《数据库系统概论》PPT课件

1、1.1 引 言,1.2 数据模型,1.3 数据库系统结构,数据库系统概论,本章小结,1.4 数据库系统,1.5 现代数据库系统及研究领域,1.1 引 言,一、基本概念 数据管理是指对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护等操作。 数据库技术是研究数据管理的技术。即如何妥善地保存和科学地管理数据。 数据管理技术好坏评判的标准： （1）数据冗余:指同一数据多次存放。 问题有:浪费空间 修改麻烦 引起不一致 （2）数据共享:体现在： 多个应用可使用同一数据(文件、记录、数据项) 多个用户可同时存取同一数据。 为开放资源。 （3）数据独立性:指应用程序和数据之间相互独立。 （4）数据统一集中管理。

2、,数据库(DB)： 数据库是按一定结构组织，并长期存储在计算机内、可共享的大量数据的有机集合。,关系？,数据库管理系统(DBMS)： 管理和维护数据库的系统软件。 数据库系统(DBS)： 有管理数据库功能的计算机系统,SQL Server Oracle DB2 Sybase ,1.1 引 言,主要问题有： 逻辑数据独立性较差 数据冗余度较大 文件应用编程复杂,二、数据管理技术的产生和发展,数据管理的三个阶段 人工管理,文件管理,数据库系统,主要问题有： 数据不能长期保存 数据不能共享 数据独立性差,1.1 引 言,数据模型:是表示数据及其联系的模型。 是对现实世界数据关系、特征的抽象。 分类：

3、 概念模型(信息模型)： 从用户角度对数据建模，用于DB设计。 数据模型(结构数据模型)： 从计算机角度对数据建模，用于DBMS实现。,现实 世界,认识、分析、抽象,一、信息的三个世界:,描述 规范转换,1.2 数据模型,一、信息的三个世界,现实 信息 机器 世界 世界 世界,信息世界的基本概念： 实体：事物及联系 属性：实体的特征 简单属性和复合属性 单值属性和多值属性 存储属性和派生属性,分析抽象,编码规范, 事物-信息-数据,属性域:属性取值范围 码: 关键字/键 实体型:结构 实体集:一组同类实体,三个世界术语间关系：,学生,学,号,姓,名,年龄,性别,籍贯,学生,1,990927,胡

4、,伟,22,男,湖南,学生,2,990652,张 春,24,男,湖北,学生,3,991091,程 军,23,男,山西,学生,4,990676,王,翌,22,女,四川,用概念模型,用数据模型,二、概念模型,1.概念 实体集间的联系: 1：1 1：m m：n,例： 系 - 系主任 学生 - 座位 班级 - 学生 公司 - 职员 学生 - 图书 运动员 - 项目,设实体集： E1 E2,二、概念模型,概念模型的表示方法： E-R图: 实体集、属性、联系,no,学生s,课程c,S-C,age,name,cno,cname,sum,score,二、概念模型,实体集间联系的表示: 两实体集间 多实体集间

5、同一实体集内,供应商,项目,零件,二、概念模型,实体集间联系的表示: 两实体集间 多实体集间 同一实体集内,相同实体集间的两个联系,扩充的E-R模型-EE-R模型（Teorey等） 实体集可继承 增加了IS-a联系（超-子联系）。 超实体集：矩形表示。 子实体集：两端双线的矩形表示。 超-子联系：直线带小圆圈表示。,二、概念模型,实体集可嵌套 属性可以是某个实体集。 实体集的嵌套关系用有向线段表示。,学院与院长关系的EE-R图表示,二、概念模型,1. 数据模型的三要素 (1)数据结构（描述系统的静态特性） 数据库对象类型： 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。 数据之

6、间的联系：隐式和显式。 (2)数据操作（描述系统的动态特性） 指对数据库各种对象允许进行操作的集合，包括操作语言及有关操作规则的定义。 (3)数据的完整性约束 是对数据及其关系的制约规则的集合。,三、数据模型的组成及新特征,数据模型的新特征 （1）数据特征：数据可以是多维的、易变、多态的。 （2）数据结构：数据类型更丰富；数据格式多样化。 （3）数据操作：包含特殊的操作、数据的互操作性 及操作的主动性。 主要数据模型： （1）三种基本数据模型：层次、网状、关系模型。 （2）面向对象模型 （3）谓词模型 （4）XML模型 （5）扩充的数据模型,三、数据模型的组成及新特征,2. 三种基本数据模型的

