数据库原理与程序设计

1、数据库原理与程序设计数据库原理与程序设计 主讲： 李 浩 华中农业大学资环学院信息系华中农业大学资环学院信息系 教学环节和成绩评定教学环节和成绩评定 课堂讲授 v教学环节教学环节 课外阅读 上机实践 上机考查 20% v成绩评定成绩评定 期中考查 10% 期末考试 60% 作业及出勤 10% v联系方式联系方式 E-Mail : Tel : 87280664 主要参考书目主要参考书目 数据库系统概念数据库系统概念 Abraham Silberschatz, Henry F.Korth, S.Sudarshan, 杨冬青，唐世渭等译，机械工业出版社，杨冬青，唐世渭等译，机械工业出版社，2000

2、对象对象- -关系数据库管理系统关系数据库管理系统下一个大浪潮下一个大浪潮 Michael Stonebraker, Dorothy Moore 杨冬青，唐世渭，裴芳等译，北京大学出版社，杨冬青，唐世渭，裴芳等译，北京大学出版社，1997 数据库系统实现数据库系统实现 Hector Garcia-Molina, Jeffery D.Ullman,Jennifer Widom, 杨冬青，唐世渭，徐其钧等译，机械工业出版社，杨冬青，唐世渭，徐其钧等译，机械工业出版社，2001 数据库系统概论数据库系统概论（第三版）（第三版） 萨师煊，王珊，高等教育出版社， 萨师煊，王珊，高等教育出版社，2001

3、学习方法四四项修炼 第一项修炼：自我超越第一项修炼：自我超越( Personal Mastery ) ( Personal Mastery ) “自我超越自我超越”的修炼是学习不断理清并加深个人的真正愿的修炼是学习不断理清并加深个人的真正愿 望，集中精力，培养耐心，并客观地观察现实的过程。望，集中精力，培养耐心，并客观地观察现实的过程。 它是学习型组织的精神基础。精通它是学习型组织的精神基础。精通“自我超越自我超越”的人，的人， 能够不断实现他们内心深处最想实现的愿望，他们对生能够不断实现他们内心深处最想实现的愿望，他们对生 命的态度就如同艺术家对于艺术一样，全心投入、锲而命的态度就如同艺术家

4、对于艺术一样，全心投入、锲而 不舍，并不断追求超越自我。有了这种精神动力，个人不舍，并不断追求超越自我。有了这种精神动力，个人 的学习就不是一个一蹴而就的项目，而是一个永无尽头的学习就不是一个一蹴而就的项目，而是一个永无尽头 的持续不断的过程。而组织学习根植于个人对于学习的的持续不断的过程。而组织学习根植于个人对于学习的 意愿与能力，也会不断学习。意愿与能力，也会不断学习。 学习方法四四项修炼 第二项修炼：改善心智模式第二项修炼：改善心智模式 ( Improving Mental Models )( Improving Mental Models ) “ “改善心智模式改善心智模式”的修炼是把

5、镜子转向自己，发掘自己的修炼是把镜子转向自己，发掘自己 内心世界深处的秘密，并客观地审视，借以改善自身的内心世界深处的秘密，并客观地审视，借以改善自身的 心智模式，更利于自己深入地学习心智模式，更利于自己深入地学习 学习方法四四项修炼 第第三 三项修炼：团队学习项修炼：团队学习( Team Learning ( Team Learning ) ) 团队中的成员互相学习，取长补短，不仅使团队整体的绩团队中的成员互相学习，取长补短，不仅使团队整体的绩 效大幅提升，而且使团队中的成员成长得更快效大幅提升，而且使团队中的成员成长得更快 团队学习的修炼从团队学习的修炼从“对话对话”( dialogue

6、) ( dialogue ) 开始。所谓开始。所谓 “对话对话”，指的是团队中的所有成员敞开心扉，进行心灵，指的是团队中的所有成员敞开心扉，进行心灵 的沟通，从而进入真正统一思考的方法或过程。另外，的沟通，从而进入真正统一思考的方法或过程。另外， “对话对话”也可以找出有助于学习的互动模式也可以找出有助于学习的互动模式 在现代组织中，学习的基本单位是团队而非个人。除非团在现代组织中，学习的基本单位是团队而非个人。除非团 队能学习，否则组织就无法学习队能学习，否则组织就无法学习 海森堡海森堡“科学根源于交谈，在不同的人的合作之下，科学根源于交谈，在不同的人的合作之下， 可能孕育出极为重要的科学成

7、果。可能孕育出极为重要的科学成果。” 学习方法四四项修炼项修炼 第第四四项修炼：系统思考项修炼：系统思考( System Thinking ) ( System Thinking ) 企业与人类社会都是一种企业与人类社会都是一种“系统系统”，是由一系，是由一系 列微妙的、彼此息息相关的因素所构成的有机列微妙的、彼此息息相关的因素所构成的有机 整体。这些因素通过各不相同的模式或渠道相整体。这些因素通过各不相同的模式或渠道相 互影响，互影响，“牵一发而动全身牵一发而动全身”。但是，这种影。但是，这种影 响并不是立杆见影、一一对应的，而常常是要响并不是立杆见影、一一对应的，而常常是要 经年累月才完全

8、展现出来。身处系统中的一小经年累月才完全展现出来。身处系统中的一小 部分，人们往往不由自主地倾向于关注系统中部分，人们往往不由自主地倾向于关注系统中 的某一片段（或局部），而无法真正把握整体。的某一片段（或局部），而无法真正把握整体。 系统思考的修炼就在于扩大人们的视野，让人系统思考的修炼就在于扩大人们的视野，让人 们们“见树又见林见树又见林” 课程目标 了解，并结合关系型数据库系统深入理解数据库系了解，并结合关系型数据库系统深入理解数据库系 统的基本概念，原理和方法。统的基本概念，原理和方法。 掌握关系数据模型及关系数据语言，能熟练应用掌握关系数据模型及关系数据语言，能熟练应用 SQLSQL

