第一章数据库基础知识

第 1 章 数据库基础知识数据库技术已经成为计算机科学与技术的个重要分支，Microsoft Access 作为一种关系型数据库管理系统是中小型数据库应用系统的理想开发环境1.1. 数据库基础知识数据库，它能把大量的数据按照一定的结构存储起来，在数据库管理系统的集中管理下，实现数据共享那么，什么是数据库?什么是数据库管理系统呢?1.1.1. 计算机数据管理的发展一、 数据与数据处理数据是指存储在某一种媒体上能够识别的物理符号。数据的概念包括两个方面：其一是描述事物特性的数据内容；其二是存储在某一种媒体上的数据形式。数据处理是指将数据转换成信息的过程。对各种数据进行分类、收集、存储、加工和传播的一系列活动的总和。二、 计算机数据管理数据处理的中心问题是数据管理。计算机对数据的管理是指如何对数据分类、组织、编码、存储、检索和维护。1. 人工管理：(1) 数据不保存(2) 应用程序管理数据(3) 数据不共享(4) 数据不具有独立性应用程序 1 数据集 1应用程序 2 数据集 2应用程序 n 数据集 n2. 文件系统(1) 数据可以长期保存(2) 程序与数据有一定的独立性(3) 数据的冗余度大应用程序 文件应用程序 文件2应用程序 文件n存取方法. .3. 数据库系统：20 世纪 60 年代后期以来计算机用于管理的规模更为庞大，应用越来越广泛，需要计算机管理的数据量急剧增长，同时多种应用、多种语言互相覆盖地共享数据集合的要求越采越强烈。为解决多用户、多应用共享数据的需求，出现了数据库技术和统一管理数据的专门软件系统数据库管理系统。数据库技术的主要目的是有效地管理和存取大量的数据资源，包括：提高数据的共享性。使多个用户能够同时访问数据库中的数据；减小数据的冗余，以提高数据的一致性和完整性；提供数据与应用程序的独立性，从而减少应用程序的开发和维护代价。在数据库系统中，数据已经成为多个用户或应用程序共享的资源，从应用程序中完全独立出来，由 DBMS 统一管理。数据库系统数据与应用程序的关系如图。DBMS应用程序1应用程序2数据库4. 分布式数据库统物理上分布、逻辑上集中的分布式数据库结构是一个逻辑上统一、地域上分布的数据集合，是把计算机网络环境中各个节点局部数据序的逻辑集合，同时受分布式数据库管理系统的统一控制和管理，把全局数据模式按数据来源和用途合理分布在系统的多个节点上，使大部分数据可以就地或就近存取。5. 面向对象数据厍系统数据据库技术与面向对象程序设计技术结合产生了面向对象数据库系统；面向对象数据库吸收了面向对象程序设计方法的核心概念和基本思想，采用面向对象的观点来描述现实世界实体(对象)的逻辑组织、对象之间的限制和联系等。1.1.2. 数据库系统一、 有关数据库的概念1. 数据(Data)数据是指描述事物的符号记录。在计算机中，文字、图形、图像声音等都是数据，学生的档案、教师的基本情况、货物的运输情况等也都是数据。2. 数据库(DataBase)数据库是存储在计算机存储设备中的、结构化的相关数据的集合。它不仅包括描述事物的数据本身，而且包括相关事物之间的关系。3. 数据库管理系统(DataBase Management System,DBMS)数据库管理系统是指位于用户与操作系统之间的数据管理软件。4. 数据库应用系统数据库应用系统是指系统开发人员利用数据库系统资源开发的面向某一类实际应用的软件系统。5. 数据库系统数据库系统是指引进数据库技术后的计算机系统，能实现有组织地、动态地存储大量相关数据，提供数据处理和信息资源共享的便利手段。数据库系统由 5 部分组成：硬件系统、数据库集合、数据库管理系统及相关软件、数据库管理员(DataBaseAdministrator，DBA)和用户。二、 数据库系统的特点1. 实现数据共享，减少数据冗余2. 采用特定的数据模型3. 具有较高的数据独立性4. 有统一的数据控制功能三、 数据库管理系统 什么是 DBMS 数据库管理系统（Database Management System，简称 DBMS）是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。 DBMS 的用途 科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据数据库应用系统数据库管理系统操作系统硬件1. 数据定义数据定义包括定义构成数据库结构的外模式、模式和内模式，定义各个外模式与模式之间的映射，定义模式与内模式之间的映射，定义有关的约束条件(例如，为保证数据库中数据具有正确语义而定义的完整性规则，为保证数据库安全而定义的用户口令和存取权限等)。 