7、概念 层次模型 网状模型 关系模型,基本层次联系 两个记录集及其间的1:n联系,Ri,Rj,双亲结点,子女结点,三、数据模型的组成及新特征,(1)数据结构：树结构,记录集(类型),1: n的联系,层次数据库的型与值：,层次模型的基本特点： 需按路径查看给定记录的值。,四、层次模型,将多对多联系转换为层次结构的方法 方法一：引入冗余结点将一个多对多联系转换为两个一对多联系。,例：,缺点：不可避免地引入了数据冗余，浪费存储空间且容易导致数据不一致,四、层次模型,方法二：引入虚拟节点，造树过程与引入冗余结点法相似，不同的是对已出现过的结点用该结点的虚拟结点代之。虚拟结点是一个指针，指向所代替的结点。

8、,优点：减少了存储空间的浪费，易于维护数据的一致性。 缺点：结点存储位置的移动会引起虚拟结点中指针的修改。,例：,四、层次模型,(2)数据操作与完整性约束 基本数据操作： 查、插、删、改结点值 使用过程化语言 主要的完整性约束： 插入：无双亲不能插子女； 删除：删双亲则子女无； 修改：保证一致性。,(3) 存储结构 1）邻接法： 按树的前序序列依次存放记录值 2）链接法 孩子-兄弟链接法,四、层次模型,(1) 数据结构 图结构,网状数据库的型与值： 网状模型m:n联系的表示,L1,L2,系主,成员,例：订货人与货物：？,系:以记录型为结点的二级树。,五、网状模型,(2)数据操作与完整性约束 基

9、本数据操作： 对记录的操作:查询、存取数、修改、删除 对系的操作：加入、转接、撤离 使用过程化语言 主要的完整性约束： 一个记录型不能在同一个系型中既是主记录型又是属记录型。 任何一个系值中至多只有一个主记录。 插、删一个记录时，须遵守系籍约束。,(3)存储结构,S1,C1,五、网状模型,(1)数据结构,属性,元组,关系 元组 属性(值) 主码(主Key) 域,主码,关系名,属性名,例：学生(学号,姓名,年龄),关系模式：关系结构的描述 R(A1 ，A2，A3，.An),值,六、关系模型(by E.F.Codd),(2)数据操作与完整性约束 基本数据操作：查、插、删、改 需满足关系的完整性约束

10、条件 使用非过程化语言 (3)存储结构 表以文件形式存储,表 结 构,实体间联系,实体,六、关系模型,(4)关系模型的优缺点 有坚实的理论基础 采用自然的表格联系，结构简单、易用 数据独立性及安全保密性好 查询效率低不需要用户指明路径,六、关系模型,三种模型比较：,1.2 数据模型,树 图 表,1:n层次联系 m:n间接联系 m:n任意联系,通过指针(或路经) 通过指针(或路经) 自然联系创建联系,较高 较难 较高 复杂 较低 容易,无 无 关系理论,过程式 过程式 非过程式,发展: 混合式,(1)数据结构,(2)模型特征 抽象 封装 继承 多态性 (3)模型要素 类层次结构 对象查询语言 类

11、、父子约束、消息描述 (4)OODB Gemstone、Vbase、Orion,七、面向对象模型,(1)对象-关系数据库系统 由Stonebrake等提出(90) (2)三条原则 传统数据库+丰富的对象支持：继承、可选元组标识、规则 包含关系数据库的功能：非导航、可更新视图、隐式聚集索引 支持开放系统：多语言支持 (3)要素 表及类层次的数据结构 使用扩展数据库语言 统一的对象约束机制,八、对象-关系模型,从DBMS角度看（DBS内部的体系结构）： 外部级 概念级 内部级 从DB用户角度看（DBS外部的体系结构） 单用户结构 主从结构 分布式结构 客户/服务器结构,1.3 数据库系统结构,1.

12、3 数据库系统结构,一、三级模式结构 1. 模式的概念：,DB中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公有数据库结构。,模型与模式的区别： 模型以直观清晰的图形来表示，但计算机无法识别，须用一种语言来描述它，即DDL。 模式是对模型的语言描述。 2. 三级模式： 外模式（子模式- 多个） 局部数据逻辑结构和特征的描述。 概念模式（模式- 一个） 全局数据逻辑结构和特征的描述。 定义模式时不仅要定义数据的逻辑结构，还要定义与数据有关的安全性、完整性要求。 内模式（存储模式、物理模式-一个） 数据物理结构和存储方式的描述。,1.3 数据库系统结构,数据独立性: 程序与数据间的互不依赖性。 数

