《数据库概论》PPT课件.ppt

第1章 数据库概论,本章的重要概念（一）,（1）DB、DBMS和DBS的定义 （2）数据管理技术的发展阶段 人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系统阶段和高级数据库技术阶段等各阶段的特点。 （3）数据描述 概念设计、逻辑设计和物理设计等各阶段中数据描述的术语，概念设计中实体间二元联系的描述（1:1，1:N，M:N）。,本章的重要概念（二）,（4）数据模型 数据模型的定义，两类数据模型，逻辑模型的形式定义，ER模型，层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型的数据结构以及联系的实现方式。 （5）DB的体系结构 三级结构，两级映象，两级数据独立性，体系结构各个层次中记录的联系。 （6）DBMS DBMS的工作模式、主要功能和模块组成。 （7）DBS DBS的组成，DBA，DBS的全局结构，DBS结构的分类。,前 言,从20世纪50年代中期开始，计算机的应用由科学研究部门逐渐扩展到企业、行政部门。至60年代，数据处理已成为计算机的主要应用。在60年代末，数据库技术作为数据处理中的一门新技术发展起来的。经过30多年的发展，数据库技术已是计算机软件领域的一个重要分支，形成了较为完整的理论体系和实用技术。本章先回顾数据管理技术的发展过程，然后介绍数据库中的基本概念，以使读者对数据库的概貌有所了解。,1.1 引言,1963年，美国Honeywell公司的IDS（Integrated Data Store）系统投入运行，揭开了数据库技术的序幕。 20世纪70年代是数据库蓬勃发展的年代，网状系统和层次系统占据了整个数据库商用市场，而关系系统仅处于实验阶段。 20世纪80年代，关系系统由于使用简便以及硬件性能的改善，逐步代替网状系统和层次系统占领了市场。 20世纪90年代，关系数据库已成为数据库技术的主流。 进入21世纪以后，无论是市场的需求还是技术条件的成熟，对象数据库技术、网络数据库技术的推广和普及已成定局。,1.1.1 数据和信息,数据是数据库系统研究和处理的对象。数据与信息十分不开的，它们既有联系又有区别。 所谓数据，通常指用符号记录下来的、可以识别的信息。 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。,1.1.2 数据处理与数据管理,数据处理是指从某些已知的数据出发，推导加工出一些新的数据，这些新的数据又表示了新的信息。 数据管理是指数据的收集、整理、组织、存储、维护、检索、传送等操作，这部分操作是数据处理业务的基本环节，而且是任何数据处理业务中必不可少的共有部分。 数据处理是与数据管理相联系的，数据管理技术的优劣，将直接影响数据处理的效率。,1.1.3 数据库技术的基本术语（一）,定义1.1 数据库（Database，简记为DB）DB是长期存储在计算机内、有组织的、统一管理的相关数据的集合。DB能为各种用户共享，具有较小冗余度、数据间联系紧密而又有较高的数据独立性等特点。,1.1.3 数据库技术的基本术语（二）,定义1.2 数据库管理系统（Database Management System，简记为DBMS）DBMS是位于用户与操作系统（OS）之间的一层数据管理软件，它为用户或应用程序提供访问DB的方法，包括DB的建立、查询、更新及各种数据控制。DBMS总是基于某种数据模型，可以分为层次型、网状型、关系型和面向对象型等。,DBMS,OS,DB,用户,1.1.3 数据库技术的基本术语（三）,定义1.3 数据库系统（Database System，简记为DBS） DBS是实现有组织地、动态地存储大量关联数据、方便多用户访问的计算机硬件、软件和数据资源组成的系统，即它是采用数据库技术的计算机系统。 定义1.4 数据库技术是研究数据库的结构、存储、设计、管理和使用的一门软件学科。,1.2 数据库的由来和发展,磁盘容量的发展 数据管理技术的发展经历了人工管理、文件系统、数据库阶段和高级数据库阶段。,1.2.1 人工管理阶段,在人工管理阶段（20世纪50年代中期以前），计算机主要用于科学计算，其他工作还没有展开。外部存储器只有磁带、卡片和纸带等，还没有磁盘等字节存取存储设备。软件只有汇编语言，尚无数据管理方面的软件。数据处理的方式基本上是批处理。 人工管理阶段的数据管理有下列特点： 数据不保存在计算机内。 没有专用的软件对数据进行管理。 只有程序（program）的概念，没有文件（file）的概念。数据的组织方式必须由程序员自行设计与安排。 数据面向程序。即一组数据对应一个程序。