『Database System Concepts Ch 1. Introduction』

Database-System Applications
Purpose of Database Systems
View of Data
Database Languages
Database Design
Database Engine
Database and Application Architecture
Database Users and Administrators
- Database Users and User Interfaces
- Database Administrator
History of Database Systems
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database-management system (DBMS)은 일련의 상호연관 데이터와 그 데이터에 접근하는 프로그램의 집합이다.
일련의 데이터는 데이터베이스라고 하며, 기업과 관련된 정보를 포함한다.
DBMS의 주요 목표는 데이터베이스를 편리하게, 효과적으로 저장하고 검색하는 방법을 제공하는 것이다.

Database-System Applications

60년대 데이터베이스 시스템은 현재에 비해 간단했다.
일반적으로 데이터베이스는 두 개의 모드로 사용된다:
- 온라인 트랜잭션 처리 - 사용자 측면에서 데이터를 검색하고, 업데이트 하는 등의 동작 처리.
- 데이터 분석 - 기업 측면에서 비즈니스 결정을 위한 데이터 처리.

Purpose of Database Systems

컴퓨터에 정보를 저장하는 가장 쉬운 방법은 파일로 쓰는 것:
- file-processing system이라고 한다.
- 여기에는 많은 단점이 있다:
  - 데이터 중복과 불일치
  - 데이터 접근의 어려움
  - 데이터 격리
  - 무결성 문제
  - 원자성 문제
  - 병렬 접근 이상
  - 보안 문제
앞으로 이러한 문제를 해결하기 위한 데이터 베이스 시스템을 살펴본다.

View of Data

데이터베이스 시스템의 주요 목적은 유저에게 추상화된 데이터 뷰를 제공하는 것이다.
데이터 모델 - 데이터, 데이터의 관계, 시맨틱, 제약을 설명하기 위한 개념적 도구.

Data Models

Relational Model:
- 데이터와 데이터 사이의 관계를 표현하기 위해 테이블을 사용한다.
- 각 테이블을 여러 컬럼을 가지며, 각 컬럼은 유일한 이름을 가진다.
- 테이블은 '관계’라고도 불린다.
Entity-Relationship Model:
- E-R 데이터 모델은 '엔티티’라고 부르는 기본 객체와 객체 간의 관계를 사용한다.
- 데이터베이스 설계에 광법위하게 사용되고 있다.
Semi-structured Data Model:
- 각자 다른 속성을 가진 같은 타입의 개별 데이터를 정의할 수 있도록 해준다.
- 특정 타입의 모든 데이터들이 똑같은 속성을 가져야 하는 앞선 데이터 모델과 대비된다.
- JSON이나 XML이 광범위하게 사용된다.
Object-Based Data Model:
- OOP의 영향을 받은 데이터 모델.
- 관계형 모델을 캡슐화, 메서드, 객체 식별로 확장한 것으로 볼 수도 있다.

Relational Data Model

관계형 모델에서 데이터는 테이블 형태로 표현된다.
테이블의 각 로우는 하나의 정보 조각을 의미한다.

Data Abstraction

대부분의 데이터베이스 시스템 사용자들은 컴퓨터과학에 익숙하지 않다.
따라서 개발자는 여러 계층의 데이터 추상화로 복잡성을 숨겨 사용자와 시스템의 상호작용을 간소화해야 한다:
- Physical level - 데이터를 ‘어떻게’ 저장할 것인가를 정의하는 추상화 계층.
- Logical level - ‘어떤’ 데이터를 저장할 것인가를 정의하는 추상화 계층.
- View level - 데이터베이스의 일부 데이터에 접근할 수 있도록 추상화하는 계층.
instructor 타입으로 예시를 들어보자:
```
type instructor = record
    ID : char(5);
    name: char(20);
    dept_name: char(20);
    salary: numeric(8, 2);
  end
```
- Physical level:
  - 각 레코드를 연속적인 바이트 블록으로 표현한다.
  - 테이블을 저장하는 방식, 인덱스 자료구조 등 DBA는 이 계층을 이해해야 한다.
- Locgical level:
  - 각 레코드를 타입 정의로 표현하며, 레코드 타입간의 상호연관을 정의한다.
  - DBA와 프로그래머는 이 계층에서 프로그래밍 언어를 통해 작업한다.
- View level
  - 사용자에게 데이터베이스의 특정 뷰를 제공한다.
  - 가령 입학처 교직원들은 데이터베이스의 학생 정보에만 접근할 수 있어야 한다.

Instances and Schemas

데이터베이스는 시간이 지남에 따라 정보가 추가/삭제되며 변한다.
데이터베이스의 정반적인 설계를 데이터베이스 스키마(schema)라고 부른다:
- 스키마는 프로그래밍 언어에서 변수 선언과 같다.
특정 시점에 데이터베이스에 저장된 일련의 정보를 인스턴스(instance)라고 부른다:
- 인스턴스는 변수의 값이라고 볼 수 있다.
데이터베이스 시스템에는 추상화 계층에 따른 다양한 스키마가 있다:
- 뷰 레벨의 스키마는 서브스키마(subschema)라고도 한다.

