1数据库系统原理 第一章 绪论ppt课件

第一章绪论 2 本章内容 1 1数据库系统概述 1 2数据模型 1 3数据库系统结构 1 4数据库系统的组成 3 1 1数据库系统概述 术语 数据 数据库 数据库管理系统 数据库系统数据管理技术的发展 4 1 1 1数据库系统概述 术语 数据 Data 对现实世界中客观事物的符号表示 可以是数值数据 数字 字符串 日期 逻辑值等 也可以是非数值数据 如声音 图像等 与语义不可分 5 数据举例 学生档案中的学生记录 李明 男 1982 江苏 计算机系 2000 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 1982年出生 江苏人 2000年考入计算机系 6 数据举例 93 数据的解释 语义1 学生某门课的成绩语义2 某人的体重语义3 信息管理专业2006级学生人数 7 数据库系统概述 术语 续 什么是数据库 Database DB 存放数据的仓库长期储存在计算机内的 有组织的 可共享的 大量数据的集合 8 数据库例子 9 数据库系统概述 术语 续 数据库管理系统DBMSDataBaseManagementSystem系统软件一组用以管理 维护 访问数据库的程序提供数据库的用户接口 用途科学地组织和存储数据 高效地获取和维护数据 10 DBMS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 查询 插入 删除和修改 11 DBMS的主要功能 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 12 DBMS的主要功能 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 13 数据库管理系统举例 SQLServerMySQLOracleSybaseAccess 14 数据库系统概述 术语 续 数据库系统 DatabaseSystemDBS 在计算机系统中引入数据库后的系统数据库DBMS应用系统数据库管理员用户等 15 数据库系统概述 术语 续 数据库系统的构成 如 综合教务管理系统 车站售票系统 如 Delphi VisualBasic等 16 1 1 2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 是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 40年代中 50年代中 文件系统阶段 50年代末 60年代中 数据库系统阶段 60年代末 现在 17 数据管理技术的产生和发展 续 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 18 数据库系统 DBS DatabaseSystem 经历了人工方法 文件系统方法和数据库系统方法三个历史阶段 19 人工管理阶段 50年代中期 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 外存为顺序存取设备磁带 卡片 纸带 没有磁盘等直接存取设备 没有操作系统及数据管理软件用户用机器指令编码 通过纸带机输入程序和数据 程序运行完毕后 由用户取走纸带和运算结果 再让下一用户操作 应用程序完全负责数据管理工作数据的组织 存储结构 存取方法 输入输出等 数据完全面向特定的应用程序每个用户使用自己的数据 用完撤走不保存 无共享 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 20 文件系统阶段 60年代中期 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 FMS 数据可以长期保存 共享性差 一个文件对应一个程序 数据与程序有一定的独立性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 21 则文件系统中应用程序与数据的使用对应方式 22 数据库系统阶段 60年代末期 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 数据有整体结构性 面向全组织 面向现实世界 由DBMS统一存取 维护数据语义及结构 数据共享性好 冗余度低 易扩充 数据与程序完全相互独立 23 应用程序与数据的应用方式 有关概念1 局部数据结构 用户局部数据的逻辑结构及其特征的说明 如同文件系统方法 1 中给出 2 全局数据结构 用户全部数据的逻辑结构及其特征的说明 24 考察要点 各阶段的技术及应用背景 计算机应用范围外存储设备数据管理软件各个阶段的差别体现 谁管理数据数据面向谁数据与应用的独立性 数据管理技术的发展 25 1 1 3数据库系统的特点 数据结构化数据的共享性高 