数据库系统简介.ppt

第二章数据库系统简介 2 1数据库系统应用2 2数据库系统与文件系统2 3数据视图2 4数据库语言2 5数据库用户和管理员2 6数据库体系结构2 7数据库系统的历史 一个实例 美国田纳西州孟菲斯城区的面积大约是800平方公里 但这里的警察只需要悠闲的开着警车按照事先制订好的路线图完成每天的巡逻 此外他们还严格遵守拟定的时间表 比方说周四的巡逻必须从四点开始十点结束 这并非因为这是全美国最安全的城市 事实上田纳西的孟菲斯多年以来一直位列美国最不安全的城市 人均犯罪率达到惊人的18 那究竟是什么使得这里的警察能够如此气定神闲游刃有余呢 这一切源自于孟菲斯警察局新进启用的犯罪分析系统 一个实例 在警察的日常活动中 每一个911电话 每 次停车检查 每一番街头执法和抓捕 都会产生大量类似于日志的数据 要从中理清犯罪线索 无疑会让任何一个警察焦头烂额疲于应付于是当地警察局想到了如果能从一大堆信息碎片中 直接把有价值的线索挖掘出来 该有多好 长期以来 警察局的调查人员要分析数据 试图寻找有用信息时 都得从档案柜中翻出满是灰尘的陈旧档案 一页一页地查阅 或者直接通过常年积累的所谓感觉来判断 哪些事可能有关联 哪些结果可能会发生 一个实例 很快 项叫 犯罪活动实时监测中心 的项目上马了 它为警察工作引入了 种全新的半自动化数据分析方法 自上线以后 伴随着信息电子化 发生变化的不仅仅有记录下的信息数量还有因计算机辅助分析带来的快捷 这些分析的结果给警方绘制了一幅城市治安情况的蓝图 哪里是犯罪高发区域 哪个时间段是不法分子活跃的时期 都在信息发展的今天无处遁形 警方得以将有限的警力投放到最需要保护的时段和地区 大大提升了警力使用效率和治安满意度 可谓是一举多得 一个实例 人类的个体差异虽然有区别 但群体行为往往具有可预测性 这些可预测性正是数据库能够一展拳脚的领域 如同治安管理和流行病防御这样的群体性行为 在短时间内作出快速响应 就需要人们在危机发生前的初期就能捕捉到事态发展的趋势 而数据及其分析预测的功能确保了人们能得到及时和正确的引导 第1节数据库系统应用 数据库 数据库管理系统与数据库系统 1 数据库的概念 1 数据库的定义数据库 Database 简称DB 是长期储存在计算机内 有组织的 可共享的大量数据的集合 2 数据库的基本特征 数据按一定的数据模型组织 描述和储存 可为各种用户共享 冗余度较小 数据独立性较高 易扩展 第1节数据库系统应用 数据库 数据库管理系统与数据库系统 2 数据库管理系统的概念 1 数据库管理系统 DBMS 的定义位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件 是基础软件 是一个大型复杂的软件系统 2 数据库管理系统的用途 科学地组织和存储数据 高效地获取和维护数据 第1节管理信息系统的概念 第1节数据库系统应用 3 数据库管理系统的主要功能 数据定义功能提供数据定义语言 DDL 定义数据库中的数据对象数据组织 存储和管理分类组织 存储和管理各种数据确定组织数据的文件结构和存取方式实现数据之间的联系提供多种存取方法提高存取效率 数据操纵功能提供数据操纵语言 DML 实现对数据库的基本操作 查 插 删 改 数据库的事务管理和运行管理数据库在建立 运行和维护时由DBMS统一管理和控制保证数据的安全性 完整性 多用户对数据的并发使用发生故障后的系统恢复 数据库的建立和维护功能 实用程序 数据库初始数据装载转换数据库转储介质故障恢复数据库的重组织性能监视分析等其它功能DBMS与网络中其它软件系统的通信两个DBMS系统的数据转换异构数据库之间的互访和互操作 第1节数据库系统应用 3 数据库系统的概念 1 数据库系统 DBS 的定义在计算机系统中引入数据库后的系统构成 2 数据库系统的构成 数据库数据库管理系统 及其开发工具 应用系统数据库管理员 数据库 应用系统 应用开发工具 操作系统 数据库管理系统 数据库管理员 用户 用户 用户 数据库系统 硬件平台 基础软件平台 软件基础构架平台 应用软件平台 软件产品 协同软件办公软件 数据库系统操作系统 中间件应用服务器 数据库在计算机系统中的位置 第1节数据库系统应用 数据库应用 企业信息销售 用于存储客户 产品和购买信息会计 用于存储付款 收据 账户余额 资产和其他会计信息人力资源 用于存储雇员 工资 所得税和津贴的信息以及产生工资单生产制造 用于管理供应链 跟踪工厂中产品的生产情况 仓库和商品中产品的详细清单以及产品订单 联机销售 用于存储以上所述的销售数据 以及实时的订单跟踪 推荐品清单的生成 还有实时的产品评估的维护 第1节数据库系统应用 数据库应用 银行和金融银行业 用于存储客户信息 账户 贷款以及银行的交易记录信用卡交易 用于记录信用卡消费的情况和产生每月清单金融业 用于存储股票 债券等金融票据的持有 出售和买入的信息 也可用于存储实时市场数据 以便客户能够进行联机交易 公司能够进行自动交易 大学用于存储学生信息 课程注册和成绩 第1节数据库系统应用 数据库应用 航空业用于存储订票和航班的信息 