体的数据库。

②管理数据库的系统（DBMS）。

③支持数据库系统的计算机硬件环境和操作系统环境。

④管理和使用数据库系统的人——数据库管理员。

1）数据库的定义和特征

数据库，顾名思义就是存放数据的仓库，这种想当然的理解是不准确的。数据库对应的英文单词是DataBase，如果直译则是数据基地；而数据仓库则另有其词DataWarehouse。所以数据库和数据仓库不是同义词，数据仓库是在数据库技术的基础上发展起来的又一新的应用领域。

数据库技术发展到今天已经是一门成熟的技术，但却没有一个被普遍接受的、严格的定义。数据库是相互关联数据的集合，这是大家公认的数据库的基本特征之一。下面一段话概括了数据库应该具备的一些特征，也可以把它作为数据库的定义。

数据库是相互关联数据的集合，它用综合的方法组织数据，具有较小的数据冗余，可供多个用户共享，具有较高的数据独立性，具有安全控制机制，能够保证数据的安全、可靠，允许并发地使用数据库，能有效、及时地处理数据，并能保证数据的一致性和完整性。

（1）相互关联的数据集合。数据库中的数据不是孤立的，数据与数据之间是相互关联的。也就是说，在数据库中不仅要能够表示数据本身，还要能够表示数据与数据之间的联系。比如在学籍管理中，有学生和课程两类数据，在数据库中除了要存放这两类数据之外，还要存放哪些学生选修了哪些课程或哪些课程由哪些学生选修这样的信息，这就反映了学生数据和课程数据之间的联系。

（2）用综合的方法组织数据。数据库能够根据不同的需要按不同的方法组织数据，如可以用顺序组织方法、索引组织方法、聚集（Cluster）组织方法等。

（3）低冗余与数据共享。由于在数据库技术之前，数据文件都是独立的，所以任何数据文件都必须含有满足某应用的全部数据。比如，人事部门有一个职工文件，教育部门也有一个职工文件，两个部门的职工文件中都有"职工基本情况"的数据，也就是说这一部分数据是重复存储的，如果还有第三、第四个部门也有类似的职工文件，那么重复存储所造成的空间浪费是很大的。在数据库中，可以共享类似"职工基本情况"这样的共用数据，从而降低数据的冗余度。

（4）数据具有较高的独立性。数据独立性是指数据的组织和存储方式与应用程序互不依赖、彼此独立的特性。在数据库技术之前，数据文件的组织方式和应用程序是密切相关的，当改变数据结构时，相应的应用程序也必须随之修改，这样就大大增加了应用程序的开发代价和维护代价。而数据库技术却可以使数据的组织和存储方法与应用程序互不依赖，从而大大降低应用程序的开发代价和维护代价。

（5）保证数据的安全、可靠。数据库技术要能够保证数据库中的数据是安全、可靠的。数据库要有一套安全机制，以便可以有效地防止数据库中的数据被非法使用或非法修改；数据库还要有一套完整的备份和恢复机制，以便保证当数据遭到破坏时（软件或硬件故障引起的），能立刻将数据完全恢复，从而保证系统能够连续、可靠地运行。

（6）最大限度地保证数据的正确性。保证数据正确的特性在数据库中称为数据完整性。在数据库中可以通过建立一些约束条件保证数据库中的数据是正确的。比如输入年龄小于0或者大于200时，数据库能够主动拒绝这类错误。

（7）数据可以并发使用并能同时保证数据的一致性。数据库中的数据是共享的，并且允许多个用户同时使用同一数据，这就要求数据库能够协调一致，保证各个用户之间对数据的操作不发生矛盾和冲突，即在多个用户同时使用数据库的情况下，能够保证数据的一致性和正确性。

2）数据库管理系统

数据库的各种功能和特性，并不是数据库中的数据所固有的，而是靠管理或支持数据库的系统软件——数据库管理系统（DataBase Management System, DBMS）提供的。一个完备的数据库管理系统应该具备上一节提到的各种功能，其任务就是对数据资源进行管理，并且使之能为多个用户共享，同时还能保证数据的安全性、可靠性、完整性、一致性，并要保证数据的高度独立性。一个数据库管理系统应该具备以下功能。

（1）数据库定义功能。可以定义数据库的结构和数据库的存储结构，可以定义数据库中数据之间的联系，可以定义数据的完整性约束条件和保证完整性的触发机制等。

（2）数据库操纵功能。可以完成对数据库中数据的操纵，可以装入、删除、修改数据，可以重新组织数据库的存储结构，可以完成数据库的备份和恢复等操作。

（3）数据库查询功能。可以以各种方式提供灵活的查询功能，可以使用户方便地使用数据库中的数据。

（4）数据库控制功能。可以完成对数据库的安全性控制、完整性控制、多用户环境下的并发控制等各方面的控制。

（5）数据库通信功能。在分布式数据库或提供网络操作功能的数据库中还必须提供数据库的通信功能。

3）数据库管理员

从事数据库管理工作的人员称为数据库管理员（DataBase Administrator, DBA）。DBA有大量的工作要做，既有技术方面的工作，又有管理方面的工作，要参加数据库开发和使用的全部工作。总体来说，DBA的工作可以概括如下。

