数据库系统概述2.ppt

数据库系统原理,曲阜师范大学,计算机科学学院 董兆安,注意事项,学习纪律，不迟到，不旷课 总评=学习纪律+实验+作业+期末考试 请假：务必有辅导员批准的请假条 作业分批 ：A组、B组、 C组 实验课尽量按照学号座次，依次固定座位 充分利用课堂听课时间 充分利用图书馆资源 充分利用机房实验时间,课程目标,了解，并结合关系型数据库系统深入理解数据库系统的基本概念，原理和方法。 掌握关系数据模型及关系数据语言，能熟练应用SQL语言表达各种数据操作。 学习并掌握建设、运行维护、数据库的各种基本技术，通过上机实习的训练, 培养运用专业知识解决实际工作问题的能力, 具备从事数据库系统维护管理的基本能力，为在今后工作中深入应用及后续专业技能培训课程的学习打好基础，初步具备进行数据库应用系统开发的能力。 对数据库领域研究的深入课题有所了解。,数据库技术产生的背景,产生于20世纪60年代中期 三位图灵奖获得者 1973年，C.W.Bachman 查尔斯.巴赫曼，被誉为“网状数据库之父” 1981年，E.F.Codd 埃德加.科德，关系数据库之父 1998年，James Gray 詹姆斯.格雷，事务处理专家,数据库技术的两个方面,数据库系统原理 数据库系统的组成、数据和数据联系的描述、关系模型和关系运算、结构化查询语言SQL、数据规范化理论、数据库设计和安全性理论等 数据库系统应用开发 使用一个数据库管理系统实施具体应用系统的开发、运行、维护等,第一章 绪论,第一节 概述,数据库系统的应用举例 数据库相关概念 数据库管理系统的功能 数据库系统的组成 课后作业,一、数据库系统应用举例,学生选课系统 图书管理系统 超市购物系统 银行业务系统 铁路售票系统 各种网络数据库、管理信息系统、办公自动化、地理信息系统等都用到了数据库技术,二、数据库技术的相关概念,数据（Data） 信息 （数据+语义+数据处理信息） 数据处理 数据管理 数据库（Data Base） 可共享的数据集合 数据字典（Data Dictionary） 有组织的存放 存放在计算机存储设备中,数据库管理系统（DataBase Management System ） 数据库管理系统的功能 数据定义功能 数据操纵功能 数据完整性约束 安全性控制 并发控制 数据库恢复功能 系统运行监视、性能分析,常见的数据库管理系统 Visual Foxpro Oracle SQL Server 2000 Sybase DB2 Access MySQL,数据库系统,实例分析 一个学生选课系统的运行范例 数据库系统（Data Base System） 由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、硬件平台、数据库管理员和用户构成。,数据库系统的组成,数据库系统管理员（DB Administrator）,DBA的职责 参与数据库设计工作 协调和沟通用户与数据库开发人员之间的矛盾 决定数据库中信息内容和结构 决定数据库的存储结构和存储策略 定义数据的安全性要求以及完整性约束条件 监控并保证数据库的使用和正常运行 提数数据库的改进和重组计划,课后练习题目,结合实际，说说还有哪些场合使用到数据库 数据库系统的组成有哪几部分 DBMS的功能 DBA的职责有哪些？,第二节 数据管理技术的发展,数据管理技术的发展已经经历了三个阶段，分别是： 人工管理阶段 文件系统管理阶段 数据库系统阶段 并继续朝高级数据库技术阶段发展,一、人工管理阶段,20世纪50年代以前 人员：少数科学家 应用：科学计算 硬件：无直接存贮设备，内存小 软件：无操作系统，无管理数据的软件,人工管理的特点,数据不能长期保存，没有文件的概念 编制应用程序对数据进行管理 数据不具备独立性 数据不能共享,二、文件系统阶段,20世纪50年代后期到60年代中期 人员：一部分专业人士 应用：科学计算、数据管理 硬件：磁盘、磁鼓等设备，内存 软件：操作系统-文件系统,文件系统特点,文件系统的管理方式： 按文件名访问，按记录进行存取 举例：学生选课管理系统 选课管理程序对文件内部进行格式定义，按照一次一记录的方式修改、插入、删除文件中的数据。,文件系统的缺点,数据冗余和数据不一致（见后图） 数据共享性差 数据独立性差 文件系统不能进行更有效的管理 记录内部有结构，但整体无结构 不能体现事物之间的联系,分散独立的数据,三、数据库系统阶段,20世纪60年代后期。 