,1.2.2 文件系统阶段（一）,在这一阶段（20世纪50年代后期至60年代中期），计算机不仅用于科学计算，还用于信息管理。随着数据量的增加，数据的存储、检索和维护问题成为紧迫的需要，数据结构和数据管理技术迅速发展起来。此时，外部存储器已有磁盘、磁鼓等直接存取存储设备。软件领域出现了高级语言和操作系统。操作系统中的文件系统是专门管理外存的数据管理软件。数据处理的方式有批处理，也有联机实时处理。,1.2.2 文件系统阶段（二）,文件系统阶段的数据管理有以下特点： 数据以“文件”形式可长期保存在外部存储器的磁盘上。 数据的逻辑结构与物理结构有了区别，但比较简单。 文件组织已多样化。有索引文件、链接文件和直接存取文件等。 数据不再属于某个特定的程序，可以重复使用，即数据面向应用。 对数据的操作以记录为单位。 随着数据管理规模的扩大，数据量急剧增加，文件系统显露出三个缺陷： 数据冗余（redundancy） 数据不一致（inconsistency） 数据联系弱（poor data relationship）,1.2.3 数据库阶段（一）,数据管理技术进入数据库阶段的标志是20世纪60年代末的三件大事： 1968年美国IBM公司推出层次模型的IMS系统 。 1969年美国CODASYL组织发布了DBTG报告，总结了当时各式各样的数据库，提出网状模型。 1970年美国IBM公司的E.F.Codd 连续发表论文，提出关系模型，奠定了关系数据库的理论基础。,1.2.3 数据库阶段（二）,数据库阶段的数据管理具有以下特点： 采用数据模型表示复杂的数据结构。 有较高的数据独立性。 数据库系统为用户提供了方便的用户接口。 数据库系统提供以下四方面的数据控制功能：数据库的并发控制，数据库的恢复，数据的完整性和数据安全性。 增加了系统的灵活性,1.2.3 数据库阶段（三）,数据库系统的结构,1.2.3 数据库阶段（四）,程序和数据间的联系 文件系统阶段信息处理的传统方式,1.2.3 数据库阶段（五）,数据库阶段信息处理方式的演变,1.2.4 高级数据库技术阶段（一）,分布式数据库系统主要有下面三个特点 数据库的数据物理上分布在各个场地，但逻辑上是一个整体。 每个场地既可以执行局部应用（访问本地DB），也可以执行全局应用（访问异地DB）。 各地的计算机由数据通信网络相联系。本地计算机单独不能胜任的处理任务，可以通过通信网络取得其它DB和计算机的支持。,1.2.4 高级数据库技术阶段（二）,分布式数据库系统,1.2.4 高级数据库技术阶段（三）,对象数据库系统主要有以下两个特点 对象数据模型能完整地描述现实世界地数据结构，能表达数据间嵌套、递归的联系。 具有面向对象技术的封装性（把数据与操作定义在一起）和继承性（继承数据结构和操作）的特点，提高了软件的可重用性。 网络数据库系统,1.3 数据描述,在数据处理中，数据描述将涉及到不同的范畴。从事物的特性到计算机中的具体表示，实际上经历了三个阶段概念设计中的数据描述、逻辑设计中的数据描述和物理设计中的数据描述。本节先介绍这三个阶段的数据描述，再介绍数据之间联系如何描述。,1.3.1 概念设计中的数据描述,实体（entity）：客观存在，可以相互区别的事物称为实体。 实体集（entity set）：性质相同的同类实体的集合，称为实体集。 属性（attribute）：实体有很多特性，每一个特性称为属性。每一个属性有一个值域，其类型可以是整数型、实数型、字符串型等。 实体标识符（identifier）：能惟一标识实体的属性或属性集，称为实体标识符。有时也称为关键码（key），或简称为键。,1.3.2 逻辑设计中的数据描述（一）,字段（field）：标记实体属性的命名单位称为字段，或数据项。它是可以命名的最小信息单位，所以又称为数据元素或初等项。 记录（record）：字段的有序集合称为记录。 文件（file）：同一类记录的集合称为文件。 关键码（key）：能惟一标识文件中每个记录的字段或字段集，称为记录的关键码（简称为键）。,1.3.2 逻辑设计中的数据描述（二）,术语的对应关系,1.3.3 物理设计中的数据描述,位（bit，比特）：一个二进制位称为“位”。一位只能取0或1两个状态。 字节（byte）：8个比特称为一个字节，可以存放一个字符所对应的ASCII码。 字（word）：若干个字节组成一个字。一个字所含的二进制位的位数称为字长。 块（block）：又称为物理块或物理记录。块是内存和外存交换信息的最小单位，每块的大小，通常为210214字节。 桶（bucket）：外存的逻辑单位，一个桶可以包含一个物理块或多个在空间上不一定连续的物理块。 卷（volume）：一个输入输出设备所能装载的全部有用信息，称为“卷”。