（1）在数据库规划阶段要参与选择和评价与数据库有关的计算机软件和硬件，要与数据库用户共同确定数据库系统的目标和数据库应用需求，要确定数据库的开发计划。

（2）在数据库设计阶段要负责数据库标准的制定和共用数据字典的研制，要负责各级数据库模式的设计，要负责数据库安全、可靠方面的设计。

（3）在数据库运行阶段首先要负责对用户进行数据库方面的培训；要负责数据库的转储和恢复；要负责对数据库中的数据进行维护；要负责监视数据库的性能，并调整、改善数据库的性能，提高系统的效率；要继续负责数据库安全系统的管理；要在运行过程中发现问题、解决问题。

4）数据库的发展

数据库的核心任务是数据管理，它包括数据的分类、组织、编码、存储、检索和维护等。数据管理经历了以下3个阶段。

（1）人工管理阶段。人工管理阶段是指计算机诞生的初期（20世纪50年代中期以前）。这个时期的计算机技术，从硬件看还没有磁盘这样的可直接存取的存储设备，从软件看没有操作系统，更没有管理数据的软件。这个时期数据管理的特点如下。

①数据不保存。因为计算机主要用于科学计算，一般也不需要长期保存数据，只是在完成某一个计算或课题时才将数据输入，然后不仅原始数据不保存，计算结果也不保存。

②没有文件的概念。这个时期的数据组织必须由每个程序的程序员自行组织和安排。

③一组数据对应一个程序。每组数据只对应一个应用，即使两个程序用到相同的数据，也必须各自定义、各自组织，数据无法共享、无法相互利用和互相参照。因此，程序和程序之间有大量的数据重复。

④没有形成完整的数据管理的概念。由于以上几个特点及没有对数据进行管理的软件系统，所以这个时期的每个程序都要包括数据存取方法、输入输出方法和数据组织方法等。因为程序是直接面向存储结构的，所以存储结构的任何一点修改，都会导致程序的修改，程序与数据不具有独立性。

（2）文件系统阶段。文件系统阶段是指20世纪50年代后期到60年代中期这一阶段。从那时起，计算机不仅大量用于科学计算，也开始大量用于信息管理。像磁盘这样的直接存取存储设备也已经出现，在软件方面也有了操作系统和高级语言，还有了专门用于数据管理的软件，即文件系统（或操作系统的文件管理部分）。这个阶段的数据管理具有以下特点。

①数据可以长期保存在磁盘上，也可以反复使用，即可以经常对文件进行查询、修改、插入和删除等操作。

②操作系统提供了文件管理功能和访问文件的存取方法，程序和数据之间有了数据存取的接口，程序开始通过文件名和数据打交道，可以不再关心数据的物理存放位置。因此，这时也有了数据的物理结构和数据的逻辑结构的区别。程序和数据之间有了一定的独立性。

③文件的形式已经多样化。由于有了磁盘这样的直接存取存储设备，文件也就不再局限于顺序文件，也有了索引文件、链表文件等。因而，对文件的访问可以是顺序访问，也可以是直接访问。但文件之间是独立的，它们之间的联系要通过程序去构造，文件的共享性还比较差。

④有了存储文件以后，数据就不再仅仅属于某个特定的程序，而是可以由多个程序反复使用。但文件结构的设计仍然是基于特定的用途，程序仍然是基于特定的物理结构和存取方法编制的。因此，数据的存储结构和程序之间的依赖关系并未根本改变。

⑤数据的存取基本上以记录为单位。

（3）数据库系统阶段。数据库系统阶段从20世纪60年代后期开始，数据库技术的诞生既有计算机技术的发展做依托，又有数据管理的需求做动力。数据库的数据不再是面向某个应用或某个程序，而是面向整个企业（组织）或整个应用。

索引

在数据库系统中，索引是一种可选结构，其目的是提高数据访问速度。利用索引可提高用户访问数据的速度，或直接从索引中独立检索数据。如果对索引的配置和使用进行了优化，那么索引能大大降低数据文件的I/O操作并提高系统性能。

但是在为一个表创建索引之后，Oracle将自动维护这个索引。当用户在表中插入、更新或删除记录时，系统将自动更新与该表相关的索引。一个表可以有任意数量的索引，但一个表的索引越多，用户在该表中插入、更新或删除记录时所造成的系统开销也越大。其原因是无论何时更新表，系统都必须更新与之相关的索引。