Database Languages

데이터베이스 시스템은 data-definition language(DDL)을 제공해 스키마를 정의한다. (SQL에서 CREATE, ALTER, DROP 등)
data-manipulation language(DML)은 데이터베이스 쿼리와 업데이트를 표현한다. (SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE 등)
관습적으로 DDL과 DML은 분리된 언어가 아니며, SQL처럼 하나의 언어에 포함된다.

Data-Definition Language

예를 들어, 학과 예산 잔고는 음수가 될 수 없다. DDL은 이러한 제약을 걸 수 있도록 해준다.
Domain Constraints:
- 값의 도메인은 속성과 관련이 있어야 한다. (정수 타입, 문자 타입 등)
- 속성을 선언하는 것은 가질 수 있는 값에 대한 제약을 거는 것이다.
Referential Integrity:
- 한 관계(테이블)의 속성 값이 다른 관계의 속성에 존재해야 하는 경우가 있다.
- 가령, course 레코드의 dept_name 값은 department 관계의 dept_name 속성에 존재해야 한다.
- 데이터베이스 변경은 참조 무결성 위반을 일으킬 수 있다.
- 참조 무결성 제약이 위반될 때 위반을 일으키는 동작에 제약을 건다.
Authorization - 읽기 권한, 쓰기 권한 등 다양한 권한에 대한 제약을 걸 수 있다.
DDL 구문의 출력은 메타데이터를 지닌 데이터 딕셔너리에 놓여진다:
- 데이터 딕셔너리는 데이터베이스 시스템 자체만 접근할 수 있는 특수한 테이블이다.
- 데이터베이스 시스템은 데이터를 읽거나 쓰기 전에 데이터 딕셔너리를 참고한다.

The SQL Data-Definition Language

아래 SQL DDL은 department 테이블을 생성한다.

CREATE TABLE department (dept_name CHAR(20), building CHAR(15), budget numeric(12,2));

SQL DDL은 여러 무결성 제약을 제공한다.

Data-Manipulation Language

DML에는 크게 두 종류로 나뉜다:
- Procedural DMLs - 어떤 데이터를 필요로하는지, 그 데이터를 어떻게 가져올지.
- Declarative DMLs - 어떤 데이터를 필요로하는지.
쿼리(query)는 정보의 검색을 요청하는 구문이다:
- 정보 검색을 포함한 DML의 일부분을 쿼리 언어라고 한다.
- 기술적으로 틀렸지만, 쿼리 언어와 DML은 동의어처럼 사용된다.

The SQL Data-Manipulation Language

SQL 쿼리 언어는 선언적이며, 여러 테이블을 입력받고 항상 하나의 테이블을 반환한다.

Database Access from Application Programs

선언형 쿼리 언어의 경우, 일반 목적 프로그래밍 언어를 사용할 수 있는 튜링 머신에서는 파워풀하지 않다.
어플리케이션 프로그램은 데이터베이스와 상호작용하는 프로그램이다.
데이터베이스에 접근하기 위해서는 호스트에서 데이터베이스로 DML 구문을 보내야 한다:
- 보통 DML과 DDL 구문을 보내고, 결과를 검색할 수 있는 어플리케이션 프로그램 인터페이스를 사용한다.
- Open Database Connectivity(ODBC) 표준은 여러 언어를 위한 어플리케이션 프로그램 인터페이스를 정의한다.
- Java Database Connectivity(JDBC) 표준은 자바를 위한 인터페이스를 정의한다.

Database Design

데이터베이스 설계는 데이터베이스 스키마 설계와 연관이 있다.
하이레벨 데이터 모델은 요구사항에 대한 개념적인 프레임워크를 제공한다.
첫 단계에서 설계자는 유저의 요구사항을 정의한다.
이어서 개념적 설계 단계에서는 설계자는 데이터 모델을 정하고, 요구사항을 데이터베이스 스키마로 변환한다.
관계형 모델에서 개념적 설계 과정은 어떤 속성을 사용할지, 속성을 어떻게 그루핑할지 정하는 것이다:
- '어떤’은 비즈니스 결정에 관련된 부분이다.
- '어떻게’는 컴퓨터과학의 문제다.
마지막 단계에서 설계자는 스키마가 기능적 요구사항을 만족하는지 리뷰한다.
추상적 데이터 모델에서 데이터베이스 처리의 구현으로 가는 과정에 두 절차를 거친다:
- logical-design phase: 하이레벨의 개념적 스키마 데이터 모델 구현에 매핑하는 단계.
- physical-design phase: 파일 조직과 내부 스토리지 구조 등 물리적 기능을 정의하는 단계.

