第1章--数据库系统概论.ppt

1 第1章数据库系统概论 1 0数据库的应用1 1现实世界的数据化过程1 2数据管理技术的发展1 3概念模型与数据模型1 4数据库管理系统 DBMS 1 5数据库系统 DBS 2 数据库 Database DB 数据库 是计算机系统中统一管理的有一定结构的相关数据的集合 3 1 0数据库的应用 数据库 Database 是信息管理的有效手段 在整个计算机系统中 数据库是建立在操作系统之上 负责数据管理任务的系统部件 企业信息化的目的就是要以现代信息技术为手段 对各种企业生产和经营过程而产生的数据进行收集加工 管理和利用 改善企业生产经营的整体效率 增强企业的竞争力 数据库是信息化不可缺少的工具 是企业信息系统的基础和核心 数据 数据库 数据库管理系统以及数据库系统是和数据库技术密切相关的几个概念 考核要求 了解 4 资源管理的发展过程 MIS ManagementInformationSystem 管理信息系统 阶段MRP MaterialRequirementPlanning 物料需求计划 阶段MRPII ManufactureResourcePlanning 制造资源计划 阶段ERP EnterpriseResourcePlanning 企业资源计划 阶段 5 1 0 1管理信息系统MIS ManagementInformationSystem 6 初级阶段 统计系统 管理信息系统在最初级阶段是统计系统 所研究的内容是数量数据间表面的规律 它可以把数据分成较相关和较不相关的组 然后把数据转换为信息 7 第二阶段 数据更新系统 其典型代表是美国航空公司于20世纪50年代建成的SABRE预约订票系统 它设有1008个订票点 可以存600000个旅客记录和27000个飞行段记录 他的操作比较复杂 在任何一 点 都可以查到某一航班是否有空座位 但从概念上来讲 他只是一个数据更新系统 比如它不能告诉你以现在的售票速度何时票将售完 从而采取补救措施 因而它也是管理信息系统的低级阶段 8 第三阶段 状态报告系统 它可以分为生产状态报告 服务状态报告和研究状态报告等系统 比如生产状态报告系统 它的典型代表是IBM公司的生产管理系统 众所周知 IBM公司是世界上最大的计算机公司 1964年它生产出中型计算机IBM360 使计算机的水平提高了一个台阶 但同时组织生产的管理工作却大大复杂化了 9 1 0 2物料需求计划 MRP MaterialRequirementPlanning 客户定单 物料库 产品构成 物料需求计划 采购计划 推动生产 实现减少库存 优化库存的管理目标 10 1 0 3制造资源计划 MRPII ManufactureResourcePlanning MRP上增加了对生产中心 加工工时 生产能力的管理 实现了生产排序及财务的管理 11 1 0 4企业资源计划 ERP EnterpriseResourcePlanning 增加了财务预测 全面质量管理 生产能力综合 资源调度 成为企业进行决策的平台 12 1 1现实世界的数据化过程 知识点 主要是对三个领域的理解 以及掌握数据描述的术语 考核要求 识记 13 速度 0 1101201000 14 学生 学号 姓名 班级 15 现实 16 信息 图书 图书号 图书类别 书名 作者 出版社 价格 数量 在馆数量 读者 读者号 读者姓名 单位 性别 类别 地址 管理员 管理员号 管理员姓名 性别 生日 级别 工资 17 BIDBCBNAMEAUTHORPRESSPRICENUMBERCURRENT5041854103T43106计算机图象处理黄晓明清华大学出版社32 00215041854104T43106计算机图形学黄海清华大学出版社33 00215041854105T43106算法分析与设计詹远亮清华大学出版社34 00215041854106T43106多媒体技术梁志华清华大学出版社35 00215041854107T43106数据仓技术专题邓彩光清华大学出版社36 00215041854108T43106数据挖掘技术专题覃豪杰清华大学出版社37 