《数据库系统概述》PPT课件.ppt

数据库技术及应用 第一章 数据库系统概述,1,目录,2,1.1 信息、数据与数据处理,1.1.1 信息与数据 信息和数据是数据处理中的两个基本概念，它们有着不同的含义。 1. 信息(Information) 信息的定义 信息是指数据经过加工后所获取的有用知识，是以某种数据形式表现的。 信息是一种重要的资源，它与能源、材料构成了现代社会的三大支柱。一般认为，信息是关于现实世界事物的存在方式或运动状态反映的综合。,例如，我们在多媒体教室上课，用的投影仪屏幕颜色是白色的，形状是正方形的，尺寸是长、宽均是2.6m，材料是塑料的，这些都是关于投影仪屏幕的信息，是投影仪屏幕存在状态的反映。,3,（2）信息的特征 信息源于物质和能量 如： 信息是可以感知的 如： 信息是可存储、加工、传递和再生的,我们从广播上获得的信息是通过听觉器官来感知的；而从报纸上获得信息则通过视觉器官来感知。,信息可以通过广播、报纸、电视、网络等进行传递。,4,2. 数据（Data） （1）数据的定义：数据是用来记录信息的可识别的符号。 （2）数据的表现形式：数据的表现形式多种多样，不仅包括数字和文字，还包括图形、图像和声音等。 （3）数据的特点：数据与其语义是不可分的 例如：,“2008年北京召开奥运会”，其中的数据“2008”可以改为汉字的“二零零八”，这样同一信息就有不同的数据表现形式。,5,数据举例,学生档案中的学生记录 （李明，男，1972，江苏，计算机系，1990） 数据的形式不能完全表达其内容 数据的解释 语义：学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在系别、入学时间 解释：李明是个大学生，1972年出生，江苏人，1990年考入计算机系,6,3. 数据与信息的联系 联系 数据是信息的物理符号表示或载体 信息是数据的内涵，是对数据的语义解释 区别 信息是人们消化理解了的数据，信息是抽象的，不随数据设备所决定的数据形式而改变 数据的表示方式及存在方式却是客观具体的,7,1.1.2 数据处理 数据处理是将数据转换成信息的过程，包括 对数据的收集、存储、加工、检索和传输等一系 列活动，其目的是从大量的原始数据中抽取和推 导出有价值的信息，作各种应用。 信息、数据与数据处理的关系： 信息=数据+数据处理 数据可以形象化地比喻为原料，是输入；信息就像产品，是输出结果；而数据处理是原料变成产品的过程。,8,1.2 数据库技术的产生、发展与研究领域,9,数据库（举例）,10,1.2.1 数据库技术的产生与发展,随着计算机广泛应用，数据处理量的增长， 产生了数据管理技术。数据管理技术的发展， 与计算机硬件（主要是外部存储器）、系统软 件及计算机应用的范围有着密切的联系。数据 管理技术的发展经历了以下四个阶段：人工管 理阶段、文件系统阶段、数据库阶段和高级数 据库技术阶段。,11,数据管理技术的产生和发展,数据管理技术的发展动力 应用需求的推动 计算机硬件的发展 计算机软件的发展,12,时期 40年代中-50年代中 产生的背景 应用需求 科学计算 硬件水平 无直接存取存储设备 软件水平 没有操作系统 处理方式 批处理,1. 人工管理阶段,13,1. 人工管理阶段,这一阶段的特点： 数据的管理者：应用程序，数据不保存。 数据面向的对象：某一应用程序 数据的共享程度：无共享、冗余度极大 数据的独立性：不独立，完全依赖于程序 数据的结构化：无结构 数据控制能力：应用程序自己控制,14,时期 50年代末-60年代中 产生的背景 应用需求 科学计算、管理 硬件水平 磁盘、磁鼓 软件水平 有文件系统 处理方式 联机实时处理、批处理,2. 文件系统阶段,15,2. 文件系统阶段,特点： 数据的管理者：文件系统，数据可长期保存 数据面向的对象：某一应用程序 数据的共享程度：共享性差、冗余度大 数据的结构化：记录内有结构,整体无结构 数据的独立性：独立性差，数据的逻辑结构改变必须修改应用程序 数据控制能力：应用程序自己控制,16,文件系统中数据的结构,记录内有结构。 数据的结构是靠程序定义和解释的。 数据只能是定长的。 可以间接实现数据变长要求，但访问相应数据的应用程序复杂了。 