3.3 SQL Server 2019的体系结构和文件

3.3.1 SQL Server 2019的体系结构

1.客户机/服务器体系结构

SQL Server 2019的客户机/服务器（C/S）体系结构主要体现在：由客户机负责与用户的交互和数据显示，服务器负责数据的存取、调用和管理，客户机向服务器发出各种操作请求（语句命令或界面菜单操作指令），服务器验证权限后根据用户请求处理数据，并将结果返回客户机，如图3-1所示。

2.数据库的三级模式结构

SQL Server 2019支持数据库共有的三级模式结构，其中外模式对应视图，模式对应基本表，内模式对应存储文件，如图3-2所示。

图3-1 SQL客户机/服务器结构

图3-2 SQL的三级模式结构

（1）基本表

基本表（Base Table）也称基表，是实际存储在数据库中的数据表，是独立存在的，并非由其他表导出的表。一个基本表对应一个实际存在的关系。关系模型中的数据（记录）为基本表的行，属性为列。

（2）视图

视图（View）是查看数据的一种方式，是从表或其他视图导出的数据并按需要做成的虚表（如网页中的图书，只是其局部信息），视图只在刚刚打开的一瞬间，通过定义从对应的基表中搜集并调用数据，展现给用户的是数据库外模式（可见的部分数据形式）。用户可以通过视图（如网页）调用数据库中对应基本表的数据。视图以一种逻辑定义形式保存在数据字典中。当基本表中的数据发生变化时，从视图中查询的数据也将相应改变。在第5章将对视图进行具体介绍。

视图和基本表的主要区别如下。

1）视图是已经编译好的SQL语句，而基本表不是。

2）视图没有实际的物理记录，而基本表有具体数据（记录）。

3）基本表是具体的数据结构及内容，视图是可见的窗口。

4）基本表占用物理（存储）空间而视图不占用，视图只以逻辑概念（定义）存在；基本表可以及时进行修改，视图只能用创建的语句修改。

5）基本表是内模式（存储在计算机中），视图是外模式。

6）视图是查看数据表的一种方法，可以查询数据表中某些字段构成的数据，只是一些SQL语句的集合。从安全的角度来说，视图可以避免用户接触数据表，从而不知道表结构。

7）基本表属于全局模式中的表（结构及数据），是实表；视图属于局部模式的表（部分数据），是虚表。

8）视图的建立和删除只影响视图本身，不影响对应的基本表。

（3）存储文件

存储文件是数据库内模式（内部存储方式及逻辑结构）的基本单位，其逻辑结构构成了关系数据库的内模式。物理结构（如存取路径及索引）可由需要而定。存储文件的存储结构对用户很明确，各存储文件与外存设备上的物理文件对应。基本表和存储文件的关系如下。

1）每个基本表可以对应一个或几个存储文件（如索引文件）。

2）每个存储文件可以存放一个或几个基本表。

3）每个基本表可以有多个索引，索引存放在存储文件中。

（4）SQL用户

SQL用户主要是指利用终端对数据库系统及应用程序进行操作的操作者，包括终端用户、数据库管理员和数据库应用程序员。通常，各种用户可以利用SQL依其具体使用权限，通过网络应用系统的界面对视图和基本表进行业务数据的操作，如网上购物和网银操作等。

3.SQL Server 2019的体系结构

SQL Server具有大规模处理联机事务、数据仓库和商业智能等许多强大功能，这与其内部完善的体系结构是密切相关的。SQL Server 2019主要包括数据库引擎（Database Engine）、分析服务（Analysis Services）、集成服务（Integration Services）、报表服务（Reporting Services）以及主数据服务（Master Data Services）等组件，各组件的组成结构如图3-3所示。SQL Server2019主要组件之间的关系如图3-4所示。

图3-3 SQL Server的组成结构

图3-4 SQL Server各组件间的关系

用于操作、管理和控制的数据库引擎是整个系统的主要核心，其他所有组件都与其有着密不可分的联系。SQL Server数据库引擎有4大组件：协议（Protocol）、查询引擎（Query Compilation and Execution Engine）、存储引擎（Storage Engine）和SQLOS（User Mode Operating System）。各客户端提交的操作指令都与这4个组件交互。

（1）服务器组件

使用SQL Server 2019安装向导的“功能选择”页面，可以选择安装SQL Server服务器组件。表3-3列出了SQL Server 2019的主要服务器组件。

