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第1章绪论,任课教师：唐蕾Email：tanglei_xz江苏师范大学计算机与科学技术学院,2020/6/2,1,本章内容概要,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1.5小结,2020/6/2,2,本章教学要求,掌握基本概念：数据库、数据库管理系统、数据库系统、数据模型、逻辑独立性、物理独立性;E-R方法建立概念模型；数据库系统的三级模式结构；数据库系统的二级映像的体系结构；数据库系统的组成和主要特点；DBMS的主要功能。了解计算机数据管理的主要发展阶段。,2020/6/2,3,1.1数据库系统概述,一、四个基本概念二、数据管理技术的产生和发展三、数据库系统的特点,2020/6/2,4,一、四个基本概念,1.数据(Data)2.数据库(Database)3.数据库管理系统(DBMS)4.数据库系统(DBS),2020/6/2,5,1.数据,数据(Data)描述事物的符号记录，是信息的载体。数据与其语义是不可分的。数据是有结构的。数据的基本特征(1)数据有“型”和“值”之分。(2)数据受数据类型和取值范围的约束。数据的种类文字、图形、图象、声音、语言等。,2020/6/2,6,数据示例,学生档案中的学生记录,（李明，男，1972，江苏，计算机系，1990）,李明是个男大学生，1972年出生，江苏人，1990年考入计算机系。,（李明，1，1972，320，016，1990）,数据的解释,2020/6/2,7,2.数据库,数据库的定义(Database,简称DB)长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据集合。数据库的特征数据是持久的。数据按一定的数据模型组织、描述和储存。数据是共享的。,2020/6/2,8,3.数据库管理系统,DatabaseManagementSystem(DBMS)位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据。,存,取,2020/6/2,9,DBMS的主要功能,数据定义数据组织、存储和管理数据操纵数据库的事务管理和运行管理数据库的建立和维护其他功能,2020/6/2,10,4.数据库系统,DatabaseSystem(DBS)指在计算机系统中引入数据库后的系统构成。在不引起混淆的情况下常常把数据库系统简称为数据库。构成数据库数据库管理系统（及其开发工具）应用系统数据库管理员（和用户）,图示,2020/6/2,11,数据库系统构成图示,2020/6/2,12,DBS在计算机系统中的位置图示,数据库系统软硬件层次关系,2020/6/2,13,二、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),2020/6/2,14,人工管理阶段,时期40年代中50年代中特点数据不保存。应用程序管理数据。数据不共享。数据不具有独立性。,2020/6/2,15,文件系统阶段,应用程序与数据的对应关系(文件系统),应用程序,文件,应用程序,文件2,应用程序,文件n,存取方法,.,.,2020/6/2,16,文件系统阶段,时期50年代末60年代中特点数据可以长期保存。由文件系统管理数据(记录内有结构，整体无结构)。数据共享性差、冗余度大。数据独立性差。,2020/6/2,17,三、数据库系统的特点,1.数据整体结构化(与文件系统的本质区别)。2.数据共享性高，冗余度低，易扩充。3.数据独立性(逻辑独立性、物理独立性)高。4.数据由DBMS统一管理和控制。,2020/6/2,18,应用程序与数据的对应关系(数据库系统),DBMS,2020/6/2,19,数据独立性,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是相互独立的，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。,2020/6/2,20,DBMS对数据的控制功能,数据的安全性(Security)保护使每个用户只能按指定方式使用和处理指定数据，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。,2020/6/2,21,1.2数据模型,一、数据模型简介二、概念模型三、数据模型的组成要素四、最常用的数据模型五、关系模型,2020/6/2,22,一、数据模型简介,模型现实世界特征的模拟和抽象。数据模型现实世界数据特征的抽象。两类数据模型概念模型(信息模型)：按用户的观点对数据和信息建模，主要用于数据库设计（如E-R模型）。逻辑模型和物理模型逻辑模型：包括层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型和对象关系模型。按计算机系统的观点对数据建模，主要用于DBMS的实现。物理模型：描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，是面向计算机系统的。,2020/6/2,23,2020/6/2,24,数据模型的建立过程,数据模型的建立过程就是客观对象的抽象过程。分为两步：(1)现实世界中的客观对象抽象为概念模型。(2)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,2020/6/2,25,数据模型的建立实例,事物性质,实体属性,记录数据项,现实世界,信息世界,机器世界,概念化,形式化,学号,姓名,性别,专业,工号,姓名,年龄,性别,职称,教师,年龄,Student(sno,sname,ssex,sage,sd),Teacher(tno,tname,tsex,tage,tp),m,n,学生,TS(tno,sno),2020/6/2,26,物理数据模型：提供的概念一般面向计算机专家的，通过诸如记录格式、记录顺序和存取路径等表示信息，描述数据在计算机中如何被存储。,逻辑数据模型：隐藏了一些数据存储的细节，但可以在计算机中直接实现，例如关系数据模型。,2020/6/2,27,二、概念模型,1.概念模型2.信息世界中的基本概念3.概念模型的表示方法,2020/6/2,28,1.概念模型,概念模型的用途概念模型用于信息世界的建模；是现实世界到机器世界的一个中间层次；是数据库设计的有力工具；数据库设计人员和用户之间进行交流的语言。对概念模型的基本要求较强的语义表达能力，能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识；简单、清晰、易于用户理解。,2020/6/2,29,2.信息世界中的基本概念,(1)实体（Entity）(2)属性（Attribute）(3)码（Key）：唯一标识实体的属性集称为码。(4)域(Domain)：属性的取值范围称为该属性的域。