01第一讲 数据库系统概论.doc

福州大学专升本辅导数据库系统概论 陈志伟第一讲 数据库系统概论1.1 数据库系统概论1.1.1区分数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统（1）数据（Data）：数据库中存储的基本对象。数据的解释是指对数据含义的说明。数据的含义称为数据的语义。例：（李明，男，21，1972，江苏，计算机系，1990）（2）数据库（DataBase,DB）:长期存储在在计算机内的、有组织、可共享的数据集合。（3）数据库管理系统（DataBase Management System,DBMS）：数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。A、数据定义功能（Data Definition Language,DDL）。Create Alter DropB、数据操纵功能（Data Manipulation Language,DML）。Select Insert Update DeleteC、数据库的运行管理：统一管理，统一控制，以保证数据的安全性、完整性、多用户对沪剧的并发使用以及故障恢复。D、数据库的建立和维护功能：数据传输、转换功能、转存恢复功能。性能监视、分析。（4）数据库系统（DataBase System,DBS）：在计算机系统中引入数据库后的系统，一般由数据库、数据库管理系统及开发工具、应用系统、数据管理员和用户构成。一般把数据库系统简称为数据库。 数据库系统 数据库系统在计算机系统中的地位1.1.2 数据管理技术的产生和发展（1）人工管理阶段（20世纪50年代中期以前）背景：计算机主要用于科学计算（数据量小、结构简单，如高阶方程、曲线拟和等）。外存只有磁带、卡片、纸带等，没有磁盘等直接存取设备。没有操作系统，没有数据管理软件（用户用机器指令编码）。特点：用户负责数据的组织、存储结构、存取方法、输入输出等细节。数据完全面向特定的应用程序，每个用户使用自己的数据，数据不保存，用完就撤走。数据与程序没有独立性，程序中存取数据的子程序随着存储结构的改变而改变。（画图示例）应用程序1数据集1应用程序2数据集2（2）文件系统阶段（50年代后期-60年代中期）背景：计算机不但用于科学计算，还用于管理。外存有了磁盘、磁鼓等直接存取设备。有了专门管理数据的软件，一般称为文件系统，包括在操作系统中。特点：系统提供存取方法（索引文件、链接文件、直接存取文件、倒排文件等），支持对文件的基本操作（增、删、改、查等），用户程序不必考虑物理细节。数据的存取基本上以记录为单位。一个数据文件对应一个或几个用户程序，还是面向应用的。数据与程序有一定的独立性，因为文件的逻辑结构与存储结构由系统进行转换，数据在存储上的改变不一定反映在程序上。（画图示例）存在问题：数据与程序的独立性差：文件系统的出现并没有从根本上改变数据与程序紧密结合的状况。文件系统只是解脱了程序员对物理设备存取的负担，它并不理解数据的语义，只负责存储。数据的语义信息只能由程序来解释，也就是说，数据收集以后怎么组织，以及数据取出来之后按什么含义应用，只有全权管理它的程序知道。数据的逻辑结构改变则必须修改应用程序。一个应用若想共享另一个应用生成的数据，必须同另一个应用沟通，了解数据的语义与组织方式。数据的冗余度大：数据仍然是面向应用的。当不同应用程序所需要的数据有部分相同时，也必须建立各自的文件，而不能共享相同的数据。数据分散管理。数据的不一致性：由于数据存在很多副本，给数据的修改与维护带来了困难，容易造成数据的不一致性。应用程序1应用程序2文件系统文件1文件2（3）数据库系统阶段（60年代后期开始）背景：计算机管理的数据量大，关系复杂，共享性要求强（多种应用、不同语言共享数据）。外存有了大容量磁盘，光盘。软件价格上升，硬件价格下降，编制和维护软件及应用程序成本相对增加，其中维护的成本更高，力求降低。特点：有了数据库管理系统。面向全组织，面向现实世界。独立性较强。由DBMS统一存取，维护数据语义及结构数据库观点：数据不是依赖于处理过程的附属品，而是现实世界中独立存在的对象。（画图示例）应用程序1应用程序2应用程序3数据库管理系统数据库1.1.3 数据库系统 VS 文件系统文件系统数据管理应用应用文件系统应用数据管理应用数据管理文件系统的弱点：文件之间无联系，难于维护数据的完整性。数据库系统的用武之地：有查询，数据复杂效率两面观：运行效率，开发效率1.1.4 数据库系统的特点（与文件系统比较）（1）面向全组织的复杂的数据结构：支持全企业的应用而不是某一个应用。数据反映了客观事物间的本质联系，而不是着眼于面向某个应用，是有结构的数据。这是数据库系统的主要特征之一，与文件系统的根本差别。文件系统只是记录的内部有结构，一个文件的记录之间是个线性序列，记录之间无联系。（2）数据的冗余度小，易扩充：数据面向整个系统，而不是面向某一应用，数据集中管理，数据共享，因此冗余度小。