9、语言表达各种数据操作。语言表达各种数据操作。 掌握掌握E-RE-R模型的概念和方法，关系数据库规范化理模型的概念和方法，关系数据库规范化理 论和数据库设计方法，通过上机实习的训练，初步论和数据库设计方法，通过上机实习的训练，初步 具备进行数据库应用系统开发的能力。具备进行数据库应用系统开发的能力。 对数据库领域研究的深入课题有大致了解，激发在对数据库领域研究的深入课题有大致了解，激发在 此领域中继续学习和研究的愿望，为学习数据库系此领域中继续学习和研究的愿望，为学习数据库系 统高级课程做准备。统高级课程做准备。 第1章 数据库数据库概论 在本章中，首先介绍数据库中有关的主要概念，然在本章中，首

10、先介绍数据库中有关的主要概念，然 后回顾数据管理技术的三个发展阶段后回顾数据管理技术的三个发展阶段 要求了解数据库的三个发展阶段及各阶段的主要特要求了解数据库的三个发展阶段及各阶段的主要特 点，掌握数据库中的有关的基本概念、数据库系统点，掌握数据库中的有关的基本概念、数据库系统 的组成及各部分的主要功能的组成及各部分的主要功能 重点掌握实体、属性定义和实体型之间的联系类型重点掌握实体、属性定义和实体型之间的联系类型 及特点及特点 信息产业信息产业朝阳产业朝阳产业 三低一高三低一高 低失业、低通胀、低赤字、高增长低失业、低通胀、低赤字、高增长 技术密集型技术密集型 高技术产业高技术产业+ +高素

11、质人才高素质人才 数据库在信息系统中的地位 作业层 管理层 决策层 信息收集系统 数据库管理系统 决策支持系统 原始信息 数据 决策信息 形 式 化 归 纳 信息系统 数据库在信息系统中的地位 四大支柱四大支柱 操作系统、网络、计算机语言、数据库操作系统、网络、计算机语言、数据库 两大热门两大热门 网络、数据库。网络、数据库。 无所不在的数据管理无所不在的数据管理 Everything Over DB Everything Over DB 如电子商务、数字图书馆、交互视频等等如电子商务、数字图书馆、交互视频等等 1.1.1 1.1.1 信息信息（InformationInformation）

12、1. 信息的定义信息的定义 信息是关于现实世界事物的存在方式或运动状态的反映信息是关于现实世界事物的存在方式或运动状态的反映 的综合，具体说是一种被加工为的综合，具体说是一种被加工为特定形式的数据特定形式的数据，但这，但这 种数据形式对接收者来说是有意义的，而且对当前和将种数据形式对接收者来说是有意义的，而且对当前和将 来的决策具有明显的或实际的价值。来的决策具有明显的或实际的价值。 如如“2005年硕士研究生将继续扩招年硕士研究生将继续扩招20%”，对接受者有意 ，对接受者有意 义，使接受者据此作出决策。义，使接受者据此作出决策。 1.1.1 1.1.1 信息信息（InformationIn

13、formation） 2. 信息的特征信息的特征 信息源于信息源于物质物质和和能量能量，它不可能脱离物质而存在，信息的传，它不可能脱离物质而存在，信息的传 递需要物质载体，信息的获取和传递要消耗能量。递需要物质载体，信息的获取和传递要消耗能量。 v 如信息可以通过报纸、电台、电视、计算机网络进行传递如信息可以通过报纸、电台、电视、计算机网络进行传递 信息是信息是可以感知的可以感知的，人类对客观事物的感知，可以通过感觉，人类对客观事物的感知，可以通过感觉 器官，也可以通过各种仪器仪表和传感器等，不同的信息源器官，也可以通过各种仪器仪表和传感器等，不同的信息源 有不同的感知形式。有不同的感知形式。

14、 v 如报纸上刊登的信息通过视觉器官感知，电台中广播的信息通过听觉如报纸上刊登的信息通过视觉器官感知，电台中广播的信息通过听觉 器官感知器官感知 信息是可信息是可存储存储、加工加工、传递传递和和再生再生的。动物用大脑存储信息，的。动物用大脑存储信息， 叫做记忆。计算机存储器、录音、录像等技术的发展，进一叫做记忆。计算机存储器、录音、录像等技术的发展，进一 步扩大了信息存储的范围。借助计算机，还可对收集到的信步扩大了信息存储的范围。借助计算机，还可对收集到的信 息进行取舍整理。息进行取舍整理。 信息与知识信息与知识 知识知识 “行动的能力行动的能力” ” “可以辅助我们作出决策或采取行动的有很高

15、可以辅助我们作出决策或采取行动的有很高 价值的一种信息形态价值的一种信息形态” 可以很快地将信息从一个地方转移到另一个地可以很快地将信息从一个地方转移到另一个地 方，但将知识从一个人转移给另一个人经常是方，但将知识从一个人转移给另一个人经常是 很困难和很慢的很困难和很慢的 学习知识 信息与知识信息与知识 信息管理信息管理 信息管理通过收集、处理、浓缩信息以达到有效的管理信息管理通过收集、处理、浓缩信息以达到有效的管理 知识管理知识管理 知识管理的焦点是通过信息的收集、存储、发布、重用等知识管理的焦点是通过信息的收集、存储、发布、重用等 获得人的交流与知识共享达到知识的创新目的获得人的交流与知识