文件间是独立的，因此数据整体无结构。 可以间接实现数据整体的有结构，但必须在应用程序中对描述数据间的联系。 数据的最小存取单位是记录。,17,时期 60年代末以来 产生的背景 应用背景 大规模管理 硬件背景 大容量磁盘 软件背景 有数据库管理系统 处理方式 联机实时处理,分布处理,批处理,3. 数据库阶段,18,3. 数据库阶段,这一阶段的特点： 数据的管理者：DBMS 数据面向的对象：现实世界 数据的共享程度：共享性高 数据的独立性：高度的物理独立性和一定的 逻辑独立性 数据的结构化：整体结构化 数据控制能力：由DBMS统一管理和控制,19,文件处理系统与数据库处理系统的比较,20,数据库阶段特点,系统提供了四个方面的数据控制功能：数据库的恢复、并发控制、数据完整性和数据安全性。 对数据的操作不一定以记录为单位，还可以数据项为单位。,21,数据库阶段数据库与应用程序的关系可由下图表示：,DBMS,数据库,22,数据的高共享性的好处,降低数据的冗余度，节省存储空间 避免数据间的不一致性 使系统易于扩充,23,数据独立性,物理独立性 指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中数据是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。 逻辑独立性 指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，用户程序也可以不变。,24,数据结构化,整体数据的结构化是数据库的主要特征之一。 数据库中实现的是数据的真正结构化 数据的结构用数据模型描述，无需程序定义和解释。 数据可以变长。 数据的最小存取单位是数据项。,25,DBMS对数据的控制功能,数据的安全性（Security）保护 使每个用户只能按指定方式使用和处理指定数据，保护数据以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。 数据的完整性（Integrity）检查 将数据控制在有效的范围内，或保证数据之间满足一定的关系。,26,DBMS对数据的控制功能,并发（Concurrency）控制 对多用户的并发操作加以控制和协调，防止相互干扰而得到错误的结果。 数据库恢复（Recovery） 将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。,27,数据库技术中的四个名词:,DB：数据库（Database),DB是统一管理的相关数据的集合。 DBMS：数据库管理系统（Database Management System)，DBMS是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，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。,28,数据库技术中的四个名词:,DBS：数据库系统（Database System),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软件、硬件和数据资源组成的系统，即采用了数据库技术的计算机系统。 数据库技术：是一门研究数据库结构、存储、管理和使用的软件学科。,29,4. 高级数据库技术阶段,这一阶段的主要标志是20世纪80年代的分布式数据库系统、90年代的面向对象数据库系统和20世纪的各种新型数据库系统。,30,1.3 数据库系统的组成和结构,1.3.1 数据库系统的组成 数据库系统（Database System）通常由数据库、硬件、软件、用户四部分组成。,用户,软件,硬件,数据库,31,DB,DBMS,DBA,DBAP 1,DBAP 2,DBAP n,Computer System,数据库、数据库管理系统、数据库系统,32,1. 数据库（DB） 一般定义为：存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据的集合。 数据库分为两类，一类是应用数据的集合，称为物理数据库，它是数据库的主体；另一类是各级数据结构的描述，称为描述数据库。 