--数据库系统导论[]PPT课件

1 第1章 第1章数据库系统导论 数据库应用教程 2 本章主要内容 数据管理技术的发展 数据处理及数据管理的概念 数据模型 数据库系统组成 数据库系统体系结构 主要内容 数据库管理系统的组成 数据库管理系统的组成 3 1 1数据处理概念 1 1 1数据与信息 1 数据 从本质上说 数据是指描述事物的符号 可以有多种形式 数字 文字 图形 图像 动画 声音 影像等都是数据 2 信息 信息是现实世界中的各种事物 事物的特征及其联系等在人脑中的反映 是经过处理 加工提炼而用于决策制定或其他应用活动的数据 对信息可以从两个方面来理解 一方面信息是数据的含义 另一方面信息是经过处理的数据 3 数据与信息的关系 信息和数据是两个既有联系又有区别的概念 数据是信息的载体 信息是数据的内涵 同一信息可以有不同的数据表示形式 而同一数据也可能有不同的解释 4 1 1数据处理概念 1 1 2数据处理与数据管理 1 数据处理 从已有的数据出发 根据事物之间的联系 经过一定的处理步骤 就可以产生出新的数据 这新的数据又表示了新的信息 通常用来作为决策的依据 这种从已知的 原始的或杂乱无章中的数据中推导出对人们有用的数据或信息的过程称为数据处理 2 数据处理核心 数据处理核心不是数据计算 而是数据管理 例 某手机生产厂家的总经理 希望知道本厂高 中 低各档次手机的市场占有率 3 数据管理 数据管理是指数据的收集 整理 组织 存储 传送 查询等各种操作 是数据处理的基本环节 是任何数据处理任务的共性部分 数据库技术就是一门数据管理技术 5 1 人工管理阶段 2 文件系统阶段 3 数据库系统阶段 1 2数据管理技术的发展 6 1 2数据管理技术的发展 1 2 1人工管理阶段 1 时间 20世纪50年代中期以前 计算机提供给人们的只有简单的硬件系统 外存也只有纸带 磁带和卡片 软件上还没有出现操作系统 3 特点 程序员在进行数据处理时 不但要设计数据的表现形式 用户看到的 而且还要设计数据的物理存放形式及输入 输出方式 2 硬软件 此时尚没有文件的概念 即使有也只是简单的顺序文件 故没有数据文件的说法 一组数据对应一个应用程序 程序和数据组基本上是绑在一起的 7 1 2数据管理技术的发展 1 2 1人工管理阶段 缺点 人工管理方式是面向某一具体应用的 程序和数据组基本上是绑在一起的 因此数据的独立性差 无法实现数据共享 数据冗余度 同样的数据出现多次称为冗余 大 8 1 2数据管理技术的发展 1 2 2文件系统阶段 1 时间 20世纪60 70年代 计算机大量用于管理领域 在硬件方面出现了磁盘 磁鼓等直接存取的存储设备 在软件方面出现了简单的数据文件管理系统 文件系统 文件系统专门管理文件 用户对数据文件的存取都通过文件系统来进行的 2 硬软件 程序员在编程时不必考虑数据的存放形式 用户存取数据只需通过应用程序与文件管理系统之间的接口来进行 9 1 2数据管理技术的发展 1 2 2文件系统阶段 10 1 2数据管理技术的发展 1 2 2文件系统阶段 1 特点 辅助存储器成为计算机系统不可缺少的组成部分 用来存放数据文件 由文件系统对驻留在外存储器上的数据文件实施统一管理 应用程序不再需要了解数据在存储介质上的实际地址及存放形式 从而大大减少了程序员的工作量 除了顺序文件外 还出现了类似了索引文件等的直接存取文件 数据文件可能重复利用 不再与某个应用程序绑在一起 如在图1 2中 应用程序2 通过某种存取方法可以存取 数据文件1 数据文件N 中的任一数据文件 说明 文件系统的出现使数据管理技术走上了一个新的台阶 但是文件结构的设计依然是基于特定用途的 数据文件与程序之间的依赖关系并没有根本改变 因此它的缺陷依然存在 11 数据冗余无法避免 面向应用 文件结构难以扩展 12 1 2数据管理技术的发展 1 2 2文件系统阶段 2 优点 实现了数据的文件级共享 程序和数据文件相互依存 数据冗余大 数据的不一致性 3 缺点 不能反映企业间的业务联系 