0021SnoSnRunitSexOccupationAddress5041854103黄晓明计算机男学生21舍5041854104黄海计算机男学生21舍5041854105詹远亮计算机男学生21舍5041854106梁志华计算机男学生21舍5041854107邓彩光计算机男学生21舍5041854108覃豪杰计算机男学生21舍5041854109李云计算机男学生21舍AnoAnameAsexAbirthdayAcertificateAsalary43106徐云男61 11 22高级馆员300043105莫鸿男71 11 23高级馆员300043129杨主泉男71 11 24高级馆员300043123王应华男71 11 25高级馆员300043139徐庆男71 11 26高级馆员3000 数据 18 信息世界也叫观念世界 是现实世界在人脑中的反映 现实世界中的事物和事物特性在信息世界中分别反映为实体和实体的属性 人们用概念模型来描述信息世界 数据世界是信息世界数据化后的产物 信息世界中的实体和属性在数据世界中分别成为记录和数据项 人们用数据模型来描述数据世界 现实世界 信息世界和数据世界的关系如图1 1所示 19 图1 1三个世界的关系 20 信息世界中的几个概念 1 实体 即客观存在可以相互区别的事物 2 实体集 同类实体的集合 3 属性 实体的特性 4 实体标识符 唯一标识实体的属性或属性集 21 机器世界中的四个概念 1 字段 标记实体属性的命名单位称为字段或数据项 2 记录 字段的有序集合 3 文件 同一类记录的汇集 4 键 关键码 能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集 数据描述的两种形式 物理描述和逻辑描述 前者是指数据在存储设备上的存取方式 后者是指程序员或用户用以操作的数据形式 22 数据模型是数据库系统的核心和基础 但现实世界只有先抽象为信息世界 才能进一步转换为数据世界 信息世界的概念模型是不依赖于具体的计算机世界的 因此 概念模型是从现实世界到计算机世界的中间层次 23 物理存储介质层次及数据描述 了解物理存储介质层次 高速缓存 主存储器 快擦写存储器 磁盘存储器 光存储器 磁带了解物理描述用到的术语有 位 字节 字 块 桶 卷 24 1 2数据管理技术的发展 知识点 主要是各个阶段的主要特点以及一些基本概念 考核要求 识记 25 1 2 1人工管理阶段在硬件方面 计算机的运算速度低 内存容量小 外设还没有磁盘等直接存取的存储设备 在软件方面 还没有操作系统 没有管理数据的软件 这一阶段的计算机主要用于科学计算 这个时期数据管理的特点是 1 数据不保存 2 没有管理数据的软件系统 3 基本上没有文件概念 4 数据是面向应用的 即一组数据对应一个程序 26 在人工管理阶段 上述数据与程序关系的特点如图1 2所示 图1 2人工管理阶段数据与程序的关系 27 1 2 2文件系统阶段文件系统管理阶段有以下几个特点 1 数据存在文件中 文件可长期保存在外存 2 程序和数据有了一定的独立性 3 文件已多样化 4 数据的存取基本上以记录为单位 28 在文件系统阶段 用户虽有了一定的方便 但仍有很多缺点 这主要表现在以下两个方面 1 数据冗余度大 2 数据和程序缺乏独立性 文件之间是孤立的 不能反映现实世界中事物之间的内在联系 在文件系统阶段 数据与程序的关系如图1 3所示 29 图1 3文件系统阶段数据与程序的关系 30 1 2 3数据库系统阶段20世纪60年代后期 计算机硬件 软件有了进一步的发展 数据库技术中的四个名词 DB DBMS DBS 数据库技术 其概念是不同的 要分清 31 1 数据库 DataBase DB 数据库是存储在计算机系统内的 有结构的数据的集合 2 数据库管理系统 DBMS DataBaseManagementSystem 数据库管理系统是数据库系统中管理数据库的系统软件 它是在操作系统支持下进行工作的 它为用户提供了一整套命令 数据库管理系统中 程序与数据的关系如图1 4所示 32 图1 4数据库系统阶段数据与程序的关系 33 3 数据库系统 DBS DataBaseSystem 指在计算机系统中引入数据库后的系统构成 由计算机硬件 操作系统 数据库管理系统 