第1章概述.ppt

课程简介 现代信息社会需要大学生具有良好的信息素养 信息素养主要体现在以下方面 对信息的敏感性对信息收集 整理的意识和方法对信息分析和利用的习惯今天 国家之间的竞争 企业之间的竞争很大程度上体现在对信息技术 信息人才的竞争 这也就是很多用人单位要看你计算机水 课程简介 平的原因 如果你想在未来的竞争中取得优势 那么你就必须具有良好的信息素养 数据库技术是信息管理的核心技术 它对培养你的信息素养有着不可替代的作用 因此希望同学们能从这个高度来学习这门课 第1章数据库基础知识 本章主要介绍数据库的基本概念 理论 方法 内容如下 第1章数据库基础知识 1 1数据与信息1 2数据管理1 3数据模型1 4数据库系统结构1 5数据库管理系统1 6数据库系统1 7关系模型1 8数据库应用设计 1 1数据与信息 1 数据数据是数据库这门课程的研究对象 那么 什么是数据呢 我们把能输入计算机并能被计算机处理的数字 文字 符号 声音 图形 图像统称为数据 我们要想用计算机来管理现实世界中的各种事物 就必须把这些事物数据化 也就是说要用数据来表示各种事物 1 1数据与信息 2 信息我们管理数据的目的是为了从中获取信息 进而用信息指导决策 那么 什么是信息呢 信息就是消息 对吗 信息定义 信息化的创始人香农和韦弗1948年在 通信的数学理论 中指出 凡是在一种情况下能减少不确定性的任何事物都叫做信息 Information 信息定义 控制论的创始人维纳对信息的定义是 信息就是我们在适应外部世界 并且使这种适应所作用于外部世界的过程中 同外部世界进行交换的内容的名称 信息定义 我国国家标准GB489885 情报与文献工作词汇基本术语 中 关于信息的解释是 信息是物质存在的一种方式 形态或运动状态 也是事物的一种普遍属性 一般指数据 消息中所包含的意义 可以使消息中所描述事件的不定性减少 如何理解信息 应从以下几个方面来理解信息概念 3 在人对某件事进行判断 决策时 信息能够减少不确定性 进而提高决策的正确性 2 信息隐藏在数据中 是数据的本质 1 信息普遍存在于事物中 需要我们挖掘 利用 4 信息能够给我们带来财富 1 2数据管理 我们把对数据的收集 整理 组织 存储 检索 传输 维护这一系列过程称为数据管理 自从1946年现代电子计算机诞生后 人们便开始利用计算机来管理数据 利用计算机管理数据大致经过了三个发展阶段 具体如下 1 人工阶段 这一阶段所处时间是1946 1955 这个时期的数据管理特点是 数据不保存 没有专用的软件对数据进行管理 只有程序的概念 没有文件的概念 数据面向应用 即一组数据对应一个程序 2 文件管理阶段 这一阶段所处时间是1955 1965 这个时期的数据管理特点是 数据可以长期保存在外部存储器磁盘上 数据的逻辑结构与物理结构有了区别 文件组织已多样化 数据不再属于某个特定的程序 可以重复使用 2 文件阶段 随着数据管理规模的扩大 文件系统显露出了缺陷 具体如下 数据冗余 数据不一致性数据联系弱 3 数据库阶段 这一阶段所处时间是1965 今天 这个时期的数据管理特点是 采用数据模型表示复杂的数据结构 有较高的数据独立性 数据冗余度低 数据由一个软件 DBMS 统一管理 数据库 数据库 英文简称 DB 是长期存储在计算机磁盘内 有组织 统一管理的相关数据集合 1 3数据模型 我们在现实生活中常见到 模型 这个名词 例如 建筑模型 汽车模型等等 那么到底什么是模型 它有什么作用呢 模型的定义 我们说模型是对现实世界事物的抽象表示 它把一类事物的本质特征 组成结构抽取出来 用某种形式表示出来 模型的作用 模型帮助我们按照实际情况或我们要求的样式对系统进行可视化 模型允许我们详细说明系统的结构和行为 模型给出了一个指导我们构造系统的模板 模型对我们作出的决策进行文档化 