航空业是最先以地理上分布的方式使用数据库的行业之一 电信业用于存储通话记录 产生每月账单 维护预付电话卡的余额和存储通信网络的信息 数据库涉及我们生活的所有方面 早期数据库应用直接建立在文件系统上 第2节数据库系统与文件系统 数据冗余和不一致多文件格式 不同文件中信息重复 难于访问数据对每个新的任务都需要写新的程序 数据孤立 多文件多格式完整性问题Integrityconstraints e g accountbalance 0 become buried inprogramcoderatherthanbeingstatedexplicitly约束靠代码实现 难于添加或改变现有约束 使用文件系统存储数据的弊端 第2节数据库系统与文件系统 使用文件系统存储数据的弊端 更新的原子性失败会使数据库处于只执行部分更新的不一致状态 Example Transferoffundsfromoneaccounttoanothershouldeithercompleteornothappenatall 转账要么完成要么根本没有发生 多用户并发访问为了性能需要并发访问不加控制的并发访问会导致不一致性 Example 两人同时读余额100并同时通过各自提现50更新余额 共享问题难于对某些而不是全部数据提供用户访问 数据库系统提供上述所有问题的解决方案 第3节数据视图 实例和模式 型 和 值 的概念型 Type 对某一类数据的结构和属性的说明值 Value 是型的一个具体赋值例如学生记录型 学号 姓名 性别 学院 年龄 籍贯 一个记录值 100201 李明 男 数计 22 江苏 第3节数据视图 实例和模式 模式 Schema 数据库逻辑结构和特征的描述是型的描述反映的是数据的结构及其联系模式是相对稳定的实例 Instance 模式的一个具体值反映数据库某一时刻的状态同一个模式可以有很多实例实例随数据库中的数据的更新而变动 第1节管理信息系统的概念 第3节数据视图 实例和模式 例如 在学生选课数据库模式中 包含学生记录 课程记录和学生选课记录2011年的一个学生数据库实例 包含 2011年学校中所有学生的记录学校开设的所有课程的记录所有学生选课的记录2010年度学生数据库模式对应的实例与2011年度学生数据库模式对应的实例是不同的 第3节数据视图 数据库系统的三级模式结构 模式 Schema 外模式 ExternalSchema 内模式 InternalSchema 第3节数据视图 数据库系统的三级模式结构 第3节数据视图 明确模式的概念 模式 也称逻辑模式 数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述所有用户的公共数据视图 综合了所有用户的需求一个数据库只有一个模式模式的地位 是数据库系统模式结构的中间层与数据的物理存储细节和硬件环境无关与具体的应用程序 开发工具及高级程序设计语言无关 第3节数据视图 明确模式的概念 模式的定义数据的逻辑结构 数据项的名字 类型 取值范围等 数据之间的联系数据有关的安全性 完整性要求 第3节数据视图 明确模式的概念 外模式 也称子模式或用户模式 数据库用户 包括应用程序员和最终用户 使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述数据库用户的数据视图 是与某一应用有关的数据的逻辑表示 第3节数据视图 明确模式的概念 外模式的地位 介于模式与应用之间模式与外模式的关系 一对多外模式通常是模式的子集一个数据库可以有多个外模式 反映了不同的用户的应用需求 看待数据的方式 对数据保密的要求对模式中同一数据 在外模式中的结构 类型 长度 保密级别等都可以不同外模式与应用的关系 一对多同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用但一个应用程序只能使用一个外模式 第3节数据视图 明确模式的概念 外模式的用途保证数据库安全性的一个有力措施每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据 第3节数据视图 明确模式的概念 内模式 也称存储模式 是数据物理结构和存储方式的描述是数据在数据库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一个数据库只有一个内模式 第3节数据视图 明确模式的概念 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 第3节管理信息系统的发展与功能结构 第3节数据视图 明确模式的概念 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 b 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 c 所示 第3节数据视图 数据视图的抽象 从数据库管理系统角度看 数据库采用三级模式结构 物理层Physicallevel 描述一个记录 如客户 如何被存储 