16、共享达到知识的创新目的 知识管理是一个过程，个人通过这一过程学习新知识和获知识管理是一个过程，个人通过这一过程学习新知识和获 得新经验，并将这些新知识和新经验反应出来，进行共享，得新经验，并将这些新知识和新经验反应出来，进行共享， 以用来促进培养、增强个人的知识和机构组织的价值以用来促进培养、增强个人的知识和机构组织的价值 知识管理应该是组织有意识采取的一种战略，它保证能够知识管理应该是组织有意识采取的一种战略，它保证能够 在最需要的时间将最需要的知识传送给最需要的人。这样在最需要的时间将最需要的知识传送给最需要的人。这样 可以帮助人们共享信息，并进而将之通过不同的方式付诸可以帮助人们共享信息

17、，并进而将之通过不同的方式付诸 实践，最终达到提高组织业绩的目的实践，最终达到提高组织业绩的目的 1.1.2 1.1.2 数据数据 (Data)(Data) 1. 数据的定义数据的定义 数据是用来记录信息的 数据是用来记录信息的可识别的符号可识别的符号，是信息的具体，是信息的具体表现形式表现形式 2. 数据的表现形式数据的表现形式 可用可用多种多种不同的数据形式表示同一信息，而信息不随数据形式的不同而改变不同的数据形式表示同一信息，而信息不随数据形式的不同而改变 v 如如“2005年硕士研究生将扩招年硕士研究生将扩招20%”，其中的数据可改为汉字形式 ，其中的数据可改为汉字形式“两千零五两千零

18、五 年年”、“百分之二十百分之二十” 数据的概念在数据处理领域中已大大地拓宽了，其表现形式不仅包括数据的概念在数据处理领域中已大大地拓宽了，其表现形式不仅包括数字数字和和 文字文字，还包括，还包括图形图形、图象图象、声音声音等。这些数据可以记录在纸上，也可记录在等。这些数据可以记录在纸上，也可记录在 各种存储器中。各种存储器中。 3. 数据与信息的联系数据与信息的联系 数据是信息的符号表示或载体，信息则是数据的内涵，是对数据的语义解释数据是信息的符号表示或载体，信息则是数据的内涵，是对数据的语义解释 数据是符号化的信息；信息是语义化的数据数据是符号化的信息；信息是语义化的数据 v 如上例中的数

19、据如上例中的数据2005、30%被赋予了特定的语义，它们就具有了传递信息的功能被赋予了特定的语义，它们就具有了传递信息的功能 1.1.3 1.1.3 数据处理数据处理 v 数据处理是将数据处理是将数据数据转换成转换成信息信息的过程，包括对数据的过程，包括对数据 的收集、存储、加工、检索、传输等一系列活动。的收集、存储、加工、检索、传输等一系列活动。 其目的是从大量的原始数据中抽取和推导出有价值其目的是从大量的原始数据中抽取和推导出有价值 的信息，作为决策的依据的信息，作为决策的依据 v 可用下式简单的表示信息、数据与数据处理的关系：可用下式简单的表示信息、数据与数据处理的关系： 信息信息=数据

20、数据+数据处理数据处理 v 数据是原料，是输入，而信息是产出，是输出结果。数据是原料，是输入，而信息是产出，是输出结果。 “信息处理信息处理”的真正含义应该是为了产生信息而处的真正含义应该是为了产生信息而处 理数据理数据 v 数据处理的中心问题是数据处理的中心问题是数据管理数据管理 v 数据管理是指对数据的数据管理是指对数据的组织组织、分类分类、编码编码、存储存储、 检索检索和和维护维护 1.1.4 1.1.4 数据管理数据管理 1 1人工管理阶段（人工管理阶段（2020世纪世纪5050年代中期以前）年代中期以前） q背景 背景 这一阶段计算机主要用于这一阶段计算机主要用于科学计算，科学计算，

21、数据量小、结构简单，如高数据量小、结构简单，如高 阶方程、曲线拟和等阶方程、曲线拟和等 硬件中的外存只有卡片、纸带、磁带，没有磁盘等直接存取设备硬件中的外存只有卡片、纸带、磁带，没有磁盘等直接存取设备 软件只有机器语言，没有操作系统和数据管理数据的软件软件只有机器语言，没有操作系统和数据管理数据的软件 用户用机器指令编码，通过纸带机输入程序和数据，程序运行完用户用机器指令编码，通过纸带机输入程序和数据，程序运行完 毕后，由用户取走纸带和运算结果，再让下一用户上机操作毕后，由用户取走纸带和运算结果，再让下一用户上机操作 人工管理阶段 q特点 特点 1. 1. 数据不保存数据不保存 因为当时计算机

22、主要用于科学计算，对于数据保存的需求尚不迫切因为当时计算机主要用于科学计算，对于数据保存的需求尚不迫切 2. 2. 系统没有专用的软件对数据进行管理系统没有专用的软件对数据进行管理 每个应用程序都要包括数据的存储结构、存取方法、输入方式等，程序员每个应用程序都要包括数据的存储结构、存取方法、输入方式等，程序员 编写应用程序时，还要安排数据的物理存储，因此程序员负担很重编写应用程序时，还要安排数据的物理存储，因此程序员负担很重 3. 3. 数据不共享数据不共享 数据是面向程序的，一组数据只能对应一个程序数据是面向程序的，一组数据只能对应一个程序 多个应用程序涉及某些相同的数据时，也必须各自定义，

