《数据库理论》PPT课件

2020/5/16,信息与通信工程学院,1,数据库应用技术,北京邮电大学信息与通信工程学院,2020/5/16,信息与通信工程学院,2,教学目的,通过本课程的学习，能对数据库技术及其应用系统有一个较全面的认识。了解数据库系统的基本概念、原理和方法掌握使用一种关系数据库管理系统进行数据管理掌握使用数据库系统开发工具进行数据库应用系统设计与开发的方法,2020/5/16,信息与通信工程学院,3,教学基本要求,了解数据库系统的基础知识，理解关系数据库的基本概念、原理和方法掌握关系数据库语言SQL(StructuredQueryLanguage)语言的基本使用掌握使用MSSQLServer实现数据库设计了解数据库应用系统开发的基本过程和方法，具有使用PowerBuilder设计数据库应用程序的能力,2020/5/16,信息与通信工程学院,4,教材及参考书,数据库系统概论高教出版社萨师煊、王珊编著SQLServer2000入门与提高清华大学出版社周绪等编著PowerBuilder8.0数据库应用系统开发教程清华大学出版社崔巍编著,2020/5/16,信息与通信工程学院,5,第一章数据库概论,数据库技术就是数据管理的技术。数据：数据库中存储的基本对象。数据的种类包括：数字、文字、图形、图像、声音等。数据库（DataBase，简称DB)：存放数据的仓库。与某个特定主题或目的有关的数据的集合，或看成一个用来存储和管理需要的各种信息的通用容器。数据库管理系统(DatadBaseManagementSystem，简称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(DataBaseSystem，简称DBS)：一般由数据库、数据库管理系统、应用系统、数据库管理员和用户构成。,2020/5/16,信息与通信工程学院,6,应用系统,应用开发工具,数据库管理系统,操作系统,数据库,用户,用户,用户,数据库管理员,数据库系统,2020/5/16,信息与通信工程学院,7,1.1数据管理的发展,数据管理：对数据进行组织、编码、存储、检索和维护。数据管理的发展经历三个阶段人工管理阶段文件系统阶段数据库阶段,2020/5/16,信息与通信工程学院,8,1.1.1人工管理阶段,时间：50年代中期以前背景：计算机主要用于科学计算硬件：磁带、卡片、纸带，没有磁盘软件：没有操作系统，只有汇编语言人工管理数据的特点：数据不保存应用程序管理数据数据面向程序，一组数据只能对应一个程序,2020/5/16,信息与通信工程学院,9,1.1.1人工管理阶段,应用程序1,应用程序2,应用程序n,数据1,数据2,数据n,数据与程序之间的关系,2020/5/16,信息与通信工程学院,10,1.1.2文件系统阶段,时间：50年代后期到60年代中期背景：计算机不仅用于科学计算，而且用于数据处理硬件：磁盘、磁鼓软件：操作系统中已经有了专门的管理数据的软件(即文件系统),2020/5/16,信息与通信工程学院,11,1.1.2文件系统阶段,特点：数据以文件的形式长期保存在外存的磁盘上由文件系统进行数据管理：文件系统把数据组成相互独立的数据文件，利用“按文件名访问，按记录进行存取”的管理技术，可以对文件进行修改、插入和删除的操作。,2020/5/16,信息与通信工程学院,12,1.1.2文件系统阶段,缺点：数据不共享：文件是面向应用的，一个文件对应一个应用程序。当不同的应用程序具有部分相同的数据时，也必须建立个自的文件，而无法共享数据，浪费存储空间数据和程序缺乏独立性,2020/5/16,信息与通信工程学院,13,应用程序1,文件1,文件2,应用程序2,应用程序n,文件n,存取方法,数据与程序之间的关系,.,.,2020/5/16,信息与通信工程学院,14,1.1.3数据库阶段,时间：60年代后期-背景：数据管理规模更为庞大，应用更广泛，数据量剧增，共享要求(多种应用、多种语言互相覆盖地共享数据集合)更强硬件：有了大容量和快速存取磁盘指导思想：对所有的数据实行统一的、集中的、独立的管理，使数据存储独立于使用数据的程序，实现数据共享。,2020/5/16,信息与通信工程学院,15,1.1.3数据库阶段,应用程序1,应用程序2,应用程序n,DBMS,数据库,数据库管理系统,数据库系统简图,2020/5/16,信息与通信工程学院,16,1.1.3数据库阶段,在数据库阶段：信息系统以数据库为核心信息系统的研制从围绕加工数据的程序为中心，转移到以共享数据库的设计为中心,2020/5/16,信息与通信工程学院,17,输入,程序,输出,文件,传统方式:系统功能设计为中心;程序处于主导地位,数据起着服从程序设计需要的作用;,2020/5/16,信息与通信工程学院,18,数据库,查询处理程序,联机终端,要求,报表,输入,输出,输入,输出,报表生成程序,应用程序,应用程序,数据库处理方式:数据占据了中心位置。