《数据库基础知识》PPT课件.ppt

第1章 数据库基础知识, 1.1 数据库的特点及概念 1.1.1 信息与数据 1.1.2 数据管理与数据库 1.1.3 数据库管理系统与数据库应用系统 1.2 数据库系统及发展 1.2.1 手工管理数据阶段 1.2.2 文件系统数据管理的特点和缺陷 1.2.3 数据库技术的发展历程和研究方向 1.2.4 数据库系统管理数据的特点 1.3 数据库系统的结构 1.3.1 数据库系统的体系结构 1.3.2 数据库管理系统的功能结构 1.3.3 数据库系统的三级数据模式结构, 1.1 数据库的特点及概念 1.1.1 信息与数据 “信息”可以告诉我们有用的事实和知识，“数据”可以更有效地表示、存储和抽取信息。 1. 信息（Information）、信息特征及作用,信息是许多学科广泛使用的概念，在不同的领域中，其含义有所不同。在信息处理领域，一般将信息理解为关于客观世界事物存在方式或运动状态的反映。,信息具有四个基本特征： 1) 信息的内容是关于客观事物或思想方面的知识； 2) 信息是有用的，它是人们活动的必需知识； 3) 信息能够在空间和时间上被传递，在空间上传递信息称为信息通信，在时间上传递信息称为信息存储； 4) 信息需要一定的形式表示，信息与其表现符号不可分离。,信息与数据之间存在着固有的联系：数据是信息的符号表示或称为载体；信息则是数据的内涵，是对数据语义的解释。数据表示了信息，而信息只有通过数据形式表示出来才能被人们理解和接受。,数据是用于承载信息的物理符号。是信息的一种表现形式。 数据的4个特征： 1) 数据有“型”和“值”之分。 2) 数据受数据类型和取值范围的约束。 3) 数据有定性表示和定量表示之分。 4) 数据应具有载体和多种表现形式。,2. 数据（Data）、数据和信息的关系及数据的特征, 1.1.2 数据管理与数据库,围绕着数据所做的工作均称为数据处理。数据处理是指对数据的收集、组织、整理、加工、存储和传播等工作。 数据处理分为3类： 1) 数据管理：收集信息、将信息用数据表示并按类别组织保存。目的是为各种数据处理快速、正确地提供必要的数据。 2) 数据加工：对数据进行变换、抽取和运算，通过数据加工会得到更有用的数据，以指导或控制人的行为或事物的变化趋势； 3) 数据传播：在空间或时间上以各种形式传播信息，而不改变数据的结构、性质和内容，使更多的人得到信息。,1. 数据处理（Data Processing）及分类,2. 数据管理及内容,数据管理工作包括： （1）组织和保存数据，即将收集到的数据合理地分类组织，将其存储在物理载体上，使数据能够长期地被保存； （2）进行数据维护，即根据需要插入新数据、修改原数据和删除失效数据的操作； （3）提供数据查询和数据统计功能，以便快速地得到需要的正确数据，满足各种使用要求。,数据管理是指数据的收集、整理、组织、存储、维护、检索等操作，是数据处理中最基本的工作，是其他数据处理的核心和基础。 数据管理技术的优劣，将直接影响数据处理的效率。数据库技术正是瞄准这一目标研究、发展并完善起来的专门技术。,3. 数据库（Database）及数据库中数据的性质,数据库（DB）是一个按数据结构来存储和统一管理的相关数据的集合。 数据库方法与文件方法相比，具有以下两个特征。 1) 数据库中的数据具有数据整体性。 2) 数据库中的数据具有数据共享性。 不同的用户可以按各自的用法使用数据库中的数据。 多个用户可以同时共享数据库中的数据资源。,数据库管理系统（DBMS）是专门用于管理数据库的计算机系统软件。数据库管理系统能够为数据库提供数据的定义、建立、维护、查询和统计等操作功能，并完成对数据完整性、安全性进行控制的功能。, 1.1.3 数据库管理系统与数据库应用系统,1. 数据库管理系统（Database Management System）的功能及作用,2. 数据库应用系统（Database Application System）,凡使用数据库技术管理数据（信息）的系统都称为数据库应用系统。,3.管理信息系统（Management Information System）及特点,1) 管理信息系统是以数据库技术为基础的。 2) 管理信息系统一般采用功能选单方式控制程序。 3) 管理信息系统的功能模块大致相同。,手工管理阶段的特点： 1) 不保存大量的数据。 2) 没有软件系统对数据进行管理。 3) 基本上没有“文件”概念。 4) 一组数据对应一个程序。, 1.2 数据库系统及发展 数据管理技术的发展经历了手工管理、文件管理和数据库技术三个阶段。 1.2.1 手工管理阶段,20世纪50年代中期前，计算机主要用于科学计算。外存只有纸带、卡片和磁带等，没有直接存取的存储设备。软件只有汇编语言，还没有操作系统和管理数据的软件。