数据库系统原理04735课件 第一章.ppt

数据库系统原理,课程代码4735主讲人:王华,2,本书主要内容,全书共9章,主要讲述数据库技术的基础知识及关系数据库理论,数据库设计及数据库标准语言SQL,以及数据库管理及数据库软件的运用知识。在本书中，自考内容重点章节为第2、3、4、5章节。,3,学习目的,本书的主要目的使读者掌握数据库技术的基本原理、方法和应用技术，能有效地使用现有的数据库管理系统和软件工具，掌握数据库结构的设计和数据库应用系统的开发原理。,4,第一章：数据库系统基本概念,学习目的：要求掌握数据管理技术的发展阶段，掌握数据描述的基本术语。数据抽象的级别，数据库管理系统的工作模式及主要功能，数据库系统的组成、全局结构等。学习重点：数据管理技术的发展、数据抽象的过程及级别。学习难点：数据描述的术语、数据库管理系统（DBMS）的工作模式及DBS的组成。,5,第一章绪论,数据库的应用及发展史,数据库中的基本名词,数据模型,数据库系统结构,1.数据库在各个领域的应用情况2.数据管理发展3.数据库系统的发展,数据、信息、数据管理、数据库、数据库管理系统、数据库应用系统、数据库系统,1.概念模型、逻辑模型、物理模型2.层次模型、网状模型、关系模型,三级模式、两级映像,6,授课内容,1.1数据管理技术的发展1.2数据描述1.3数据抽象的级别1.4数据库管理系统1.5数据库系统,7,1.1数据管理技术的发展,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),8,1.1.1人工管理阶段,时期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,9,1.1.2文件系统,时期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,10,1.1.3数据库阶段,时期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,批处理,11,数据库系统阶段的特点：采用数据模型表示复杂的数据结构有较高的数据独立性数据库系统为用户提供了方便的用户接口数据库系统提供了相应的数据控制功能增加了系统的灵活性,12,数据管理技术进入数据库系统阶段的三件大事：1、1968年美国IBM公司推出的层次模型的IMS系统。2、1969年美国CODASYL组织发布的DBTG报告，提出了网状模型。3、1970年美国IBM公司E.F.Codd提出关系模型。,13,数据库系统提供了四方面的数据控制功能：1、数据库的恢复2、数据库的并发控制3、数据的完整性4、数据安全性,14,相应的术语(重点掌握)1、数据库(DB)2、数据库管理系统(DBMS)3、数据库系统(DBS)4、数据库技术是研究数据库的结构、存储、设计、管理和使用的一门软件学科。,15,1.2数据描述,在数据处理中，数据描述将涉及到不现的范畴。从事物的特性到计算机中的具体表示，数据描述经历了三个阶段-概念设计、逻辑设计和物理设计。本节先介绍这三个阶段的数据描述，再介绍概念设计中数据之间的联系如何描述。,16,1.2.1概念设计中的数据描述,1、实体客观存在，可以相互区别的事物称为实体。2、实体集性质相同的同类实体的集合，称为实体集。3、属性实体的性质、特性。4、实体标识符能惟一标识实体的属性或属性集。,17,1.2.2逻辑设计中的数据描述,字段：标识实体属性的命名单位称为字段，或数据项记录：字段的有序集合称为记录文件：同一类记录的集合称为文件关键码：能惟一标识文件中的每一个记录的字段或字段集,18,字段名,这一行称为记录,关键码,19,1.2.3物理设计中数据描述,1、物理存储介质层次1、高速缓冲存储器(cache)2、主存储器3、快擦写存储器(FlashMemory)4、磁盘存储器5、光存储器6、磁带,20,计算机系统的存储层次,21,2、物理存储中的数据描述位(bit)一个二进制位称为“位”，一位只能取0或1字节：8个比特称为一个字节字：若干个字节组成一个字。一个字所含的二进制位的位数称为字长。块：又称为物理块或物理记录。块是内存和外存交换信息的最小单位。桶：外存的逻辑单位。一个桶可以包含一个物理块或多个物理块。卷：一个输入输出设计所能装载的全部有用信息。