数据模型 数据模型是对现实世界要管理的事物及其联系的抽象表示 事实上 要把现实世界中各种各样要管理的事物转换成计算机中的数据 不是一步完成的 要经过三个步骤 数据模型 第一步 把现实世界中的事物转换成我们能用语言 文字表示的概念数据 第二步 把概念数据转换成适合计算机程序实现的逻辑数据 第三步 把逻辑数据转换成适合计算机存储设备存储的物理数据 在转换过程中 每一步都需要相应的模型来描述数据及数据之间的联系 1 3 1数据模型的三要素 数据模型必须具备以下三个要素 1 数据结构数据结构用来表示现实世界中的各种事物及事物之间的联系2 数据操作数据操作主要是能对该数据结构中的数据进行查询和更新 插入 删除 修改 3 完整性约束它给出数据及其联系所具有的制约和依赖规则 它是保证数据库中数据正确 有效 安全的基础 1 3 2概念模型 第一步转换使用的模型被称为 实体联系模型 简称为ER模型 其主要内容如下 1 实体我们把现实世界中每个要管理的事物称为一个实体 实体可以是看得见 摸得着的具体事物 例如 学生 顾客 员工 部门 图书 订单等 也可以是抽象的事物 例如 图书分类 专业 学生类别等 1 3 2概念模型 2 实体集实体集是同类实体的集合 例如 学生实体集是所有学生实体的集合 在ER模型中用矩形框来表示实体集 将实体的名称写在矩形内 如图1 1所示 实体集的图形表示 图书 读者 图书品种 图1 1 1 3 2概念模型 3 属性事物都有自己的特征 例如 读者有借书卡号 姓名 性别 民族 单位等特征 我们把事物的特征称为属性 实体的每个属性都有 属性名 取值类型 取值范围三个因素 在ER模型中用椭圆框来表示实体的属性 将属性名写在椭圆内 如图1 2所示 属性的图形表示 读者 姓名 借书卡号 性别 民族 生日 图1 2 1 3 2概念模型 4 联系在现实世界中事物之间是相互联系的 例如 读者 要借阅 图书 顾客 要订购 商品 等等 事物之间的这些联系在ER模型中体现为实体之间的联系 在ER模型中用菱形框来表示两个实体集之间的实体的联系 或一个实体集内实体之间的联系 将联系的名称写在菱形内 如图1 3所示 联系的图形表示 图书品种 图书 属于 图1 3 联系的命名规则 实体集之间联系的名称一般用动名词命名 如果找不到合适的名称 也可以用两个实体名称之间加一个下划线来作为 联系 的名称 例如 用 读者 图书 作为 读者 实体集和 图书 实体集之间联系的名称 有时联系也有属性 例如 联系 借阅 有 借书日期 属性 1 3 2概念模型 5 两个实体集之间联系的数量关系在ER模型中两个实体集之间的联系存在着数量关系 具体有 1对1 1对多和多对多三种 1对1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 那么称实体集E1和E2的联系为 一对一联系 记为1 1 例如 班长 实体集与 班级 实体集之间的联系为一对一联系 一个班级只能有一个班长 一个学生只能给一个班级作班长 如图1 4所示 1 1联系 1对多联系 如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意多个 零个或多个 实体有联系 而E2中每个实体至多和E1中一个实体有联系 那么称实体集E1和E2的联系为 一对多联系 记为1 n 例如 图书品种 实体集与 图书 实体集之间的联系为一对多联系 一种图书图书馆要采购多本 一本书只能属于一个图书品种 如图1 5所示 1对多联系 图书品种 图书 属于 1 n 图1 5 多对多联系 如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意多个 零个或多个 实体有联系 反之亦然 那么称实体集E1和E2的联系为 多对多联系 记为m