数据处理方式是批处理。, 1.2.2 文件系统数据管理的特点和缺陷,1. 文件管理阶段的数据管理特点,1) 管理的数据以文件的形式长久地被保存在计算机的外存中。 2) 文件系统有专门的数据管理软件提供有关数据存取、查询及维护功能。程序只需要文件名就可与数据打交道，由OS的文件系统提供存取方法。 3) 文件系统中的数据文件已经具有多样化。 4) 文件系统的数据存取是以记录为单位的。,20世纪50年代后期60年代中期。计算机应用扩展到信息管理，数据的存储、检索和维护成为紧迫的需要。外存已有磁盘、磁鼓等直接存取存储设备。出现了高级语言和操作系统，OS中的文件系统专门管理外存的数据。数据处理方式有批处理也有联机实时处理。,2. 文件系统在数据管理上的主要缺点,1) 文件系统的数据冗余度（Redundancy）大。 2) 文件系统中缺乏数据与程序间的独立性。 文件系统中的数据文件是为某一特定应用服务的，数据文件的可重复利用率非常低。 当数据的逻辑结构改变时，必须修改它的应用程序，同时也要修改文件结构的定义。 应用程序的改变将影响到文件数据结构的改变。,1.2.3 数据库阶段,1.数据库技术的发展 2.当代数据库研究的范围和方向 3.数据库系统管理数据的特点,20世纪60年代末期开始,数据库系统和文件系统相比具有以下主要特点: 数据库系统以数据模型为基础。采用复杂的数据模型表示数据结构。数据模型不仅描述数据本身的特点，还要描述数据之间的联系。 数据库系统的数据冗余度小、数据共享度高 数据冗余度小是指重复的数据少。减少冗余数据可以节约存储空间、避免数据的不一致问题、避免数据统计错误。,数据共享度高的优点： 1) 系统现有用户或程序可以共同享用数据库中的数据。 2) 当系统需要扩充时，新用户或新程序还可以共享原有的数据资源。 3) 多用户或多程序可以在同一时刻共同使用同一数据。 数据库系统的数据和程序之间具有较高的独立性（图示） (1) 数据的物理独立性（Physical Data Independence） (2) 数据的逻辑独立性（Logical Data Independence） 数据库系统通过DBMS进行数据安全性和完整性的控制： 数据库的并发控制 数据库的恢复 数据完整性 数据安全性 数据库中数据的最小存取单位是数据项。增加系统的灵活性。,数据库系统的结构, 1.3 数据库系统的结构,1. 数据库系统需要的硬件资源及对硬件的要求,支持数据库系统的计算机硬件资源包括计算机（服务器和客户机）、数据通信设备（计算机网络和多用户数据传输设备）及其他外围设备。在进行数据库系统硬件配置时应注意3个方面： 1) 计算机内存要尽量大。 2) 计算机外存也要尽量大。 3) 计算机的数据传输速度要快。, 1.3.1 数据库系统的体系结构,数据库系统是指带有数据库并利用数据库技术进行数据管理的计算机系统。 一个数据库系统应包括计算机硬件、数据库、数据库管理系统、应用软件和数据库管理员等5部分构成。,2. 数据库系统的软件组成,软件中包括操作系统（OS）、数据库管理系统（DBMS）、主语言编译系统、数据库应用开发系统及工具、数据库应用系统和数据库。,3. 数据库系统的人员组成及数据库管理员的职责,数据库系统的人员由软件开发人员、软件使用人员及软件管理人员组成。软件管理人员称为数据库管理员（Data Base Administrator，简称DBA），职责为： 1) DBA应参与数据库和应用系统的设计。 2) DBA应参与决定数据库的存储结构和存取策略的工作。 3) DBA要负责定义数据的安全性要求和完整性条件。 4) DBA负责监视和控制数据库系统的运行，负责系统的维护和数据恢复工作。 5) DBA负责数据库的改进和重组。, 1.3.2 数据库管理系统的功能结构,数据库管理系统(DBMS)的主要功能: 1.数据库的定义功能 DBMS提供数据定义语言（Data Description Language，DDL）用来定义数据库的结构及数据的完整性、保密性限制等约束。,2.数据库的操纵功能 DBMS提供数据操纵语言(Data Manipulation Language,DML)实现对数据的操作。基本的数据操作有四种：检索（查询）、插入、删除和修改，后三种称为更新操作。,DML有两类：一类是嵌入在FORTRAN、C等宿主语言中使用，称为宿主型（或嵌入型）DML；另一类是可以独立交互使用的DML，称为自含型（或交互型）DML。因而在DBMS中应包含DML的编译程序或解释程序。 3.数据库的保护功能 DBMS对数据库的保护主要通过四个方面实现： (a)数据库的并发控制。数据库技术的一个优点是数据共享，但多个用户同时对同一个数据的操作可能会破坏数据库中的数据，或者用户读了不正确的数据。