应用：海量数据管理 硬件：大容量硬盘，价格下降 软件：开发、维护成本上升,数据库系统的特点,数据结构化 数据结构化是数据库系统和文件系统的根本区别 体现了组织内的整体数据以及数据之间的联系 存取单位： 一个记录，一组记录，一个数据项、一组数据项,综合统一的数据,数据库系统的优点,数据共享性高，冗余度低，易扩充 数据的独立性比文件系统大大提高 数据的物理独立性 数据的逻辑独立性 数据库的三级模式结构和两层映像功能保证了数据的独立性,数据库系统的特点,数据库管理系统提供统一的管理和控制 数据的完整性控制 数据的安全性控制 数据的并发控制 数据的恢复功能 其他功能,课后作业,1、试比较文件系统和数据库系统的区别和联系 2、试述数据库系统的特点 3、简述DBMS的功能,第三节 数据库的体系结构,数据库系统隐藏了具体的存储和数据维护的细节，进行了两次抽象转换 1、把整个组织的数据进行综合，呈现一个统一的视图 2、把全局视图的数据按照物理最优形式组织存放 具体由DBMS实现,“型” 与“值”,型：对某一类数据结构和属性的说明定义 值：型的某一个时刻或状态下的具体取值 模式，是对数据库的结构的定义和描述，仅仅属于型的范畴，不涉及具体的值,“型” 与“值”,实例（Instance） 模式的一个具体的值叫做实例 同一个模式可以有很多的实例 模式反映的是数据库的结构及其联系，而实例是数据库某一时刻的取值,内模式 （物理模式）,逻辑模式,外模式 子模式 用户模式,三级模式结构和两层映像功能,逻辑模式中间层,也简称模式 是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户数据的公共视图。 独立于上层的应用和低层的存储细节，位于中间层 是逻辑级别的抽象视图,逻辑模式中间层,一个数据库只有一个逻辑模式 数据库的逻辑模式以某一种逻辑数据模型为基础，进行数据的逻辑组织 模式不仅要定义数据的本身的组成和结构，还要定义数据之间的联系等事项,逻辑模式,逻辑模式是数据库的核心和关键 DBMS提供模式DDL来严格定义逻辑模式,外模式,又叫子模式、用户模式 定义用户视图的模式叫做外模式 数据库用户（包括程序员和最终用户）所能看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。,外模式,定义的是全局数据的一部分，所以一个数据库可以有多个外模式 外模式面向具体的应用需求 同一个外模式可以被不同的应用使用 一个应用只能使用一个外模式,外模式,外模式可以保证数据库的安全性 DBMS提供子模式描述语言（子模式DDL）来严格定义子模式,内模式,也叫物理模式、存储模式 描述的是数据在物理设备上的物理结构和存储方式，是数据在物理数据库内部的表示方式 DBMS提供内模式DDL严格定义内模式,三层模式结构示意图,一个数据库可以有多个外模式 只有一个逻辑模式 只有一个内模式 DBMS提供了两层映像将三层模式连接起来 外模式/模式映像 模式/内模式映像,外模式/模式映像,一个数据库有多个外模式/模式映像 在对应的一个外模式中进行映像定义 可以保证数据和程序的逻辑独立性,模式/内模式映像,只有一个模式/内模式映像 具体定义包含在模式中 可以保证数据与程序的物理独立性,数据库系统的组成,硬件 磁盘、内存、传输率 软件 DBMS、OS，开发语言及工具 人员 DBA、SA，DD、USER,各种人员的数据视图,应用系统,内模式,外模式,模式,DB,OS,DBMS,用户,程序员,DBA、 系统分析员,补充：数据库系统的结构,从数据库系统的最终用户角度看，数据库系统的结构分为单用户结构、主从式结构、分布式结构和客户/服务器结构。 这些都是数据库系统的外部体系结构,1、单用户数据库系统,在单用户系统中，整个数据库系统，包括应用程序、DBMS、数据库，都装在一台计算机上，由一个用户独占，不同机器之间不能共享数据。,早期简单的数据库系统的结构,2、主从式数据库系统,主从式结构是指一个主机带多个终端的多用户结构。在这种结构中，数据库系统包含应用程序、DBMS、数据等，它们都集中存放在主机上，所有处理任务都由主机来完成，各个用户通过主机的终端并发地存取数据库，共享数据资源。,3、分布式数据库系统,分布式结构的数据库系统是指数据库中的数据在逻辑上是一个整体，但物理地分布在计算机网络的不同结点上。如图所示。网络中的每个结点都可以独立地处理本地数据库中的数据，执行局部应用；同时也可以存取和处理多个异地数据库中的数据，执行全局应用。,4、并行数据库系统,利用并行计算机系统提供的并行处理能力，通过并行地使用多个CPU和硬盘来提高处理速度和I/O速度，从而加速数据库的活动。,5、客户/服务器数据库系统,随着工作站功能的增强和广泛应用，人们开始把DBMS功能和应用分开，网络中的某个（些）结点上的计算机专门用于执行DBMS功能，称为数据库服务器，简称服务器（Server），其它结点上的计算机安装DBMS的外围应用开发工具，支持用户的应用，称为客户机（Client），这就是客户/服务器结构（Client/Server）的数据库系统。