数据的结构设计成为中心问题,而利用这些数据的应用程序的设计退居于次要地位.,2020/5/16,信息与通信工程学院,19,1.1.4数据库应用实例及比较,学生信息管理系统实例该系统用来管理学生的基本情况,开设课程情况,学生的选课情况及成绩;数据库:以表格的形式储存了学生,课程,选课的记录;数据管理系统(DBMS)负责存储和检索这些表格的数据;建立相关的应用程序,负责处理数据输入,数据查询和产生报表,2020/5/16,信息与通信工程学院,20,数据表的例子:,2020/5/16,信息与通信工程学院,21,数据输入的例子:,2020/5/16,信息与通信工程学院,22,数据查询的例子:,2020/5/16,信息与通信工程学院,23,数据输出的例子:,2020/5/16,信息与通信工程学院,24,1.1.4数据库应用实例及比较,几种数据库应用比较:,2020/5/16,信息与通信工程学院,25,1.1.4数据库应用实例及比较,数据库应用的一般结构,用户,数据库应用,DBMS,数据库,用户与数据库应用交互;数据库应用通过DBMS访问数据库中的数据;用户需要的不只是数据库,而是基于这些数据的表格,报表和查询.,2020/5/16,信息与通信工程学院,26,1.2数据库系统的组成,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。,2020/5/16,信息与通信工程学院,27,1.2.1数据库,数据库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,索引和应用元数据用户数据: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;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.,2020/5/16,信息与通信工程学院,28,1.2.2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，主要由三类用户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.数据库管理员(DateBaseAdministrator)DBA,2020/5/16,信息与通信工程学院,29,1.2.3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。,2020/5/16,信息与通信工程学院,30,1.2.4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,2020/5/16,信息与通信工程学院,31,1.2.5数据库系统层次结构图,硬件,操作系统,DBMS,应用系统开发工具,应用系统,2020/5/16,信息与通信工程学院,32,1.3数据库系统的三级模式结构,绝大多数数据库系统在总的体系结构上都具有三级模式的结构特征模式：使用语言描述来规定其数据结构。三级模式是对数据的三个抽象级别：外模式（用户模式）模式（逻辑模式）（概念模式）内模式（存储模式）,2020/5/16,信息与通信工程学院,33,1.3数据库系统三级模式结构,1.模式：（概念模式）数据库中全部数据的逻辑结构和特性的描述。模式不仅要描述数据记录有哪些数据项组成，数据项的名字、类型、取值范围等，还要描述记录间的联系，操作及数据的完整性。,2020/5/16,信息与通信工程学院,34,1.3数据库系统三级模式结构,2.外模式：是数据库用户看到的局部的逻辑结构和特征的描述。外模式通常是模式的子集，不同用户的外模式的描述可以不同。不同用户的外模式可以互相覆盖，同一外模式可以为某一用户的多个应用所启用，一个应用程序只能启用一个外模式。,2020/5/16,信息与通信工程学院,35,1.3数据库系统三级模式结构,3.内模式：是数据库在物理存储方面的描述，即对数据的物理结构和存储方式的描述。例如：记录的存储方法，索引的组织方式是什么，数据是否压缩、是否加密，数据的存储记录结构的规定等。,2020/5/16,信息与通信工程学院,36,1.3数据库系统三级模式结构,三级模式都是处理数据的结构框架。（数据库框架）,应用A,应用B,应用C,应用D,应用E,外模式1,外模式2,外模式3,模式,内模式,数据库,2020/5/16,信息与通信工程学院,37,1.4数据库管理系统(DBMS),数据库管理系统(DBMS):是指数据库系统中管理数据的软件系统。用户使用的各种数据库的命令及应用程序的执行，都要通过DBMS。（DBMS是用户和数据库的接口）,2020/5/16,信息与通信工程学院,38,1.4数据库管理系统(DBMS),DBMS总是基于某种数据模型，根据数据模型的不同，DBMS可以分成层次型、网状型、关系型、面向对象型，等等。,2020/5/16,信息与通信工程学院,39,1.4数据库管理系统(DBMS),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，定义数据的完整性、安全控制等约束。DDLDataDefinitionLanguage,2020/5/16,信息与通信工程学院,40,1.4数据库管理系统(DBMS),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、插入、修改和删除）DMLDataManipulationLanguage,2020/5/16,信息与通信工程学院,41,1.4数据库管理系统(DBMS),3.