提供数据定义语言(DDL) 定义数据库中的数据对象2. 数据操纵数据操纵包括对数据库数据的检索、插入、修改和删除等基本操作。 数据操纵功能:提供数据操纵语言 (DML) 操纵数据实现对数据库的基本操作(查询、插入、删除和修改 )3. 数据库运行管理对数据库的运行进行管理是 DBMS 运行时的核心部分，包括对数据库进行并发控制、安全性检查、完整性约束条件的检查初执行及数据库的内部维护(例如，索引、数据字典的自动维护) 等。保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用发生故障后的系统恢复4. 数据组织、存储和管理数据库中需要存放多种数据，例如，数据字典、用户数据、存取路径等，DBMS 负责分门别类地组织、存储和管理这些数据，确定以哪种文件结构和存取方式物理地组织这些数据，如何实现数据之间的联系，以便提高存储空间利用率友提高随机查找、顺序查找、增加、删除、修改等操作的时间效率。5. 数据库的建立和维护建立数据库包括数据库初始数据的输入与数据转换等。维护数据库包括数据库的转储与恢复、数据库的重组与重构、性能的监视与分析等。 数据库的建立和维护功能(实用程序)数据库数据批量装载数据库转储介质故障恢复数据库的重组织性能监视等6. 数据通信接口DBMS 需要提供与其他软件系统进行通信的功能。例如，提供与其他 DBMS 或文件系统的接口，从 数据转换为另一个 DBMS 或文件系统能够接受的格式，或者接收其他DBMS 或文件系统的数据。为提供上述功能，DBMS 由以下四部分组成： 数据定义语言及其翻译处理程序 数据操纵语言及其编译(或解释) 程序 数据库运行控制程序 实用程序1.1.3. 数据模型数据模型就是从现实世界到机器世界的一个中间层次。现实世界的事物反映到人的大脑中，人们把这些事物抽象为一种既不依赖于具体的计算机系统又不为某一 DBMS 支持的概念模型，然后再把概念模型转换为计算机上某一 DBMS 支持的数据模型。一、 实体描述现实世界中存在各种事物，事物与事物之间存在着联系。这种联系是客观存在的，是由事物本身的性质所决定的。例如，在学校的教学管理系统中有教师、学生和课程，教师为学生授课，学生选修课程取得成绩；在图书馆中有图书和读者，读者借阅图书；在体育竞赛中有参赛队、竞赛项目，代表队中的运动员参加特定项目的比赛等。1. 实体客观存在并相互区别的事物称为实体，实体可以是实际的事物，也可以是抽象的事物。例如，学生、课程、读者等都是属于实际的事物；学生选课、借阅图书等都是比较抽象的事物。2. 实体的属性描述实体的特性称为属性。例如，学生实体用学号、姓名、性别、出生年份、系、入学时间等属性来描述。3. 实 体 集 和 实 体 型属 性值的集合表示一个实体，而属性的集合表示一种实体的类型，称为实体型，同类型的实体的集合，称为实体集。例如，学生(学号，姓名，性别，出生年份 ,系，入学时间) 就是一个实体型。对于学生来说，全体学生就是一个实体集，(980102，刘力，男，1980，自动控制， 1997)就是代表学生名单中的一个具体的学生。在 Access 中，用“表”来存放同一类实体；即实体集。例如，学生表、教师表、成绩表等。的一个“表”包含若干个字段， “表”中的字段就是实体的属性。字段值的集合组成表中的一条记录，代表一个具体的实体，即每一条记录表示一个实体。二、 实体间联系及种类实 体 之 间 的 对 应 关 系 称 为 联 系 ， 它 反 映 现 实 世 界 事 物 之 间 的 相 互 关 联 。 例 如 ， 一 个学 生 可 以 选 修 多 门 课 程 ， 同 一 门 课 程 可 以 由 多 名 教 师 讲 授 。实 体 间 联 系 的 种 类 是 指 一 个 实 体 型 中 可 能 出 现 的 每 一 个 实 体 与 另 一 个 实 体 型 中 多 少个 实 体 存 在 联 系 。1. 一对一考 察 学 校 和 校 长 这 两 个 实 体 型 ， 如 果 一 个 学 校 只 能 有 一 个 正 校 长 ， 一 个 校 长 不 能同 时 在 其 他 学 校 或 单 位 兼 任 校 长 ， 在 这 种 情 况 下 ， 学 校 与 校 长 之 间 存 在 一 对 一 联 系 。在 Access 中 ， 一 对 一 联 系 表 现 为 主 表 中 的 每 一 条 记 录 只 与 相 关 表 中 的 一 条 记 录 相关 联 。 例 如 ， 部 门 的 教 师 表 和 财 务 部 门 的 工 资 表 之 间 就 存 在 一 对 一 联 系 。2. 