Database Engine

Storage manager:
- 데이터베이스는 큰 공간을 필요로 하기 때문에 중요하다.
- 데이터는 필요에 따라 디스크와 메인 메모리를 오가는데, 디스크는 느리기 때문에 이동을 최소화해야 한다.
- 데이터베이스 스토리지에 SSD를 사용하는 경우가 많아지고 있다.
Query processor:
- 데이터베이스 시스템을 간소화하고, 데이터 접근을 용이하게 하기 때문에 중요하다.
- 쿼리 프로세서는 사용자가 물리 레벨의 구현을 이해할 필요 없이 뷰 레벨에서 작업할 수 있도록 해준다.
Transaction manager:
- 어플리케이션 개발자가 일련의 데이터베이스 접근을 다룰 수 있도록 해주기 때문에 중요하다.
- 개발자가 병렬 접근의 영향을 신경쓰지 않고 높은 레벨의 추상화만 고려할 수 있도록 해준다.
- 모던 데이터베이스 엔진들은 병렬 데이터 스토리지와 병렬 쿼리 처리에 많은 주의를 기울이고 있다.

Storage Manager

데이터베이스에 저장된 로우레벨 데이터와 어플리케이션 프로그램, 제출된 쿼리 사이의 인터페이스를 제공하는 컴포넌트다.
파일 매니저와 상호작용하며, 디스크에 저장된 데이터를 다루기 위해 다양한 DML 구문을 로우레벨 파일 시스템 명령으로 번역한다.
스토리지 매니저는 데이터베이스의 데이터를 저장, 검색, 업데이트하는 역할을 한다.
아래와 같은 컴포넌트를 포함한다:
- Authorization and integrity manager - 권한, 무결성 제약 검증.
- Transaction manager - 데이터베이스 일관성 유지, 충돌없는 병렬 트랜잭션 처리.
- File manager - 디스크 저장소 공간 할당, 자료 구조 관리.
- Buffer manager - 디스크에서 메모리로 데이터 이동, 캐시할 데이터 결정. 메모리보다 더 큰 데이터를 다룰 수 있도록 해준다.
물리 시스템 구현의 일부로 여러 자료구조를 구현한다:
- Data files - 데이터베이스 스스로 저장하는 파일들.
- Data dictionary - 데이터베이스 구조에 대한 메타데이터 저장.
- Indices - 데이터에 빠르게 접근할 수 있도록 해줌.

The Query Processor

DDL interpreter - DDL 구문과 데이터 딕셔너리의 레코드를 해석.
DML compiler - 쿼리 언어의 DML 구문을 쿼리 평가 엔진이 이해할 수 있는 로우레벨 명령으로 번역.
Query evaluation engine - DML 컴파일러에 의해 생성되는 로우레벨 명령을 실행.

Transaction Management

트랜잭션은 데이터베이스 어플리케이션에서 하나의 논리적 기능을 수행하는 일련의 명령이다.
트랜잭션은 원자성과 일관성의 단위이며, 데이터베이스 일관성 제약을 위반해서는 안 된다.
다양한 트랜잭션을 적절히 정의하여 데이터베이스의 일관성을 유지하는 것은 프로그래머의 책임이다.
내구성과 원자성은 데이터베이스 시스템의 책임이다.

Database and Application Architecture

Database Users and Administrators

데이터베이스 시스템의 주요 목표는 정보를 저장하고, 검색하는 것이다.
데이터베이스를 사용하는 사람들은 사용자와 관리자 둘로 나눌 수 있다.

Database Users and User Interfaces

Naive users - 웹이나 모바일 어플리케이션 등 유저 인터페이스를 이용해 데이터베이스와 상호작용하는 비전문 사용자.
Application programmers - 어플리케이션 프로그램을 작성하는 전문가.
Sophisticated users - 프로그램을 작성하는 대신 쿼리 언어 또는 데이터 분석 도구를 사용하는 전문가.

Database Administrator

데이터베이스 시스템을 중앙 통제하는 사람을 DBA라고 한다.
Schema definition - DDL을 사용해 데이터베이스 스키마를 생성.
Storage structure and access-method definition - 물리 계층과 관련된 파라미터와 인덱스를 정의.
Schema and physical-organization modification - 성능 향상을 위해 스키마와 물리 계층을 변경.
Routine maintenance - 주기적인 데이터 백업, 데이터 공간 확보, 모니터링.

History of Database Systems

1950년대, 1960년대 초반 - 자기 테이프.
1960년대 후반, 1970년대 초반 - 하드디스크.
1970년대 후반, 1980년대 - 성능 문제로 잘 사용되지 않던 관계형 모델이 인기를 얻음.
1990년대 - SQL 언어를 주로 사용함.
2000년대 - 데이터의 종류가 빠르게 진화함.
2010년대 - 클라우드, SaaS, 개인정보 등.

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