数据库运行管理DBMS一般提供数据控制功能，包括并发控制、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,2020/5/16,信息与通信工程学院,42,1.4数据库管理系统(DBMS),4.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,2020/5/16,信息与通信工程学院,43,1.4数据库管理系统(DBMS),5.数据字典(Datadictionary)数据库系统中存放三级结构定义的数据库称为数据字典(DD)对数据库的操作都要通过访问DD才能实现,2020/5/16,信息与通信工程学院,44,1.5数据模型(DataModel),数据库不仅反映数据本身的内容，同时也反映数据之间的关系联系。在数据库中是用数据模型来对现实世界进行抽象的。,2020/5/16,信息与通信工程学院,45,1.5数据模型,根据应用目的，模型分为两个层次：概念模型(信息模型)：也是按用户观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计。数据模型(网状、层状、关系)：从计算机观点来看，它是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于DBMS的实现。,2020/5/16,信息与通信工程学院,46,1.5.1概念模型,概念模型是将数据从现实世界向抽象世界转换的第一步模型。,现实世界,信息世界、概念模型,机器世界、DBMS支持的数据模型,认识和抽象,转换,2020/5/16,信息与通信工程学院,47,信息世界涉及到的主要概念,实体(Entity)：客观存在并可以相互区分的事物。实体可以是具体的人、事、物，也可以是抽象的概念或联系，例如：一个学生、一个职工、一个部门、一门课、学生的一次选课、部门的一次订货。属性(Attribute)：实体所具有的某一特征，一个实体可以由若干个属性来刻画。例如：学生实体可以由学号、姓名、性别、出生年份、系、入学时间等属性组成。码(Key)：唯一标识实体的属性集（键）。域(Domain)：某个(些)属性的取值范围。实体型(EntityType)：具有相同属性的实体必然具有共同的特征和性质，用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体，称为实体型。例如：学生(学号、姓名、年龄、性别、系、年级)是一个实体型。,2020/5/16,信息与通信工程学院,48,1.5.1概念模型,实体集(EntitySet)：同型实体的集合称为实体集。例如：全体学生就是一个实体集。联系(Relationship)：两类实体内部的联系，如组成实体的属性之间的联系。实体之间的联系。两个实体型之间的联系可分为三类：1对1联系(1:1)1对多联系(1:n)多对多联系(n:n),2020/5/16,信息与通信工程学院,49,1.5.1概念模型,1对1联系定义：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与实体集B具有一对一联系，记为1:1。例如：一个班级只有一个正班长，而一个班长只在一个班级任职，则班级与班长之间为一对一关系。,2020/5/16,信息与通信工程学院,50,1.5.1概念模型,1对多联系定义：若对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体(n0)与之联系，反之，对于对于实体集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与实体集B具有一对多联系，记为1:n。例如：一个班级有若干名学生，而每个学生只在一个班集中学习，则班级与学生之间为一对多的关系。,2020/5/16,信息与通信工程学院,51,1.5.1概念模型,多对多联系定义：若对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体(n0)与之联系，反之，对于对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体(m0)与之联系，则称实体集A与实体集B具有多对多联系，记为m:n。例如：一门课程同时有若干个学生选修，而一个学生可以同时选修多门课程，则课程与学生之间为多对多关系。,2020/5/16,信息与通信工程学院,52,1.5.1概念模型,实体型A,联系名,实体型B,实体型A,联系名,实体型B,实体型A,联系名,实体型B,1,1,1,n,m,n,(a)1:1的联系,(b)1:n的联系,(c)m:n的联系,实体型之间的联系示意图,2020/5/16,信息与通信工程学院,53,1.5.1概念模型,一般地，两个以上实体型之间也存在着一对一、一对多和多对多的联系，,课程,教员,参考书,讲授,1,m,n,三个实体型之间的一对多关系,供应商,项目,零件,供应,p,m,n,三个实体型之间的多对多关系,多个实体型之间的关系,2020/5/16,信息与通信工程学院,54,1.5.1概念模型,同一实体集内的各实体之间可以有某种联系例如：职工实体集,职工,领导,1,n,同一实体集内一对多联系,2020/5/16,信息与通信工程学院,55,1.5.1概念模型,概念模型的表示方法最常用的是实体-联系方法(Entity-RelationshipApproach)，是P.P.S.Chen于1976年提出的，该方法是用E-R图来描述某一组织的概念模型。