逻辑层Logicallevel 描述数据库中存储的数据和数据间的关系 typecustomer recordcustomer id string customer name string customer street string customer city integer end 视图层Viewlevel 应用程序隐藏数据类型的细节 视图也可以为了安全目的隐藏信息 比如雇员的薪水 第3节管理信息系统的发展与功能结构 第3节数据视图 数据库的数据独立性 三级模式是对数据的三个抽象级别二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换外模式 模式映像模式 内模式映像 第3节数据视图 数据库的数据独立性 外模式 模式映象 模式 描述的是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同一个模式可以有任意多个外模式每一个外模式 数据库系统都有一个外模式 模式映象 定义外模式与模式之间的对应关系映象定义通常包含在各自外模式的描述中 第3节数据视图 数据库的数据独立性 外模式 模式映象 保证数据的逻辑独立性当模式改变时 数据库管理员修改有关的外模式 模式映象 使外模式保持不变应用程序是依据数据的外模式编写的 从而应用程序不必修改 保证了数据与程序的逻辑独立性 简称数据的逻辑独立性 第3节数据视图 数据库的数据独立性 模式 内模式映象 模式 内模式映象定义了数据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数据库中模式 内模式映象是唯一的该映象定义通常包含在模式描述中 第3节数据视图 数据库的数据独立性 模式 内模式映象 保证数据的物理独立性当数据库的存储结构改变了 例如选用了另一种存储结构 数据库管理员修改模式 内模式映象 使模式保持不变应用程序不受影响 保证了数据与程序的物理独立性 简称数据的物理独立性 第3节数据视图 数据库模式的进一步说明 数据库模式即全局逻辑结构是数据库的中心与关键独立于数据库的其他层次设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式 第3节数据视图 数据库的内模式依赖于它的全局逻辑结构独立于数据库的用户视图 即外模式独立于具体的存储设备将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储策略进行组织 以达到较好的时间与空间效率 数据库模式的进一步说明 第3节数据视图 数据库的外模式面向具体的应用程序定义在逻辑模式之上独立于存储模式和存储设备当应用需求发生较大变化 相应外模式不能满足其视图要求时 该外模式就得做相应改动设计外模式时应充分考虑到应用的扩充性 数据库模式的进一步说明 特定的应用程序在外模式描述的数据结构上编制的依赖于特定的外模式与数据库的模式和存储结构独立不同的应用程序有时可以共用同一个外模式数据库的二级映像保证了数据库外模式的稳定性从底层保证了应用程序的稳定性 除非应用需求本身发生变化 否则应用程序一般不需要修改 第3节数据视图 数据库模式的进一步说明 第3节数据视图 数据库模式的进一步说明 数据与程序之间的独立性 使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去数据的存取由DBMS管理用户不必考虑存取路径等细节简化了应用程序的编制大大减少了应用程序的维护和修改 第4节数据库语言 数据库定义语言DDL DataDefinitionLanguage用于定义数据库模式的规范记号 Specificationnotation Example createtableaccount account numberchar 10 balanceinteger DDL编译器生成一个表的集合并存储在数据字典中 数据字典包含元数据 i e dataaboutdata 数据库模式数据存储和定义语言指定存储结构和使用的访问方法 完整性约束Integrityconstraints主键Primarykey IDuniquelyidentifiesinstructors 域约束Domainconstraints参照完整性Referentialintegrity referencesconstraintinSQL e g dept namevalueinanyinstructortuplemustappearindepartmentrelation断言Assertion授权Authorization 第4节数据库语言 数据库定义语言 第4节数据库语言 数据库操纵语言DML 访问和操纵那些按某种合适的数据模型组织起来的数据的语言 DML也是查询语言两类语言过程化的Procedural 用户指出需要什么数据和如何获得那些数据陈述式Declarative nonprocedural 用户指出需要什么数据却不需要指定如何获得那些数据SQL是使用最广泛的查询语言 第4节数据库语言 SQL语言 