冗余度低 易扩充数据独立性高数据由DBMS统一管理和控制 26 数据结构化 整体数据的结构化是数据库的主要特征之一整体结构化不再仅仅针对某一个应用 而是面向全组织不仅数据内部结构化 整体是结构化的 数据之间具有联系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 27 数据的共享性高 冗余度低 易扩充 数据库系统从整体角度看待和描述数据 数据面向整个系统 可以被多个用户 多个应用共享使用 数据共享的好处减少数据冗余 节约存储空间避免数据之间的不相容性与不一致性使系统易于扩充 28 数据独立性高 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相互独立 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 数据独立性是由DBMS的二级映像功能来保证的 29 数据由DBMS统一管理和控制 DBMS提供的数据控制功能数据的安全性 Security 保护保护数据 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 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 30 1 2数据模型 什么是模型在数据库中用数据模型这个工具来抽象 表示和处理现实世界中的数据和信息 数据模型定义 现实世界数据特征的抽象 用来描述数据 组织数据和对数据进行操作 数据及数据间联系的表示形式 现实世界的模拟 31 32 对数据模型的要求较好地模拟现实世界能在计算机上实现易于理解 33 信息的3个世界 1 2 1数据模型 34 信息的3个世界 续 笑脸 黑白点阵 黑色 木质 矩形 3 2m 1 4m 黑板 颜色是黑色 材料是木材 形状是矩形 尺寸是长3 2米 高1 4米 35 信息的3个世界 续 现实世界现实世界即客观存在的世界 各种事物及事物之间的联系 信息世界现实世界中的事物及其联系由人们的感官感知 经过人们头脑的分析 归纳 抽象 形成信息 对这些信息进行记录 整理 归类和格式化后 它们就构成了信息世界 对所研究的信息世界建立一个抽象的模型 称之为信息模型 即概念模型 目前较为流行的一种信息模型是实体联系模型 机器世界用计算机管理信息 必须对信息进行数据化 数据化后的信息称之为数据 数据是能够被机器识别并处理的 数据化了的信息世界称之为机器世界 36 认识抽象 信息世界 机器世界 计算机世界 转换 概念模型 信息模型 DBMS支持的数据模型 数据模型的联系 37 1 2 1数据模型 客观对象的抽象过程 两步抽象现实世界中的客观对象抽象为概念模型 把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型 概念模型是现实世界到机器世界的一个中间层次 38 数据模型 数据模型分成两个不同的层次概念模型 也称信息模型 它是按用户的观点来对数据和信息建模 与DBMS无关 逻辑模型和物理模型 与DBMS相关 逻辑模型主要包括网状模型 层次模型 关系模型 面向对象模型等 按计算机系统的观点对数据建模 用于DBMS实现 物理模型是对数据最底层的抽象 描述数据在系统内部的表示方式和存取方法 在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法 39 数据模型 40 1 2 2数据模型的组成要素 数据结构 数据操作 数据的完整性约束条件 41 一 数据结构 什么是数据结构描述数据库的组成对象 以及对象之间的联系描述的内容与数据类型 内容 性质有关的对象与数据之间联系有关的对象数据结构是对系统静态特性的描述 在数据库系统中一般按数据结构的类型来命名数据模型 42 例1 Student XH XM YL XB 例2 43 二 数据操作 数据操作对数据库中各种对象 型 的实例 值 允许执行的操作及有关的操作规则数据操作的类型查询更新 包括插入 删除 修改 44 45 三 数据的完整性约束条件 数据的完整性约束条件一组完整性规则的集合 完整性规则 给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和储存规则用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化 以保证数据的正确 有效 相容 工龄 年龄 YL 150 46 数据的完整性约束条件 续 数据模型对完整性约束条件的定义反映和规定本数据模型必须遵守的基本的通用的完整性约束条件 例如在关系模型中 任何关系必须满足实体完整性和参照完整性两个条件 提供定义完整性约束条件的机制 以反映具体应用所涉及的数据必须遵守的特定的语义约束条件 47 1 2 3概念模型 