4 改进 为了更方便地实现各用户对数据的共享 实现数据和程序的独立性 就进入了数据处理的第三阶段 数据库系统阶段 13 1 2数据管理技术的发展 1 2 3数据库系统阶段 1 数据库技术的目标 一是克服程序和文件的相互依存 二是重在表现数据之间的联系 三是尽量克服数据冗余 解决数据的安全性和完整性保护问题 2 与文件系统的根本区别 数据库系统是面向整个系统的 而文件系统是面向具体应用的 即数据库把一个机构中公用的数据综合在一起 放在一个公用的数据库中 并将各项的数据按照一定的逻辑结构构造在一起 使数据不仅存在于数据库中 而且还能反映出各类数据之间的复杂关系 14 说明 由于各部门公用的数据存放在一个公共的数据库中 数据一般只有一个版本 从而尽可能地消除了数据冗余 但实际上数据冗余是不可能完全消除了 有时为了应用上的方便 还必须人为是增加数据冗余 15 1 2数据管理技术的发展 1 2 3数据库系统阶段 3 数据库系统阶段的主要特点 1 数据的结构化 数据库系统中的数据面向整个机构的全局应用 并采用一定的数据模型来进行描述和定义 数据具有整体结构化的特征 在描述数据结构的同时 不但要描述数据的本身 同时还要描述数据之间的联系 由于是从全局分析和描述数据 从而可以使数据可以被机构内的多个用户 多个应用所共享 由此可以显著地减少数据冗余 节省存储空间 由于数据没有其它副本 故不会出现数据的不一致性 2 数据共享性 除了共享的数据外 各部门还可以有自己的私有数据 这些数据也可以存放在数据库中 但它只是私有于某个部门 为了防止其它部门对它进行访问 可加上各种保密限制 禁止非法获得这些数据 16 1 2数据管理技术的发展 1 2 3数据库系统阶段 3 数据库系统阶段的主要特点 3 数据与程序具有独立性 所谓数据独立性是指数据发生变化而应用程序可以不变 数据的独立性包括数据的物理独立性和数据的逻辑独立性 数据的物理独立性是指用户的应用程序与数据库的存储结构相互独立 数据的存储结构发生变化 应用程序可以不变 数据的逻辑独立性是指用户的应用程序与数据库的逻辑结构相互独立 数据的逻辑结构发生变化 应用程序可以不变 数据独立性的实现方法 两层映射 17 1 2数据管理技术的发展 1 2 3数据库系统阶段 4 便于对数据实现集中统一的管理与控制 安全性控制 完整性控制 并发控制 故障恢复 3 数据库系统阶段的主要特点 18 1 2数据管理技术的发展 1 2 3数据库系统阶段 4 便于对数据实现集中统一的管理与控制 安全性控制 数据的安全性是指保护数据以防止不合法的使用所造成的数据泄密或破坏 系统一般用检查口令或其它手段来验证用户身份 只有合法用户才能进入数据库系统 可以通过定义保密级别和数据存取权限来控制进入系统的用户只能使用允许他使用的数据 3 数据库系统阶段的主要特点 19 1 2数据管理技术的发展 1 2 3数据库系统阶段 4 便于对数据实现集中统一的管理与控制 完整性控制 数据的完整性是指数据的正确性 有效性 数据库中的数据是对客观世界中事物性质的反映 必须要符合一定的语义 数据库系统应提供必要的功能 保证数据库中的数据在输入 修改过程中始终符合原来的含义或规定 3 数据库系统阶段的主要特点 20 1 2数据管理技术的发展 1 2 3数据库系统阶段 4 便于对数据实现集中统一的管理与控制 并发控制 当多个用户的应用程序同时存取 修改数据库时 可能会发生相互干扰而得到错误的结果 并使数据库的完整性受到破坏 因此必须对多用户的并发存取操作加以控制和协调 3 数据库系统阶段的主要特点 21 1 2数据管理技术的发展 1 2 3数据库系统阶段 4 便于对数据实现集中统一的管理与控制 故障恢复 虽然我们希望数据库中的数据总是正确的 可靠的 但计算机系统故障却是无法保证不出现的 故障出现时 可能会影响到数据库中数据的正确性与有效性 甚至会破坏整个数据库 使数据库中的数据部分或全部丢失 当发生这种情况时 系统应该能够根据故障类型把数据库恢复到正确状态 3 