数据库有以下几个特点：,33,（1）数据结构化 在数据库系统中，数据是面向全组织 的复杂的数据结构，数据的结构化是数据 库区别于文件系统的根本特征。 （2）数据共享 数据库系统中的数据可供多个用户、 多种语言和多个应用程序共享，这是数据 库技术的基本特征。,34,（3）数据独立性 数据独立性包括数据的物理独立性和逻辑独立性。 (1)用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库的数据是相互独立的，这就是数据的物理独立性 (2)用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的，这就是数据的逻辑独立性,35,表(Table)/关系(Relation),值域(Domain),列数据的取值范围,关系模式,学生成绩单(班级,课程,学号,姓名,成绩),列(Column)/字段(Field)/ 属性(Attribute)/数据项,列有名称, 有值/数据,码(Key)/关键字,某一列或某几列的数据 能惟一区分开每一行,班级 课程 学号,行(Row)/ 元组(Tuple)/ 记录(Record),返回,Database = table1, table2,tableN Head(tableI) = attribute1, attribute2, , attributeM = attribute1 attribute2 attributeM,示例：数据库及表各部分的名称,36,2. 硬件 计算机系统的硬件包括中央处理器、内存、外存、输入/输出设备等硬件设备。 在数据库系统中特别要关注内存、外存、I/O存取速度、可支持的结点数和性能稳定性等指标，现在还要考虑支持联网的能力和配备必要的后备存储器等因素。 此外，还要求系统有较高的通道能力，以提高数据的传输速度。,37,软件 数据库系统的软件主要包括操作系统(OS)、数据库管理系统(DBMS)、各种宿主语言和应用开发支撑软件等程序。 DBMS是在操作系统的文件系统基础上发展起来的，在操作系统支持下工作，是数据库系统的核心软件。,38,用户 管理、开发和使用数据库系统的用户主要 有数据库管理员、系统分析设计应用程序员和普通用户。 数据库系统中不同人员涉及到不同的数据抽象级别，具有不同的数据视图。 下面简要介绍各种用户：,39,数据库系统用户 （1）,普通用户最终用户 用户是指最终用户（End User）。最终用户通过应用系统的用户接口使用数据库。 1. 偶然用户 不经常访问数据库，但每次访问数据库时往往需要不同的数据库信息 企业或组织机构的高中级管理人员 2. 简单用户 主要工作是查询和更新数据库 银行的职员、机票预定人员、旅馆总台服务员 3. 复杂用户 工程师、科学家、经济学家、科技工作者等 直接使用数据库语言访问数据库，甚至能够基于数据库管理系统的API编制自己的应用程序,40,数据库系统用户 （2）,系统分析、设计、应用程序员 需求分析、系统设计 设计和编写应用系统的程序模块 进行调试和安装,41,数据库系统用户 （3）,数据库管理员（DBA） DBA全面负责管理、控制和维护数据库，使数据能被任何有使用权限的人有效使用，DBA可以是一个人，或几个人组成的一个小组。,42,DBA职责 1,DBA主要有以下职责： 参与数据库设计的全过程，决定整个数据库的结构和信息内容； 帮助终端用户使用数据库系统，如：培训终端用户、解答终端用户日常使用数据库系统时遇到的问题等；,43,DBA职责 2, 定义数据的安全性和完整性，负责分配用户对数据库的使用权限和口令管理等数据库访问策略； 监督控制数据库的使用和运行 周期性转储数据库 数据文件 日志文件 系统故障恢复 介质故障恢复 监视审计文件 改进和重新构造数据库系统。当数据库受到损坏时，应负责恢复数据库；当数据库的结构需要改变时，完成对数据库结构的修改：,44,1.3.2 数据库系统的结构,数据库系统通常采用三级结构：模式、外模式和内模式，在这三级模式之间提供了两级映象：外模式/模式映象、模式/内模式映象，如图所示：,45,数据库系统的三级模式结构,46,模式(Schema) 模式是数据库中全部数据的逻辑结构的描述，是所有概念记录类型的定义(综合了所有用户的需求)，又称概念模式或逻辑模式。 