节省存储空间，减少存取时间，且可避免数据之间的不相容性和不一致性。每个应用选用数据库的一个子集，只要重新选取不同子集或者加上一小部分数据，就可以满足新的应用要求，这就是易扩充性。（3）具有较高的数据和程序的独立性：数据与程序相对独立，把数据库的定义和描述从应用程序中分离出去。描述又是分级的（全局逻辑、局部逻辑、存储），数据的存取由系统管理，用户不必考虑存取路径等细节，从而简化了应用程序。A、数据独立性：当数据的结构发生变化时，通过系统提供的映象（转换）功能，使应用程序不必改变。B、数据的物理独立性：当数据的存储结构改变时，通过数据的存储结构与逻辑结构之间的映象，数据的逻辑结构可以保持不变，从而应用程序也不必改变。C、数据的逻辑独立性：当数据的总体逻辑结构改变时，通过数据的总体逻辑结构与局部逻辑结构之间的映象，数据的局部逻辑结构可以保持不变，从而应用程序也不必改变。数据独立性是由DBMS的二级映象功能来保证的。（4）统一的数据控制功能，数据共享程度高A、数据的安全性控制（Security）：保护数据以防止不合法的使用所造成的数据泄露和破坏。措施：用户标识与鉴定，存取控制。B、数据的完整性控制（Integrity）：数据的正确性、有效性、相容性。措施：完整性约束条件定义和检查。C、并发控制（Concurrency）：对多用户的并发操作加以控制、协调，防止其互相干扰而得到错误的结果并使数据库完整性遭到破坏。措施：封锁。D、数据库恢复技术。12数据模型与数据抽象数据模型是一种模型，是现实世界数据特征的抽象。121数据模型定义应用概念数据模型结构数据模型 数据模型就是现实世界的模拟。122 数据模型数据模型：是数据库系统中用于提供信息表示和操作手段的形式构架。123 数据模型的三要素（1）数据结构：描述系统的静态特性，即组成数据库的对象类型。包括：数据本身：类型、内容、性质。如网状模型中的数据项、记录，关系模型中的域、属性，关系等。数据之间的联系：例如网状模型中的系型（Set Type）在数据库系统中一般按数据结构的类型来命名数据模型，如：“层次结构、网状结构、关系结构。（2）数据操纵：描述系统的动态特性，即对数据库中对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及操作规则。一般有检索、更新、插入、删除操作。数据模型要定义操作含义、操作符号、操作规则，以及实现操作的语言。（3）完整性约束：数据的约束条件是完整性规则的集合，规定数据库状态及状态变化所应满足的条件，以保证数据的正确、有效、相容。124 数据抽象信息世界:数据库系统是面向计算机的，而应用是面向现实世界的，两个世界存在着很大差异，要直接将现实世界中的语义映射到计算机世界是十分困难的，因此引入一个信息世界作为现实世界通向计算机实现的桥梁。一方面，信息世界是对现实世界的抽象，从纷繁的现实世界中抽取出能反映现实本质的概念和基本关系;另一方面，信息世界中的概念和关系，要以一定的方式映射到计算机世界中去，在计算机系统上最终实现。信息世界起到了承上启下的作用。模型分为两大类：1类是概念模型，2是数据模型。概念化现实世界信息世界计算机世界形式化125 数据库系统模式模式：是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，仅仅涉及到“型“，不涉及到具体的值，是相对稳定的。型与值的区别：型是指对某一类数据的结构和属性的说明，值是型的一个具体的赋值。（举例）元数据（meta-data)/ 数据字典：描述数据的数据。例：身份证，文献索引。13概念模型131 概念模型概念数据模型：按用户的观点来对数据和信息建模。用于组织信息世界的概念，表现从现实世界中抽象出来的事物以及它们之间的联系。这类模型强调其语义表达能力，概念简单、清晰，易于用户理解。它是现实世界到信息世界的抽象，是用户与数据库设计人员之间进行交流的语言。如E-R模型。（1） 实体(entity)：客观存在并且可以相互区别的事物。（2） 属性(attribute)：实体所具有的某一特性。（3） （主）码(key)：唯一标识实体的属性集。Primary Key(PK)（4） 域（Domain）：属性的取值范围称为该属性的域。（5） 实体型（entry type）：用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体。 例：学生（学号，姓名，性别，出生日期）（6） 实体集（entry set）：同型实体的集合称为实体集。例：全体学生。（7） 联系（Relationship）:组成实体的各属性之间的联系。（8）元组：表中的一行。（9）分量：元组中的某一个属性值。（10）外码：参考到其他表的属性列。对应关系：1:1 1:N N:M1.3.2 概念模型表示方法实体型：用矩型表示，矩型内写名实体名。属性：用椭圆表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来。