数据库系统阶段的主要特点 22 1 3数据模型 1 3 1数据模型的基本概念 1 数据模型的概念 在数据库系统中 一般使用数据模型来对现实世界和信息世界进行抽象 最后形成能被计算机处理的数据世界 也就是说 数据模型是数据库系统中用于数据及其联系表示和操作的一组概念和定义 各种数据库产品都是基于某种数据模型的 2 三个世界 要把现实世界中客观存在的事物及其联系最终反映到计算机的数据世界 要经历三个领域的演变 这三个领域分别是 现实世界 信息世界和数据世界 23 1 3数据模型 1 3 1数据模型的基本概念 3 数据模型分类 根据数据模型抽象的层次不同 可以把数据模型分成两大类 概念数据模型和实施数据模型 通过概念数据模型 可以把现实世界抽象成人脑中的信息世界 实现数据的第一次抽象 通过实施数据模型把以把信息世界抽象成计算机能够处理的数据世界 实现数据的第二次抽象 24 1 3数据模型 1 3 2信息世界的术语 1 实体 实体是指客观存在并可相互区分的事物 不但指人和物 而且事件 抽象的状态和概念也可以看作实体 如机房里的一台电脑 计算机应用专业的一名学生 信用卡上的一笔存款 某次考勤对某人的一次记录等都是实体 2 属性 实体一般具有若干用来描述其性质的特征 这种特征称之为实体的属性 如某学生的特征可由学号 姓名 出生日期 性别 年级 主修专业 籍贯等属性组成 这些属性中的每一个属性取某一个具体值就是某一个具体的学生描述 25 1 3数据模型 1 3 2信息世界的术语 3 实体集 有相同类特征的实体集合称为实体集 在一个单位中 具有共性的一类实体可以组合成一个实体集 如在一所院校中 所有教师组成一个教师实体集 所有学生组成一个学生实体集 所有的课程组成一个课程实体集 所有的班级组成班级实体集 4 联系 客观世界中的事物不是孤立的 而是有关联的 反映在概念模型中就是实体集之间的联系 如教师实体集与学生实体集之间的联系是教师教学生 实体集之间的联系是各种各样的 根据联系的特点可将其分成三种基本类型 一对一的联系 一对多的联系和多对多的联系 26 1 3数据模型 1 3 2信息世界的术语 4 联系 一对一的联系 若对于实体集A中的每一个实体 实体集B中至多有一个实体与之联系 反之亦然 则称实体集A和实体集B之间存在一对一的联系 记作1 1的联系 如系主任实体集和系实体集的联系 就是1 1的联系 一对多的联系 若对于实体集A中的每一个实体 实体集B中有n n 0 个实体与之联系 而对于实体集B中的每一个实体 实体集A中至多只有一个实体与之联系 则称实体集A和实体集B之间存在一对多的联系 记录1 n的联系 如班级实体集与学生实体集之间的联系就是1 n的联系 多对多的联系 若对于实体集A中的每一个实体 实体集B中有n n 0 个实体与之联系 而对于实体集B中的每一个实体 实体集A中也有m m 0 个实体与之联系 则称实体集A和实体集B之间存在多对多的联系 记录m n的联系 如学生实体集与课程实体集之间的联系 27 1 3数据模型 1 3 2信息世界的术语 5 关键字 实体集中的实体是可以相互区分开来的 因此实体集中一定存在这样的属性或属性组 它 它们 的值能够惟一标识实体集中的每一个实体 该属性或属性的组合就称为该实体集的关键字 或键 通常情况下 一个实体集的关键字有很多 可选出一个作为主关键字 实体集的属性总是在一定范围内取值 这种属性的取值范围称为值域 6 值域 28 1 3数据模型 1 3 3四大数据模型 把信息世界中的实体及其联系转化为数据库中的数据 需要借助于实施数据模型 一般简称数据模型 这个工具 数据模型是数据库中用于提供信息表示和操作手段的形式框架 是将信息世界转化为数据世界的桥梁 目前常用的数据模型有层次模型 网状模型 关系模型和面向对象数据模型四大类 层次数据模型是三大经典数据模型中出现最早的一个 它用树型结构来表示实体集与实体集间的联系 树中的节点 表示实体集 树中的连线用来表示实体集间的联系 这种联系只能是1 1或1 n的联系 1 层次模型 