数据库 应用程序和用户 数据库管理人员等组成 4 数据库技术是一门研究数据库结构 存储 管理和使用的软件学科 34 1 3概念模型与数据模型 知识点 两种模型的概念 考核要求 领会 35 1 3 1概念模型知识点 E R图的表示方法 ER模型的特点 考核要求 领会并简单应用 36 概念模型中的基本内容是实体 Entity 实体是客观事物的反映 既可以是实际存在的对象 也可以是某种概念 事物是有特性的 所有属性名完全相同的实体往往集合在一起 称为实体集 EntityUnit 37 实体以矩形表示 联系以菱形表示 属性以椭圆表示 用实线将图形相连 关系名 属性名 实体名 38 1 3 2实体之间的关联1 一对一联系 1 1 对实体集A中的每一个实体 若实体集B中至多有一个实体与之联系 反之亦然 则称实体集A与B是一对一联系的 见图1 5 a 39 2 一对多联系 1 n 对A中的每一实体 若B中可有多个实体与之联系 但对B中的每一实体 A中最多有一个实体与之联系 则称A与B是一对多联系的 见图1 5 b 3 多对多联系 m n 对A中的每一实体 若B中可有多个实体与之联系 反之亦然 则称A与B是多对多联系的 见图1 5 c 同一实体集内的各实体之间也可有某种联系 例如 场上队长与队员之间为一对多的联系 可用图1 6表示 40 图1 5两个实体型之间的联系 用来表示特殊与一般的关系概括 用来表示集合与成员的关系组合 用来表示修课与被修的关系相互作用 41 图1 6同一实体集内一对多联系 42 图书 读者 学生 研究生 学生 班级 借阅 研读 属于 多对多 一对一 一对多 以下实体联系是 1 1 1 M M N 43 以下是一些特殊的实体联系 1 1 1 M M N 教师 桂林人 职工 任课 父母 夫妻 多对多 一对一 多对多 结论 联系类型要看客观世界的具体情况而定 44 1 3 3概念模型的表示方法 E R图概念模型的常用表示方法是实体 联系法 Entity RelationshipApproach 即E R图 在E R图中 用长方形表示实体 椭圆表示属性 并用无向边把实体与其属性连接起来 形表示实体间的联系 用无向边把菱形与有关实体连接起来并在无向边旁标上联系的类型 若联系具有属性 则也把属性与菱形用无向边相连 例如 教师和课程之间关系的E R图如图1 7所示 考核要求 领会并简单应用 45 46 47 M N 48 1 M 49 1 1 结论 联系类型要看客观世界的具体情况而定 50 E R图表示的概念模型既不涉及具体的数据模型 又是各种数据模型的基础 E R方法是抽象和描述现实世界的有力工具 图1 8给出了学校教务管理的E R图 51 图1 8教务管理E R图 52 怎样设计E R图 怎样用E R图准确反映信息模型 设计方法虽然没有一定的规则 但我们要大体遵循以下原则E R的设计原则 1 针对每一用户作出该用户信息的局部E R图 确定该用户视图的实体 属性和联系 注意 能作为属性的就不要作为实体 这样有利于简化E R图 2 综合局部E R图 产生出总体E R图 注意 在综合的过程中 同名实体只能出现一次 还要去掉不必要的联系 以便消除冗余 最后我们还要说明一点 一个系统的E R图不是唯一的 强调不同的侧面作出的E R图可能有很大的不同 53 例 设某企业信息系统有下列用户 人事科处理职工档案 供应科处理采购业务 总务科处理仓库业务 生产科处理产品业务 试根据上述要求设计出能反映所有用户信息视图的总体E R图 根据E R图的设计原则我们可知 54 步骤一 先作出局部的E R图 如下 人事科视图供应科视图 生产科视图总务科视图 55 步骤二 综合局部E R图 产生出总体E R图 综合后的E R图从上面综合后的E R图中我们发现去掉了一些联系 又增添了一些新联系 这是允许的 17个实体变为7个 4个零部件变成1个 增加了联系装配 合同 消耗 56 1 3 4三种主要的数据模型数据模型是数据库系统的核心和基础 不同的数据库管理系统支持不同类型的数据模型 当前实际数据库管理系统所支持的主要数据模型有 层次模型 HierarchicalModel 网状模型 NetworkModel 和关系模型 