13、据的物理独立性 数据库存储结构的改变不影响逻辑结构及应用程序。 数据的逻辑独立性 数据库逻辑结构的改变不影响应用程序。 数据一致性： 语义相同的多个副本值一致。,3.数据库的二级映象功能 外模式/模式映象 实现数据逻辑独立性; 完成综合、抽象。 模式/内模式映象 实现数据物理独立性; 完成优化存放。,1.3 数据库系统结构,二、数据抽象 - 三级DB,关系： 数据模型模式DB 建筑模型- -,物理DB,逻辑DB,用户DB,蓝图,1.3 数据库系统结构,三、DBS的体系结构,应用程序、DBMS、DB都装在一台计算机上，由一个用户独占。 缺点：数据冗余大， 数据难共享。,应用程序、DBMS、DB均

14、放在主机上。各用户通过终端并发存取数据库的多用户系统。 缺点：终端多时，主机负担过重，系统性能下降。,(3) 客户/服务器结构的DBS,两种典型的方式: 客户机/服务器-C/S 浏览器/服务器-B/S,C/S方式：,(4)分布式结构的DBS,一个逻辑数据库,(5)一种并行结构的数据库系统,高速网络,数据库系统的组成： 软、硬件平台 硬件平台 计算机、网络。 软件平台 操作系统、数据库系统开发工具 、接口软件。 数据库管理系统 数据库 数据库应用软件及界面,人 DBA 系统分析员 应用程序员 用户 DBA的职责： （1）决定数据库中的信息内容和结构。 （2）决定数据库的存储结构和存储策略。 （3

15、）定义数据的安全性要求和完整性约束条件。 （4）监控数据库的使用和运行。 （5）数据库的重组和重构。,1.4 数据库系统,数据库技术是一门数据管理的技术。 数据库技术是发展速度最快，应用最广泛的技术。 数据库技术的发展主要延着数据模型、数据库应用、数据库管理系统开发技术三个方面发展。 数据库技术与网络通信技术、人工智能技术、面向对象程序设计技术、并行计算技术等相互渗透，互相结合，成为当今数据库技术发展的主要特征。,1.5 现代数据库系统,传统DBS的局限性： （1）面向机器的语法数据模型 传统数据库中的数据模型强调数据的高度结构化，是面向机器的语法数据模型，只能存储离散和有限制的数据与数据之间

16、的关系，无法表示多媒体中大量非格式化的数据（如图形、图象、声音等）、多维的空间数据以及嵌套、递归等复杂的数据结构。传统数据模型无法揭示数据之间的深层含义和内在联系，缺乏数据抽象。,1.5 现代数据库系统,（2）数据类型简单、固定 传统的DBMS只支持简单的数据类型。传统的RDBMS只支持某一固定的类型集，不能依据某一应用所需的特定数据类型来扩展其类型集。 （3）结构与行为分离 传统数据库主要关心数据的独立性及存取数据的效率，难以抽象化地去模拟行为。对象与应用相关的大量语义在数据库中无法从无意义的编码中恢复。对象的行为特征在传统数据库系统中最多只能由应用程序来表示。,1.5 现代数据库系统,（4

17、）阻抗失配 阻抗失配数据操纵语言（如SQL）与通用程序设计语言之间的失配称为阻抗失配。 不匹配表现在： 编程模式不同(描述性的SQL与指令式的编程语言的不同) 类型系统不匹配(编程语言不能直接表示关系这样的数据库结构) （5）被动响应 传统数据库管理系统只能响应和重做用户要求它们做的事情，是被动的。而在实际应用中，往往要求一个系统能够管理它本身的状态，在发现异常情况时及时通知用户；能够主动响应某些操作或外部事件；能够在一些预定的时间间隔中自动执行某些操作。,1.5 现代数据库系统,例：假设有如下三个表： 信件(序号，收信人，作者，发信时间，内容，收信时间，收信标志） 通知（序号，发通知人，发通

18、知时间，发通知部门，送往部门，收通知人，阅完标志，收文签字） 报告（序号，报告人，报告时间，报告部门，呈交部门，送呈领导，批阅意见，办完标志） 能否做到：在用户登录之后，根据他所报的用户名，主动在各有关系统中搜索查找与该用户有关的内容，挖掘出有用的有关信息，然后分类按层次结构显示在桌面上，用户再按照提示一项项操作。这就是主动数据库。,1.5 现代数据库系统,（6）存储、管理的对象有限 传统DBMS主要进行的是数据的存储、查询、排序、报表生成等简单、离散地信息处理工作。数据库中反映的是客观世界中静态、被动的事实。缺乏对知识的处理能力，不具有演绎和推理的功能，无法满足DSS、OA、AI等领域中进行