29 层次模型是指满足下列条件的基本层次联系的集合 1 有且仅有一个节点无父结点 此结点称为根结点 2 根结点以外的其它结点有且仅有一个父结点 层次模型的优点是层次分明 结构清晰 适用于描述客观存在的事物中有主细目之分的层次结构联系 比如部门的组织结构图 典型的层次模型数据库管理系统是IBM公司在1986开发研制的IMS InformationManagementSystem 30 1 3数据模型 1 3 3四大数据模型 现实世界广泛存在着非层次联系 对于这类联系 用层次模型来描述往往很不直观 也难以理解 因此人们又提出了另一种数据模型 网状模型 2 网状模型 网状模型具有以下特点 1 可以有一个以上结点无父点 2 至少有一个结点具有多于一个的父结点 31 1 3数据模型 1 3 3四大数据模型 2 网状模型 网状模型中最有代表性的是美国CODASY ConferenceofDataSystemLanguage 组织的下属机构数据库任务组于1971年提出的DBTG模型 32 1 3数据模型 1 3 3四大数据模型 关系数据模型是三大经典模型 层次 网状 关系 中最晚发展起来的一种 是相对建模能力最强的一种 也是目前使用得最多的一种模型 它的产生是与科迪的努力分不开的 1970年 科迪 E F Codd 首次描述了关系数据模型 后来他与戴特 C J Date 一起将关系数据模型建立在严格的数学基础 笛卡尔积与关系代数 上 为关系数据库的诞生奠定了理论基础 3 关系模型 33 若干个名词 关系 关系数据库 属性 元组 关键字 值域 34 1 3数据模型 1 3 3四大数据模型 1 关系中元组的个数是有限的 2 关系中不允许有相同的元组 3 关系中不允许有相同的属性名 4 关系的每一属性的数据类型必须相同 且取自于同一个域 5 关系的行的顺序和列的顺序可以任意交换 6 关系的任何一个属性都必须是不可再分的元素 7 关系的结构相对固定 但元组的值与数目是随时间的推移而经常变化的 3 关系模型 关系的性质 关系模型是以人们日常生活中司空见惯的二维表的形式表示实体集与实体集之间的联系 非常直观 同时又由于其理论严格 使用方便等特点 所以被广泛地接受和使用 35 1 3数据模型 1 3 4数据模型的三要素 如果抽象出数据模型共性 并加以归纳 数据模型可严格定义成一组概念的集合 这些概念精确地描述了系统的静态特性 动态特性和完整性约束规则 数据模型通常由下列三个部分组成 数据结构 数据操作和数据的完整性约束规则 1 数据结构 数据结构是所研究对象的类型的集合 这些对象是数据库的组成成分 一般可以分为两类 一类是与数据类型 内容有关的对象 如关系模型中的关系 对应于信息世界中的实体 另一类是与数据之间联系有关的对象 在数据库系统中 通常按照数据结构的类型来命名数据模型 如层次结构 网状结构和关系结构的模型分别命名为层次模型 网状模型和关系模型 36 1 3数据模型 1 3 4数据模型的三要素 2 数据操作 数据操作是指对数据模型中各种对象型的实例 如关系模型中的关系的值 所允许执行的操作 包括操作及有关的操作规则 数据库中主要有查询和更新 包括插入 删除 修改 两大类操作 数据模型要定义这些操作的确切含义 操作符号 操作规则 如操作优先级别 以及实现操作的语句 数据结构是对系统静态特性的描述 数据操作是对系统动态特性的描述 3 数据的完整性约束规则 数据的完整性约束规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则 这些规则用来限定基于某种数据模型的数据库的状态及状态的变化 以保证数据库中数据的正确性和有效性 37 1 4数据库系统体系结构 1975年 美国国家标准委员会 ANSI 所属的标准计划和要求委员会 StandardsPlanningAndRequirementsCommittee 公布了一个关于数据库标准的报告 提出了数据库的三级结构组织 这就是有名的SPARC结构 38 1 