SQL 广泛使用的非过程化语言 Example 查找customer id为192 83 7465的客户的名字selectcustomer customer namefromcustomerwherecustomer customer id 192 83 7465 Example 查找customer id为192 83 7465的客户所持有的所有账户的余额selectaccount balancefromdepositor accountwheredepositor customer id 192 83 7465 anddepositor account number account account number应用程序通常通过以下方式之一访问数据库支持嵌入式SQL的语言扩展应用程序编程接口Applicationprograminterface e g ODBC JDBC 它允许将SQL查询发送到数据库 第4节数据库语言 SQL语言 第5节数据库用户和管理员 第5节数据库用户和管理员 数据库用户DatabaseUsers 用户根据他们期望与系统交互方式的不同而不同应用程序员 通过DML调用与系统交互富有经验的用户Sophisticatedusers 用数据库查询语言表达请求专业用户 编写不适合于传统的数据处理框架的专业数据库应用初级用户 通过调用先前已经写好的一个应用程序与系统交互 Examples peopleaccessingdatabaseovertheweb banktellers 第5节数据库用户和管理员 数据库管理员DatabaseAdministrator 协调数据库系统的所有活动 DBA应该对企业信息资源和需求有很好的理解 DBA职责 模式定义Schemadefinition存储结构及存取方法定义模式和物理组织修改对用户访问数据库授权指定完整性约束与用户联系Actingasliaisonwithusers监控性能和对需求变化做出响应 第6节数据库体系结构 从数据库最终用户角度看 数据库系统外部的体系结构 数据库系统的结构分为 集中式结构客户 服务器并行结构分布式结构 第6节数据库体系结构 第6节数据库体系结构 客户 服务器系统 ODBC JDBC用于客户端与服务器端的交互 第6节数据库体系结构 并行数据库系统 并行系统通过并行地使用多个处理器和磁盘来提高处理速度和I O速度 目前并行计算机正变得越来越普及 因此使用并行数据库的研究变得越来越重要 在并行处理中 许多操作是同时执行的 而不是串行处理 粗粒度并行机由少量能力强大的处理器组成 而大规模并行机或细粒度并行机使用数千个更小的处理器 目前所有的高端计算机都提供了一定程度的粗粒度并行性 它们至少具有两个或4个处理器 第6节数据库体系结构 分布式数据库系统 分布式数据库系统是将数据库存储在几台计算机中 它们不共享主存储器或磁盘 建立分布式数据库系统有几个原因 数据共享 使一个站点上的用户可以访问存放在其它站点上的数据 自治性 每个站点可以对本地存储的数据保持一定程度的控制 可用性 如果一个站点发生故障 其它站点还能继续运行 第7节数据库系统历史 数据库系统的历史离不开数据管理技术的产生和发展 什么是数据管理对数据进行分类 组织 编码 存储 检索和维护数据处理的中心问题数据管理技术的发展过程人工管理阶段 20世纪40年代中 50年代中 文件系统阶段 20世纪50年代末 60年代中 数据库系统阶段 20世纪60年代末 现在 数据管理技术的发展过程 第7节数据库系统历史 数据管理技术的发展过程 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 第7节数据库系统历史 数据管理技术的发展过程 人工管理阶段时期20世纪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 第7节数据库系统历史 数据管理技术的发展过程 特点数据的管理者 用户 程序员 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 第7节数据库系统历史 数据管理技术的发展过程 应用程序与数据的对应关系 第7节数据库系统历史 数据管理技术的发展过程 文件系统阶段时期20世纪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 第7节数据库系统历史 数据管理技术的发展过程 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 第7节数据库系统历史 数据管理技术的发展过程 应用程序与数据的对应关系 第7节数据库系统历史 数据管理技术的发展过程 数据库系统阶段时期20世纪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 磁盘阵列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 第7节数据库系统历史 数据管理技术的发展过程 特点数据结构化数据的