并发控制子系统能防止上述情况发生，正确处理好多用户、多任务环境下的并发操作。,(b)数据库的恢复。在数据库被破坏或数据不正确时，系统有能力把数据库恢复到最近某个正确的状态。 (c)数据完整性控制。保证数据库中数据及语义的正确性和有效性，防止任何对数据造成错误的操作。 (d)数据安全性控制。防止未经授权的用户蓄谋或无意地存取数据库中的数据，以免数据的泄露、更改或破坏。 DBMS的其它保护功能还包括系统缓冲区的管理以及数据存储的某些自适应调节机制等。 4.数据库的维护功能 这一部分包括数据库的初始数据载入、转换、转储、数据库的改组以及性能监视分析等功能。这些功能分别由各个实用程序完成。 数据库管理系统的目标是让用户能够更方便、更有效、更可靠地建立数据库和使用数据库中的数据资源。, 1.3.3 数据库系统的三级数据模式结构,数据模型用数据描述语言给出的精确描述称为数据模式。数据模式是数据库的框架。数据库的模式由外模式、模式和内模式三级模式构成。,为了说明数据库系统的三级模式，先看数据库的三种数据观。,1.数据库的三种数据观,所谓三种数据观，是因为与数据库打交道的人持有不同的身份，因而对数据库有不同的理解，这就是：用户观、总体观和存储观。如图所示。 三种数据观对应三种数据库，分别称为用户数据库、概念数据库和存储数据库。显然，总体观和存储观只有一个，而用户观可能有多个。,数据库的三种数据观,三种数据观间可以相互转换，这是DBMS的基本功能。举例：,2、数据库的三级模式结构,数据库的三级模式结构是指外模式、模式和内模式，其结构如图。,数据库的三级结构术语有不同的称呼，如下表所示,从某个角度看到的数据特性称为“数据视图”。外部级最接近用户，是单个用户所能看到的数据特性。单个用户使用的数据视图称为“外模型”。概念级是涉及到所有用户的数据的定义，也就是全局的数据视图，称为“概念模型”。内部级最接近物理存储结构，涉及到实际数据存储的方式，物理存储的数据视图称为“内模型”,(1) 逻辑模式（Schema）及概念数据库,逻辑模式也称为模式、概念模式。 逻辑模式是对数据库中数据的整体逻辑结构和特征的描述。 逻辑模式使用模式DDL进行定义，其定义的内容不仅包括对数据库的记录类型、数据项的类型、记录间的联系的描述，还应包括对数据允许的操作、数据的完整性、安全性和其他数据控制方面的描述。 一个数据库系统只能有一个逻辑模式，以逻辑模式为框架的数据库为概念数据库。,(2) 外模式（External Schema）及用户数据库 外模式也称子模式（Subschema），它是对各个用户或程序所涉及到的数据的逻辑结构和数据特征的描述。 外模式使用子模式DDL进行定义，该定义主要涉及对子模式的数据结构、数据域、数据构造规则及数据的安全性和完整性等属性的描述。子模式可以在数据组成（数据项的个数及内容）、数据间的联系、数据项的型、数据名称上与逻辑模式不同，也可以在数据的安全性和完整性方面与逻辑模式不同。 以子模式为框架的数据库为用户数据库。 使用子模式的优点： 用户使用子模式不必考虑那些与自己无关的数据，也无需了解数据的存储结构，使用户使用数据的工作和程序设计的工作都得到了简化。 用户只能对自己需要的数据进行操作，有利于数据的安全和保密。 同一模式可以派生出多个子模式，有利于数据的独立性和共享性。,(3) 内模式（Internal Schema）及物理数据库 内模式也叫存储模式（Access Schema）或物理模式（Physical Schema），它是数据的内部表示或底层描述，是数据库在物理存储方面的描述。 以物理模式为框架的数据库为物理数据库。,用户数据库、概念数据库和物理数据库三者的关系： 概念数据库是物理数据库的逻辑抽象形式；物理数据库是概念数据库的具体实现；用户数据库是概念数据库的子集，也是物理数据库子集的逻辑描述。,3. 数据库系统的二级映象技术及作用,外模式/模式的映象： 定义并保证了外模式与概念模式之间的对应关系，即外部记录类型和概念记录类型间的对应性。 外模式/模式映像放在外模式中描述。 这个映像不仅建立了用户数据库与逻辑数据库之间的对应关系，使得用户能够按子模式进行程序设计，同时也保证了数据的逻辑独立性。,数据库系统的二级映像技术是指外模式与模式之间的映像、模式与内模式之间的映像。通过这二级映像，不仅在三级数据模式之间建立了联系，同时也保证了数据的独立性。,2) 模式/内模式的映象： 定义并保证了数据的逻辑模式与内模式之间的对应关系。由于模式与内模式的数据结构可能不一致，即记录类型、字段类型的命名和组成可能不一样，因此需要这个映像说明概念记录和内部记录间的对应性。 这个映像一般放在内模式中描述。 模式/内模式的映像不仅使用户或程序能够按数据的逻辑结构使用数据，还提供了内模式变化而程序不变的方法，从而保证了数据的物理独立性。,