表3-3 SQL Server 2019服务器组件

（2）管理工具

在实际应用中，经常使用的SQL Server 2019的主要管理工具，如表3-4所示。

表3-4 SQL Server 2019主要管理工具

4.数据库存储结构及文件种类

（1）数据库的存储结构

数据库的存储结构包括两种：数据库的逻辑结构和物理结构。

1）数据库的逻辑结构。表示数据库中各数据之间的逻辑关系，数据库由多个用户界面可视对象构成，主要包括数据库对象，如数据表、视图、约束、规则、默认和索引等。

2）数据库的物理结构。数据库中数据的存储方式和方法（存储如路径及索引方式），主要描述数据存储的实际位置，对应一系列的物理文件，一个数据库及由一个或多个文件组成。

（2）数据库文件

常用的数据库文件主要有3种，包括主数据文件、次要数据文件和事务日志文件。

1）主数据文件。数据库的起点，指向数据库中文件的其他部分，记录数据库所拥有的文件指针。每个数据库有且只有一个主数据文件，默认扩展名为.mdf。

2）次要数据文件。也称为辅助数据文件，包含除主数据文件外的所有数据文件。有些数据库可能无次要数据文件，而有些数据库可能有多个，不是数据库必需的文件，默认扩展名是.ndf。

3）事务日志文件。简称日志文件，是包含用于恢复数据库所需的所有操作日志信息的文件。每个数据库必须至少有一个日志文件，默认扩展名是.ldf。

使用这些扩展名有助于标识文件的用途，但SQL Server不强制使用.mdf、.ndf和.ldf作为文件扩展名。一个数据库文件组织的案例如图3-5所示。

图3-5 数据库文件组织案例

（3）数据库文件组

为了便于管理和分配数据，SQL Server将多个数据库文件组成一个组。数据库文件组是数据文件的逻辑组合。主要包括以下3类。

1）主文件组。包含主数据文件和未指明组的其他文件。如在创建数据库时，未指定其他数据文件所属的文件组。数据库的所有系统表都被分配到（包含在）主文件组中。当主文件组的存储空间用完之后，将无法向系统表中添加新的目录信息，一个数据库有一个主文件组。

2）次文件组：也称用户自定义文件组，是用户首次创建或修改数据库时自定义的，其目的在于数据分配，以提高数据表的读写效率。

3）默认文件组。各数据库都有一个被指定的默认文件组。若在数据库中创建对象时没指定其所属的文件组，则将被分配给默认文件组。

数据库文件和文件组遵循的规则：一个文件或文件组只能被一个数据库使用；一个文件只能属于一个文件组；日志文件不能属于任何文件组。

注意：为了提高使用效率，使用数据文件和文件组时应注意以下几点。

1）在创建数据库时，需要考虑数据文件可能会出现自动增长的情况，应当设置上限，以免占满磁盘。

2）主文件组可以容纳各系统表。当容量不足时，后更新的数据可能无法添加到系统表中，数据库也可能无法进行追加或修改等操作。

3）建议将频繁查询或频繁修改的文件分放在不同的文件组中。

4）将索引、大型的文本文件、图像文件放到专门的文件组中。

3.3.2 SQL Server数据库的种类及文件

1.SQL Server数据库种类和特点

数据库对象是指数据库中的数据在逻辑上被组成一系列对象（数据库的组成部分），当一个用户连接到数据库后，所看到的是逻辑对象，而不是物理的数据库文件。如在“对象资源管理器”中可以查看的（数据）表、索引、视图等。

SQL Server 2019数据库对象的类型如图3-6所示。

图3-6 SQL Server 2019 数据库对象的类型

数据库是存放各种对象（表、视图、约束、规则、索引等）的逻辑实体。逻辑上表现（界面中看到的）为数据库对象，物理上表现为数据库文件（主数据文件、次要数据文件或事务日志文件）。

在SQL Server实例中，数据库被分为3大类：系统数据库、用户数据库和示例数据库。

（1）系统数据库

系统数据库是指随着安装程序一起安装，用于协助SQL Server 2019系统共同完成管理操作的数据库，它们是SQL Server 2019运行的基础。系统数据库存储有关SQL Server的系统信息，它们是SQL Server 2019管理数据库的依据。如果系统数据库遭到破坏，SQL Server 2019将不能正常启动。

SQL Server 2019在安装时将创建5个系统数据库：master数据库、model数据库、msdb数据库、resource数据库和tempdb数据库。这些数据库各司其职，各种数据库的作用如表3-5所示。

