第7章-数据库部分

1、7.57.5数据管理技术的发展数据管理经历了由低级到高级的发展过程，随着计算机硬件、软件技术的发展而不断提高，大体上经历了人工管理、文件系统和数据库系统三个阶段。1.人工管理阶段: 20世纪50年代中期以前2.文件系统阶段:20世纪50年代后期到60年代中期3.数据库系统阶段:20世纪60年代后期以来表7-1 三个阶段的比较人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段背景应用背景科学计算科学计算、管理大规模管理硬件背景无直接存取存储设备磁盘、磁鼓大容量磁盘软件背景没有操作系统有文件系统有数据库管理系统处理方式批处理联机实时处理、批处理联机实时处理、分布处理、批处理特 点数据的管理者用户(程序员)文件

2、系统数据库管理系统数据面向的对象某一应用程序某一应用现实世界数据的共享程度无共享，冗余度极大共享性差，冗余度大共享性高，冗余度小数据的独立性不独立，完全依赖于程序独立性差具有高度的物理独立性和一定的逻辑独立性数据的结构化无结构记录内有结构，整体无结构整体结构化，用数据模型描述数据控制能力应用程序自己控制应用程序自己控制由数据库管理系统提供数据安全性、完整性、并发控制和恢复能力数据库系统的主要特点：数据以数据库文件组织形式长期保存，数据库中的数据是有结构的，这种结构由数据库管理系统所支持的数据模型表现出来。数据由数据库管理系统统一管理和控制。数据的共享性高，冗余度小。数据独立性高。数据的逻辑独立

3、性是指数据库总体逻辑结构的改变，如修改数据模式、增加新的数据类型、改变数据间联系等，不需要相应修改应用程序。数据的物理独立性是指数据的物理结构的改变，如存储设备的更换、物理存储的更换、存取方式改变等都不影响数据库的逻辑结构，从而不致引起应用程序的变化。 7.6 7.6数据库系统概述7.6.17.6.1数据库系统的基本概念1数据（Data）数据指描述事物的符号记录。文字、图形、图像、声音、学生的档案记录、货物的运输情况等都是数据。它们经过数字化后可以存入计算机。2数据库（DataBase，简称DB）数据库指长期存储在计算机内有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和存

4、储，具有较小的冗余度，较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。3数据库管理系统 (DataBase Management System，简称DBMS)数据库管理系统指位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，在操作系统支持下工作，是数据库系统的核心组成部分。4数据库系统（DataBase System，简称DBS）数据库系统指在计算机系统中引入数据库后构成的系统，一般由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、数据库应用系统、数据库管理员和用户构成。数据库应用系统（DataBase Application Systems，DBAS ）是利用数据库系统资源，为特定应用环境开发的应用软件，如

5、人事管理系统、财务管理系统等。数据库管理员（DataBase Administrator，DBA）是负责数据库的建立、使用和维护的专门人员。7.6.27.6.2数据库系统的体系结构数据库的结构分为外部级、概念级和内部级三级，每一级都有对应的模式，所以数据库的体系结构称为三级模式结构。为了实现三级结构的联系和转换，DBMS提供了两层映射：模式/内模式映射和外模式/模式映射。1.数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级组成。（1）外模式。外模式也称子模式或用户模式，它是数据库用户看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是

6、与某一应用有关的数据的逻辑表示。一个数据库可以有多个外模式。（2）概念模式。简称为模式，是数据库中全部数据的整体逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公用数据视图。一个数据库只有一个模式。（3）内模式。内模式也称存储模式或物理模式，它是数据库在物理存储方面的描述，它定义所有的内部记录类型、索引和文件的组织方式，以及数据控制方面的细节。一个数据库只有一个内模式。2.数据库的二级映射功能与数据独立性模式描述的是数据的全局逻辑结构，外模式描述的是数据的局部逻辑结构。对应于同一个模式可以有任意多个外模式。对于每一个外模式，数据库系统都有一个外模式/模式映像，它定义了该外模式与模式之间的对应关系。当模式改变

7、时（例如，增加新的数据类型、新的数据项、新的关系等），由数据库管理员对各个外模式/模式的映像作相应改变，可以使外模式保持不变，从而应用程序不必修改，保证了数据的逻辑独立性。数据库中只有一个模式，也只有一个内模式，所以模式/内模式映像是唯一的，它定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。当数据库的存储结构改变时（例如，采用了更先进的存储结构），由数据库管理员对模式/内模式映像作相应改变，可以使模式保持不变，从而保证了数据的物理独立性。图7.26数据库的体系结构7.6.37.6.3数据库系统的模式结构从最终用户角度来看，数据库系统分为单用户结构、主从式结构、分布式结构和客户/服务器结构。1单

