Tietokantajärjestelmän rakenne

2.1 Sovellusarkkitehtuuri

Kuten luvussa 1 todettiin, tietokantajärjestelmä koostuu yleisellä tasolla kolmesta osasta: tietokannasta, tietokannanhallintajärjestelmästä ja sovellusohjelmasta. Sovellusohjelma tarjoaa loppukäyttäjille toimintalogiikan ja käyttöliittymän, jonka avulla järjestelmää käytetään. Sovellusohjelma voi olla miten monimutkainen kokonaisuus tahansa, ja sovellusohjelmia voi kuulua tietokantajärjestelmään useita. On myös tavallista, että tietokantajärjestelmä sisältää useita tietokantoja ja jopa tietokannanhallintajärjestelmiä.

2.1.1 Tietokannanhallintajärjestelmän rakenne

Tietokannanhallintajärjestelmä on tavallisesti monimutkainen ohjelmisto, ja eri tuotteissa on vaihteleva määrä toiminnallisuutta aina monimutkaisimmista tuotteista kuten Oracle, DB/2 ja SQL Server yksinkertaisiin ja ominaisuuksiltaan riisuttuihin tuotteisiin kuten SQLite. Tuotteista voidaan myös tarjota erilaisia versioita (kuten Oracle Express, Standard ja Enterprise), joiden hinta määräytyy version ominaisuuksien mukaan. Tietokannanhallintajärjestelmään kuuluu ainakin:

• Käskykomponentti, joka on vastuussa käskyjen eli tietokantaan kohdistuvien kyselyiden, lisäyksien, muokkauksien ja poisto-operaatioiden tarkastamisesta, optimoinnista ja ajosta.
• Varastointikomponentti, joka on vastuussa siitä, miten data noudetaan levyltä muistiin ja edelleen sitä tarvitsevalle sovellusohjelmalle tai käyttäjälle niin, että tietyt vaatimukset täytetään.
• Rajapinta, jonka avulla tietokantaa voidaan käyttää ilman sovellusohjelmaa.

Edelleen eri tuotteissa on lisäkomponentteja, tavallisesti esim.:

• Graafinen käyttöliittymä kyselyiden tekemiseen ja tietokannan rakenteen seuraamiseen.
• Monitorointityökalut, joiden avulla DBMS:n suorituskykyä ja kuormitusta voidaan seurata.
• Varmuuskopiointityökalut.
• Työkalut datan raportointiin, analysointiin ja louhintaan.
• Eräajotoiminto suurten datamäärien viemiseen tietokantaan ja tuomiseen tietokannasta.
• Erilaiset väliohjelmistot DBMS:n liittämiseksi muihin tietokantajärjestelmän sisäisiin tai sen ulkopuolisiin komponentteihin.
• Jaetut komponentit käyttöjärjestelmän tai käyttöjärjestelmäytimen kanssa, esimerkiksi tietokannan salaus tai pakkaaminen tai käyttäjätilien jakaminen.

2.1.2 Tietokantakäskyn kulku

Tarkastellaan seuraavaksi yleisellä tasolla, mitä tietokantakäskylle tapahtuu, kun sovellusohjelma tai käyttäjä lähettää sen DBMS:lle. Tietokantakäsky voi olla esimerkiksi "Hae kaikkien punaisten kenkien hinta ja alennusprosentti".

Sovellusohjelma lähettää pyynnön DBMS:lle yhteyden muodostamiseksi. DBMS voi evätä yhteyden esim. jos tietokantapalvelimen muisti on vähissä tai jos enimmäismäärä käyttäjiä on jo yhdistyneenä tietokantaan. Jos DBMS hyväksyy yhteyden muodostamisen, voi sovellusohjelma lähettää tietokantakäskyn.

