《数据库系统及应用教程》第1章：数据库系统的基本概念

第1章 数据库系统的 基本概念,（时间：2次课，4学时）,第1章 数据库系统的基本概念,教学提示：本章主要对数据库系统的基本概念做介绍，包括数据与信息的概念；数据管理技术的发展阶段；数据模型的两个层次；数据库系统的体系结构及数据库系统的组成。 教学目标：了解数据、信息及其关联与区别；数据管理技术发展的三个阶段及其特点；掌握概念数据模型与结构数据模型的基本概念；掌握数据库系统的三级模式、两级映像及两级独立性。,第1章 数据库系统的基本概念,1.1 信息、数据与数据处理 1.2 数据管理技术的发展 1.3 数据模型 1.4 数据库的体系结构 1.5 数据库系统 1.6 习 题,1.1 信息、数据与数据处理,1.1.1 信息与数据 1.1.2 数据处理,1.1.1 信息与数据,对于信息的定义，从不同角度又有着不同的解释。 一般认为，信息是人们进行各种活动所需要的知识，是现实世界各种状态的反映。 合理利用信息可以增加人们的知识，提高人们对事物的认识能力。 现代社会已进入信息化的时代，不论是生产、科学研究和社会活动，还是个人的生活都离不开信息。,1.1.1 信息与数据,数据是描述信息的符号，数据是信息的载体。 信息和数据都是现象和概念所反映的知识。这是它们的共同点，因此当不需要严格区分时，我们把这两者不加区分地使用，如“数据处理”与“信息处理”是一样的。 信息以数据的形式处理，而处理的结果又可能产生新的信息。,1.1.2 数据处理,数据处理是指对各种形式的数据进行收集、存储、加工和传播的一系列活动的总和。 目的：数据处理从根本上来说是为了借助计算机科学地保存和管理复杂的大量的数据，以便人们能方便而充分地利用这些宝贵的信息资源。 环节：数据的收集、组织、存储、传播、检索、分类等活动是基本环节，这些基本环节统称为数据管理或信息管理。 数据库技术所研究的问题就是如何科学地组织和存储数据，如何高效地获取和处理数据。数据库技术是数据管理的最新技术。数据库系统是当代计算机系统的重要组成部分。,1.2 数据管理技术的发展,1.2.1 人工管理阶段 1.2.2 文件系统阶段 1.2.3 数据库系统阶段,1.2.1 人工管理阶段,在人工管理阶段，数据管理的特点是： (1)数据不保存在机器中。因为计算机主要用于科学计算，一般不需要将数据长期保存。在计算时将数据输入，计算完毕将数据输出。 (2)没有软件系统对数据进行管理。程序员不仅要规定数据的逻辑结构，而且还要在程序中设计物理结构，包括存储结构、存取方法、输入输出方式等。因此程序中存取数据的子程序随着存储结构的改变而改变，使得数据与程序不具有独立性，这样不仅程序员必须花费许多精力在数据的物理布置上，而且一旦数据在存储结构上有一些改变、就必须修改程序。 (3)只有程序的概念，没有文件的概念，数据的组织方式必须由程序员自行设计。 (4)数据是面向应用的。一组数据对应一个程序，即使两个应用程序涉及某些相同的数据，也必须各自定义，所以程序与程序之间有大量重复数据，如图1.1所示。,1.2.1 人工管理阶段,图1.1 人工管理阶段程序与数据的关系,1.2.2 文件系统阶段,文件系统阶段，在这一阶段数据管理有以下几个特点： (1)数据可以长期保存在外存储设备上。由于计算机大量用于数据处理，数据需要长期保留在外存上进行反复处理，即进行查询、修改、插入和删除等操作。 (2)数据的逻辑结构与物理结构有了区别。由于有了数据管理软件，程序和数据之间由软件提供存取方法进行转换，有共同的用于数据查询、修改的管理模块，文件的逻辑结构与存储结构由系统进行转换，使程序与数据有了一定的独立性。这样程序员可以集中精力于算法，而不必过多地考虑物理细节。 (3)文件组织呈现多样化。由于已有了直接存取存储设备，也就有了索引文件、链接文件和直接存取文件等。 (4)数据不再属于某个特定的程序，可以重复使用。但文件结构的设计仍然是基于特定的用途，程序基于特定的存储结构和存取方法，因此程序与数据结构之间的依赖关系并未根本改变。