n 例如 读者 实体集与 借阅 实体集之间的联系为多对多联系 一本书可以被多个读者借阅 一个读者可以借阅多本图书 如图1 6所示 多对多联系 借书日期 m n 图1 6 1 3 3逻辑模型 第二步转换使用的模型被称为逻辑数据模型 通常称其为 数据模型 到目前为止 计算机科学工作者共给出了四种逻辑数据模型 数据模型 具体如下 网状模型 层次模型 关系模型 对象模型 1 网状模型 网状模型用 图 结构来表示数据及数据之间的联系 1969年数据库系统语言研究会 CODASYL 下属的数据库任务组 DBTG 在它的报告中提出了网状模型 基于网状模型开发的DBMS产品有 Honeywell公司的IDS HP公司IMAGE 3000等 网状模型由于其数据结构复杂且编程复杂 因此没有被广泛使用 很快被其它模型取代 2 层次模型 层次模型用 树 结构来表示数据及数据之间的联系 基于层次模型开发的DBMS的典型代表是IBM公司的IMS 同样由于数据结构和编程复杂 因此层次模型也没有被广泛使用 很快被关系模型所取代 3 关系模型 关系模型用 关系 二维表 结构来表示数据及数据之间的联系 由于关系模型有众多优点 所以它一推出便受到极大关注 各厂家纷纷推出基于该模型的DBMS产品 目前市场上绝大部分数据库系统都是关系数据库系统 典型的有 IBM公司的DB2 Microsoft公司的SQLServer Oracle公司的Oracle等等 特别值得一提的是 1999年中国人民大学向市场上推出了基于关系模型的 金仓 数据库系统 从而结束了我国没有自己的数据库系统的历史 4 对象模型 对象模型用 对象 结构来表示数据及数据之间的联系 由于面向对象的程序设计技术成为软件开发的主流技术 因此这种模型必将成为今后的发展方向 1 4数据库系统结构 数据库系统结构主要研究内容是 一个复杂的数据库系统 按什么样的结构来构建 目前在计算机领域 构建一个系统一般遵循以下三个原则 分层构建原则 让不同层次用户看到不同的内容 各层之间具有一定的相对独立性 数据库系统的系统结构也遵循以上原则 采用三级模式结构来构建 1 4 1数据库三级体系结构 模式 模式 内模式映象 用户程序1 外模式A 外模式B 外模式 模式映象 内模式 DBMS OS 磁盘中的数据库 用户程序2 用户程序3 图1 7 1 4 1数据库三级体系结构 从图1 7可看出 数据库系统的结构分三层实现 外模式 模式 内模式 既三级模式结构 三级模式的作用具体如下 1 模式 模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述 它仅仅涉及模型的描述 不涉及到具体的值 它是所有用户 例如 业务用户 数据库管理员等等 的公共数据视图 2 外模式 外模式就是模式的一部分 子集 它是一般业务用户看到的 数据视图 由于很多一般业务用户只使用数据库的部分数据 因此他们没有必要了解整个模式 故DBMS从整个模式中抽取一部分 外模式 给业务用户 3 内模式 内模式是数据在计算机的外存储器 如 磁盘 上的存储结构及特征的描述 它是数据库管理系统 DBMS 和数据库的开发及管理者要使用的数据视图 它是数据库中全体数据的物理 存储 结构和特征的描述 4 外模式 模式映像 外模式 模式映象存在于外模式和模式之间 用于建立外模式与模式之间的对应关系 当某个使用外模式的应用程序访问数据库时 DBMS便根据外模式 模式映象将用户使用的外模式数据转换成模式数据 5 模式 内模式映像 模式 内模式映象存在于模式和内模式之间 用于定义模式与内模式之间的对应关系 当某个应用程序访问数据库时 DBMS便根据模式 内模式映象将模式数据转换成内模式数据 1 4 2三级模式结构的优点 采用三级模式结构来构建数据库系统 具有如下优点 1 独立性高2 