23、因此程序之间有多个应用程序涉及某些相同的数据时，也必须各自定义，因此程序之间有 大量的冗余数据大量的冗余数据 4. 4. 数据不具有独立性数据不具有独立性 程序依赖于数据，如果数据的类型、格式、或输入输出方式等逻辑结构或程序依赖于数据，如果数据的类型、格式、或输入输出方式等逻辑结构或 物理结构发生变化，必须对应用程序做出相应的修改物理结构发生变化，必须对应用程序做出相应的修改 人工管理阶段 访问访问 访问访问 访问访问 数据数据1 1 数据数据2 2 数据数据n n 程序程序1 1 程序程序2 2 程序程序n n 2 2文件系统阶段（文件系统阶段（2020世纪世纪5050年代后期至年代后期至6

24、060年代中期）年代中期） q背景 背景 这一阶段计算机不仅用于科学计算，还大量用于这一阶段计算机不仅用于科学计算，还大量用于信息管理信息管理 大量的数据大量的数据存储存储、检索检索和和维护维护成为紧迫的需求成为紧迫的需求 硬件有了磁盘、磁鼓等直接存储设备硬件有了磁盘、磁鼓等直接存储设备 在软件方面，出现了在软件方面，出现了高级语言高级语言和和操作系统操作系统 操作系统中有了专门管理数据的软件，一般称为操作系统中有了专门管理数据的软件，一般称为文件系统文件系统 处理方式有批处理，也有处理方式有批处理，也有联机实时处理联机实时处理 1.1.4 1.1.4 数据管理数据管理 q特点 特点 1. 1

25、. 数据以文件形式可长期保存下来数据以文件形式可长期保存下来 用户可随时对文件进行查询、修改和增删等处理用户可随时对文件进行查询、修改和增删等处理 2. 2. 文件系统可对数据的存取进行管理文件系统可对数据的存取进行管理 程序员只与文件名打交道，不必明确数据的物理存储，大大减程序员只与文件名打交道，不必明确数据的物理存储，大大减 轻了程序员的负担轻了程序员的负担 3. 3. 文件形式多样化文件形式多样化 有顺序文件、倒排文件、索引文件等，因而对文件的记录可顺序访问，也有顺序文件、倒排文件、索引文件等，因而对文件的记录可顺序访问，也 可随机访问，更便于存储和查找数据可随机访问，更便于存储和查找数

26、据 4. 4. 程序与数据间有一定独立性程序与数据间有一定独立性 由专门的软件即文件系统进行数据管理，程序和数据间由软件提供的存取由专门的软件即文件系统进行数据管理，程序和数据间由软件提供的存取 方法进行转换，数据存储发生变化不一定影响程序的运行方法进行转换，数据存储发生变化不一定影响程序的运行 文件系统阶段文件系统阶段 文件系统阶段 数据数据1 数据数据2 数据数据n 存取方式存取方式 程序程序1 1 程序程序2 2 程序程序n n 文件系统阶段文件系统阶段 q缺陷 缺陷 1. 数据独立性低数据独立性低 ( Poor data relationship ) 文件系统的出现并没有从根本上改变数

27、据与程序紧密结合文件系统的出现并没有从根本上改变数据与程序紧密结合 的状况，数据的逻辑结构改变则必须修改应用程序的状况，数据的逻辑结构改变则必须修改应用程序 文件系统只是解脱了程序员对物理设备存取的负担，它并文件系统只是解脱了程序员对物理设备存取的负担，它并 不理解数据的语义，只负责存储不理解数据的语义，只负责存储 数据的语义信息只能由程序来解释，也就是说，数据收集数据的语义信息只能由程序来解释，也就是说，数据收集 以后怎么组织，以及数据取出来之后按什么含义应用，只以后怎么组织，以及数据取出来之后按什么含义应用，只 有全权管理它的程序知道。有全权管理它的程序知道。 一个应用若想共享另一个应用生

28、成的数据，必须同另一个一个应用若想共享另一个应用生成的数据，必须同另一个 应用沟通，了解数据的语义与组织方式应用沟通，了解数据的语义与组织方式 文件系统阶段文件系统阶段 2. 数据冗余度大（数据冗余度大（Redundancy ) 各数据文件之间没有有机的联系，一个文件基本上对应于一各数据文件之间没有有机的联系，一个文件基本上对应于一 个应用程序，即使不同应用程序所需要的数据有部分相同时，个应用程序，即使不同应用程序所需要的数据有部分相同时， 也必须建立各自的文件，而不能共享相同的数据也必须建立各自的文件，而不能共享相同的数据 3.数据一致性差数据一致性差 ( Inconsistency ) 由

29、于相同数据的重复存储、各自管理，在进行更新操作时，由于相同数据的重复存储、各自管理，在进行更新操作时， 容易造成数据的不一致性。容易造成数据的不一致性。 文件系统阶段 补贴补贴系别系别姓名姓名学号学号 劳资科 住址住址系别系别性别性别姓名姓名学号学号 房产科 学位学位学分学分系别系别姓名姓名学号学号 学籍科 学位学位出身出身年龄年龄系别系别性别性别姓名姓名学号学号 人事科 数据一致性数据一致性 难于保证难于保证 数据查询困难数据查询困难 v记录之间无联系记录之间无联系 v应用自己编程实现应用自己编程实现 v对每个查询都重新对每个查询都重新 编码编码 3 3数据库系统阶段数据库系统阶段 ( 20

30、( 20世纪世纪6060年代末年代末) ) q背景 背景 20世纪世纪60年代末发生了对数据库技术有着奠基作用的年代末发生了对数据库技术有着奠基作用的3件大 件大 事，标志着以数据库系统为基本手段的数据管理阶段的开始。事，标志着以数据库系统为基本手段的数据管理阶段的开始。 （1）1968年美国的年美国的IBM公司推出了世界上第一个数据库管理 公司推出了世界上第一个数据库管理 系统系统IMS，它是基于层次模型的，它是基于层次模型的 （2）1969年美国数据系统语言协会（年美国数据系统语言协会（CODASYL）的数据库 ）的数据库 任务组（任务组（DBTG）发表了网状数据模型的）发表了网状数据模型