联系：用菱型表示，菱形内写明联系名。如果一个联系也具有属性，则这些属性也要用无向边联系。学生课程选修学号姓名系别课程名主讲老师成绩实体联系属性ProductPersonCompanycategorynamepricenamestockpricenameaddressssnbuysworksFormadeByemploysmakes类关联属性14数据模型141 常用数据模型（1）层次模型：用树结构表示实体之间联系的模型叫层次模型。树由节点和连线组成，节点代表实体型，连线表示两实体型间的一对多联系。树有以下特性：有且仅有一个节点，无父节点，此节点称为树的根（Root）。树中的其它节点都有且仅有一个父节点。父节点，子节点，根节点系教研室班教员实验员学生优点：结构简单，易于实现。缺点：支持的联系种类太少，只支持二元一对多联系。数据操纵不方便，子结点的存取只能通过父结点来进行。代表产品：IBM的IMS数据库，1969年研制成功。（2）网状模型是一个满足下列条件的有向图：可以有一个以上的节点无父节点。至少有一个节点有多于一个的父节点（排除树结构）。科室医生病房病人特点：表达的联系种类丰富。结构复杂。（3）关系模型用二维表来表示实体及其相互联系姓名学号年龄系别张三101男计算机系李四201男数学系王五302女物理系优点：简单，表的概念直观，用户易理解。非过程化的数据请求，数据请求可以不指明路径。数据独立性，用户只需提出“做什么”，无须说明“怎么做”。坚实的理论基础。14数据库系统结构141数据库系统的三级模式结构模式的分级：为了提高数据的物理独立性和逻辑独立性，使数据库的用户观点，即用户看到的数据库，与数据库的物理方面，即实际存储的数据库区分开来，数据库系统的模式是分级的。数据库系统三级模式结构：CODASYL（Conference On Data System Language,美国数据系统语言协商会）提出 外模式（用户模式，子模式）、模式（概念模式）、内模式（存储模式）三级模式的概念。三级模式之间有两级映象。数据库内模式模 式外模式2外模式1外模式3应用A应用B应用C应用D应用E外模式/模式映象模式/内模式映象模式(Schema)：也称逻辑模式。所有用户的公共数据视图。是数据库中全体数据的全局逻辑结构和特性的描述。不涉及具体的物理存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序无关。一个数据库只有一个模式。外模式(Sub-Schema)（用户模式，子模式）：用户的数据视图。是数据的局部逻辑结构，模式的子集，有力的控制安全性。内模式(Storage Schema)：又称存储模式。数据的物理结构及存储方式。（举例）142 数据库二级映象功能外模式/模式映象：定义某一个外模式和模式之间的对应关系，映象定义通常包含在各外模式中。当模式改变时，修改此映象，使外模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为逻辑独立性。模式/内模式映象：定义数据逻辑结构与存储结构之间的对应关系。存储结构改变时，修改此映象，使模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为物理独立性。143 ANSI/X3/SPARC(75,78)提出SPARC报告，其ANSI模型分为外部级、概念级、内部级。概念视图存储视图用户视图2用户视图3用户视图115 数据库系统的构成151 几个相关概念数据库：数据的集合。由DBMS统一管理，多用户共享。数据库管理系统DBMS：系统软件，对数据库进行统一管理和控制。数据库系统：带有数据库的整个计算机系统，包括硬件、软件、数据、人员。152 数据库系统的软硬件层次硬件操作系统DBMS，编译系统应用开发工具软件应用系统PB,VB,VCDelphiOracle,Db2,Sybase,SQL Server,Informix153 数据库系统的主要成分硬件：内存大，放得下OS，DBMS核心，系统缓冲区，用户工作区等；大容量、直接存取的外存设备；作数据备份的磁带。软件：OS，DBMS，高级语言编译系统及其与数据库的接口，应用开发工具，应用系统。数据：包括目标数据（数据本身）及描述数据（对数据的说明信息）。用户：最终用户：通过应用系统的用户接口（菜单等）使用数据库。应用程序员：基于外模式来编写应用程序。系统分析员：负责应用系统的需求分析和规范定义，确定系统的软硬件配置，参与数据库模式设计。数据库管理员DBA：负责数据库的全面管理和控制。154 DBA的重要性：重要资源，维护整个组织的信息资源。共享资源，多用户共享，需要统一管理、协调、监控。155 DBA职责建库方面：确定模式、外模式、存储结构、存取策略、负责数据的整理和装入。用库方面：定义完整性约束条件，规定数据的保密级别、用户权限，监督和控制数据库的运行情况，制定后援和恢复策略，负责故障恢复。改进方面：(1)监督分析系