E-R方法是抽象和描述现实世界的有力工具。用E-R表示的概念模型与DBMS所支持的数据模型相独立，是各种数据模型的共同基础,2020/5/16,信息与通信工程学院,56,1.5.1概念模型,其要点如下：使用长方形来表示实体型，框内写上实体名。椭圆型表示实体的属性，并用无向边把实体和属性连接起来。用菱形表示实体间的联系，菱形框内写上联系名，用无向边把菱形分别与有关实体相连接，在无向边旁标上联系的类型，若实体之间联系也具有属性，则把属性和菱形也用无向边连接上。,2020/5/16,信息与通信工程学院,57,1.5.1概念模型,学生,学号,姓名,年龄,性别,系,年级,学生实体及属性,供应商,项目,零件,供应,1,m,n,供应量,实体和实体之间联系,职工,领导,1,n,同一实体集内一对多联系,2020/5/16,信息与通信工程学院,58,1.5.1概念模型,举例：为仓库管理设计一个E-R模型,该仓库主要管理零件的入库、出库和采购等事项。仓库根据需要向外面厂家订购零件，而许多工程项目需要仓库供应零件。实体有：仓库：属性有仓库号、仓库面积、电话号码。零件：属性有零件号、名称、规格、单价、描述。供应商：属性有供应商号、姓名、地址、电话号、帐号。项目：属性有项目号、预算、开工日期。职工：属性有职工号、姓名、年龄、职称。,2020/5/16,信息与通信工程学院,59,1.5.1概念模型,实体之间的联系如下：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。某种零件在某个仓库中的数量用库存量描述。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。职工之间具有领导被领导的关系，即仓库主任领导若干保管员。,2020/5/16,信息与通信工程学院,60,1.5.1概念模型,如果某个部门的概念模型中涉及的实体和实体属性较多,可以把实体及其属性在另一个图上画出,仓库,仓库号,面积,电话号,实体及其属性图,2020/5/16,信息与通信工程学院,61,1.5.1概念模型,供应商,项目,零件,供应,供应量,库存,仓库,库存量,职工,领导,工作,m,n,p,m,n,1,n,1,n,实体及其联系图,2020/5/16,信息与通信工程学院,62,工厂物资管理E-R图,供应商,项目,零件,供应,库存,仓库,职工,领导,工作,m,n,p,m,n,1,n,1,n,供应商号,库存量,职称,年龄,职工号,姓名,仓库号,面积,电话号,项目号,地址,姓名,电话号,账号,预算,开工日期,描述,单价,规格,名称,零件号,供应量,2020/5/16,信息与通信工程学院,63,1.5.2数据模型的分类,当前流行的基本数据模型有三类：层次模型(HierarchicalModel)网状模型(NetworkModel)关系模型(RelationalModel),2020/5/16,信息与通信工程学院,64,1.5.3层次模型,最早使用的一种模型数据结构是一棵有向树特点：(1)仅有一个根结点无双亲结点。(2)其他结点有且只有一个双亲。(3)上一层和下一层记录类型间联系是1:N,A,B,A_C,C,根结点,兄弟结点,2020/5/16,信息与通信工程学院,65,Ri,Rj,Lij,Ri位于联系Lij的始点，称为双亲结点，Rj位于联系Lij的终点，称为子女结点。同一双亲的结点为兄弟结点。,2020/5/16,信息与通信工程学院,66,教师学生,系,教研室,学生,教师,2020/5/16,信息与通信工程学院,67,1.5.3层次模型,实例：行政关系、家族关系等典型代表：IBM公司1968年研制的IMS数据库管理系统缺点：不能表示两个以上实体型之间的复杂联系和实体型之间的多对多的联系,2020/5/16,信息与通信工程学院,68,1.5.4网状模型,数据结构是一个有向图特点：（1）有一个以上的结点没有双亲（2）结点可以有多于一个的双亲能表示实体之间的多种复杂联系实例：缺点:编写应用程序比较复杂,需熟悉数据库的逻辑结构,A,A_B,B_C,B,C,2020/5/16,信息与通信工程学院,69,学生,课程,选课,S-SC,C-SC,2020/5/16,信息与通信工程学院,70,1.5.5关系模型,关系模型是用二维表格结构来表示实体及实体之间的联系的模型数据结构是一个“二维表框架”组成的集合关系模型概念简单，清晰，用户易懂易用，有严格的数学基础市场上典型的关系DBMS产品：ORACLE，SYBASE，SQLServer等；微机型产品：Foxpro，Access等,2020/5/16,信息与通信工程学院,71,学生登记表,2020/5/16,信息与通信工程学院,72,1.5.5关系模型,关系模型中的主要术语：,关系：一个关系对应于我们平常讲的一张表元