索引是建立在表的一个或多个字段之上的。索引的作用大小取决于该字段或字段集的选择性。所谓选择性，是指索引能降低数据集中的程度。如果表中与某个索引相关的字段值各不相同，那么该索引就有很好的选择性。一个选择性很差的索引的例子，是基于字段值仅为true/false的字段创建的索引，因为表中很多记录该字段的字段值都相同。一个索引可能只能帮助管理员降低检索的记录数，而不能惟一地确定一条记录。例如：如果为一个表的LastName字段创建了一个索引，现在用户需要搜索John Smith，那么这个索引将返回LastName字段值为Smith的所有记录，因而用户还不得不在返回的记录中搜索含John的记录。索引的选择性越好，就越有助于降低返回记录的数量，从而提高数据访问速度。下面介绍有效创建和使用索引的技巧和方法。

. 索引和降低系统处理的数据量。

索引的主要作用之一就是降低系统处理的数据量。对CPU使用和等待完成I/O操作的时间上，I/O操作引起的系统开销都是非常昂贵的。降低I/O操作可提高系统性能和处理能力。如果不使用索引，那么为了找到特定的数据，系统将不得不扫描表中的所有数据。

例如如下查询语句：

如果不使用索引，系统必须扫描整个emp表并检查表中每条记录的employee_id字段的值。如果emp表很大，那么这个操作可能意味着数量巨大的I/O读写和很长的处理时间。

如果为emp表的employee_id字段创建了索引，那么系统将遍历该索引并找到用户所查询记录的ID。找到记录ID之后，只需一条额外的I/O操作就能检索到用户所需的数据。

用于说明这个问题的最好例子，是只需查找一条记录的情况。在表的每条记录中，类似employee_id这样的字段的值可能在整个表中都是惟一的。这意味着查询结果值返回一条记录，这种查询的效率是非常高的。

在某些情况下，索引必须返回大量数据。如下面的例子：

这个查询语句很可能返回大量数据，因为索引操作返回了大量记录的ID，并且系统必须独立访问这些记录的ID，所以这种情况下，不使用索引可能比使用索引的效率更高，直接进行表扫描可能效率更高。不同情况下，采用哪种查寻方法更好，很大程度上取决于表的数据量和组织形式。

对于不同的数据，在某些情况下位图索引可能非常有用，而在另外一些情况下，使用位图索引可能没有任何好处。

. 索引和更新。

如果对表创建了索引，那么更新、插入和删除表中的记录都将导致额外的系统开销。在系统提交这些操作之前，系统将会更新所有与该表相关的索引。这可能需要花费很长时间，并额外增加一定的系统开销。

. 在字段选择性很低的情况下适用索引。

在某些情况下，表中的某些字段的选择性可能很低。开发人员没必要为所有表创建索引，实事上，在某些情况下索引引起的问题比解决的问题更多。在很多情况下，需要反复试验，才能确定一个索引是否有助于提高系统性能。

但是，位图索引能在字段选择性不高的情况下工作得很好。一个位图索引可以和其他位图索引联合使用，以降低系统检索的数据集。对于某些值为true/false、yes/no或其他小范围数据的字段，建立位图索引是非常合适的。请记住：位图索引所占用的空间，是随着与该索引相关的字段的不同值的数量的增加而增加的。

如果决定创建一个索引，那么确定为哪些字段创建索引是非常重要的。对于不同的表，可能会选择一个或多个字段创建索引。可使用如下方法来确定在哪些字段上创建索引：

①选择那些最常出现在where子句中的字段。经常被访问的字段最可能受益于索引。

②经常用于连接表的字段是创建索引的必然候选字段。

③必须注意索引导致的查询语句性能的提高与更新数据时性能的降低之间的平衡。

④经常被修改的字段不适合创建索引，其原因是，更新索引将增加系统开销。

在某些情况下，使用复合索引的效率可能比使用简单索引的效率更高。下面的一些例子说明了应当在何种情况下使用复合索引。

①某两个字段单独来看都不具有惟一性，但结合在一起却有惟一性，那么这种情况下，复合索引将工作得很好。例如：A字段和B字段都几乎没有惟一性值，但绝大多数情况下，字段A和B的某个特定组合却具有惟一性特点。那么在检索数据时，可在where子句重视and操作符来将这两个字段连接在一起。

②如果select语句中的所有值都位于复合索引中，那么Oracle将不会检索表，而直接从索引中返回数据。

③如果多个查询语句的where子句中作为查询条件的字段都不相同，但返回的记录相同，那么应当考虑利用这些字段创建一个复合索引。

在创建索引之后，开发人员应当定期利用SQL TRACE工具或EXPLAIN PLAN来察看用户查询是否充分利用了索引。很有必要花费一定精力来试验使用索引和未使用索引在效率上的差别，以判断索引所耗费资源是否物有所值。

应该删除那些不经常使用的索引。可使用alter index monitoring usage语句来跟踪索引的使用情况。还可以从系统表all_indexes、user_indexes和dba_indexes中查询用户访问索引的频率。

如果为一个不适合创建索引的字段或表创建了索引，那么这可能会导致系统能力的下降。而如果创建的索引合理，那么这将降低系统的I/O操作并加快访问速度，从而大大提高系统性能。

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