4数据库系统体系结构 1 概念模式 概念模式 是数据库系统中全局数据逻辑结构的描述 是全体用户公共数据视图 该描述是一种抽象的描述 并不涉及到具体的硬件和软件平台 概念模式又称模式 对应概念级数据库 又称DBA 数据库管理员 视图 2 内模式 又称物理模式或存储模式 它具体地描述了数据如何组织并存放在外部存储器上 即给出了数据库的物理存储结构和物理存取方法 内模式是由系统程序员选择一定的文件结构组织起来的 也是由他们编制存取程序实现数据存取的 故内模式又称系统程序员视图 39 1 4数据库系统体系结构 外模式 外模式又称子模式或用户模式 它面向用户 是用户眼中的数据库 通常 外模式是模式的一个子集 它包含了模式中允许特定用户使用的那部分数据 三级模式中 概念模式是内模式的逻辑表示 内模式是概念模式的物理实现 外模式则是概念模式的部分抽取 4 两层映射 采用映射技术主要好处有以下几点 1 保证了数据的独立性 2 保证了数据共享 3 有利于数据的安全保密 4 方便用户使用数据库 40 1 5数据库系统组成 数据库系统 DatabaseSystem DBS 是指实际可运行的 具有管理和控制数据库功能并向应用程序提供数据或信息支持的系统 一个完整的数据库系统由计算机支持系统 数据库 Database DB 数据库管理系统 DatabaseManagementsystem DBMS 数据库应用程序以及相关人员组成 1 计算机支持系统 1 硬件支持系统 2 软件支持系统 2 数据库 DB 数据库一般是指按一定的数据模型组织的 长期存放在外存上的一组可共享的相关数据集合 可以把它看成是数据的仓库 这个 仓库 中的数据彼此之间是有联系的 有规则的 不是独立的 杂乱无章的 数据库中的数据通常由两部分组成 一部分是有关应用的工作数据的集合 称作物理数据库 它是数据库的主体 另一部分是有关数据库的定义信息 如表的结构 每个属性的数据类型 使用权限等 称作描述数据库 通常由一个 数据字典 DataDictionary DD 来管理 41 1 5数据库系统组成 3 数据库管理系统 DBMS 为了使用数据库中的数据 必须有一个对这些数据进行访问和控制的机构 这个机构就是数据库管理系统 它是基于某种数据模型对数据库进行管理的系统软件 是数据库系统的核心 数据库系统的一切操作 包括按数据模式来创建数据库对象 用户或应用程序对数据对象的操作 如检索 插入 修改 删除等 以及数据管理和控制等 都是通过DBMS进行的 4 数据库应用程序 数据库应用程序是为了完成特定的功能而由编程人员编写的 它与一般的计算机系统中的用户程序基本相同 数据库应用程序可以由高级程序设计语句编写 如使用C语言 COBOL VisualBasic等编写 但大多数据库管理系统都自备有一套语言 42 1 5数据库系统组成 5 人员 1 数据库管理员 DatabaseManagementAdministrator 数据库管理员是指一组熟悉计算机数据处理业务 负责设计和维护数据库的技术人员 这些专业人员在数据库的整个生命周期中处于十分重要的地位 也是数据库系统中不可缺少的一部分 2 系统分析设计和开发人员 系统分析设计和开发人员的主要任务是设计和开发数据库系统 他们根据用户需求与DBA一起确定系统硬 软件配置 参与概念结构设计 逻辑结构设计和物理结构设计 并在此基础上编写应用程序 进行调试和安装系统 3 用户 用户是指数据库系统的最终用户 不同层次的用户按其业务工作的要求 通过应用程序的操作界面使用数据库 分别完成日常业务 管理和决策的工作 如超市的收银员就是一种数据库系统的用户 43 1 6数据库管理系统的组成 1 6 1语言 1 程序设计语言 程序设计语言又可分为两类 宿主语言和自含语言 宿主语言就是一般的程序设计语言 如C Basic等 数据库的操作语言只是宿主语言的一种扩充 扩充方法有两种 一种方法是把数据库的操作语言当作宿主语言的一部分 嵌入到宿主语言中 另一种方法是把数据库的操作语言编写成子程序由宿主语言调用 