RelationalModel 考核要求 识记 57 数据模型的三要素 数据模型是严格定义的概念的集合 这些概念精确地描述系统的静态特性 动态特性和完整性约束条件 数据结构数据操作数据完整性约束 58 1 数据结构 最重要 研究对象类型的集合分为两类 A 与数据类型 内容 性质有关的对象B 与数据之间联系有关的对象数据模型的命名一般是由数据结构决定的 如网状 层状 关系 59 2 数据操作 指对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合 包括操作和相关的操作规则操作分为两大类 检索和更新 删除 插入 更改 对数据模型来说 要求定义这些操作的确切含义 操作符号 操作规则 如优先级别 以及实现操作的语言 60 3 数据的完整性约束完整性规则的集合 完整性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 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 61 图1 9基本层次结构 62 1 基本层次联系非关系模型的数据结构可以分解为基本层次联系 两个记录型及它们之间的一对多 一对一 的联系称为基本层次联系 如图1 9所示 图中 R1称为父记录 R2称为子记录 63 2 层次模型若一个基本层次联系的集合满足下列两条件 则它是层次模型 有且仅有一个结点无父结点 这样的结点称为根结点 非根结点都有且仅有一个父结点 层次模型是一棵树 图1 10是一个层次模型 在层次模型中 一个结点可以有几个子结点 也可以没有子结点 前一种情况下 这几个子结点称为兄弟结点 后一情况下 该结点称为叶结点 考核要求 识记 64 图1 10一个层次模型 65 3 网状模型若一个基本层次联系集合中 至少有一个结点有一个以上的父结点 则这种数据模型是网状模型 网状模型还可能有的两个特点是 可能有一个以上的结点 无父结点 结点与其父结点之间的联系可能不止一个 图1 11的 a b c 给出的数据模型都是网状模型 考核要求 识记 66 图1 11网状模型 67 4 关系模型关系模型是最迟出现的 也是最重要的数据模型 当前广泛应用的数据库管理系统几乎都是支持关系模型的 被称为关系型数据库管理系统 RelationalDataBaseManagementSystem 即RDBMS RDBMS ORACLE SQLServer MySQL Sybase Informix Ingers DB 2等 在关系模型中 用二维表表示实体及其相互联系 但对表的构成形式是有一定限制的 图1 12的表是一个关系模型 考核要求 领会 68 图1 12一个关系模型 职工 69 关系模型对二维表的限制是 表中每一列都必须是不可分的基本项 如图1 13的情况是不允许的 表中没有完全相同的两个元组 在一个关系模式中 不能有两个属性具有相同的属性名 在一个关系模式中 属性间的顺序和元组间的顺序都是无关紧要的 考核要求 领会 70 图1 13不允许的表 71 关系模型的特点 1 概念单一 用户的观点里 数据的逻辑结构就是表实体或实体之间的联系都用关系表示 职工 职工号 姓名 年龄 职称 领导 领导职工号 被领导职工号 72 2 关系必须是规范化的关系指在关系模型中 每一个关系模式要满足一定的要求或者称为规范条件其最基本的要求是每一个分量是一个不可分的数据项 也就是说 不允许表中还有表 73 3 用户对数据的检索操作不过是从原来的表中得到一张新的表 在用户眼中 无论是原始数据还是结果数据 都是同一种数据结构 二维表 数据操作是集合操作 即操作对象和操作结果都是若干元组的集合 而不象非关系模型中那样单记录的操作方式 把存取路径向用户隐藏起来 提高了数据的独立性 74 1 4数据库系统 DBS 知识点 有关体系结构的各种概念 考核要求 领会 75 1 4 1数据库系统的三级模式结构实际的数据库系统是多种多样的 但一般都具有三级模式的结构特征 数据库系统的三级模式结构是外模式 模式和内模式 如图1 14所示 76 图1 14数据库系统的三级模式 考核要求 识记 77 1 模式 概念模式 模式也称概念模式 