数据库原理及应用第1章数据库系统概述

2020/6/9,数据库技术及应用,1,数据库技术及应用,大连理工大学出版社卜艳萍主编2009年,2020/6/9,数据库技术及应用,2,第1章数据库系统概述,数据库系统的基本概念数据库系统数据模型数据库系统结构,2020/6/9,数据库技术及应用,3,数据库系统的基本概念,数据管理技术的产生和发展信息、数据与数据处理数据库与数据库管理系统,2020/6/9,数据库技术及应用,4,数据管理技术,对数据进行收集、保存、加工和传播的一系列活动的总和称为数据处理，数据处理的核心问题就是数据管理。数据管理技术是指对数据的分类、编码、存储、检索和维护的技术。,2020/6/9,数据库技术及应用,5,人工管理阶段,数据不保存；没有专用的软件对数据进行管理；程序中的存储子程序随着存储结构的改变而改变，使得程序依赖于数据；只有程序的概念；数据面向于应用；对数据的存取以记录为单位，灵活性差。,2020/6/9,数据库技术及应用,6,人工管理阶段,2020/6/9,数据库技术及应用,7,文件系统阶段,数据可长期保存在外存的磁盘上；数据的物理结构与逻辑结构有了区别，但较简单；文件的形式已多样化；有了存储文件以后，数据不再仅仅属于某个特定的程序，而可以重复使用；对数据的存取基本上还是以记录为单位。,2020/6/9,数据库技术及应用,8,文件系统管理数据的缺点,数据冗余度大数据的不一致性程序与数据相互依赖数据无集中管理编写应用程序很不方便,2020/6/9,数据库技术及应用,9,文件管理阶段,2020/6/9,数据库技术及应用,10,数据库系统阶段,数据库技术为数据管理提供了一种较为完善的高级管理方式。它克服了文件管理方式下分散管理数据的弱点，对所有的数据实行统一、集中的管理。使数据存储独立于使用它的程序，从而实现数据共享。数据库是通用化的相关数据集合，它不仅包括数据本身，而且包括关于数据之间的联系。为数据库的建立、使用和维护而配置的软件称为数据库管理系统DBMS（DatabaseManagementSystem），它是在操作系统支持下运行的。,2020/6/9,数据库技术及应用,11,数据库系统阶段,2020/6/9,数据库技术及应用,12,数据库系统与文件系统的关系,控制方式文件系统中的数据文件由各个应用程序员根据需要组织起来，并由各应用程序负责建立、使用和维护，因此其控制方式是分散的；数据库中的数据文件是由数据库系统统一规划，按照一定的数据模型组织和建立的，由系统统一管理和集中控制。数据结构文件系统中的文件结构简单，不能反映它所代表的现实世界中各事物之间的内在联系；数据库中的数据是一个组织的所有应用所需数据的集成，反映了各数据所代表的现实世界各事物之间存在的内在联系。,2020/6/9,数据库技术及应用,13,数据库系统与文件系统的关系,数据独立性文件系统中的数据文件是面向应用的，文件系统是数据相关的。数据库系统是面向数据的系统，它具有高度的数据独立性。数据的维护数据库系统很容易发现故障，排除故障并恢复到故障前的状态；文件系统本身无完整性约束的定义和检查功能，所以它没有故障恢复功能。,2020/6/9,数据库技术及应用,14,信息的定义,信息是现实世界事物的存在方式或运动状态的反映。信息具有可感知、可存储、可加工、可传递和可再生等自然属性，信息又是社会上各行各业不可缺少的资源，这也是信息的社会属性。,2020/6/9,数据库技术及应用,15,信息的特征,信息源于物质和能量。信息是可以感知的。信息是可存储的。信息是可以加工、传递和再生的。,2020/6/9,数据库技术及应用,16,信息系统,信息系统是指为了某些明确的目的而建立的，由人员、设备、程序和数据集合构成的统一整体。信息系统的主要功能是提供信息，以支持一个组织机构的运行、管理和决策。信息系统可分为三类：数据处理系统，管理信息系统和决策支持系统。,2020/6/9,数据库技术及应用,17,数据,数据通常指用符号记录下来的可加以鉴别的信息。