安全性好具体如下 1 独立性 独立性体现在物理独立性和逻辑独立性两个方面 物理独立性如果数据库的内模式作了修改 那么只要对模式 内模式映象作相应的修改 就可使模式保持不变 逻辑独立性如果数据库的模式作了修改 那么只要对模式 外模式映象作相应的修改 就可使外模式和应用程序保持不变 2 安全性好 由于不同层次的用户所看到的内容不同 这样一来一般用户只知道自己使用的外模式 而不知道整个模式 因此提高了整个系统的安全性 1 5数据库管理系统 数据库管理系统 英文简称 DBMS 是一个基于某种数据模型开发的 对数据库进行统一管理的软件 所有的数据库用户都要通过DBMS来使用数据库 如下图所示 1 5 1DBMS的功能 1 数据库的定义功能DBMS提供数据定义语言 DDL 来定义数据库的三级模式结构及三级模式之间的映象 定义数据的完整性约束 定义数据库的保密限制等 2 数据库的操纵功能DBMS提供数据操纵语言 DML 来实现用户对数据库的操作 基本的数据操作有四种 查询 插入 删除 修改 后三种又称为更新操作 1 5 1DBMS的功能 3 数据库的保护功能DBMS对数据库的保护功能是保护数据库不受破坏 具体如下 并发性保护数据库的恢复保护数据库的完整性保护数据库的安全保护 1 5 1DBMS的功能 4 数据库的维护功能DBMS的这一部分功能包括数据库的初始数据的载入 转换 转儲 数据库的改组以及性能监视等功能 5 数据字典 DD 数据字典用于存放关于数据库定义方面的数据 我们把这种数据称为 元数据 1 5 2DBMS组成 从程序模块结构来看 DBMS由两大部分组成 查询处理器和存储管理器 1 查询处理器查询处理器模块主要负责解释 执行用户发出的对数据库进行操作的命令 2 存储管理器存储管理器模块主要负责数据库数据在磁盘的存储管理 1 6数据库系统 一个完整的数据库系统由以下部分构成 1 计算机硬件计算机 网络等设备 2 计算机软件操作系统 OS 数据库管理系统 DBMS 及其它支持软件工具 3 数据库存储在计算机磁盘中 与一个单位具体相关的数据集合 4 各类人员数据库设计人员 数据库管理维护人员 DBA 业务用户等 1 7关系模型 到目前为止 计算机科学工作者共给出了四种逻辑数据模型 网状模型 层次模型 关系模型 对象模型 目前使用的主要是关系模型 下面介绍关系模型的相关知识 1 7 1关系模型的基本概念 1 关系所谓关系就是一种规范化的二维表 如表1 1到表1 4所示 关系模型的数据结构就是这种被称为 关系 的二维表 也就是说关系模型用二维表结构来表示数据及数据之间的联系 从数学角度上看 关系 就是一个 集合 读者关系 图书品种关系 图书关系 借阅关系 1 7 1关系模型的基本概念 2 属性我们把表的列称为属性 也称为字段 每个属性都有 属性名 取值类型 取值范围 三个方面 我们把一个属性的取值类型和取值范围称为属性的取值域 例如 读者 表的第一个属性的名称是 借书卡号 其取值类型是文本型 取值范围是9位数字字符 借阅 关系的 借书日期 属性 取值类型为日期类型 1 7 1关系模型的基本概念 3 关系模式我们把 关系名称 属性名称1 属性名称2 属性名称n 称为一个关系的模式 例如 图书品种 品种号 书名 出版社 单价 就是 图书品种 关系的模式 1 7 1关系模型的基本概念 4 元组我们把表的行称为元组 又称为记录 1 7 1关系模型的基本概念 5 候选键如果关系中的某个属性集的值 能唯一地标识关系的一个元组 且又不含有多余的属性 那么我们称这个属性集为关系的候选键 例如 借书卡号 属性是 读者 关系的候选键 证件号 也是 读者 关系的候选键 借书卡号 姓名 就不是 读者 关系的候选键 书号 借书卡号 借书日期 属性集是 借阅 关系的候选键 1 7 1关系模型的基本概念 6 主键一个表可能有多个候选键 