表3-5 SQL Server 2019的系统数据库

1）master数据库。记录SQL Server系统的所有系统级信息。这包括实例范围的元数据（如登录账户）、端点、链接服务器和系统配置设置。在SQL Server中，系统对象不再存储在master数据库中，而是存储在resource数据库中。此外，master数据库还记录了所有其他数据库的存在、数据库文件的位置以及SQL Server的初始化信息。因此，如果SQL Server master数据库不可用，则无法启动。

2）model数据库。用于在SQL Server实例上创建的所有数据库的模板。因为SQL Server每次启动时都会创建tempdb数据库；model数据库的全部内容（包括数据库选项）都会被复制到新的数据库中；启动期间，也可使用model数据库的某些设置创建新的tempdb；因此model数据库必须始终存在于SQL Server系统中。

3）msdb数据库。代理使用msdb数据库来计划警报和作业，SQL Server Management Studio、Service Broker和数据库邮件等其他功能也要使用该数据库。

例如，SQL Server在msdb中的表中自动保留一份完整的联机备份和还原历史记录。这些信息包括执行备份一方的名称、备份时间和用来存储备份的设备或文件。SQL Server Management Studio使用这些信息来提出计划，还原数据库和应用任何事务日志备份。msdb数据库将会记录有关所有数据库的备份事件，即使它们是由自定义应用程序或第三方工具创建的。例如，如果使用调用SQL Server管理对象（SMO）的Microsoft Visual Basic应用程序执行备份操作，则事件将记录在msdb系统表、Microsoft Windows应用程序日志和SQL Server错误日志中。为了保护存储在msdb中的信息，建议将msdb事务日志放在容错存储区中。

4）resource数据库。resource数据库为只读数据库，它包含了SQL Server中的所有系统对象。SQL Server系统对象（如sys.objects）在物理上保留在resource数据库中，但在逻辑上却显示在每个数据库的sys架构中。resource数据库不包含用户数据或用户元数据。

resource数据库的物理文件名为mssqlsystemresource.mdf和mssqlsystemresource.ldf。这些文件位于<drive>：\Program Files\Microsoft SQL Server\MSSQL<version>.<instance_name>\MSSQL\Binn\，不应移动。每个SQL Server实例都具有一个（也是唯一的一个）关联的mssqlsystemre-source.mdf文件，并且实例间不共享此文件。

5）tempdb数据库。tempdb数据库是一个全局资源，可供连接到SQL Server实例或SQL数据库的所有用户使用。tempdb用于保留：①显式创建的临时用户对象。例如，全局或局部临时表及索引、临时存储过程、表变量、表值函数返回的表或游标。②由数据库引擎创建的内部对象。其中包括用于储存假脱机、游标、排序和临时大型对象（LOB）存储的中间结果的工作表；用于哈希连接或哈希聚合操作的工作文件；用于创建或重新生成索引等操作（如果指定了SORT_IN_TEMPDB）的中间排序结果，或者某些GROUP BY、ORDER BY或UNION查询的中间排序结果。③版本存储区，即数据页的集合，它包含支持使用行版本控制功能所需的数据行。

tempdb中的操作是最小日志记录操作，以便回滚事务。每次启动时都会重新创建tempdb数据库，从而在系统启动时总是具有一个干净的数据库副本。在断开连接时会自动删除临时表和存储过程，并且在系统关闭后没有活动连接。因此tempdb中不会有什么内容从一个SQL Server会话保存到另一个会话。不允许对tempdb数据库进行备份和还原操作。

（2）用户数据库

用户数据库指由用户建立并使用的数据库，用于存储用户使用的数据信息。

用户数据库由用户建立，且由永久存储表和索引等数据库对象的磁盘空间构成，空间被分配在操作系统文件上。系统数据库与用户数据库结构如图3-7所示。用户数据库和系统数据库一样，也被划分成许多逻辑页，通过指定数据库ID、文件ID和页号，可引用任何一页。当扩大文件时，新空间被追加到文件末尾。

图3-7 系统数据库与用户数据库结构

（3）示例数据库

示例数据库是一种实用的学习数据库的范例，SQL Server 2019安装时，默认情况下不会自动安装，需要单独下载、安装和设置。

2.数据库逻辑组件

数据库（空间）的存储（安排），实际上是按物理方式在磁盘上以多个文件方式实现的。用户使用数据库时主要调用的是逻辑组件，如图3-8所示。

图3-8 用数据库时使用的逻辑组件

讨论思考：

1）请解释SQL Server 2019的体系结构？

2）SQL Server数据库文件的种类具体有哪些？

3）SQL Server系统数据库有哪些？其作用分别是什么？