,1.3.4 数据联系的描述（一）,定义1.5 联系（relationship）是实体之间的相互关系。与一个联系有关的实体集个数，称为联系的元数。 定义1.6 二元联系有以下三种类型： 一对一联系：如果实体集E1中每个实体至多和实体集E2中的一个实体有联系，反之亦然，那么实体集E1和E2的联系称为“一对一联系”，记为“1:1”。 一对多联系：如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意个（零个或多个）实体间有联系，而E2中每个实体至多和E1中一个实体有联系，那么称E1对E2的联系是“一对多联系”，记为“1:N”。 多对多联系：如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联系，反之亦然，那么称E1和E2的联系是“多对多联系”，记为“M:N”。,1.3.4 数据联系的描述（一）,例1.1,1.3.4 数据联系的描述（一）,例1.1,图1.10 多对多联系,1.3.4 数据联系的描述（二）,例1.2,图1.11 三元联系,图1.12 一元联系,1.4 数据模型的定义,定义1.7 数据模型的简单定义: 能表示实体类型及实体间联系的模型称为“数据模型”。概念数据模型和逻辑数据模型。 定义1.8 逻辑数据模型应包含数据结构、数据操作和数据完整性约束三个部分： 数据结构是指对实体类型和实体间联系的表达和实现； 数据操作是指对数据库的检索和更新（包括插入、删除和修改）两类操作； 数据完整性约束给出数据及其联系应具有的制约和依赖规则。,1.4.2实体联系模型（一）,定义1.9，ER图有三个基本成分： 矩形框，用于表示实体类型（考虑问题的对象）。 菱形框，用于表示联系类型（实体间联系）。 椭圆形框，用于表示实体类型和联系类型的属性。,1.4.2实体联系模型（二）,例1.3 首先确定实体类型。本问题有三个实体类型：零件PART，工程项目PROJECT，零件供应商SUPPLIER。 确定联系类型。PROJECT和PART之间是M:N联系，PART和SUPPLIER之间也是M:N联系，分别命名为P_P和P_S. 把实体类型和联系类型组合成ER图。 确定实体类型和联系类型的属性。 确定实体类型的键，在ER图中属于码的属性名下画一条横线。,1.4.2实体联系模型（三）,图1.14,图1.14 ER图实例,1.4.2实体联系模型（四）,例1.4,M,M,N,N,P,图1.15 三元联系,图1.16 一元联系,1.4.3 层次模型,用树型（层次）结构表示实体类型及实体间联系的数据模型称为层次模型（ Hierarchical Model）。 层次模型的特点是记录之间的联系通过指针来实现，查询效率较高。与文件系统的数据管理方式相比，层次模型是一个飞跃，用户和设计者面对的是逻辑数据而不是物理数据，用户不必花费大量的精力考虑数据的物理细节。逻辑数据与物理数据之间的转换由DBMS完成。 层次模型有两个缺点：一是只能表示1:N联系，虽然系统有多种辅助手段实现M:N联系但较复杂，用户不易掌握；二是由于层次顺序的严格和复杂，引起数据的查询和更新操作很复杂，因此应用程序的编写也比较复杂。,1.4.4 网状模型,用有向图结构表示实体类型及实体间联系的数据模型称为网状模型（network model）。 网状模型的特点是记录之间联系通过指针实现，M:N联系也容易实现（一个M:N联系可拆成两个1:N联系），查询效率较高。 网状模型的缺点是数据结构复杂和编程复杂。,1.4.5关系模型（一）,关系模型（Relational Model）的主要特征是用二维表格表达实体集。 与前两种模型相比，数据结构简单，容易为初学者理解。 关系模型是由若干个关系模式组成的集合。 关系模式相当于前面提到的记录类型，它的实例称为关系，每个关系实际上是一张二维表格。,1.4.5关系模型（二）,例1.7,图1.21 关系模型的例子,PART模式 （P#，PNAME，COLOR，WEIGHT） PROJECT模式 （J#，JNAME，DATE） SUPPLIER模式 （S#，SNAME，SADDR） P_P模式 （J#，P#，TOTAL） P_S模式 （P#，S#，QUANTITY）,1.4.5关系模型（三）,100,S2,P4,BEIJING,FADC,S2,300,S2,P3,SHANGHAI,PICC,S1,150,S1,P2,SADDR,SNAME,S#,200,S2,P2,SUPPLIER,关系,100,S1,P1,91,-,3,JC,J3,QUANTITY,S#,P#,90.5,JB,J2,P_S,关系,89.1,JA,J1,18,P3,J1,DATE,JNAME,J#,25,P3,J2,PROJECT,关系,65,P2,J1,19,RED,SCREW,P4,6,P3,J3,12,RED,NUT,P3,15,P2,J2,17,GREEN,BOLT,P2,50,P1,J1,14,BLUE,SCREW,P1,TOTAL,P#,J#,WEIGHT,COLOR,PNAME,P#,P_P,关系,PART,关系,100,S2,P4,BEIJING,FADC,S2,300,S2,P3,SHANGHAI,PICC,S1,150,S1,P2,SADDR,SNAME,S#,200,S2,P2,SUPPLIER,关系,100,S1,P1,91,-,3,JC,J3,QUANTITY,S#,P#,90.5,JB,J2,P_S,关系,89.1,JA,J1,18,P3,J1,DATE,JNAME,J#,25,P3,J2,PROJECT,关系,65,P2,J1,19,RED,SCREW,P4,6,P3,J3,12,RED,NUT,P3,15,P2,J2,17,GREEN,BOLT,P2,50,P1,J1,14,BLUE,SCREW,P1,TOTAL,P#,J#,WEIGHT,COLOR,PNAME,P#,P_P,关系,PART,关系,1.4.6 对象模型（一）,对象（object）是现实世界中实体的模型化，与实体概念相仿，但远比实体复杂。 将属性集和方法集相同的所有对象组合在一起，构成了一个类（class）。,1.4.6 对象模型（二）,图1.24 四种逻辑数据模型的比较,1.5.1 数据库的三级体系结构（一）,图1.25 三级模式结构,1.5.1 数据库的三级体系结构（二）,数据的三级抽象术语,图1.26 数据抽象的术语,1.5.1 数据库的三级体系结构（三）,1.5.2 体系结构中的五个要素,定义1.10 概念模式（conceptnal schema）是数据库中全部数据的整体逻辑结构的描述。 定义1.11 外模式（external schema）是用户与数据库系统的接口，是用户用到的那部分数据的描述。 定义1.12 内模式（internal schema）是数据库在物理存储方面的描述，定义所有内部记录类型、索引和文件的组织方式，以及数据控制方面的细节。 定义1.13 模式内模式映象存在于概念级和内部级之间，用于定义概念模式和内模式之间的对应性。 定义1.14 外模式模式映象存在于外部级和概念级之间，用于定义外模式和概念模式之间的对应性。,1.5.3 两级数据独立性,定义1.15 数据独立性（data independence）是指应用程序和数据库的数据结构之间相互独立，不受影响。 数据独立性分成物理数据独立性和逻辑数据独立性两个级别。,1.5.4 用户与用户界面,定义1.16 用户是指使用数据库的应用程序或联机终端用户。 定义1.17 用户界面是用户和数据库系统之间的一条分界线，在界限下面，用户是不可知的。用户界面定在外部级上，用户对于外模式是可知的。,1.6.1 DBMS的工作模式（一）,接受应用程序的数据请求和处理请求 将用户的数据请求（高级指令）转换成复杂的机器代码（低层指令） 实现对数据库的操作 从对数据库的操作中接受查询结果 对查询结果进行处理（格式转换） 将处理结果返回给用户,图1.29 DBMS的工作模式,1.6.1 DBMS的工作模式（二）,用户访问数据的过程,图1.30 用户访问数据的过程,1.6.2 DBMS的主要功能,数据库的定义功能 数据库的操纵功能 数据库的保护功能 数据库的维护功能 数据字典,1.6.3 DBMS的模块组成,查询处理器有四个主要成分：DDL编译器，DML编译器，嵌入式DML的预编译器及查询运行核心程序。 存储管理器有四个主要成分：权限和完整性管理器，事务管理器，文件管理器及缓冲区管理器。,1.7.1 DBS的组成（一）,DBS是采用了数据库技术的计算机系统。DBS是一个实际可运行的，按照数据库方法存储、维护和向应用系统提供数据支持的系统，它是数据库、硬件、软件和数据库管理员的集合体。 DB是与一个企业组织各项应用有关的全部数据的集合。 定义1.18 DBA是控制数据整体结构的一组人员，负责DBS的正常运行，承担创建、监控和维护数据库结构的责任。,1.7.1 DBS的组成（二）,DBA的主要职责有以下六点： 定义模式 定义内模式 与用户的联络。包括定义外模式、应用程序的设计、提供技术培训等专业服务。 定义安全性规则，对用户访问数据库的授权。 定义完整性规则，监督数据库的运行。 数据库的转储与恢复工作。,1.7.2 DBS的全局结构（一）,图1.31 DBS的全局结构,1.7.2 DBS的全局结构（二）,数据库用户 DBMS的查询处理器 DBMS的存储管理器 磁盘存储器中的数据结构,1.7.3 DBS结构的分类,集中