数据的概念包括两个方面：数据内容是事物特性的反映或描述；数据是符号的集合。数据是信息的符号表示或称为载体，信息则是数据的内涵，是对数据的语义解释。数据是数据库中存储的基本对象。,2020/6/9,数据库技术及应用,18,数据处理和数据管理,数据处理就是指对各种类型的数据进行收集、存储、分类、排序、计算或加工、检索、传输、递交等工作。数据处理通常也称为信息处理。数据管理和数据处理一样，都是计算机系统的最基本的支撑技术。数据库是现阶段数据管理的主要形式。,2020/6/9,数据库技术及应用,19,信息处理,信息处理的基本环节包括：人们将原始信息表示成数据，称为源数据，然后对这些源数据进行汇集、存储、综合、推导。从这些原始的、杂乱的、难以理解的数据中抽取或推导出新的数据，这些新的数据称为结果数据，结果数据对某些特定的人们来说是有价值的、有意义的。,2020/6/9,数据库技术及应用,20,信息处理的基本环节,2020/6/9,数据库技术及应用,21,信息的三个领域,（1）现实世界现实世界又称事实世界。现实世界指存在于人们头脑之外的客观世界，就是我们赖以生存的生活环境。（2）观念世界观念世界又称信息世界。它是现实世界在人们头脑中的反映。（3）数据世界数据世界又称计算机世界或机器世界。它是数据库系统的处理对象。现实世界中的事实经过观念世界转换成信息，并经过加工、编码进入计算机世界。,2020/6/9,数据库技术及应用,22,数据库,数据库是指长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。数据库是为满足某部门各种用户的多种应用需要，在计算机系统中按照一定数据模型组织、存储和使用的互相关联的数据集合。,2020/6/9,数据库技术及应用,23,数据库管理系统,数据库管理系统（DBMS）是指数据库系统中对数据进行管理的软件系统，它是数据库系统的核心组成部分，数据库系统的一切操作，包括查询、更新及各种控制，都是通过DBMS进行的。DBMS是数据库系统的基础，研制DBMS的基本目标是扩大功能，提高性能和可用性，从而提高用户的生产率。,2020/6/9,数据库技术及应用,24,DBMS的主要功能,数据定义功能数据操纵功能数据库的建立和维护功能数据库的运行管理数据字典,2020/6/9,数据库技术及应用,25,数据库管理系统的工作过程,（1）用户在其应用程序中安排一条读记录的DML语句。该语句给出被涉及的外模式中记录类型名及欲读记录的关键码值。当计算机执行该DML语句时，立即启动DBMS，并向DBMS发出读记录的命令。（2）DBMS接到命令后，首先访问该用户对应的外模式，检查该操作是否在合法授权范围内，若不合法则拒绝执行并向应用程序状态返回区发出不成功的状态信息。若合法则执行下一步。（3）DBMS读取相应的模式描述，并从外模式映像到概念模式。也就是把外模式的外部记录格式映像到概念模式的概念记录格式，决定概念模式应读入哪些记录。（4）DBMS调用相应的内模式描述，并从概念模式映像到内模式，即把概念模式的概念记录格式映像到内模式的内部记录格式，确定应读入哪些物理记录以及具体的地址信息。DBMS向操作系统发出从指定地址读取物理记录的命令。,2020/6/9,数据库技术及应用,26,数据库管理系统的工作过程,（5）操作系统执行读命令，按指定地址从数据库中把记录读入到数据库的系统缓冲区，并在操作结束后向DBMS作出回答。（6）DBMS收到操作系统读操作结束的回答后，参照概念模式，将读入系统缓冲区中的内容变换成概念记录，再参照外模式，变换成用户要求读取的外部记录。（7）DBMS把导出的外部记录从系统缓冲区送到应用程序的“程序工作区”中。（8）DBMS向运行日志数据库发出读一条记录的信息。以备以后查询使用数据库的情况。（9）DBMS将操作执行成功与否的状态信息返回给用户。（10）应用程序根据返回的状态信息决定是否使用工作区中的数据。