,22,1.2.4数据联系的描述,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型间联系两个实体型一对一联系（1:1）三个实体型一对多联系（1:n）一个实体型多对多联系（m:n）,23,两个实体型间的联系,24,两个实体型间的联系,一对一联系如果对于实体集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。实例班级与班长之间的联系：一个班级只有一个正班长一个班长只在一个班中任职,25,两个实体型间的联系(续),一对多联系如果对于实体集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有一对多联系记为1:n实例班级与学生之间的联系：一个班级中有若干名学生，每个学生只在一个班级中学习,26,两个实体型间的联系(续),多对多联系（m:n）如果对于实体集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B具有多对多联系。记为m:n实例课程与学生之间的联系：一门课程同时有若干个学生选修一个学生可以同时选修多门课程,27,多个实体型间的联系(续),多个实体型间的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。,28,多个实体型间的联系(续),实例课程、教师与参考书三个实体型如果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课程与教师、参考书之间的联系是一对多的多个实体型间的一对一联系多个实体型间的多对多联系,29,同一实体集内各实体间的联系,一对多联系实例职工实体集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多对多联系,30,1.3数据抽象的级别,1.3.1数据抽象的过程数据抽象的级别定义了四种模型:概念数据模型、逻辑数据模型、外部数据模型、内部数据模型。四种模型之间的相互关系如下：,映象,映象,31,数据库抽象过程(也即数据库设计过程)1、根据用户的需求，设计数据训的概念模型。2、根据转换规则，把概念模型转换成数据库的逻辑模型。3、根据用户的业务特点，设计不同的外部模型，4、数据库实现时，根据逻辑模型设计其内部模型。,32,1.3.2概念模型,概念模型的特点：1、表达了数据的整体逻辑结构，它是系统用户对整个应用项目涉及的数据的全面描述。2、要领模型是从用户需求的观点出发，对数据建模3、概念模型独立于硬件和软件。不依赖于具体的硬件设备。4、概念模型是数据库设计人员与用户之间进行交流的工具。,如：以下是一个大学中，学生、教师、课程实体之间的E-R图,34,1.3.3逻辑模型,在选定DBMS以后，就需将概念模型按照选定的DBMS的特点转换成逻辑模型。逻辑模型具有以下特点：逻辑模型表达了DB的整体逻辑结构，是设计人员对整个应用项目的全面描述。是从数据库的实现的观点出发，对数据建模。其独立于硬件，但依赖于软件。是数据库设计人员与应用程序员之间进行交流的工具。,35,逻辑模型主要有三种:1、层次模型2、网状模型3、关系模型,36,1、层次模型,满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型。1.有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点2.根以外的其它结点有且只有一个双亲结点,层次模型的结构图,38,2、网状模型,网状模型结点间的联系不受层次的限制，可任意发生联系，它的结构是结点的连通图。,39,3、关系模型,关系数据模型中，称二维表为关系，表中的列称属性，列中的值取自相应的域，域是属性所有可能取值的集合。表中的一行称为一个元组，元组用关键字标识。对二维表框架的描述称为关系模式。关系模型是由若干关系模式组成的集合。关系模型中用二维表表示实体集及其属性，用二维表描述实体集间的联系。,40,关系模型举例,如书上第16页例1.7所示:,41,1.3.4外部模型,在应用系统中，根据业务的特点划分成若干个业务单位，每一个业务单位都有特定的约束和需求，可以建立不同的外部模型（视图）视图只是一个定义，视图中的数据可以从逻辑模型的数据库中得到。举例:,42,外部模型具有下列优点：1、简化了用户的观点。