第1章数据库基本概念-2数据库的存储结构-3.数据模型

1、本 章 导 航v相关概念相关概念v数据完整性、独立性，数据冗余、数据不一数据完整性、独立性，数据冗余、数据不一致、数据共享等基本概念致、数据共享等基本概念 v数据库系统三层结构数据库系统三层结构 及其实现方法及其实现方法v数据库管理系统数据库管理系统(DBMS)(DBMS)的组成与功能的组成与功能学习目标数据数据：是用来表示信息的一组符号。是用来表示信息的一组符号。数据库数据库就是计算机内存放数据的仓库。就是计算机内存放数据的仓库。是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的数是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的数据集合。据集合。数据库管理系统数据库管理系统：数据库管理系统能够为数据库数据库管

2、理系统能够为数据库提供数据库定义，数据库管理，数据库维护等功提供数据库定义，数据库管理，数据库维护等功数据管理数据管理：数据的收集、整理、组织、存储、查数据的收集、整理、组织、存储、查询、维护和传送等各种操作询、维护和传送等各种操作数据库技术数据库技术所研究的问题所研究的问题：如何科学地组织和存：如何科学地组织和存储数据，如何高效地获取和处理数据。储数据，如何高效地获取和处理数据。第一章第一章 数据库基本概念数据库基本概念数据管理的发展阶段数据管理的发展阶段n人工管理阶段人工管理阶段（5050年代中期以前）年代中期以前）n文件系统阶段文件系统阶段（5050年代后期年代后期-60-60年代中期）

3、年代中期）n数据库系统阶段数据库系统阶段（6060年代后期开始）年代后期开始）1.1 1.1 数数 据据 处处 理理数据管理的发展阶段数据管理的发展阶段-人工管理阶段人工管理阶段计算机主要用于科学计算计算机主要用于科学计算软件采用机器语言编写软件采用机器语言编写数据量小数据量小数据不需要共享数据不需要共享有了磁盘、磁鼓等直接存取设备有了磁盘、磁鼓等直接存取设备出现了操作系统及高级语言出现了操作系统及高级语言出现了文件系统出现了文件系统计算机应用也从单纯科学计算、控制，扩大到电子数计算机应用也从单纯科学计算、控制，扩大到电子数据处理系统据处理系统人们利用文件系统将数据从程序中分离出来形成专门人们

4、利用文件系统将数据从程序中分离出来形成专门的数据文件的数据文件数据管理的发展阶段数据管理的发展阶段-文件系统阶段文件系统阶段R R输入数据处理程 序输出数据输入文件输出文件数据处理全过程如下图：数据文件的数据文件的优点优点是实现了数据的是实现了数据的物理独立即数物理独立即数据与程序分离据与程序分离，分别采用两个文件各自存放数据与，分别采用两个文件各自存放数据与程序。这就使程序设计变得简单，而且可对数据文程序。这就使程序设计变得简单，而且可对数据文件进行管理，单独对数据进行使用或维护。件进行管理，单独对数据进行使用或维护。 缺点缺点是如果要使用和维护数据，是如果要使用和维护数据，必须知道必须知道

5、数据存放的格式数据存放的格式，即要知道数据存取的逻辑结构。，即要知道数据存取的逻辑结构。数据和程序之间数据和程序之间缺少逻辑独立性缺少逻辑独立性。同一数据在多个地方同时存放，那么同一数据同一数据在多个地方同时存放，那么同一数据在不同存放地的值可能不相同，称为在不同存放地的值可能不相同，称为数据不一致数据不一致，这将会降低信息价值，甚至造成重大损失。这将会降低信息价值，甚至造成重大损失。数据共享数据共享是指同一数据能为同一用户或不同用是指同一数据能为同一用户或不同用户的相同或不同程序所使用。户的相同或不同程序所使用。数据管理的发展阶段-3、数据库系统阶段计算机管理的数据量大，关系复杂，共享性要求

6、强计算机管理的数据量大，关系复杂，共享性要求强（多种应用、不同语言共享数据）（多种应用、不同语言共享数据）外存有了大容量磁盘，光盘外存有了大容量磁盘，光盘为解决多用户、多应用共享数据的需求，使数据为为解决多用户、多应用共享数据的需求，使数据为尽可能多的应用服务，就出现了数据库技术尽可能多的应用服务，就出现了数据库技术出现了统一管理数据的专门软件系统：出现了统一管理数据的专门软件系统：DBMS1.2 1.2 数据库系统数据库系统数据库系统由数据库、支持数据库运行的软硬件、数据库数据库系统由数据库、支持数据库运行的软硬件、数据库管理系统、应用系统、数据库管理员和用户构成。管理系统、应用系统、数据库