,2020/6/9,数据库技术及应用,27,数据库系统,数据库系统的特点和功能数据库系统的组成,2020/6/9,数据库技术及应用,28,数据库系统定义,数据库系统（DataBaseSystem，简称DBS）是指在计算机系统中引入数据库后的系统，其功能层次由低到高依次为数据库、数据库管理系统、应用开发工具、应用系统、数据库管理员和用户。,2020/6/9,数据库技术及应用,29,数据库系统结构,2020/6/9,数据库技术及应用,30,数据库系统的优越性,灵活性。简易性。面向用户。数据控制。加快应用系统开发速度。程序设计方便。修改方便。标准化。,2020/6/9,数据库技术及应用,31,数据库系统的特点,数据共享数据的结构化数据的独立性可控冗余度数据由DBMS统一管理和控制标准化,2020/6/9,数据库技术及应用,32,数据库系统的功能结构,2020/6/9,数据库技术及应用,33,数据库系统的功能,提供高级的用户接口查询处理和优化数据目录管理并发控制恢复功能实施安全性保护完整性约束检查访问控制,2020/6/9,数据库技术及应用,34,数据库系统的组成,数据集合：数据集合是某一组织中各种应用所需数据的集成，并为这些应用所共享。硬件和软件：一定的硬件和软件环境是保证数据库系统顺利工作的必要条件。系统人员和用户：数据库管理员、程序设计人员和终端用户。,2020/6/9,数据库技术及应用,35,数据库系统的软件,DBMS和支持DBMS运行的操作系统。DBMS是为数据库的建立、使用和维护配置的软件。具有与数据库接口的高级语言及其编译系统，便于开发应用程序。以DBMS为核心的应用开发工具。应用开发工具是系统为应用开发人员和最终用户提供的高效率、多功能的应用生成器、第四代语言等各种软件工具。它们为数据库系统的开发和应用提供了良好的环境。为特定应用环境开发的数据库应用系统。,2020/6/9,数据库技术及应用,36,数据库管理员的职责,决定数据库的信息内容。充当数据库系统与用户的联络员。决定数据存储结构和访问策略。决定数据库的保护策略。监视系统的工作，响应系统的某些变化，改善系统的“时空”性能，提高系统的效率。,2020/6/9,数据库技术及应用,37,数据模型,数据模型的组成要素概念模型层次模型网状模型关系模型数据模型设计,2020/6/9,数据库技术及应用,38,现实世界中客观对象的抽象过程,为了把现实世界中的具体事物抽象、组织为某一DBMS支持的数据模型，人们常常将现实世界抽象为信息世界，然后将信息世界转换为机器世界。,2020/6/9,数据库技术及应用,39,数据模型的组成要素,数据结构数据结构是指数据库中数据对象以及数据对象之间的联系，是对系统静态特性的描述。数据操作数据操作是指对数据库中各种对象允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则。数据的约束条件数据的约束条件是一组完整性规则的集合。,2020/6/9,数据库技术及应用,40,概念模型,概念模型用于信息世界的建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，是数据库设计人员进行数据库设计的有力工具，也是数据库设计人员和用户之间进行交流的语言；概念模型一方面应该具有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，另一方面它还应该简单、清晰、易于用户理解。,2020/6/9,数据库技术及应用,41,信息世界中的基本概念,实体：现实世界中客观存在并可相互区别的“事物”被称为实体。属性：实体具有的某种或若干种特性或特征称为属性。实体型：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。实体集：同一类型的实体集合被称为实体集，即具有同一类属性的客观存在的事物的集合。,2020/6/9,数据库技术及应用,42,信息世界中的基本概念,域：域是属性所取的值的变化范围。即同一实体集中各实体同一属性具有的值在一定范畴之内，这一范畴称为该属性的值域，简称为域。