19、高层管理和决策的要求，限制了数据库技术的高级应用。 （7）事务处理能力较差 传统DBMS对长事务的响应较慢，对长事务发生故障时恢复也比较困难。 长事务是指需要太长时间因而不允许它们保持其他事务所需要的锁的事务。,1.5 现代数据库系统,1. 数据库技术、方法、理论的研究 (1) 对象关系数据库系统（ORDBS) 以关系数据库和SQL为基础，扩展关系数据模型，增加面向对象的数据类型。该类系统称为对象-关系数据库系统。 对象关系数据模型在传统数据模型基础上，提供元组、数组、集合等更为丰富的数据类型及处理新的数据类型操作能力所形成的数据模型。 对象关系数据库系统基于对象关系数据模型的DBS。 (2)

20、面向对象数据库系统（OODBS) 以面向对象的程序设计语言为基础，扩充面向对象的数据模型以建立数据库系统。该类系统称为面向对象数据库系统。 (3)对象代理数据库系统（ODDBS） 以面向ODDBS为基础，通过代理来提高柔软性。,1.5 现代数据库系统,2. 数据库技术与多学科技术的有机结合,数据库 技 术,分布处理技术,并行处理技术,人工智能技术,多媒体技术,模糊技术,分布式数据库系统,模糊数据系统,并行数据库系统,知识库系统、主动数据库系统,多媒体数据库系统,数据库技术与其他计算机技术的相互渗透,1.5 现代数据库系统,分布式数据库系统 在网络通信的飞速发展和集中式数据库系统的基础上，由于对

21、地理分散数据共享和访问的需要，产生并发展了分布式数据库系统。它是数据库技术和网络通信技术有机结合的产物。 并行数据库系统 在并行机上运行的具有并行处理能力的DBS。它试图通过充分利用通用并行计算机的处理机、磁盘等硬件设备的并行数据处理能力来提高数据库系统的性能。,1.5 现代数据库系统,并行数据库系统得以快速发展的主要原因： 关系数据模型和SQL语言的广泛采纳。 因为关系查询采用面向集合的代数表示，便于实现操作间的并行处理。 计算机的处理能力得到了迅速的提高，高性能CPU、大容量内存、高速磁盘阵列以及高带宽通信网络的出现为高性能数据处理提供了充分的硬件支持。,1.5 现代数据库系统,知识库系统

22、 数据库系统：可以处理海量数据和大量商业事务，但缺乏表达和处理AI系统中的规则和知识，不具有演绎、推理能力。 AI系统：能表达基于规则的知识、并能进行启发式搜索与推理，但缺乏高效检索知识库和管理大量数据和规则的能力。 数据库技术中引入人工智能技术的途径： 数据库的智能化 把数据库视为一个AI系统或专家系统，借鉴AI技术来提高DBMS的表达、推理和查询能力。,1.5 现代数据库系统,用知识表示方法来描述DBMS中的数据模型、完整性约束条件、安全性约束条件。 将更多的语义信息以知识表示形式存入系统，利用知识表示与搜索方法去描述和开发复杂对象的数据库系统。 用户界面的智能化，它能以自然语言理解的形式

23、为用户使用数据库提供灵活、方便、友好的用户界面，建立数据库的用户界面管理系统，提供用户使用数据库的经验和知识。 智能化的数据库 扩大数据库的功能，使其不但具有传统数据库的现有功能，还具有一些AI功能，以提高数据库的演绎、推理功能和智能化的程度。,1.5 现代数据库系统,数据库的演绎功能：能从现有的数据库的数据中演绎和导出一些新数据（演绎数据库系统）。 数据库的搜索功能：将数据库中的操作与AI中的问题求解搜索技术结合，适当扩充其功能使数据库具有智能搜索能力。 数据库的问题求解能力：扩大数据库功能，使之成为能共享信息的面向知识处理的问题求解系统（专家数据库系统）。 数据库的归纳功能：能将数据库中的

24、数据归纳成规则，存入知识库，进一步可使数据库具有学习能力。 数据库的知识管理功能：在数据库管理事实（数据）的基础上，加以扩充使其具有管理规则（知识）的功能，从而形成一个知识库及知识库管理系统。,1.5 现代数据库系统,多媒体数据库系统 多媒体数据库实现对格式化（数字、字符等）和非格式化（图形、图象、声音、视频等）的多媒体数据的存储、管理和查询。 主要特征： 应能够表示多种媒体的数据。 应能够协调处理各种媒体数据。 应提供比传统数据库管理系统更强的适合非格式化数据查询的搜索功能。,1.5 现代数据库系统,模糊数据库系统 模糊性是指其表露的不清楚性和不完全性。 模糊数据库系统存储、管理和操作模糊数