,客户/服务器数据库系统可以分为集中的服务器结构和分布的服务器结构。前者在网络中仅有一台数据库服务器，而客户端是多台。后者在网络中有多台数据库服务器。分布的客户/服务器结构是客户/服务器与分布式数据库的结合。,集中的服务器结构图,分布的服务器结构图,书面作业1,课本41页习题中的如下题目： 第 1 、5 、21 、22 、23 题 具体哪个组交作业，另行通知,第四节 数据模型,引子 数据模型及其分类 概念模型介绍 概念模型设计到的概念 概念模型的表示方法（E-R图）,一、引子,生活中常见的实物模型 缩小的模型 放大的模型 生活中也有抽象的模型 用数据来描述事物的数据表征及其特征，叫做数据模型 现有的数据库系统都是基于某种数据模型的,二、数据模型及其分类,数据模型必须满足三个要求 1、真实的模拟现实世界 2、容易为人所理解 3、便于在计算机内实现 从现实世界抽象出 数据模型需要经历 两次抽象转换,数据模型的分类,数据模型按照两个不同的层次分类为： (1) 概念数据模型 也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模。 (2) 逻辑数据模型 主要包括网状模型、层次模型、关系模型等，它是按计算机系统的观点对数据建模，简称数据模型,三、概念模型介绍,概念数据模型简称概念模型、信息模型 处于对现实世界的第一层抽象 是一种信息表示结构 独立于具体的计算机系统 独立于具体的DBMS,概念模型,按照用户的观点进行建模 强调语意表达能力 简单清晰 便于理解 具体的、全面的刻画现实世界 是数据库设计人员强有力的工具 传统的、常用的是E-R模型,四、概念模型中的概念,(1) 实体（Entity） 客观存在并可相互区别的事物称为实体。 可以是具体的人、事、物或抽象的概念。 (2) 属性（Attribute） 实体所具有的某一特性称为属性。 一个实体可以由若干个属性来刻画。 (3) 码（Key） 唯一标识实体的属性集称为码。,概念模型中的概念,(4) 域（Domain） 属性的取值范围称为该属性的域。 (5) 实体型（Entity Type） 用实体名及其属性名集合来抽象和刻画 同类实体称为实体型 (6) 实体集（Entity Set） 同型实体的集合称为实体集,(7) 联系（Relationship） 现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界 中反映为实体内部的联系和实体之间的联系 实体型间联系 两个实体型 一对一联系（1:1） 三个实体型 一对多联系（1:n） 一个实体型 多对多联系（m:n）,1 两个实体型之间的联系,一对一联系（one-one）,1 两个实体型之间的联系,一对多联系（one-many）,1 两个实体型之间的联系,多对多联系（many-many）,2、多个实体型之间的联系,多个实体型之间的一对多的联系 若实体集E1，E2，En存在联系，对于实体集Ej（j=1,2, ,i-1,i+1, ,n）中的给定实体，最多只和Ei中的一个实体相联系，则说Ei与E1,E2, ,Ei-1,Ei+1, ,En之间的联系是一对多的。 例如：课程、教师、参考书 语义：一门课由若干老师教，使用多本参考书，每一个老师只教一门课，每一本参考书只供一门课使用,多个实体之间一对一的联系 多个实体间多对多的联系,3、同一个实体型之间的联系,一对一 一对多 多对多,五、概念模型的表示方法,历史 -模型：Entity-Relationship Model 1976年，P.P.S.Chen提出-模型，用-图来描述概念模型 观点 世界是由一组称作实体的基本对象和这些对象之间的联系构成的,ER图三要素：实体型、属性、联系 实体型 用矩形表示，矩形框内写明实体名。,学生,教师,属性 用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来,联系 联系本身：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n） 联系的属性：联系本身也是一种实体型，也可以有属性。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来,For example,例2：用ER图实现一个工厂物资管理的概念模型 物资管理涉及的实体有： 仓库(编号，面积，电话号码) 零件(编号，名称，规格，单价，说明) 供应商(编号，名称，地址，电话，账号) 项目(编号，负责人工号，开工日期，预算金额) 职工(工号，姓名，年龄，制称),补充,可以用箭头代替标注，表示联系的类型： 将标注为 1 的无向边换成指向本侧实体型的箭头。