31、的DBTG报告报告 （3）1970年美国年美国IBM公司的高级研究员 公司的高级研究员 E. F. Codd连续发表论连续发表论 文，提出了关系数据模型，奠定了关系数据库的理论基础。文，提出了关系数据模型，奠定了关系数据库的理论基础。 1.1.4 1.1.4 数据管理数据管理 数据库系统阶段数据库系统阶段 q特点 特点 1. 1. 数据共享性高、冗余少数据共享性高、冗余少 这是数据库系统阶段的最大改进，数据不再面向某个应用程这是数据库系统阶段的最大改进，数据不再面向某个应用程 序而是面向整个系统，当前所有用户可同时存取库中的数据。序而是面向整个系统，当前所有用户可同时存取库中的数据。 这样便减

32、少了不必要的数据冗余，节约存储空间，同时也避这样便减少了不必要的数据冗余，节约存储空间，同时也避 免了数据之间的不相容性与不一致性。免了数据之间的不相容性与不一致性。 2. 2. 数据结构化数据结构化 按照某种数据模型，将全组织的各种数据组织到一个结构化按照某种数据模型，将全组织的各种数据组织到一个结构化 的数据库中，整个组织的数据不是一盘散沙，可表示出数据的数据库中，整个组织的数据不是一盘散沙，可表示出数据 之间的有机关联。之间的有机关联。 学号姓名 性别 系别 年龄 住址 出身 学位 学分 补贴 学籍科 房产科 人事科 劳资科 数据库系统阶段数据库系统阶段 3. 3. 数据独立性高数据独立

33、性高 数据的独立性是指逻辑独立性和物理独立性。数据的独立性是指逻辑独立性和物理独立性。 数据的数据的逻辑独立性逻辑独立性是指当数据的总体逻辑结构改变时，数是指当数据的总体逻辑结构改变时，数 据的局部逻辑结构不变，由于应用程序是依据数据的局部据的局部逻辑结构不变，由于应用程序是依据数据的局部 逻辑结构编写的，所以应用程序不必须修改，从而保证了逻辑结构编写的，所以应用程序不必须修改，从而保证了 数据与程序间的逻辑独立性。数据与程序间的逻辑独立性。 v 例如，在原有的记录类型之间增加新的联系，或在某些记录类型中例如，在原有的记录类型之间增加新的联系，或在某些记录类型中 增加新的数据项，均可确保数据的

34、逻辑独立性。增加新的数据项，均可确保数据的逻辑独立性。 数据的数据的物理独立性物理独立性是指当数据的存储结构改变时，数据的是指当数据的存储结构改变时，数据的 逻辑结构不变，从而应用程序也不必改变。逻辑结构不变，从而应用程序也不必改变。 v 例如，改变存储设备和增加新的存储设备，或改变数据的存储组织例如，改变存储设备和增加新的存储设备，或改变数据的存储组织 方式，均可确保数据的物理独立性。方式，均可确保数据的物理独立性。 数据库系统阶段数据库系统阶段 4. 有统一的数据控制功能有统一的数据控制功能 数据库为多个用户和应用程序所共享，对数据的存取往往是数据库为多个用户和应用程序所共享，对数据的存取

35、往往是 并发的，即多个用户可以同时存取数据库中的数据，甚至可并发的，即多个用户可以同时存取数据库中的数据，甚至可 以同时存取数据库中的同一个数据，为确保数据库数据的正以同时存取数据库中的同一个数据，为确保数据库数据的正 确有效和数据库系统的有效运行，数据库管理系统提供下述确有效和数据库系统的有效运行，数据库管理系统提供下述 四方面的四方面的数据控制功能数据控制功能。 （1）数据的安全性（）数据的安全性（security）控制）控制：防止不合法使用数据造：防止不合法使用数据造 成数据的泄露和破坏，保证数据的安全和机密；成数据的泄露和破坏，保证数据的安全和机密； v 例如，系统提供口令检查或其他手

36、段来验证用户身份，防止非法用户例如，系统提供口令检查或其他手段来验证用户身份，防止非法用户 使用系统；也可以对数据的存取权限进行限制，只有通过检查后才能使用系统；也可以对数据的存取权限进行限制，只有通过检查后才能 执行相应的操作。执行相应的操作。 数据库系统阶段数据库系统阶段 （2）数据的完整性）数据的完整性(integrity)控制 控制：系统通过设置一些完整性规：系统通过设置一些完整性规 则以确保数据的正确性、有效性和相容性。则以确保数据的正确性、有效性和相容性。 v 正确性正确性是指数据的合法性，如年龄属于数值型数据，只能含是指数据的合法性，如年龄属于数值型数据，只能含0,1,9，不 ，

37、不 能含字母或特殊符号能含字母或特殊符号 v 有效性有效性是指数据是否在其定义的有效范围，如月份只能用是指数据是否在其定义的有效范围，如月份只能用112之间的正 之间的正 整数表示整数表示 v 相容性相容性是指表示同一事实的两个数据应相同，否则就不相容，如一个人是指表示同一事实的两个数据应相同，否则就不相容，如一个人 不能有两个性别不能有两个性别 （3）并发（）并发（concurrency）控制 ）控制：多用户同时存取或修改数据库：多用户同时存取或修改数据库 时，防止相互干扰而提供给用户不正确的数据，并使数据库受时，防止相互干扰而提供给用户不正确的数据，并使数据库受 到破坏到破坏 （4 4）数