是现实世界到机器世界的一个中间层次用作数据库概念设计的数据模型面向用户 对现实世界的抽象 信息世界的建模 试图有效和自然地模拟现实世界数据库设计人员和用户之间进行交流的语言常见的概念模型实体 联系数据模型 E R 面向对象数据模型 OO 48 信息世界的基本概念 实体 Entity 客观存在并可相互区别的事物如 学生 雇员 课程 属性 Attribute 实体所具有的某一特性如 学号 姓名 年龄 同学试着举例 49 信息世界中的基本概念 续 码 Key 唯一标识实体的属性集如 学号 身份证号码 其任意真子集不具有此性质域 Domain 属性的取值范围就是该属性的域如 年龄取值 50 信息世界中的基本概念 续 实体型 EntityType 用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体 这种形式就是实体型如 学生 学号 姓名 年龄 实体集 EntitySet 同型实体的集合如 全体学生联系 Relationship 实体间的相互关联 51 信息世界中的基本概念 续 联系 Relationship 现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体内部的联系和实体之间的联系 实体内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系 52 两个实体型之间的联系 联系的映射基数某实体集与另一实体集相联系的实体数目一对一 1 1 A中的每个实体至多与B中的一个实体相联系 反之亦然 则称实体集A与实体集B有一对一的联系 记为1 1如班级与正班长 53 两个实体型之间的联系 续 一对多 1 n A中的每个实体可以与B中个实体相联系 反之 对于B中的每个实体至多同A中的一个实体相联系 则称实体集A与实体集B有一对多的联系 记为1 n如班级与学生 系与学生 54 两个实体型之间的联系 续 多对多A中的每一个实体 可以与B中任意个实体相联系 反之 B中的每一个实体 也可以与A中任意个实体相联系 则称实体集A与实体集B具有多对多联系 记为m n如学生与课程 55 联系的表示 56 两个以上实体型之间的联系 两个以上实体型之间一对多联系若实体集E1 E2 En存在联系 对于实体集Ej j 1 2 i 1 i 1 n 中的给定实体 最多只和Ei中的一个实体相联系 则我们说Ei与E1 E2 Ei 1 Ei 1 En之间的联系是一对多的 57 两个以上实体型之间的联系 续 实例课程 教师与参考书三个实体型一门课程可以有若干个教师讲授 使用若干本参考书 每一个教师只讲授一门课程 每一本参考书只供一门课程使用 58 项目经理 办公 项目 1 1 两个以上实体型间1 1联系 办公室 1 两个以上实体型之间的联系 续 59 两个以上实体型之间的联系 续 两个以上实体型间的多对多联系实例供应商 项目 零件三个实体型一个供应商可以供给多个项目多种零件每个项目可以使用多个供应商供应的零件每种零件可由不同供应商供给 60 三个实体型之间的联系 三个实体型之间的联系 61 三个实体型之间的联系 三个实体型之间的联系 62 单个实体型内的联系 一对多联系实例职工实体型内部具有领导与被领导的联系某一职工 干部 领导 若干名职工一个职工仅被另外一个职工直接领导这是一对多的联系一对一联系请举例 63 单个实体型内的联系 多对多联系请举例 64 E R数据模型的表示 E R图矩形 实体型 实体集 椭圆 属性菱形 联系学生 课程 65 E R数据模型的表示 用椭圆表示实体的属性 用矩形表示实体 用菱形表示实体间的联系 实体与联系用线段连接并注明类型 m n 用无向边把实体与其属性连接起来 用来描述联系的属性 66 一个实例 用E R图表示某个工厂物资管理的概念模型实体仓库 仓库号 面积 电话号码零件 零件号 名称 规格 单价 描述供应商 供应商号 姓名 地址 电话号码 帐号项目 项目号 预算 开工日期职工 职工号 姓名 年龄 职称 67 一个实例 实体之间的联系如下 1 一个仓库可以存放多种零件 一种零件可以存放在多个仓库中 2 一个仓库有多个职工当仓库保管员 一个职工只能在一个仓库工作 3 职工之间具有领导 被领导关系 即仓库主任领导若干保管员 4 供应商 项目和零件三者之间具有多对多的联系 仓库和零件具有多对多的联系 用库存量来表示某种零件在某个仓库中的数量 仓库和职工之间是一对多的联系 职工实体型中具有一对多的联系 68 一个实例 69 例 习题13 工厂产品 零件 材料和仓库 某工厂生产若干产品 每种产品由不同的零件组成 有的零件可用在不同的产品上 这些零件由不同的原材料制成 不同零件所用的材料可以相同 这些零件按照类别放在若干仓库中 原材料按照类别放在若干仓库中 请用E R图画出此工厂产品 零件 材料 仓库的概念模型 70 产品 零件 材料 仓库 组成 制造 储存 存放 71 e g 