8、用户数据库系统是一种早期的最简单的数据库系统。在这种系统中，整个数据库系统（包括应用程序、DBMS、数据）都装在一台个人计算机上，由一个用户独占，不同机器之间不能共享数据。2主从式结构是指一个主机带多个终端的多用户结构。在这种结构中，数据库系统都集中存放在主机上，所有处理任务都由主机来完成，各个用户通过主机的终端并发地存取数据库，共享数据资源。3分布式结构是指数据库中的数据在逻辑上是一个整体，但物理地分布在计算机网络的不同节点上。网络中的每个节点都可以独立处理本地数据库中的数据，执行局部应用；同时也可以同时存取和处理多个异地数据库中的数据，执行全局应用。4客户/服务器结构随着工作站功能的增强和

9、广泛使用，人们开始把DBMS功能和应用分开，网络中某个（些）节点上的计算机专门用于执行DBMS功能，称为数据库服务器，简称服务器；其他节点上的计算机安装DBMS的外围应用开发工具，支持用户的应用，称为客户机，这就是客户/服务器结构的数据库系统。7.77.7数据模型数据模型是对客观事物及其联系的数据描述。数据模型是数据库的框架。数据模型具有描述数据和数据联系两方面功能。7.7.17.7.1数据与数据联系的描述1.对数据的描述数据描述，从客观事物到抽象概念再到计算机的存储方式，实际上涉及三个领域：现实世界 信息世界 机器世界。（1）现实世界现实世界是数据的源头。例如仓库管理，有货物进出、货物检查、

10、货物存放，随之产生的许多报表都是现实世界中最原始的数据。（2）信息世界信息世界是指现实世界事物在人脑中的抽象反映。信息世界中用到下列一些术语。实体（Entity）：客观存在并相互区别的事物及其事物之间的联系。例如，一个学生、一门课程、学生的一次选课等都是实体。属性（Attribute）：实体所具有的某一特性。例如，学生的学号、姓名、性别、出生年份、系、入学时间等。实体集（Entity Set）：具有相同性质的同类实体的集合。例如，一个班级的全体学生就是一个实体集。实体标识符（Identifier）：能够唯一标识每个实体的属性或属性集称为实体标识符。（3）机器世界信息在机器世界中以数据形式存储，

11、因此机器世界又称为数据世界。机器世界中数据描述有下列术语。数据项（Field）:对应实体属性的数据单位称为数据项。数据项描述事物的某个特性。数据项是可以命名的最小数据单位，又称为字段。记录（Record）:若干相关数据项的有序集合称为记录。一般可用一个记录描述一个实体。文件（File）：若干记录的集合称为文件。文件是描述实体集的。关键字（Key）：能够唯一地标识文件中每个记录的数据项或数据项的组合，称为记录的关键字。关键字又叫关键码，简称键。2.对数据联系的描述实体与实体之间以及实体与组成它的各属性间的关系称为联系。实体间最基本的联系方式有三种，即一对一联系，一对多联系，多对多联系。（1）一对

12、一联系如果实体集E1中的每个实体至多和实体集E2中的一个实体有联系；反之，实体集E2中的每个实体至多和实体集E1中的一个实体有联系，则称E1对E2的联系是一对一联系，简记为1:1。（2）一对多联系如果实体集E1中的每个实体与实体集E2中的任意个（包括零个）实体有联系；实体集E2中的每个实体至多和实体集E1中的一个实体有联系，则称E1对E2的联系是一对多联系，简记为1:N。（3）多对多联系如果实体集E1中的每个实体与实体集E2中的任意个（包括零个）实体有联系；反之，实体集E2中的每个实体与实体集E1中的任意个（包括零个）实体有联系，则称E1对E2的联系是多对多联系，简记为M:N。 7.7.2 实

13、体联系模型概念模型中比较著名的是实体联系模型（Entity-Relationship model），简称E-R模型。E-R模型的图示法：（1）实体(型)：用矩形框表示，框内为实体名称。（2）属性：用椭圆形框表示，在椭圆形内写上该属性的名称，连线到实体。（3）联系：用菱形框表示，框内写上联系的名称，连线到实体，线上标注联系类型（1:1，1:n或m:n）。建立E-R图的过程，依次为：确定实体型，确定联系型，用连线组合实体型和联系型，确定实体型和联系型的属性，确定并标记键。通过E-R图表示实体及其联系。图7.30学生与课程联系的E-R图图7.31 学生与课程、班级、教师、参考书间联系的E-R图7.7