38、据恢复（数据恢复（recovery） ） ：当数据库被破坏或数据不可靠时，：当数据库被破坏或数据不可靠时， 系统有能力将数据库从错误状态恢复到最近某一时刻的正确状系统有能力将数据库从错误状态恢复到最近某一时刻的正确状 态态。 数据库系统阶段数据库系统阶段 数据库系统阶段 数据库观点数据库观点 数据不是依赖于处理过程的附属品，而是现实世界中独立存在的对象数据不是依赖于处理过程的附属品，而是现实世界中独立存在的对象 数据1 统一存统一存 取取 数据2 数据n 程序2 程序1程序n 从文件系统管理发展到数据库系统管理是信息处理领域的一个从文件系统管理发展到数据库系统管理是信息处理领域的一个 重大变化

39、。重大变化。 在文件系统阶段，人们关注的是在文件系统阶段，人们关注的是系统功能的设计系统功能的设计，因此程序设，因此程序设 计处于主导地位，数据服从于程序设计；计处于主导地位，数据服从于程序设计； 而在数据库系统阶段，而在数据库系统阶段，数据的结构设计数据的结构设计成为信息系统首先关心成为信息系统首先关心 的问题。的问题。 数据库技术经历了以上三个阶段的发展，已有了比较成熟的数数据库技术经历了以上三个阶段的发展，已有了比较成熟的数 据库技术，但随着计算机软硬件的发展，数据库技术仍需不断据库技术，但随着计算机软硬件的发展，数据库技术仍需不断 向前发展。向前发展。 数据库系统阶段数据库系统阶段 1

40、.2.1 1.2.1 数据库系统结构数据库系统结构 模式模式（Schema）是数据库中全体数据的逻辑结构和）是数据库中全体数据的逻辑结构和 特征的描述。特征的描述。 v例如：学生记录定义为（学号、姓名、性别、系别、年例如：学生记录定义为（学号、姓名、性别、系别、年 龄），称为龄），称为记录型记录型， v而（而（001101，张立，男，计算机，张立，男，计算机，20）则是该记录型的一 ）则是该记录型的一 个个记录值记录值。 v模式只是对记录型的描述，而与具体的值无关。模式只是对记录型的描述，而与具体的值无关。 数据库模式数据库模式与与数据库数据库的概念是有区别的。数据库模式是数据库的概念是有区别

41、的。数据库模式是数据库 的结构描述，只是一个建立数据库的的结构描述，只是一个建立数据库的框架框架，它本身不涉及具体，它本身不涉及具体 的数据；数据库是按照数据库模式的规定装入的数据；数据库是按照数据库模式的规定装入数据数据而建立的，而建立的， 它是数据库模式的一个它是数据库模式的一个“实例实例”（Instance）。数据库中的数）。数据库中的数 据是经常变化的，而数据库模式一般是不变或很少变化的。据是经常变化的，而数据库模式一般是不变或很少变化的。 模式的分级模式的分级 为了提高数据的物理独立性和逻辑独立性，使数据库的用为了提高数据的物理独立性和逻辑独立性，使数据库的用 户观点，即用户看到的数

42、据库，与数据库的物理方面，即户观点，即用户看到的数据库，与数据库的物理方面，即 实际存储的数据库区分开来，数据库系统的模式是分级的实际存储的数据库区分开来，数据库系统的模式是分级的 数据库系统三级模式结构数据库系统三级模式结构 CODASYL（Conference On Data System Language, ,美国 美国 数据系统语言协商会）提出模式、外模式、内模式三级模数据系统语言协商会）提出模式、外模式、内模式三级模 式的概念。三级模式之间有两级映象式的概念。三级模式之间有两级映象 1.2.1 1.2.1 数据库系统结构数据库系统结构 1.2.1 1.2.1 数据库系统结构数据库系统

43、结构 数据库数据库 内模式内模式 模模 式式 外模式外模式2 2外模式外模式3 3外模式外模式1 1 应用应用A A应用应用B B应用应用C C应用应用D D应用应用E E 外模式外模式/ /模式映象模式映象 模式模式/ /内模式映象内模式映象 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构 1. 模式模式 模式（模式（Schema）是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描）是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描 述，又称述，又称概念模式概念模式或或概念视图概念视图。视图视图可理解为一组记录的值，可理解为一组记录的值， 用户或程序员看到和使用的数据库的内容。用户或程序员看到和使用的数据库的内容

44、。 模式处于三级结构的中间层，它是整个数据库实际存储的抽模式处于三级结构的中间层，它是整个数据库实际存储的抽 象表示，也是对现实世界的一个抽象，是现实世界某应用环象表示，也是对现实世界的一个抽象，是现实世界某应用环 境（企业或单位）的所有信息内容集合的表示，也是所有个境（企业或单位）的所有信息内容集合的表示，也是所有个 别用户视图综合起来的结果，所以又称别用户视图综合起来的结果，所以又称用户共同视图用户共同视图。 它表示了数据库的整体数据。它表示了数据库的整体数据。 由多个由多个“概念记录概念记录”组成，包含数据库的所有信息，也称组成，包含数据库的所有信息，也称 “概念数据库概念数据库”、“D

45、BA视图视图”。 DBMS 提供模式描述语言（模式提供模式描述语言（模式 DDL Data Description Language ）来定义模式。）来定义模式。 2. 外模式外模式 又称又称子模式子模式或或用户模式用户模式或或外视图 外视图，是三级结构的最外层，个，是三级结构的最外层，个 别用户只对整个数据库的一部分感兴趣，所以外视图是个别别用户只对整个数据库的一部分感兴趣，所以外视图是个别 用户看到和使用的数据库内容，因此也常把外视图称为用户用户看到和使用的数据库内容，因此也常把外视图称为用户 数据库。数据库。 它由多种外记录值构成，这些记录值是概念视图的某一部分它由多种外记录值构成，这些