(5)实体型（EntityType）(6)实体集（EntitySet）(7)联系（Relationship）,2020/6/2,30,实体型与实体集示例,学生登记表,实体型,实体集,2020/6/2,31,2.信息世界中的基本概念,(7)联系（Relationship）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）,二元联系,2020/6/2,32,一对一联系（1:1）,基本概念如果对于实体集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,2020/6/2,33,一对多联系（1:n）,基本概念如果对于实体集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,2020/6/2,34,多对多联系（m:n）,基本概念如果对于实体集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,2020/6/2,35,两个实体型间的联系,实体型1,联系名,实体型2,1,1,1:1联系,实体型1,联系名,实体型2,m,n,m:n联系,实体型1,联系名,实体型2,1,n,1:n联系,2020/6/2,36,多个实体型间的联系,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。,课程,教师,参考书,讲授,m,1,n,2020/6/2,37,同一实体型内各实体间的联系,【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。,领导,1,n,职工,2020/6/2,38,3.概念模型的表示方法,概念模型的表示方法很多，主要是实体联系方法(E-R方法)：用E-R图来描述现实世界的概念模型；E-R方法也称为E-R模型。,2020/6/2,39,E-R图,实体名,属性名,E-R图的四个基本成分：,表示实体型，矩形框内写明实体名,表示属性,表示联系,连接实体型与联系类型表示实体与属性的联系表示构成码的属性,n,课程,成绩,m,学生,姓名,学号,选修,2020/6/2,40,设计E-R图过程,首先确定实体类型：几个实体类型及相应的实体名确定联系类型：各实体类型之间是否有联系，是何种联系类型及相应的联系名。连接实体类型和联系类型，组合成E-R图。确定实体类型和联系类型的属性。确定实体类型的码。,实例,2020/6/2,41,学生,课程,选修,姓名,学号,系别,课程号,课程名,学分,成绩,用矩形表示实体,用椭圆表示实体的属性,用无向边把实体与其属性连接起来,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,ER模型设计实例学生选修课程,2020/6/2,42,某工厂物资管理概念模型实体,仓库属性：仓库号、面积、电话号码。零件属性：零件号、名称、规格、单价、描述。供应商属性：供应商号、姓名、地址、电话号码、帐号。项目属性：项目号、预算、开工日期。职工属性：职工号、姓名、年龄、职称。,图示,2020/6/2,43,实体及其属性图,2020/6/2,44,某工厂物资管理概念模型联系,仓库和零件联系类型：多对多；属性：库存量。仓库和职工联系类型：一对多。职工之间（领导被领导）联系类型：一对多。供应商、项目和零件联系类型：多对多；属性：供应量,图示,2020/6/2,45,实体及其联系图,库存,2020/6/2,46,实体及其联系图,库存,2020/6/2,47,某工厂物资管理E-R图,2020/6/2,48,三、(逻辑)数据模型的组成要素,1.数据结构2.数据操作3.数据的约束条件,2020/6/2,49,1.数据结构,什么是数据结构所研究的对象类型的集合两类对象与数据类型、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。,在数据库中存储的是数据以及数据间的联系。,2020/6/2,50,2.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。数据操作的类型检索、更新（插入、删除、修改）数据操作是对系统动态特性的描述。,insertintostudentvalues(09333001,张娟,女,19,计算机学院)select*fromstudent;selectsno,sname,gradefromstudent;,2020/6/2,51,3.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。完整性规则数据及其联系所具有的制约和依存规则；以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化；保证数据的正确、有效、相容。数据模型须提供定义完整性约束条件的机制,2020/6/2,52,四、最常用的数据模型,层次模型（HierarchicalModel）：树结构网状模型（NetworkModel）：图结构关系模型(RelationalModel)：二维表面向对象模型(ObjectOrientedModel）：类层次结构对象关系模型(ObjectRelationalModel）,在数据库系统中不仅要存储和管理数据本身，还要保存和处理数据之间的联系，即实体间的联系。依据描述实体与实体之间的联系的不同方式划分为：,2020/6/2,53,五、关系模型,1.关系数据模型的数据结构2.关系数据模型的操纵与完整性约束3.关系数据模型的存储结构4.关系数据模型的优缺点5.典型的关系数据库系统,2020/6/2,54,1.关系模型的数据结构,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。本课程的重点关系模型：用二维表格结构表示实体以及实体之间联系的数据模型。,2020/6/2,55,1.关系模型的数据结构,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。,2020/6/2,56,教师关系框架,课程关系框架,教师关系实例,课程关系实例,(实体：记录型),联系：隐含在关系中，通过不同关系中的同名属性来体现。,2020/6/2,57,学生关系模式,课程关系模式,学生关系实例,课程关系实例,选修关系模式,(实体：记录型),2020/6/2,58,学生关系模式,课程关系模式,选修关系实例,选修关系模式,实体间的联系用二维表来实现。,(实体：记录型),2020/6/2,59,几个基本概念,(1)关系（Relation）,元组,属性,(2)元组,(3)属性(4)分量,(5)主码（Key）(6)域（Domain）(7)关系模式,2020/6/2,60,关系模型的基本概念（2-2）,几个基本概念,(7)关系模式：关系名（属性1，属性2，属性n）,【例】学生(学号，姓名，年龄，性别，系，年级)课程(课程号，课程名，学分)选修(学号，课程号，成绩),在关系模型中，实体及实体间联系都是用关系来表示。