用户可以从中选出一个作为表的主键 例如 读者 表中 借书卡号 和 证件号 都是候选键 我们选 借书卡号 属性作为主键 一个关系只能有一个主键 1 7 1关系模型的基本概念 7 外键如果关系模式R中的某属性集A是另一个关系模式的主键 那么我们称A是关系模式R的外键 例如 借阅 关系中的 借书卡号 属性就是 读者 关系的主键 因此 我们称 借书卡号 属性是 借阅 关系的外键 1 7 1关系模型的基本概念 8 元数关系的元数就是关系所具有的属性个数 9 基数关系的基数就是关系中元组的个数 1 7 2关系的性质 关系具有以下性质 关系中每一个属性都是不可分解的 关系中不允许出现重复元组 由于关系是一个集合 因此不考虑元组之间的顺序 关系的属性也是无序的 1 7 3关系模型的完整性规则 前面我们介绍过数据模型具有三要素 数据结构 数据操作 完整性约束 关系模型的数据结构是 关系 关系模型具有三类完整性约束 它们分别是 实体完整性 参照完整性和用户自定义完整性 1 实体完整性 实体完整性规则要求 关系中的元组在组成主键的属性上既不能取 空值 NULL 例如 往 读者 关系插入一个元组时 借书卡号 属性不能是空值 NULL 2 参照完整性 参照完整性规则要求 不能引用不存在的元组 既在外键表中外键的取值必须是主键表中有的值 例如 借阅 关系中不能出现 读者 关系中没有的 借书卡号 也不能出现 图书 关系中没有的 书号 3 用户自定义完整性 用户定义的完整性规则是指用户根据实际需要 对关系中属性设置的约束条件 例如 用户根据学校的实际规定 可以对 图书品种 关系的 单价 属性作 0 单价 的约束 1 7 4将ER模型转换为关系模型 我们为某个单位的业务设计数据库时 首先设计概念 ER 模型 然后将ER模型转换为关系模型 将ER模型转换为关系模型的规则如下 1 将每个实体集转换成一个关系模式 2 将实体之间的联系按下列规则转换 1 1联系的转换 可以在由两个实体集所转换的两个关系模式的任何一个关系模式中 加入另一个关系模式的主键以及联系类型的属性 例如 班级 实体集与 班长 实体集之间的联系为1 1 如图1 9所示 1 1联系的转换 实体 班级 的属性为 班级编号 班级人数 班级简介实体 班长 的属性为 班长学号 姓名 性别 民族 1 1联系的转换 将 班级 实体集转换为关系模式 班级 具体如下 班级 班级编号 班级人数 班级简介 将 班长 实体集转换为关系模式 班长 具体如下 班长 班长学号 姓名 性别 民族 把 班长 关系模式的的主键 班长学号 放到 班级 关系模式中 同时将联系 聘用 的属性 聘期 和 任职时间 也放到 班级 关系模式中 转换后的关系模式如下 班级 班级编号 班级人数 班级简介 班长学号 聘期 任职时间 班长 班长学号 姓名 性别 民族 1 n联系的转换 在由n端实体集转换成的关系模式中加入1端实体集转换成的关系模式的主键和联系类型的属性 例如 读者类型 实体集与 读者 实体集之间的联系为1 n 如图1 10所示 1 n联系的转换 实体 读者类型 的属性为 读者类型号 类型名称 最大借书数 最长借书天数 实体 读者 的属性为 借书卡号 姓名 性别 证件号 图1 10 1 n联系的转换 将 读者类型 实体集转换为关系模式 读者类型 具体如下 读者类型 读者类型号 类型名称 最大借书数 最长借书天数 将 读者 实体集转换为关系模式 读者 具体如下 读者 借书卡号 姓名 性别 证件号 把1端实体转换成的关系模式 读者类型 的主键 读者类型号 放到n端实体转换成的关系模式 读者 中 并把联系 属于 的属性也放到 读者 关系模式中 该联系没有属性 具体如下 读者类型 读者类型号 类型名称 最大借书数 最长借书天数 读者 借书卡号 姓名 性别 证件号 读者类型号 m n联系的转换 