46、记录值是概念视图的某一部分 的抽象表示。即个别用户看到和使用的数据库内容，也称的抽象表示。即个别用户看到和使用的数据库内容，也称 “用户用户DB”。 由多个由多个“外记录值外记录值”组成，是概念视图的某一部分的抽象表组成，是概念视图的某一部分的抽象表 示。示。 从逻辑关系上看，外模式包含于概念模式。从逻辑关系上看，外模式包含于概念模式。 DBMS 提供子模式描述语言（子模式提供子模式描述语言（子模式 DDL）来定义子模式。）来定义子模式。 数据库模式 S(S#,SNAME,SEX,AGE,ADDRESS,CREDIT,DEGREE)S(S#,SNAME,SEX,AGE,ADDRESS,CRED

47、IT,DEGREE) S(S#,SNAME,ADDRESS)S(S#,SNAME,ADDRESS) 学籍科学籍科 S(S#,SNAME,CREDIT)S(S#,SNAME,CREDIT) 房产科房产科 视图视图视图视图 模式模式 3. 内模式内模式 又称又称存储模式存储模式或或内视图内视图，是三级结构中的最内层，也是靠，是三级结构中的最内层，也是靠 近物理存储的一层，即与实际存储数据方式有关的一层，近物理存储的一层，即与实际存储数据方式有关的一层， 由多个存储记录组成，但并非物理层，不必关心具体的存由多个存储记录组成，但并非物理层，不必关心具体的存 储位置。内模式中定义的是存储记录的类型、存储

48、域的表储位置。内模式中定义的是存储记录的类型、存储域的表 示，存储记录的物理顺序、指引元、索引和存取路径等数示，存储记录的物理顺序、指引元、索引和存取路径等数 据的存储组织。据的存储组织。 DBMS 提供内模式描述语言（内模式提供内模式描述语言（内模式 DDL）来定义内模式。）来定义内模式。 在数据库系统中，外模式可有多个，而概念模式、内模式在数据库系统中，外模式可有多个，而概念模式、内模式 只能各有一个。只能各有一个。 内模式是整个数据库实际存储的表示，而概念模式是整个内模式是整个数据库实际存储的表示，而概念模式是整个 数据库实际存储的抽象表示，外模式是概念模式的某一部数据库实际存储的抽象表

49、示，外模式是概念模式的某一部 分的抽象表示。分的抽象表示。 三级结构的优点三级结构的优点 （1）保证数据的独立性保证数据的独立性。 v 将模式和内模式分开，保证了数据的物理独立性；将模式和内模式分开，保证了数据的物理独立性； v 将外模式和模式分开，保证了数据的逻辑独立性将外模式和模式分开，保证了数据的逻辑独立性。 （2）简化了用户接口简化了用户接口。 v 按照外模式编写应用程序或敲入命令，而不需了解数据库内部的存按照外模式编写应用程序或敲入命令，而不需了解数据库内部的存 储结构，方便用户使用系统。储结构，方便用户使用系统。 （3）有利于数据共享有利于数据共享。 v 在不同的外模式下可有多个用

50、户共享系统中数据，减少了数据冗余。在不同的外模式下可有多个用户共享系统中数据，减少了数据冗余。 （4）利于数据的安全保密利于数据的安全保密。 v 在外模式下根据要求进行操作，不能对限定的数据操作，保证了其在外模式下根据要求进行操作，不能对限定的数据操作，保证了其 他数据的安全。他数据的安全。 1.2.1 数据库系统结构数据库系统结构 1.2.2 数据库系统的二级映象数据库系统的二级映象 数据库系统的三级模式是对数据的三个抽象数据库系统的三级模式是对数据的三个抽象 级别，它使用户能逻辑地抽象地处理数据，级别，它使用户能逻辑地抽象地处理数据， 而不必关心数据在计算机内部的存储方式，而不必关心数据在

51、计算机内部的存储方式， 把数据的具体组织交给把数据的具体组织交给 DBMS 管理管理 为了能够在内部实现这三个抽象层次的联系为了能够在内部实现这三个抽象层次的联系 和转换，和转换，DBMS 在三级模式之间提供了在三级模式之间提供了二级二级 映象映象功能功能 1. 模式 模式/ /内模式映象内模式映象 数据库中的模式和内模式都只有一个，所以模数据库中的模式和内模式都只有一个，所以模 式式/内模式映象是唯一的。内模式映象是唯一的。 它确定了数据的它确定了数据的全局逻辑结构全局逻辑结构与与存储结构存储结构之间之间 的对应关系。的对应关系。 v例如，存储结构变化时，模式例如，存储结构变化时，模式/内模

52、式映象也应有相内模式映象也应有相 应的变化，使其概念模式仍保持不变，即把存储结构应的变化，使其概念模式仍保持不变，即把存储结构 的变化的影响限制在概念模式之下，这使数据的存储的变化的影响限制在概念模式之下，这使数据的存储 结构和存储方法较高的独立于应用程序，通过映象功结构和存储方法较高的独立于应用程序，通过映象功 能保证数据存储结构的变化不影响数据的全局逻辑结能保证数据存储结构的变化不影响数据的全局逻辑结 构的改变，从而不必修改应用程序，即确保了数据的构的改变，从而不必修改应用程序，即确保了数据的 物理独立性物理独立性。 2.外模式外模式/ /模式映象模式映象 数据库中的同一模式可以有任意多个