模式定义： 定义数据的逻辑结构，如记录名称、数据项名称、类型、长度、取值范围等 定义数据之间的联系 定义数据有关的安全性和完整性。,47,模式的地位：它与应用程序和高级语言无关，也与物理结构无关。 一个数据库只有一个模式,48,例：学生选课数据库,关系模式集,选修表,课程表,学生表,49,外模式(External Schema) 外模式是指用户（包括应用程序员和最终用户）所看到和使用的数据库，即局部逻辑结构，又称子模式，或用户视图。 一个数据库可以有多个外模式，每个用户都需要通过一个外模式来使用数据库，但不同的用户可以使用同一外模式。 外模式的地位：介于模式与应用之间,50,外模式是数据库系统保证数据库安全性的 一个重要手段：每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据 例如，在学生选课数据库中，用户需要用到外模式成绩G，如下所示:,成绩外模式G(Snum,Sname,Cnum,Score),51,外模式的构造,52,内模式 内模式是对内层数据的物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库文件内部的表示方式： 记录的存储方式（顺序存储，按照B树结构存储，按hash方法存储） 索引的组织方式 数据是否压缩存储 数据是否加密 数据存储记录结构的规定 内模式是用设备介质语言来定义的，又称存储模式，或物理模式。 一个数据库只有一个内模式 内模式对一般用户是透明的。,53,内模式,例如学生记录，如果按堆存储，则插入一条新记录总是放在学生记录存储的最后，如右图所示,54,内模式,如果按学号升序存储，则插入一条记录就要找到它应在的位置插入，如图所示 如果按照学生年龄聚簇存放，假如新插入的S3是16岁，则应插入的位置如图1.29（c）所示,图1.29 记录不同的存储方式示意图,55,主从式结构数据库系统,56,集中式C/S结构数据库系统,57,分布式C/S结构数据库系统,应用程序,PC,PC,PC,PC,服务器群,58,分布式B/S结构数据库系统,浏览器程序,PC,PC,PC,PC,服务器群,WWW服务器,59,1.4 数据库管理系统,数据库管理系统(Database Manage System, 简称DBMS)是数据库系统中对数据进行管理的一组 大型软件系统，它是数据库系统的核心组成部分。 数据库系统的一切操作，包括查询、更新及各种控 制，都是通过DBMS进行的。 目前常用的DBMS有Oracle、DB2、Sybase、 Microsoft SQL Server、FoxPro和Access等。,60,1.4.1 DBMS的主要功能,数据库定义功能 DBMS提供数据定义语言DDL (Data Definition Language)来定义数据库的三级模式，两级映像，定义数据完整性和保密限制等约束。,61,2. 数据库操纵功能 DBMS提供数据操纵语言DML (Data Mani-pulation Language)来实现对数据库的操作， 如查询、插入、修改和删除。,62,DML,DML有两类，一类是嵌入在宿主语言中 的，如嵌入在C、Java、Delphi、PowerBuilder 等高级语言中，这类DML称为宿主型DML；另一 类是可以独立地交互使用的DML，称为自主型或 自含型DML，常用的有Transact SQL、SQL Plus等。,63,数据库保护功能 数据库中的数据是信息社会的战略资源，对数据的保护是至关重要的。 DBMS对数据库的保护主要包括四个方 面：数据安全性控制、数据完整性控制、数据并发控制及数据库的恢复。,64,(1) 数据安全性控制 数据安全性控制是对数据库的一种保护措施。它的作用是防止未被授权的用户破坏或存取数据库中的数据。 用户首先必须向DBMS标识自己，在系统确定有权对指定的数据进行存取时才能存取数据。防止未被授权的用户蓄谋或无意地修改数据是很重要的，否则会导致数据完整性的破坏，从而使企事业单位蒙受巨大的损失。,65,(2) 数据完整性控制 完整性是数据的准确性和一致性的测度。当数据加入到数据库时，对数据的合法性和 一致性的检验将会提