,1.2.2 文件系统阶段,图1.2 文件系统阶段程序与数据的关系,1.2.2 文件系统阶段,文件系统阶段，如下缺陷： 1. 数据冗余度大 2. 数据和程序缺乏独立性 3. 数据间关联弱,1.2.3 数据库系统阶段,数据库系统阶段的管理方式具有以下特点： 1. 面向全组织的复杂的数据结构 2. 数据冗余度小容易扩充 3. 具有较高的数据和程序的独立性 4. 统一的数据控制功能 5. 数据的最小存取单位是数据项,1.2.3 数据库系统阶段,图1.3 数据库系统阶段程序与数据的关系,1.3 数据模型,1.3.1 数据描述的三个领域 1.3.2 数据模型 1.3.3 概念数据模型 1.3.4 结构数据模型,1.3.1 数据描述的三个领域,从事物的特性到计算机中的数据表示，涵盖了三个领域： 现实世界 信息世界 机器世界,1.3.1 数据描述的三个领域,图1.4 三个领域之间术语的对应关系,1.3.2 数据模型,定义： 模型是对现实世界特征的模拟和抽象。数据模型也是一种模型，它是对现实世界数据特征的抽象。 数据模型应满足三个方面的要求：一是能比较真实地模拟现实世界；二是容易被人们理解；三是便于在计算机上实现。 根据模型应用的不同目的，可以将模型分为两类，它们属于两个不同的层次：一是概念数据模型(也称信息模型)，一是结构数据模型。,1.3.2 数据模型,数据模型的三要素： 数据结构 数据操作 完整性约束,1.3.3 概念数据模型,图1.5 现实世界中的客观事物的抽象过程,1.3.3.1 信息世界涉及的主要概念,1. 实体 2. 属性 3. 码 4. 域 5. 实体型 6. 实体集 7. 关联,1.3.3.1 信息世界涉及的主要概念,图1.6 两个实体之间的关联,1.3.3.1 信息世界涉及的主要概念,图1.7 三个实体之间的关系 图1.8 同一实体集内的关系,1.3.3.2 实体关系模型(E-R模型),E-R图中有四个基本成分： (1) 矩形框，表示实体类型(考虑问题的对象)，在框内写上实体名。 椭圆形框，表示实体类型和关联类型的属性，并用无向边把实体与其属性连接起来。例如，学生实体具有学号，姓名、年龄、性别、所在系和专业六个属性。则用E-R图表示如图1.9所示。 菱形框，表示实体间的关系(关系类型)，菱形框内写上关系名，用无向边将菱形分别与有关实体相连接，在无向边旁标上关系的类型。若实体之间关系也具有属性，则把属性和菱形也用无向边连接上。 直线，关系类型与其涉及的实体类型之间以直线连接，并在直线端部标上关系的种类(1:1，1:N，M:N)。,1.3.3.2 实体关系模型(E-R模型),图1.9 学生实体及属性,1.3.3.2 实体关系模型(E-R模型),图1.10 学生与课程关系的E-R图,1.3.3.2 实体关系模型(E-R模型),图1.11 三个实体类型关系的E-R图,1.3.3.2 实体关系模型(E-R模型),图1.12 同一实体类型间关系的E-R图,1.3.4 结构数据模型,结构数据模型分四种： 层次模型 网状模型 关系模型 面向对象模型,1.3.4 结构数据模型层次模型,图1.13 层次模型示例,1.3.4 结构数据模型网状模型,图1.14 网状模型示例,1.3.4 结构数据模型关系模型,表1.1 学生与课程的关系模型示例,1.3.4 结构数据模型面向对象模型,图1.15 面向对象模型示例,1.4 数据库的体系结构,1.4.1 数据库系统的模式结构 1.4.2 三级模式结构 1.4.3 两级模式映像及数据独立性,1.4.1 数据库系统的模式结构,数据库系统的三级模式结构成 : 外模式 模 式 内模式,图1.16 数据库的体系结构,1.4.2 三级模式结构,数据库系统的三级模式结构成 : 1、模式：模式亦称逻辑模式或概念模式，是数据库中全部数据的逻辑表示或描述。它是数据库体系结构中的中间层。数据库管理系统提供模式数据描述语言(模式DDL)来严格地定义这些内容，用模式DDL写出的一个数据库逻辑定义的全部语句，称为某一个数据库的模式。 