设某商业集团拥有多家商店 每家商店各有多名职工 每个职工只能在一个商店工作 商店销售各种各样的商品 商店聘用职工有聘期和月薪 要求能够统计每个商店所销售商品的月销售量 每个员工的月销售量 72 73 1 2 4常用的逻辑数据模型 是用户从数据库所看到的数据模型倾向于计算机世界DBMS常以其所用的逻辑数据模型来分类 74 常用的逻辑数据模型 四类逻辑数据模型层次网状关系数据结构 表面向对象数据结构 对象对象关系模型 非关系模型 75 1 2 7关系模型 关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式最重要的一种数据模型 也是目前主要采用的数据模型1970年由美国IBM公司SanJose研究室的研究员E F Codd提出本课程的重点 76 一 关系数据模型的数据结构 77 一 关系数据模型的数据结构 在用户观点下 关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表 它由行和列组成 关系 Relation 实体集一个关系对应通常说的一张表元组 Tuple 实体表中的一行即为一个元组属性 Attribute 属性表中的一列即为一个属性 给每一个属性起一个名称即属性名 78 主码 Key 表中的某个属性组 它可以唯一确定一个元组 域 Domain 属性的取值范围 分量元组中的一个属性值 必须是原子的关系模式对关系的描述关系名 属性1 属性2 属性n 学生 学号 姓名 年龄 性别 系 年级 一 关系数据模型的数据结构 79 一 关系数据模型的数据结构 实体及实体间的联系的表示方法实体型 直接用关系 表 表示 属性 用属性名表示 一对一联系 隐含在实体对应的关系中 一对多联系 隐含在实体对应的关系中 多对多联系 直接用关系表示 80 一 关系数据模型的数据结构 例1学生 系 系与学生之间的一对多联系 学生 学号 姓名 年龄 性别 系号 年级 系 系号 系名 办公地点 例2系 系主任 系与系主任间的一对一联系 系 系号 系名 办公地点 系主任 系号 系主任职工号 办公电话 81 一 关系数据模型的数据结构 例3学生 课程 学生与课程之间的多对多联系 学生 学号 姓名 年龄 性别 系号 年级 课程 课程号 课程名 学分 选修 学号 课程号 成绩 82 一 关系数据模型的数据结构 关系必须是规范化的 满足一定的规范条件最基本的规范条件 关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项 83 示例 下列关系是否满足最基本的规范条件 部门 部门号 部门名 部门成员 部门总经理 一 关系数据模型的数据结构 84 一 关系数据模型的数据结构 表1 2术语对比 85 二 关系数据模型的操纵与完整性约束 集合操作 操作数和操作结果均为关系 元组的集合 查询插入删除修改与路径无关 86 二 关系数据模型的操纵与完整性约束 完整性约束实体完整性参照完整性用户定义的完整性 87 三 关系数据模型的存储结构 表以文件形式存储有的DBMS一个表对应一个操作系统文件有的DBMS自己设计文件结构 88 典型的关系数据库系统 ORACLESQLSERVERMySqlSYBASEINFORMIXDB 2COBASEKingBaseEasyBase 89 1 3数据库系统结构 DBMS角度内部体系结构 模式结构最终用户角度外部体系结构 90 数据库系统外部的体系结构 单用户结构主从式结构分布式结构客户 服务器结构浏览器 应用服务器 数据库服务器结构 91 1 单用户数据库系统 整个数据库系统 应用程序 DBMS 数据 装在一台计算机上 为一个用户独占 不同机器之间不能共享数据 早期的最简单的数据库系统 92 2 主从式结构的数据库系统 一个主机带多个终端的多用户结构数据库系统 包括应用程序 DBMS 数据 都集中存放在主机上 所有处理任务都由主机来完成各个用户通过主机的终端并发地存取数据库 共享数据资源 93 数据库 应用程序 DBMS 终端 终端 终端 主从结构应用系统 94 主从式结构的数据库系统 续 优点易于管理 控制与维护 缺点当终端用户数目增加到一定程度后 主机的任务会过分繁重 成为瓶颈 从而使系统性能下降 系统的可靠性依赖主机 当主机出现故障时 整个系统都不能使用 95 3 分布式结构的数据库系统 数据库中的数据在逻辑上是一个整体 但物理地分布在计算机网络的不同结点上 网络中的每个结点都可以独立处理本地数据库中的数据 执行局部应用同时也可以同时存取和处理多个异地数据库中的数据 执行全局应用 96 分布式结构的数据库系统 续 优点适应了地理上分散的公司 团体和组织对于数据库应用的需求 缺点数据的分布存放给数据的处理 管理与维护带来困难 当用户需要经常访问远程数据时 系统效率会明显地受到网络传输的制约 97 4 客户 服务器结构的数据库系统 