2.1.2.1 Käskykomponentti

Tietokantakäsky päätyy seuraavaksi DBMS:n käskykomponentille. Käskykomponentti sisältää useita alikomponentteja, joista ensimmäinen, käskyparseri tarkastaa tietokantakäskyn oikeinkirjoituksen. Käskyparseri myös kirjoittaa tietokantakäskyn auki, jos siinä on aukikirjoittamista vaativia viitteitä tai lyhennelmiä. Jos käskyssä on syntaksivirheitä, DBMS voi sietokykynsä mukaan korjata niitä. Jos virheitä ei pystytä korjaamaan, sovellusohjelmalle palautetaan virheilmoitus. Muussa tapauksessa parseri luo kyselystä ns. jäsennyspuun (parse tree), ja lähettää sen uudelleenkirjoituskomponentille.

Uudelleenkirjoituskomponentti huolehtii mm. tietokantakäskyn mahdollisten laskutoimitusten, loogisten lausekkeiden ja päättelysääntöjen sievennyksestä ja keinotekoisten tietorakenteiden avaamisesta. Jos tietokannan rakenteeseen on tehty näkymiä tai sääntöjä, uudelleenkirjoittaja avaa ne. Uudelleenkirjoittaja tarkastaa tietokannan metadasta, onko käskyn sisältämiä tietokantarakenteita (ts. tietokantaobjekteja) olemassa, ja onko käskyn suorittavalla käyttäjällä tarvittavat oikeudet nähdä tai muokata niitä.

Monimutkaisin käskykomponentin alikomponentti on käskyn optimoija. Koska SQL on deklaratiivinen kieli, voidaan haluttu tulos saavuttaa useilla eri tavoilla. Optimointikomponentti luo uudelleenkirjoittajalta saamansa kyselypuun (query tree) perusteella useita suoritussuunnitelmia (execution plan). Tietokannan metadataa tarkastelemalla optimointikomponentti päättää, mikä luoduista suoritussuunnitelmista on ajallisesti nopein toteuttaa, ts. esim. miten haluttu data voidaan palauttaa nopeimmin sovellusohjelmalle. Tällaista optimointia kutsutaan kustannusperustaiseksi optimoinniksi, ja optimointitapoja on muitakin. Optimoija lähettää parhaaksi katsomansa suoritussuunnitelman eteenpäin käskyn ajajalle. Käskyn ajoalikomponentti suorittaa suoritussuunnitelman käyttäen apuna varastointikomponenttia.

2.1.2.2 Varastointikomponentti

Varastointikomponentti on eräänlainen varmistin sille, että dataa käsitellään oikein. Kun ajokomponentti aloittaa suoritussuunnitelman suorittamisen, varastointikomponentti tarkastaa mm. käskyn kannalta tärkeiden, avustavien fyysisten tietorakenteiden toiminnallisuuden. Käsky myös kirjoitetaan DBMS:n lokiin, ja jos käsky tekee muutoksia tietokannan rakenteeseen, nämä muutokset kirjoitetaan DBMS:n metadataan.

Seuraavaksi DBMS:n rinnakkaisuudenhallinnasta vastaava komponentti tarkastaa, onko samanaikaisesti käynnissä muita tapahtumia, jotka voivat haitata käsiteltävää tietokantakäskyä. Jos kaikki on kunnossa, DBMS:n lukkohallinnasta vastaava komponentti kirjoittaa ns. lukkotauluun tietokantakäskyn käyttävien tietuiden olevan muiden samanaikaisten tapahtumien käyttämättömissä (ts. lukittuna).

DBMS:llä on tavallisesti omat puskurialueensa, eikä se käytä esimerkiksi käyttöjärjestelmän tiedostovälimuistia. Tietokanta on jaettu yhtä suuriin osiin eli sivuihin DBMS:n puskurin kanssa. Puskurinhallinnan vastuulla on noutaa haluttu sivu muistin puskurialueelle käyttämällä apuna muistinhallintakomponenttia, joka huolehtii DBMS:n tarvitseman muistin jakamisesta erilaisiin muistialueisiin. Lopuksi halutut sivut kootaan palautettavaan muotoon ja palautetaan sovellusohjelmalle tai käyttäjälle.