25、据的数据库系统。 主要研究方向： 模糊数据的表示和语义 模糊数据模型 模糊数据库管理系统的实现技术 模糊数据库和模糊知识库的结合,1.5 现代数据库系统,3.面向应用领域的数据库技术的研究 数据库技术被应用到特定的领域，出现了数据仓库、工程数据库、统计数据库、空间数据库等多种数据库，使数据库领域的应用范围不断扩大。,数据库 技 术,DSS,CAD/CAM/CIM,计划、统计,地理信息系统,数据仓库,工程数据库,统计数据库,空间数据库,特定应用领域的数据库技术,特定应用领域,数据库新技术内容,1.5 现代数据库系统,数据仓库概念,(1)数据仓库概念的提出 计算机系统中的处理： 操作型（事务）处理

26、（OLTP） 分析型处理（DSSDecision Support System） OLTP(OnLine Transaction Process):单一的数据资源（常以原始数据的形式存储），数据的价值仅体现在完成一个事务，数据的含义并未引起人们的重视，无法支持对数据的分析处理。,数据仓库概念,OLTP应用不适应DSS应用的原因： 事务处理和分析处理的性能特性不同 OLTP关心的是响应时间、数据的完整性和安全性等。而DSS需要访问大量历史数据，运算时间长。 数据集成问题 DSS需要集成的数据，全面而正确的数据是有效地分析和决策的首要前提，相关数据收集得越完整，得到的结果越可靠。 数据动态集成问题

27、 静态集成的缺点：如果在数据集成后数据源中数据发生了变化，这些变化将不能反映给决策者，导致决策者使用的是过时的数据。事务处理系统不具备动态集成的能力。,数据仓库概念, 历史数据问题 OLTP一般只需要当前数据，在数据库中一般也是存储短期数据。对于决策分析而言，许多分析方法必须以大量的历史数据为依托，没有历史数据的详细分析，是难以把握企业的发展趋势。DSS对数据在空间和时间的广度上都有了更高的要求，而事务处理环境难以满足这些要求。 数据的综合问题 在事务处理系统中积累了大量的细节数据，一般而言，DSS并不对这些细节数据进行分析。在分析前，往往需要对细节数据进行不同程度的综合，而事务处理系统不具备

28、这种综合能力。,数据仓库概念的提出,可见，要提高分析和决策的效率和有效性，分析型处理及其数据必须与操作型处理及其数据相分离，必须把分析型数据从事务处理环境中提取出来，按照DSS处理的需要进行重新组织，建立单独的分析处理环境。 数据仓库正是为了构建这种新的分析处理环境而出现的一种数据存储和组织技术。 数据仓库的定义 数据仓库概念的始创人W.H.Inmon对数据仓库的定义是：数据仓库是一个面向主题的、集成的、稳定的、随时间不断变化的数据集合，它用于支持管理决策。,数据仓库的特征,(2) 数据仓库的特征 面向主题 传统的操作型系统主要围绕应用和针对具体业务设计解决问题的方法和途径，组织与此相关的一段

29、时间内的业务统计、分析工作。数据仓库则以一个企业或组织中固有的业务主题为处理的主体，是从整体、全局的角度来衡量这些主题在企业中的作用。 例：对一个保险公司，按业务处理要求，应用问题包括各种各样的保险业务的处理，以及月度、季度、年度报表等，可建立起汽车保险、人寿保险、健康保险和意外保险子系统。,数据仓库的特征, 集成 数据仓库的数据来自于不同的数据源，要按照统一的结构、一致的格式、度量及语义，将各种数据源的数据合并到数据仓库中，目的就是为了给用户提供一个统一的数据视图。 当数据进入数据仓库时，要采用某种方法来消除应用数据的不一致。这种对数据的一致性预处理称为数据清理（data cleaning）。,数据仓库的特征, 稳定且不可更新 数据仓库的数据主要提供决策分析之用，所涉及的数据操作主要是数据查询。这些数据反映的是一段时间内历史数据的内容，是不同时间点的数据库快照的统计、综合等导出数据。它们是稳定的，不能被用户随意更改。在联机应用系统中，数据可以随时地被用户更新。,数据仓库的稳定性,数据仓库的特征, 随时间变化 其含义是指时间元素（年、月、日等）明确地包含在数据中，使得随时间变化的趋向可以用于分析研究。数据仓库中数据本身并不随时间变化。 (a) 数据仓库随时间不断增加新的数据，不断将当前最新