,第五节 逻辑数据模型,数据库设计的步骤 需求分析阶段 概念结构设计阶段（E-R图） 逻辑结构设计阶段（关系模型） 数据库物理设计阶段 数据库实施阶段 数据库运行维护阶段,逻辑数据模型,简称 ：数据模型 按照计算机系统的观点对数据进行能建模 主要用于具体的DBMS实现 精确定义系统的静态特性、动态特性、完整性约束,一、数据结构,数据结构是数据模型中对系统静态特性的描述 研究的是数据库中的对象类型的集合 描述的是数据库数据的组成、特性以及相互之间的联系,数据库系统的命名,数据库系统中，通常按数据结构的类型来命名数据模型、继而使用数据模型的名字来命名数据库系统 层次数据库-层次模型-树 网状数据库-网状模型-图 关系数据库-关系模型-关系（表格）,（1）层次模型数据结构,IMS数据库管理系统 第一个大型商用DBMS 1968年推出 IBM公司研制,（2）网状模型数据结构,网状数据库系统用网状模型为数据的组织方式。 典型代表是DBTG(Data base task group)系统，对于网状数据库系统的研制和发展起了重大的影响。 针对不同的应用需求建立实体集之间的联系，不同的应用依照需求选择使用不同的联系 联系用连接指针实现,实例,L1,L2,上图描述了两个“系”， L1：用于查询一个学生选修了哪些课程 L2：用于查询一门课程有哪些学生选修,几个概念,记录：对应一个实体的数据，称作记录 记录型：记录的数据结构（实体型） 系：面向一个应用的实体型之间的联系 系型：系的数据结构描述 系值：每条链两端所有数据元素的集合称为“系值” 链的起始端叫做系主记录 结束端叫做成员记录,（3）关系模型数据结构,关系数据库采用若干二维表格的结构来组织全局数据 每一个表称作一个关系 表中的一行为一个记录，代表一个实体的数据 表中的一列为字段，该数据项代表实体的一个属性 对实体集结构的描述成为关系模式， 关系模式的集合以及各关系中的域集合构成了数据库的模式,二、数据操作,数据操作 对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作及有关的操作规则 数据操作的类型 检索/查询 更新（包括插入、删除、修改）,数据模型对操作的定义 操作的确切含义 操作符号 操作规则（如优先级） 实现操作的语言 数据操作是对系统动态特性的描述。,三、数据的约束条件,一组完整性规则的集合。 完整性规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和储存规则，用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。,数据模型对约束条件的定义 反映和规定本数据模型必须遵守的基本的通用的完整性约束条件。例如在关系模型中，任何关系必须满足实体完整性和参照完整性两个条件。 提供定义完整性约束条件的机制，以反映具体应用所涉及的数据必须遵守的特定的语义约束条件,四、常用数据模型层次模型,基本层次联系：指两个记录以及它们之间的一对多(包括一对一)的联系。,Ri位于联系Lij的始点，为双亲结点， Rj位于联系Lij的终点，为子女结点。,（1）层次数据模型的定义,满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型： 有且只有一个结点没有双亲结点（根结点） 根以外的其他结点有且只有一个双亲结点,示例,联系的多样性表示,层次数据库系统只直接表示一对多的联系 如何表示如下联系呢？ 一对一 一对多 多对多（冗余节点法，虚拟节点法）,（2）数据操纵与完整性约束,层次模型的数据操纵主要有查询、插入、删除和修改，进行这些操作时要满足完整性约束条件。,（3）存储结构,层次模型的优缺点,优点： 1、层次数据模型结构清晰，表示各结点之间的联系简单 2、对于实体间联系是固定的，且预先定义好的应用系统，采用层次模型实现，性能优于关系模型，不低于网状模型。 3、层次数据模型提供了良好的完整性支持,缺点： 1、现实世界中很多联系是非层次性的，用层次模型表示这类联系时不灵活。 2、严格的层次顺序使数据插入和删除操作变得复杂。 3、查询子女结点必须通过双亲结点 4、由于结构严密，层次命令趋于程序化。 5、不能表示两个以上实体型之间的复杂联系和实体型之间的多对多联系。,五、网状模型,网状模型的定义 网状模型表示实体之间的联系 举例 数据操纵与完整性 存储结构 网状模型的特点,举例,网状模型的特点,优点： 1、能够更直接地描述现实世界。能够表示实体之间的多种复杂联系。 2、具有良好的性能，存取效率