一对多考 察 学 校 中 系 和 学 生 这 两 个 实 体 型 ： 一 个 系 中 可 以 有 多 名 学 生 ， 而 一 个 学 生 只能 在 一 个 系 注 册 学 习 ， 系 和 学 生 之 间 存 在 一 对 多 联 系 。考 察 部 门 和 教 师 之 间 的 联 系 ， 个 教 师 只 能 在 学 校 的 一 个 部 门 任 职 ， 占 用 该 部 门的 一 个 编 制 ， 而 一 个 部 门 可 以 有 多 名 在 编 教 师 。 部 门 与 教 师 之 间 也 是 一 对 多 联 系 。在 Access 中 ， 一 对 多 联 系 表 现 为 主 表 中 的 每 条 记 录 与 相 关 表 中 的 多 条 记 录 相 关 联 。即 表 A 中 的 一 条 记 录 在 表 B 中 可 以 有 多 条 记 录 与 之 对 应 ， 但 表 B 中 的 一 条 记 录 最 多只 能 与 表 A 中 的 一 条 记 录 对 应 。一 对 多 联 系 是 最 普 遍 的 联 系 ， 也 可 以 将 一 对 一 联 系 看 做 是 一 对 多 联 系 的 特 殊 情 况 。3. 多对多考 察 学 校 中 学 生 和 课 程 两 个 实 体 型 ， 一 个 学 生 可 以 选 修 多 门 课 程 ， 一 门 课 程 有 多 名学 生 选 修 。 因 此 学 生 和 课 程 之 间 存 在 多 对 多 联 系 。图 书 与 读 者 之 间 也 是 多 对 多 联 系 ， 因 为 一 位 读 者 可 以 借 阅 若 干 本 图 书 ， 同 一 本书 可 以 相 继 被 几 个 读 者 借 阅 。在 Access 中 ， 多 对 多 的 联 系 表 现 为 一 个 表 中 的 多 条 记 录 在 相 关 表 中 同 样 可 以 有 多条 记 录 与 之 对 应 ， 即 表 A 中 的 一 条 记 录 在 表 B 中 可 以 对 应 多 条 记 录 ， 而 B 表 中 的 一条 记 录 在 表 A 中 也 可 对 应 多 条 记 录 。三、 数 据 模 型 简 介为 了 反 映 事 物 本 身 及 事 物 之 间 的 各 种 联 系 ， 数 据 库 中 的 数 据 必 须 有 一 定 的 结 构 ，这 种 结 构 用 数 据 模 型 表 示 。1. 层次数据模型：用树形结构表示各类实体以及实体之间的联系。在数据库中，对满足以下两个条件的数据模型称为层次模型：（1） 且仅有一个节点无双亲，这个节点称为”节点”。（2） 其他节点有且仅有一个双亲层次模型对具有一对多的层次关系的描述非常自然、直观、容易理解，这是层次数据库的突出优点系教研室 课程教师系教研室教师住处学生2. 网状数据模型在数据库中，对满足以下两个条件的数据模型称为网状模型（1） 允许一个以上的节点无双亲。（2） 一个节点可以有多于一个的双亲3. 关系数据模型用二维表结构来表示实体以及实体之间联系的模型称为关系数据模型。在关系型数据库中每一个关系都是一个二维表，使得描述实体的数据本身能够自然地反映他们之间的联系，而传统的层次和网状模型数据库是使用链接指针来存储和体现联系的。1.2. 关系数据库1.2.1. 关系数据模型一、 关系术语(1) 关系(2) 元组(3) 属性(4) 域(5) 关键字(6) 外部关键字二、 关系的特点(1) 关系必须规范化(2) 同一关系中不能出现相同的属性名。(3) 关系中不允许有完全相同的元组。(4) 在一个关系中元组的次序无关紧要。任意交换两行的位置并不影响数据的实际意义。(5) 在一个关系中列的次序无关紧要。任意交换两行的位置并不影响数据的实际意义。三、 实际关系模型1.2.2. 关系运算一、 传统的集合运算：交、并、差。1. 并:两个相同结构关系的并是由属于这两个关系的元组组成的集合.2. 差:设有两个相同的结构关系 R 和 S,R 与 S 的差是由属于 R 但不属于 S 的元组组成的集合,即差运算的结果是从 R 中去掉 S 中也有的元组.3. 交:两个具有相同结构的关系 R 和 S,他们的交是由即属于 R 又属于 S 的元组组成的集合.交运算的结果是 R 和 S 的共同元组二、 专门的关系运算：1. 选择: 从关系中找出满足给定条件的元组的操作.2. 投影: 从关系模式中指定若干属性组成新的关系.3. 联接: 是关系的横向结合 .联接运算将两个关系模式拼接成一个更宽的关系模式,生成的新关系中包含满足联接条件的元组.4. 自然联接: 在联接运算中,按照字段值对应相等为条件进行的联接操作称为等值联接。数据管理的发展人工管理文件系统数据库系统分布式数据库系统面向对象的数据库系统硬件系统数据库集合数据库管理系统数