自含语言是DBMS的一部分 其中不但含有编写一般高级语言程序所需的输入输出语句和控制语句 还包含数据库的操作语言 而且它还拥有自己的解释器或编译器 因此可以直接用它来编写数据库应用程序 44 1 6数据库管理系统的组成 1 6 1语言 2 定义和操作数据库的语言 1 数据描述语言 DDL 数据描述语言 DataDescriptionLanguage DDL 用以定义数据库的各级数据结构以及它们之间的映像 定义各种完整性约束规则和安全性控制条件 它又可进一步分成模式DDL 子模式DDL 数据存储DDL 分别用来定义概念数据库 用户数据库与物理数据库 为了便于计算机处理 DBMS配置了相应的翻译处理程序 它们接受DDL定义 对其进行语法 语义检查 把它们翻译成内部格式存储在数据字典中 DDL翻译程序还根据模式定义负责建立数据库的框架 等待数据的装入 45 1 6数据库管理系统的组成 1 6 1语言 2 定义和操作数据库的语言 2 数据操纵 查询语言 DML DQL 数据操纵 查询语言 DataManipulationLanguage DataQueryLanguage 简记作DML DQL 是应用程序和数据库的接口 包括数据的增加 删除 修改 查询等操作命令 DML DCL命令通常需要指明操作对象和操作条件 是一种逻辑性操作命令 并不涉及到物理细节 尤其是关系数据库的操作语言 它不需要用户提出如何实现某一种操作 只需用户给出要处理的数据对象和相应的操作类型 系统可自动实现用户的要求 46 1 6数据库管理系统的组成 1 6 2控制数据库运行的程序 控制数据库运行的程序负责控制数据库运行 包括数据库监控程序 存取控制程序 数据存取程序 数据完整性检查程序 多用户并发控制程序 通信控制程序等 1 6 3数据库维护程序 数据库维护程序用来维护数据库 使其保持最佳工作状态 包括数据装入程序 无用数据消除程序 数据库重组程序 转储拷贝程序 跟踪程序等 47 1 7客户 服务器数据库系统概述 1 7 1 主机 终端 数据库应用系统 早期 20世纪60年代 的数据库系统是主从式 主机 终端式 系统 是一种集中式数据库体系结构 其主要特点是单点数据和单点处理方式 即DBMS软件 所有用户的数据和应用程序都存储在一个中心计算机 也称为主机 上 通常是大型机 用户仅能通过终端发出存取数据的请求 由通信线路传输给主机 主机响应并处理之后 再将处理结果通过通信线路返回给用户终端 1 单层的数据库系统 主机 终端 48 1 7客户 服务器数据库系统概述 1 7 1 主机 终端 数据库应用系统 到了80年代中期 局域网技术发展很快 出现了文件服务器和网络工作站组成的数据库应用系统 在这种系统中 数据库由文件服务器集中管理 PC机和工作站只相当于终端 严格地说该系统也是一个 主机 终端 数据库应用系统 这样的系统均可认为是单层的数据库系统 2 单层的数据库系统 服务器 工作站 3 特点与缺点 一个完整的数据库应用系统应由四部分组成 用户界面显示逻辑 应用逻辑 又称企业逻辑 事务逻辑和数据管理 主机 终端 数据库应用系统的特点是终端只处理显示逻辑 而应用逻辑 事务逻辑和数据管理等均由主机来实现 从而使主机负担过重 4 发展 随着计算机网络技术的发展 以及一些地理上分散经营的商业集团 公司 厂商对数据库应用的需求 DBMS的运行环境逐渐从单机扩展到网络 对数据的处理也从集中式走向分布式 从封闭式走向开放式 到了20世纪90年代初 出现了客户机 服务器 C S 结构的数据库应用系统 49 1 7客户 服务器数据库系统概述 1 7 2两层 客户机 服务器 C S 数据库应用系统 系统的功能在客户机和服务器之间进行划分 实现数据存取与应用程序分离 由数据库服务器执行数据操作 由客户机执行应用程序 注意 在两层C S系统中 各客户机是单独的计算机 能够执行数据库应用程序 处理显示和应用逻辑 1 系统结构 50 1 7客户 服务器数据库系统概述 1 7 2两层 客户机 服务器 C