是数据库中的数据在逻辑级上的视图 安全性主要指保密性 完整性包括数据的正确性 有效性和相容性 模式不是数据库本身 它仅仅描述数据库结构 数据库管理系统提供模式描述语言 模式DDL 来定义模式 78 2 外模式外模式也称子模式 是个别用户的数据视图 即个别用户涉及到的数据库的局部逻辑结构 外模式是模式的子集 不同用户的外模式是不同的 可互相覆盖 一个应用程序只能启用一个外模式 一个外模式可被同一用户的若干应用程序使用 数据库管理系统提供外模式描述语言 外模式DDL 描述外模式 用外模式DDL给出的 用以定义一个用户数据视图的全部语句称为此用户的外模式 79 3 内模式内模式也称存储模式 它既定义了数据库中全部数据的物理结构 还定义了数据的存储方法 存取策略等 通常 用内模式描述语言 内模式DDL 来描述和定义内模式 80 1 模式 内模式映象 用于定义概念模式和内模式之间的对应性 一般在内模式中描述 由于这两级的数据结构可能不一致 即记录类型 字段类型的命名和组成可能不一样 因此 需要这个映象说明概念记录和内部记录之间的对应关系 修改内模式时尽量不影响概念模式及外模式 4 二级映像 考核要求 识记 81 2 外模式 模式映象 用于定义外模式和概念模式间的对应性 在外模式中描述 由于这两级的数据结构可能不一致 即记录类型 字段类型的命名和组成可能不一样 因此 需要这个映象说明概念记录和外部记录之间的对应关系 修改概念模式时尽量不影响外模式和应用程序 学生用户程序 教师用户程序 管理用户程序 DS1 表1 表2 DS2 表3 表4 83 4 三级模式的特点 保证数据的独立性简化了用户接口 方便了用户使用有利于数据共享及数据安全保密会给系统增加一些额外开销 84 社会上存在的邮政系统 85 图1 14数据库系统的三级模式 考核要求 识记 86 DBMS是数据库系统的关键内容 DBMS的主要功能 1 数据库的定义功能 2 数据库的操纵功能 3 数据库的保护功能 实现保护的四个子系统 4 数据库的存储管理 5 数据库的维护功能 6 数据字典 1 5数据库管理系统 DBMS 考核要求 领会 87 数据库管理系统的主要功能 1 数据库定义功能DBMS一般提供数据定义语言 DDL 定义数据库的三级结构 包括外模式 模式和内模式及相互之间的映象 定义数据的完整性 安全控制等约束 这些定义存于数据字典中 是DBMS存储和管理数据的依据 DBMS根据这些定义 从物理记录导出全局逻辑记录 又从全局逻辑记录导出用户所检索的记录 DDL DataDefinitionLanguage 88 2 数据库的操纵功能DBMS一般提供数据操纵语言 DML 实现对数据库数据的基本操作检索和更新 插入 修改和删除 DML DataManipulationLanguageDML有两类 过程性DML 嵌入在主语言中使用非过程性DML 交互式命令语言 语法简单 可以独立使用 89 3 数据库的保护功能DBMS一般提供对数据的保护 包括数据库的恢复 并发控制 存取控制 完整性约束条件的检查和执行所有的操作都要在这些控制程序的统一管理下进行 保证数据库的正确有效 90 4 数据库的存储功能DBMS存储管理子系统的功能是把各种DML语句转换为低层的文件系统命令 起到数据的存储 检索和更新的作用 5 数据库的维护功能包括数据库的装载 数据库的转储 恢复 重组织 系统性能监视 分析等功能由DBMS的实用程序来完成 91 6 数据字典 DataDictionary DD 数据库系统中存放三级结构定义的数据库称为数据字典 对数据库的操作都要通过访问DD才能实现 是对系统中数据的详尽描述 它提供对数据库数据描述的集中管理 它的处理功能是存储和检索元数据 并且为数据库管理员提供有关的报告 对数据库设计来说 数据字典是进行详细的数据收集和数据分析所获得的主要成果 数据字典主要包括四个部分 数据项 数据结构 数据流 数据存储 考核要求 领会 92 数据字典的内容和作用是什么 数据字典的内容一般包括 数据项 数据结构 数据流 数据存储和加工过程 数据字典里存有用户信息 用户的权限信息 所有数据对象信息 表的约束条件 统计分析数据库的视图等 我们不能手工修改数据字典里的信息 