键：一个属性值或一组属性值如能唯一标识该实体集中的各实体，则称为该实体的键。联系：联系一般指实体相互之间关系的抽象表示，亦即现实世界中事物之间的语义关系。,2020/6/9,数据库技术及应用,43,实体之间的联系,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（也可以没有）实体与之联系，反之亦然，则称实体集A、B间存在着“一对一”的联系,2020/6/9,数据库技术及应用,44,实体之间的联系,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、B间有一对多联系。,2020/6/9,数据库技术及应用,45,实体之间的联系,多对多联系：如果两个实体集A、B中的每一个实体都和另一个实体集中的任意多个（包括零个）实体有联系，则称这两个实体集是多对多的联系，则称实体集A、B间具有多对多联系。,2020/6/9,数据库技术及应用,46,层次模型,层次模型是数据库系统中最常用的数据模型之一。它采用层次模型作为数据的组织方式，属于格式化数据模型。这种模型的特征是：有且仅有一个结点无双亲，这个结点称为根结点。其他结点有且仅有一个双亲。,2020/6/9,数据库技术及应用,47,层次模型示意图,2020/6/9,数据库技术及应用,48,网状模型,在层次模型的基础上，取消层次模型的限制，将树的结构变成图的结构，层次模型就转化成了网状模型。广义讲，任意一个连通的基本层次联系的集合就是一个网状模型。在数据库中，把满足以下两个条件的基本层次联系集合称为网状模型：可以有一个以上的结点无双亲；至少有一个结点有多于一个的双亲。,2020/6/9,数据库技术及应用,49,网状模型示意图,2020/6/9,数据库技术及应用,50,关系模型,关系模型的基本组成是关系。它把记录集合定义为一张二维表，即关系。表的每一行是一个记录，表示一个实体，也称为一个元组。每一列是记录中的一个数据项，表示实体的一个属性。,2020/6/9,数据库技术及应用,51,关系模型示例,2020/6/9,数据库技术及应用,52,数据模型设计,数据库设计的核心问题之一就是要设计一个好的数据模型。数据与记录项：在数据模型中，用数据描述的实体有对象与属性之分。描述对象的数据称为记录，而描述属性的数据称为项。型与值：由于实体分为总体与个体两级，所以它的数据也分为“型”（表示总体）与值（表示个体）两级。记录与文件：记录类型是数据项型的一个有序组，记录值是数据项值的同一有序组；文件是记录型与值的总和。数据模型：数据模型是一种形式化描述数据、数据之间联系以及有关语义约束的方法，是数据库系统中用以提供信息表示和操作手段的形式框架。,2020/6/9,数据库技术及应用,53,数据库系统结构,概念数据模型只用于数据库的设计，逻辑数据模型和物理数据模型用于DBMS的实现。数据模型是描述数据的手段，而数据模式是用给定数据模型对具体数据的描述。在DBMS中，由于数据用多级数据模型来描述，相应地也有多级数据模式。DBMS提供模式描述语言（模式DDL）来严格地定义数据模式，美国国家标准协会（ANSI）的ANSI/X3/SPARC报告把数据模式分为三级。,2020/6/9,数据库技术及应用,54,数据库系统的三级模式结构,模式：模式是所有概念记录类型的定义，因此它是数据库中全部数据逻辑结构的描述，即数据库中所有记录类型的整体描述，也称逻辑模式。外模式：外模式也称子模式或用户模式，它是用户与数据库系统的接口。内模式：内模式也称存储模式，一个数据库只有一个内模式。内模式要定义所有的内部记录类型，定义一些索引、数据在存储器的安排以及安全性、恢复和其他管理方面的细节。,2020/6/9,数据库技术及应用,55,三级模式结构的特征,一个数据库的全局逻辑描述（概念模式）是独立于数据库的其他所有结构描述的。在定义一个数据库的各层次结构时，全局逻辑结构（概念模式）应首先定义。内模式是依赖于全局逻辑结构的，其