,2020/6/2,61,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),2020/6/2,62,项目(项目号、预算、开工日期),职工(职工号、姓名、年龄、职称),库存(仓库号，零件号，库存量),保管(仓库号，职工号),供应(供应商号、项目号、零件号、供应量),2020/6/2,63,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)库存(仓库号，零件号，库存量)保管(仓库号，职工号)供应(供应商号、项目号、零件号、供应量),某工厂物资管理系统(关系)模式,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)库存(仓库号，零件号，库存量)保管(仓库号，职工号)供应(供应商号、项目号、零件号、供应量),2020/6/2,64,2.关系数据模型的操纵与完整性约束,数据操作查询、插入、删除、更新完整性约束实体完整性参照完整性用户定义的完整性数据操作是集合操作操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合。存取路径对用户隐蔽用户只要指出“干什么”，不必详细说明“怎么干”。,2020/6/2,65,3.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,2020/6/2,66,4.关系模型的优缺点,优点建立在严格的数学概念的基础上。概念单一，数据结构简单、清晰，用户易懂易用。实体和各类联系都用关系来表示。对数据的检索结果也是关系。关系模型的存取路径对用户透明。具有更高的数据独立性，更好的安全保密性。简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作。缺点查询效率低。存取路径对用户透明导致查询效率往往不如非关系数据模型。,2020/6/2,67,5.典型的关系数据库系统,ORACLESYBASEINFORMIXDB/2COBASEPBASEEasyBaseDM/2OpenBase,2020/6/2,68,1.3数据库系统结构,一、数据库系统模式的概念二、数据库系统的三级模式结构三、数据库的二级映象功能与数据独立性,2020/6/2,69,一、数据库系统模式的概念,模式（Schema）数据库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。模式实例（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。,2020/6/2,70,二、数据库系统的三级模式结构,1.模式2.外模式3.内模式,图示,2020/6/2,71,用户级数据库,概念级数据库,物理级数据库,DBMS,OS,三级模式结构图示,2020/6/2,72,1.模式(Schema),什么是模式（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。,2020/6/2,73,某工厂物资管理系统(关系)模式,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)库存(仓库号，零件号，库存量)保管(仓库号，职工号)供应(供应商号、项目号、零件号、供应量),2020/6/2,74,2.外模式(ExternalSchema),外模式也称子模式或用户模式：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。,2020/6/2,75,物资管理系统外模式1-仓储子系统,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)库存(仓库号，零件号，库存量)保管(仓库号，职工号)供应(供应商号、项目号、零件号、供应量),2020/6/2,76,物资管理系统外模式2-供应子系统,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)库存(仓库号，零件号，库存量)保管(仓库号，职工号)供应(供应商号、项目号、零件号、供应量),2020/6/2,77,定义关系模式实例,SC,C,S,学生关系模式S（S#,SNAME,AGE,SEX）,学生课程关系模式SC(S#,C#,GRADE),课程关系模式C(C#,CNAME,TEACHER),2020/6/2,78,子模式,G,S,SC,成绩子模式G(S#,SNAME,C#,GRADE),2020/6/2,79,外模式地位,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。,2020/6/2,80,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。,2020/6/2,81,3内模式（InternalSchema）,内模式(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（顺序存储，按照B树结构存储，按hash方法存储）索引的组织方式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,2020/6/2,82,三、数据库的二级映象功能与数据独立性,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/模式映象,内模式/模式映象,2020/6/2,83,1外模式模式映象,基本概念定义外模式与模式之间的对应关系。每一个外模式都对应一个外模式模式映象。映象定义通常包含在各自外模式的描述中。用途：保证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象，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。,2020/6/2,84,模式与外模式比较,student,createviewv_stuasselectsno,sname,ssex,year(getdate()-year(sbirth)assage,sdeptfromstudent,v_stu,模式,实例,外模式模式映象,外模式,2020/6/2,85,student,score,course,2020/6/2,86,v_st_sc,createviewst_scasselectsname,cname,scorefromstudent,course,scorewherestudent.sno=o=o,外模式模式映象,2020/6/2,87,2模式内模式映象,基本概念定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。数据库