其作用是对系统中数据做出详尽的描述 提供对数据库数据的集中管理 93 DBMS的组成 由两大部分组成 查询处理器和存储管理器 查询处理器包括DDL编译器 DML编译器 嵌入型DML预编译器 查询运行核心程序 存储管理器包括授权和完整性管理器 事务管理器 文件管理器 缓冲区管理器 94 1 5 2用户访问数据库的过程实际数据库系统的情况是互不相同的 实际数据库系统所使用的术语也是有差别的 在理论讲述上 各种教材 各篇文章所使用的术语名称也是不统一的 这需要读者在使用时进行比较理解 为使读者对数据库系统的工作有一个整体概念 我们介绍一下访问数据库数据的主要步骤 该过程如图1 15所示 95 程序工作区 返回状态 DB的系统缓冲区 数据库 DBMS 应用程序A对应的外模式 模式 内模式 数据字典 应用程序A OS 运行日志 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 用户访问数据的过程 96 图1 15访问数据库的主要步骤 数据字典 考核要求 识记 97 不同用户使用的数据视图 98 1 6数据库系统 1 6 1数据库系统 DBS 的组成数据库系统 采用了数据库技术的计算机系统 可以实现有组织地 动态地存储大量关联数据 方便多用户访问的计算机软件 硬件和数据资源组成的系统 数据库系统是数据库 硬件 软件和用户的集合体 99 1 6数据库系统 数据库 它是数据库系统的工作对象 数据库由DBMS处理 数据库包含 用户数据 元数据 索引和应用数据用户数据 大多数数据库把用户数据表示为关系 可以简单地把关系看作数据表 元数据 数据库是自描述的 它自身包含了它的结构的描述 这种关于结构的描述称为元数据 索引 用于改进数据库的性能和可访问性 可以用来排序 快速访问数据 100 1 6数据库系统 数据库 应用元数据 用来存储用户表格 报表 查询和其他形式的应用组件 一般不直接访问应用元数据 101 1 6数据库系统 用户 存在一组使用数据库的用户 即指存储 维护和检索数据的各类请求 主要由四类用户1 最终用户 EndUser 是指从计算机联机终端存取数据库的人员2 应用程序员 ApplicationProgrammer 是指负责设计和编制应用程序的人员使用高级语言编写应用程序 以对数据库进行存取操作3 专业用户 数据库设计中的上层人士 系统分析员 102 1 6数据库系统 用户 3 数据库管理员 DateBaseAdministrator DBA主要职责 监控DB的运行 是否正常运行及运行效率 日常维护 后备 恢复 重组 权限管理 确保DB的完整性与安全性 文档管理 参与DB的设计 概念模式定义和内模式定义 103 1 6数据库系统 软件 主要是指负责数据库存取 维护和管理的软件系统 通常叫做数据库管理系统 DataBaseManagementSystem DBMS 数据库系统的核心软件 DBMS是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件 数据库系统的各类用户对DB的各种操作请求 都是由DBMS完成的 包括DB的建立 查询 更新及各种数据控制 104 1 6数据库系统 硬件 是指存储数据库和运行数据库管理系统 操作系统 的硬件资源足够大的内存足够大的外存足够大的通道能力 105 1 6数据库系统层次结构图 106 数据库系统的主要特征 优点 在数据库系统中 由DBMS集中统一管理整个组织的全部数据 统一管理和控制数据库系统的运行 1 数据的结构化2 数据冗余度小3 数据共享4 具有较高的数据和程序独立性5 提供各种安全性功能 考核要求 领会 107 习题 1 下列四项中 不属于数据库特点的是 A 数据共享B 数据完整性 C 数据冗余很高D 数据独立性高2 下列四项中说法不正确的是 A 数据库减少了数据冗余B 数据库中的数据可以共享C 数据库避免了一切数据的重复D 数据库具有较高的数据独立性 答案 1 C2 C 108 习题 1 数据的结构化 文件由记录组成 但各个文件间缺乏联系 数据库中数据在磁盘中虽然以文件形式组织 但这些文件间有广泛的联系 2 数据独立性 文件只有设备独立性 而数据库还具有逻辑独立性