53、外模式，对于数据库中的同一模式可以有任意多个外模式，对于 每一个外模式，都存在一个外模式每一个外模式，都存在一个外模式/模式映象模式映象 它确定了数据的它确定了数据的局部局部逻辑结构与逻辑结构与全局全局逻辑结构之间逻辑结构之间 的对应关系。的对应关系。 v例如，在原有的记录类型之间增加新的联系，或在某些例如，在原有的记录类型之间增加新的联系，或在某些 记录类型中增加新的数据项时，使数据的总体逻辑结构记录类型中增加新的数据项时，使数据的总体逻辑结构 改变，外模式改变，外模式/模式映象也发生相应的变化，模式映象也发生相应的变化， v这一映象功能保证了数据的局部逻辑结构不变，由于应这一映象功能保证了

54、数据的局部逻辑结构不变，由于应 用程序是依据数据的局部逻辑结构编写的，所以应用程用程序是依据数据的局部逻辑结构编写的，所以应用程 序不必须修改，从而保证了数据与程序间的序不必须修改，从而保证了数据与程序间的逻辑独立性逻辑独立性。 1.2.3 数据库模式 ANSI/X3/SPARC提出提出SPARC报告，其报告，其ANSI模型将模型将 数据库模式分为外部级、概念级、内部级数据库模式分为外部级、概念级、内部级 外部级外部级数据库对应于数据库对应于外模式外模式，也称为，也称为用户视图 用户视图。每。每 一个用户视图均由用户所处理的一组外部记录组成，一个用户视图均由用户所处理的一组外部记录组成， 不同

55、的用户视图可以相互重叠。不同的用户视图可以相互重叠。 概念级概念级数据库对应于数据库对应于概念模式概念模式，是介于用户级和物，是介于用户级和物 理级之间的中间级，是所有用户视图的一个最小并理级之间的中间级，是所有用户视图的一个最小并 集，又称为集，又称为 DBA视图视图。 内部级内部级数据库对应于数据库对应于内模式 内模式，又称为，又称为内部视图内部视图。 它描述了数据的实际存储组织，是最接近物理存它描述了数据的实际存储组织，是最接近物理存 储的一级。内部视图由内部记录组成。储的一级。内部视图由内部记录组成。 1.3.1 DBMS1.3.1 DBMS的功能的功能 数据库管理系统数据库管理系统（

56、DBMS）是一种负责数据库）是一种负责数据库 的定义、建立、操作、管理和维护的软件系的定义、建立、操作、管理和维护的软件系 统。统。 用户在数据库系统中的一切操作，包括数据用户在数据库系统中的一切操作，包括数据 定义、查询、更新及各种控制，都是通过定义、查询、更新及各种控制，都是通过 DBMS进行的进行的 DBMS就是实现把用户意义下的抽象的逻辑数就是实现把用户意义下的抽象的逻辑数 据处理转换成计算机中的具体的物理数据的据处理转换成计算机中的具体的物理数据的 处理软件，这给用户带来很大的方便处理软件，这给用户带来很大的方便 1. 数据定义数据定义 DBMS提供数据定义语言提供数据定义语言DDL

57、（Data Define Language），定义数据的模式、外模式和内模式三级），定义数据的模式、外模式和内模式三级 模式结构，定义模式模式结构，定义模式/内模式和外模式内模式和外模式/模式二级映象，模式二级映象， 定义有关的约束条件定义有关的约束条件 注意：用注意：用DDL书写的都是书写的都是源模式源模式，系统不能直接使用，系统不能直接使用， 必须由必须由DBMS的的DDL编译程序将源模式编译城二进制编译程序将源模式编译城二进制 的目标码，成为机器可执行的的目标码，成为机器可执行的目标模式目标模式，放在目标库，放在目标库 即即数据字典数据字典中，供系统随时调用中，供系统随时调用 1.3.1

58、 DBMS1.3.1 DBMS的功能的功能 源模式源模式模式翻译程序模式翻译程序 数据字典数据字典 目标模式目标模式 2. 数据操纵数据操纵 DBMS提供提供数据操纵语言数据操纵语言DML（Data Manipulation Language）实现对数据库的基本操作，包括检索、）实现对数据库的基本操作，包括检索、 插入、修改、删除等插入、修改、删除等 DML类型类型 v宿主型宿主型 DML不独立使用，嵌入到高级语言（主语言，如不独立使用，嵌入到高级语言（主语言，如C、 Fortran、COBOL ）程序中使用）程序中使用 v自含型自含型 独立使用，交互式命令方式，如独立使用，交互式命令方式，如

59、SQL、QBE等等 1.3.1 DBMS1.3.1 DBMS的功能的功能 3. 数据库运行管理数据库运行管理 DBMS 对数据库的控制主要通过四个方面实现：对数据库的控制主要通过四个方面实现： v数据的安全性控制数据的安全性控制 v数据的完整性控制数据的完整性控制 v多用户环境下的并发控制多用户环境下的并发控制 v数据库的恢复，以确保数据正确有效和数据库系统的正常数据库的恢复，以确保数据正确有效和数据库系统的正常 运行运行 4. 数据库的建立和维护功能数据库的建立和维护功能 v包括数据库的初始数据的装入，包括数据库的初始数据的装入， v数据库的转储、恢复、重组织，数据库的转储、恢复、重组织，

60、v系统性能监视、分析等功能。系统性能监视、分析等功能。 1.3.1 DBMS1.3.1 DBMS的功能的功能 1.3.2 1.3.2 DBMSDBMS的组成的组成 1. 语言编译处理程序语言编译处理程序 （1）数据定义语言数据定义语言DDL及其编译程序及其编译程序 它把用它把用DDL编写的各级源模式编译成各级目标模式，这编写的各级源模式编译成各级目标模式，这 些目标模式是对数据库结构信息的描述，而不是数据本些目标模式是对数据库结构信息的描述，而不是数据本 身，它们被保存在数据字典中，供以后数据操纵或数据身，它们被保存在数据字典中，供以后数据操纵或数据 控制时使用。控制时使用。 （2）数据操纵语