把DBMS功能和应用分开网络中某个 些 结点上的计算机专门用于执行DBMS功能 称为数据库服务器 简称为服务器 其他结点上的计算机安装DBMS的外围应用开发工具 用户的应用系统 称为客户机 98 客户 服务器结构的优点 客户端的用户请求被传送到数据库服务器 数据库服务器进行处理后 只将结果返回给用户 从而显著减少了数据传输量 数据库更加开放客户与服务器一般都能在多种不同的硬件和软件平台上运行 可以使用不同厂商的数据库应用开发工具 99 客户 服务器结构的缺点 胖客户 问题 系统安装复杂 工作量大 应用维护困难 难于保密 造成安全性差 相同的应用程序要重复安装在每一台客户机上 从系统总体来看 大大浪费了系统资源 系统规模达到数百数千台客户机 它们的硬件配置 操作系统又常常不同 要为每一个客户机安装应用程序和相应的工具模块 其安装维护代价便不可接受了 100 客户机 服务器 C S 应用系统 101 浏览器 应用服务器 数据库服务器结构 客户端 浏览器软件 用户界面浏览器的界面统一 广大用户容易掌握大大减少了培训时间与费用 服务器端分为两部分 Web服务器 应用服务器数据库服务器等大大减少了系统开发和维护代价能够支持数万甚至更多的用户 102 多层结构DB应用系统 103 1 3 1数据库系统模式的概念 数据模型 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是描述数据的手段例如 学生记录型 学号 姓名 性别 系别 年龄 籍贯 一个记录值 900201 李明 男 计算机 22 江苏 104 数据库系统模式的概念 数据模式 Schema 数据库中全体数据的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 105 数据库系统模式的概念 续 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今年学生数据库实例 包含 今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去年学生数据库模式对应的实例与今年度学生数据库模式对应的实例是不同的 106 1 3 2数据库系统的三级模式结构 模式 Schema 外模式 ExternalSchema 内模式 InternalSchema 107 108 一 模式 Schema 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 开发工具及程序设计语言无关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 109 二 外模式 ExternalSchema 外模式子模式 用户模式 有多个 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 110 外模式 续 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 111 外模式 续 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 112 三 内模式 InternalSchema 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 堆存储 顺序存储 升 降 存储 聚簇存储 索引的组织方式 B树索引 hash索引 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 113 内模式 续 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 114 内模式 续 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1 29 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1 29 c 所示 图1 29记录不同的存储方式示意图 115 1 3 3数据库的二级映像功能与数据独立性 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 116 一 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 117 外模式 模式映象 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 模式映像 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 118 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 模式