将联系类型也转换成一个关系模式 其属性由两端实体的主键和联系类型的属性构成 例如 读者 实体集与 图书 实体集之间的联系为m n 如图1 11所示 m n联系的转换 图1 11 实体 读者 的属性为 借书卡号 姓名 性别 证件号实体 图书 的属性为 书号 馆藏位置 在馆否 m n联系的转换 将 读者 实体集转换为关系模式 读者 具体如下 读者 借书卡号 姓名 性别 证件号 将 图书 实体集转换为关系模式 图书 具体如下 图书 书号 馆藏位置 在馆否 将联系 借阅 也转换成一个关系模式借阅 书号 借书卡号 借书日期 还否 1 7 5关系代数运算 关系代数是以关系为运算对象的一组高级运算的集合 由于关系是属性个数相同的元组的集合 因此集合的代数操作就可以引入到关系代数中 关系代数运算具体如下 1 并运算 设关系R和关系S具有相同的模式 我们把R和S的并记为 R S R和S的并是一个新关系 新关系的模式与R S相同 新关系的元组由R中的元组和S中的元组合并且去掉重复元组构成 并运算示例 R S R S 2 差运算 设关系R和关系S具有相同的模式 我们把R和S的差记为 R S R和S的差是一个新关系 新关系的模式与R S相同 新关系的元组由属于R但不属于S的元组构成 差运算示例 R S R S 3 笛卡尔积运算 设关系R和关系S的元数分别为r和s 关系R和关系S的基数分别为m和n 我们把R和S的笛卡尔积记为 R S R和S的笛卡尔积是一个新关系 新关系的模式由R的属性和S的属性合并而成 既新关系的元数为 r s 新关系的元组构成规则为 R中每个元组都与S中的每个元组进行联接 从而构成新关系的元组 新关系的元组个数为 m n 笛卡尔积运算示例 R S R S 4 投影运算 对关系R作投影运算就是从R的属性中选出一些属性 用选出的这些属性构成新关系的模式 新关系的元组就是把R的元组去掉那些未保留列 再去掉重复元组 用 作为投影运算符 在 的右下角写出关系R的要保留的属性 投影运算示例 R B D R 5 选择运算 选择运算是根据某些条件对关系的元组进行筛选 用 作为选择运算符 F R 表示对关系R作选择运算 F是一个逻辑表达式 运算结果是一个新关系 新关系的模式与R相同 新关系的元组是由R中使表达式F为 真 的那些元组构成 选择运算示例 R 请作下列计算 性别 女 R 性别 女 民族 汉族 R 性别 男 民族 回族 R 运算符 表示的含义是 并且 运算符 表示的含义是 或者 选择运算示例 性别 女 民族 汉族 R 性别 男 民族 回族 R 性别 女 民族 汉族 R 定理 以上五个运算构成了关系代数的完备运算集合 完备的含义是指 其他任何运算都能用这五个运算推导出来 这五个运算不能缺少任何一个 否则就不完备了 6 自然联接运算 两个关系R和S的自然联接用RS表示 两个关系作自然联接的前提条件是两个关系必须有相同的属性 如果两个属性的取值类型 取值范围都相同 我们就称这两个属性是相同属性 RS的模式是由R的属性和S的属性合并后 相同属性只保留一个 把另一个去掉而构成 RS的元组是由R的每个元组与S的每个元组按相同属性都相等为条件 进行联接而构成 自然联接示例 R S R S 1 8数据库应用设计 本节我们来介绍以下如何为一个单位的业务设计数据库 数据库来管理单位的业务 1 8 1数据库设计步骤 设计一个数据库需要经过以下步骤 1 规划阶段2 需求分析阶段3 概念设计阶段4 逻辑设计阶段5 物理设计阶段6 数据库实现阶段7 数据库的运行和维护 1 规划阶段 在数据库的规划阶段 首先要对单位组织作全面的调查 画出组织结构图 以及各部门的主要职责等 然后从经济 技术 效益 法律的方面对数据库系统进行可行性分析 写出可行性报告并组织专家讨论 最后根据分析结果确定系统的总目标和制订项目开发计划 写