2、外模式：外模式亦称子模式或用户模式，它是数据库用户(包括应用程序员和最终用户)能够看到和使用的局部逻辑结构和特征的描述，是个别用户的数据视图，是与其应用有关的数据的逻辑表示。数据库管理系统提供外模式数据描述语言(外模式DDL) 。 3、内模式：内模式亦称为物理模式或存储模式，它是全体数据库数据的内部表示或者低层描述，用来定义数据的存储方式和物理结构。一个数据库只有一个内模式。内模式通常用内模式数据描述语言(内模式DDL，亦称存储模式DDL)来描述和定义。,1.4.3 两级模式映像及数据独立性,1. 两级模式映像： (1) 外模式/模式映像。模式描述是数据库数据的全局逻辑结构，外模式描述的是数据的局部逻辑结构。对应于同一个模式，可以有任意多个外模式。对于每一个外模式，数据库管理系统都有一个外模式/模式的映像，它定义该外模式和模式之间的对应关系，这些映像定义通常包含在各自的外模式中。 (2) 模式/内模式映像。数据库中只有一个模式，也只有一个内模式，所以模式/内模式映像只有一个，它定义数据的全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系(例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的)。该映像定义通常包含在模式描述部分。,1.4.3 两级模式映像及数据独立性,2. 两级数据独立性： (1) 物理独立性。如果数据库的内模式要进行改变，即数据库的存储设备和存储方法有所变化，那么模式/内模式的映像也必须作相应的修改(这是DBA的责任)，使模式尽可能保持不变，通过外模式/模式的映像可以使外模式不变，因而应用程序可以保持不变，称数据库达到了物理数据独立性。 (2) 逻辑独立性。如果数据库的模式要进行改变，例如增加记录类型或增加数据项，那么外模式/模式的映像也必须作相应的修改(这也是DBA的责任)，使得外模式尽可能保持不变，因而应用程序可以保持不变，称数据库达到了逻辑数据独立性。,1.5 数据库系统,1.5.1 数据库系统的组成 1.5.2 数据库管理系统(DBMS) 1.5.3 数据库管理员,1.5.1 数据库系统的组成,数据库系统组成 : 1. 数据库(DB) 2. 计算机硬件 3. 计算机软件 4. 数据库用户,1.5.1 数据库系统的组成,图1.17 数据库系统的体系结构,1.5.1 数据库系统的组成,图1.18 各种用户的数据视图,1.5.2 数据库管理系统(DBMS),包括以下几个功能: 1. 数据库定义功能 2. 数据库操纵功能 3. 数据控制功能 4. 数据的服务功能,1.5.3 数据库管理员,数据库管理员（DBA）的主要职责： 1. 决定数据库的信息内容和结构 2. 决定数据库的存储结构和存取策略 3. 定义数据库的安全性要求和完整性约束条件 4. 监督和控制数据库的使用和运行 5. 数据库系统的性能改进 6. 数据库系统的重组,1.6 习 题,4.8.1 填空题 4.8.2 选择题 4.8.3 简答题,4.8.1 填空题,(1) 一台机器可以加工多种零件，一种零件可以在多台机器上加工，机器和零件之间为_的关系。 (2) 在层次模型和网状模型中，数据之间的关系是通过_来实现的。 (3) 关系模型用_的数据来表示和实现实体间的关系。 (4) _是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。 (5) 数据独立性分为_和_两级。,1.6.2 选择题,(1) 数据模型有3个要素，其中用于描述系统静态特性的是( )。 A. 数据结构 B. 数据操作 C. 数据完整性约束 D. 数据模型 (2) 用树型结构来表示实体之间关系的结构数据模型称为( )。 A. 关系模型 B. 层次模型 C. 网状模型 D. 面向对象模型 (3) 下列实体类型的关系中，一对多关系的是( )。 A. 学生与课程的选课关系 B. 部门与职工的关系 C. 省与省会的关系 D. 顾客与商品的购买关系 (4) 数据