14、.3 7.7.3 结构数据模型目前，成熟地应用在数据库系统中的数据模型有层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型。这些模型统称为结构数据模型。数据模型由三个要素组成：数据结构、数据操作和数据完整性约束。数据结构：描述数据的类型、内容、性质及数据间的联系等。数据结构用于描述系统的静态特性，是所研究的对象类型的集合。数据操作：主要描述在相应的数据结构上的操作类型与操作方式。数据操作用于描述系统的动态特性，是指对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作集合。 数据完整性约束：主要描述数据结构内数据间的语法、语义联系，它们之间的制约与依存关系，以及数据动态变化的规则，以保证数

15、据的正确、有效与相容。数据的约束条件是一组完整性规则的集合。1.层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型，它用树形结构表示各类实体以及实体间的联系。层次模型数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS（Information Management Systems）数据库管理系统，这是一个曾经广泛使用的数据库管理系统。在数据库中，对满足以下两个条件的数据模型称为层次模型。有且仅有一个节点无双亲，这个节点称为“根节点”。其他节点有且仅有一个双亲。若用图来表示，层次模型是一棵倒立的树。图7.32 简单的层次模型2.网状模型用有向图结构表示实体型及实体型间的联系。在数据库中，对满足以下两个条件的数据模型称

16、为网状模型：允许一个以上的节点无双亲。一个节点可以有多于一个的双亲。网状数据模型的典型代表是DBTG系统，也称CODASYL系统，它是20世纪70年代数据系统语言研究会CODASYL（Conference On Data Systems Language）下属的数据库任务组（Data Base Task Group，简称DBTG）提出的一个系统方案。若用图表示，网状模型是一个网络。图7.33简单的网状模型3.关系模型关系模型是目前最重要的一种模型。美国IBM公司的研究员E.F.Codd于1970年发表题为“大型共享系统的关系数据库的关系模型”的论文，文中首次提出了数据库系统的关系模型。（1）关

17、系数据模型的数据结构一个关系模型的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。每一行称为一个元组，每一列称为一个字段。关系模型是利用二维表来表示，简称表。二维表的表头即属性的集合，在表中每一行存放数据，称为元组。二维表要求满足的条件：二维表中元组的个数有限。元组在二维表中的唯一性，在同一个表中不存在完全相同的两个元组。二维表中元组的顺序无关，可以任意调换。元组中的各分量不能再分解。二维表中各属性名唯一。二维表中各属性的顺序无关。二维表属性的分量具有与该属性相同的值域。4.面向对象模型面向对象数据库是面向对象概念与数据库技术相结合的产物。面向对象模型涉及的知识面很广。在面向对象模型中，所有的类构成一个

18、有根有向无环图，称为类层次。下面给出学生与课程类层次例子，如图7.34所示。图7.34 面向对象模型的类层次例子7.7.4 7.7.4 关系代数关系代数以集合理论为基础。1. 传统的集合运算传统的集合运算是二目运算，包括并、交、差、广义笛卡尔积四种运算。设关系R和关系S具有相同的目n（即两个关系都具有n个属性），且相应的属性取自同一个域，则四种运算定义如下：（1）并关系R与关系S的并由属于R或属于S的元组组成，其结果关系仍为n目关系。记作：RS。RS = t|t Rt S （2）交关系R与关系S的交由既属于R又属于S的元组组成，其结果关系仍为n目关系。记作：RS。RS = t|t Rt S 或

19、 RS = R (R-S）（3）差关系R与关系S的差由属于R而不属于S的所有元组组成。其结果关系仍为n目关系。记作：R-S。 R -S = t|tRtS （4）广义笛卡尔积两个分别为n目和m目的关系R和S的广义笛卡尔积是一个(n+m)列的元组的集合。元组的前n列是关系R的一个元组，后m列是关系S的一个元组。若R有A1个元组，S有A2个元组，则关系R和关系S的广义笛卡尔积有AlA2个元组。记作：RS。RS = tr ts |tr R tsS 例如有关系R、S如表7-3中的(a)、(b)所示，则RS、RS、R-S、RS分别如表7-3(c)、(d)、(e)、(f)所示。 2.专门的关系运算（1）选择选择是在关系R中选择满足给定条件的诸元组，记作：F(R)t|tR F(t)真。其中，F表示选择条件，它是一个逻辑表达式，取逻辑值真或假。选择运算实际上是从关系R中选取使逻辑表