2、有助于数据库的安全性保护3、外部模型是对概念模型的支持,43,1.3.5内部模型,内部模型又称为物理模型，是数据库最低层的抽象，它描述数据在磁盘等存储器中的存储方式、存取设备、和存取方法。,44,1.3.6三层模式和二层映象,45,1、三级模式结构,模式:对DB中全体数据的逻辑结构和特征的描述，数据模式是DB的框架，反映的是DB中数据的结构及其相互关系。DB的三级模式：概念模式外模式内模式,46,DB的三级模式结构,47,概念模式(模式、DB模式、逻辑模式)DB中全部数据整体逻辑结构和特征的描述。是现实世界中一个组织或部门实体及其联系的抽象模型在具体DBS中的实现。一个DB只有一个概念模式，是DBS三级模式结构的中间层。是DB中全体数据的逻辑描述，而不是DB本身，它是装配数据的一个结构框架。概念模式由DBMS提供的DDL来定义和描述。,48,外模式(子模式、用户模式)是用户观念下局部数据结构的逻辑描述，是DB用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述。是用户与DBS之间的接口。不同用户的外模式不相同。一个DB可以有多个外模式，外模式表示了用户所理解的实体、实体属性和实体间的联系。外模式是概念模式的一个逻辑子集。外模式由DBMS提供的DDL来定义和描述。,49,内模式(存储模式)是对DB中数据物理结构和存储方式的描述，是数据在DB内部的表示形式。一个DB只有一个内模式。在内模式中规定了所有数据的物理组织，以及优化性能、响应时间和存储空间需求等信息。是DBMS管理的最低层，它是物理存储设备上存储数据时的物理抽象。内模式由DBMS提供的DDL来定义和描述。,50,2两级映像,DBS的三级模式是对数据进行三个级别的抽象，使用户能逻辑地抽象地处理数据，而不必关心数据在机器中的具体表示方式和存储方式。为实现三个抽象级别的联系和转换，DBMS提供两个层次的映像：外模式/概念模式映像概念模式/内模式映像映像:是一种对应规则，它指出了映像双方是如何进行转换的。,51,外模式/概念模式映像定义各外模式与概念模式间的映像关系。对应于同一个概念模式可有多个外模式,每个外模式,DBS都有一个外模式/概念模式映像,它定义了该外模式与概念模式间的对应关系。映像定义常在各自的外模式中加以描述。,52,概念模式/内模式映像定义DB全局逻辑结构与存储结构间的对应关系。因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，故该映像说明概念记录和内部记录间的对应性。概念模式/内模式映像一般是在内模式中加以描述。,53,3两级数据独立性,物理数据独立性若修改DB的内模式(DB的物理结构有所变化),则只修改概念模式/内模式映像即可。可使概念模式尽可能保持不变,即对内模式的修改尽量不影响概念模式,对外模式和应用程序的影响则更小。逻辑数据独立性若修改DB的概念模式(增加记录类型或增加数据项),则只修改外模式/概念模式映像,可使外模式和应用程序尽可能保持不变。,54,1.4数据库管理系统(DBMS),DBMS的工作模式DBMS的主要功能,55,DBMS的工作模式DBMS接受应用程序的数据请求和处理请求,然后将用户的数据请求(高级指令)转换成复杂的机器代码(低层指令),通过其实现对DB的操作,并接受对DB操作而得到的查询结果,同时对查询结果进行处理(格式转换),最后将处理结果返回给用户。,56,用户对DB进行操作,是由DBMS把操作从应用程序带到外部级、概念级,再导向内部级,进而通过OS操纵存储器中的数据。DBMS为应用程序在内存开辟一个DB的系统缓冲区,用于数据的传输和格式转换。三级模式结构定义存放在DD中。用户访问DB的过程如图所示。,57,DBMS的主要功能DB的定义DB的操纵DB的运行管理数据组织、存储与管理DB的保护DB的维护数据字典,58,1.5数据库系统(DBS),1.5.1DBS的组成1、数据库2、硬件3、软件4、数据库管理员（DBA）对数据库管理员的职责(掌握),59,1.5.2DBS的全局结构,全局结构图见书全局结构主要包括：1、数据库用户：有四类用户DBA专业用户应用程序员终端用户,60,2、DBMS的查询处理器(1)、DDL解释器(2)、DML编译器(3)、嵌入式DML的预编译器(4)、查询求值引擎,61,3、DBMS的存储管理器(1)、权限和完整性