7、管理员和用户构成。n要尽可能减少要尽可能减少数据冗余数据冗余。v所谓数据冗余是指同一数据在多个不同的地方存放。另外，所谓数据冗余是指同一数据在多个不同的地方存放。另外，如果一组数据在一个表中多次重复，也是冗余。如果一组数据在一个表中多次重复，也是冗余。v数据冗余不仅导致数据量的增加，使系统处理速度变慢，数据冗余不仅导致数据量的增加，使系统处理速度变慢，效率降低，而且易发生错误。效率降低，而且易发生错误。n要增强数据的共享性、尽量减少数据冗余，还需要进一步要增强数据的共享性、尽量减少数据冗余，还需要进一步提高数据的提高数据的逻辑独立性。逻辑独立性。 美国美国ANSI/X3/SPARCANSI/X

8、3/SPARC（美国国家标准协（美国国家标准协会的计算机与信息处理委员会中的标准计划与会的计算机与信息处理委员会中的标准计划与需求委员会）数据库小组关于需求委员会）数据库小组关于数据库系统三层数据库系统三层结构：外部级，概念级，内部级划分视图层次结构：外部级，概念级，内部级划分视图层次的方案见图的方案见图1.51.5。数据库的视图层次程序程序A程序程序B程序程序C程序程序D子模式子模式子模式子模式子模式子模式概念模式概念模式存储模式存储模式 物物 理理 数数 据据 组组 织织I/O视图视图外部视图外部视图概念视图概念视图内部视图内部视图物理视图物理视图 数据库系统应用应用A应用应用B应用应用C

9、应用应用D应用应用E子模式子模式1子模式子模式2子模式子模式3概念模式概念模式存储模式存储模式数据库数据库DBMSOS控制控制外模式外模式/模式映象模式映象模式模式/内模式映象内模式映象用户层用户层概念层概念层物理层物理层1.概念模式：是数据库中概念模式：是数据库中全体全体数据的数据的逻辑结构逻辑结构和和特征特征的描的描述。述。2.子模式：是数据库用户能够看见和使用的子模式：是数据库用户能够看见和使用的局部局部数据的逻数据的逻辑结构和特征描述。辑结构和特征描述。3存储模式：是数据物理结构和存储方式的描述，是数据存储模式：是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库在数据库内部内部的表示方式的

10、表示方式子模式子模式/概念模式映象：逻辑独立性（逻辑映像）概念模式映象：逻辑独立性（逻辑映像）概念模式概念模式/存储模式映像：物理独立性（物理映像）存储模式映像：物理独立性（物理映像）数据库系统还应有统一的数据控制功能，包括数据数据库系统还应有统一的数据控制功能，包括数据的的安全性控制安全性控制和数据的和数据的完整性控制完整性控制。数据的安全性指不同用户各自在一定权限范围内控数据的安全性指不同用户各自在一定权限范围内控制使用数据。其目的是防止数据遭到人为破坏或泄制使用数据。其目的是防止数据遭到人为破坏或泄密。密。数据的完整性指数据的正确性、有效性和相容性。数据的完整性指数据的正确性、有效性和相

11、容性。数据的完整性控制指在数据库的使用过程中，防止数据的完整性控制指在数据库的使用过程中，防止错误或不恰当的数据进入数据库。错误或不恰当的数据进入数据库。数据库管理系统（数据库管理系统（DataBase Management SystemDataBase Management System简称简称DBMSDBMS）是数据库系统的核心组成部分。）是数据库系统的核心组成部分。任何数据操作，包括数据库定义、数据查询、数任何数据操作，包括数据库定义、数据查询、数据维护、数据库运行控制等都是在据维护、数据库运行控制等都是在DBMSDBMS统一管理统一管理下进行的。下进行的。Oracle, SQL Ser

12、ver,Sybase，DB2, MySQL,Access,Visual FoxPro 等。 1.3 数据库管理系统DBMSDBMS的功能主要包括以下的功能主要包括以下7 7个方面。个方面。 1 1、数据定义和映射、数据定义和映射2 2、数据操纵、数据操纵3 3、数据库运行控制、数据库运行控制4 4、数据库的建立和维护、数据库的建立和维护5 5、数据组织、存储和管理、数据组织、存储和管理6 6、程序设计语言：、程序设计语言： 7 7、数据通信接口、数据通信接口DBMS的组成DBMSDBMS通常由以下通常由以下4 4部分组成：部分组成：1 1、数据定义语言及其翻译处理程序、数据定义语言及其翻译处理

13、程序2 2、数据操纵语言，机器编译（或解释）程序、数据操纵语言，机器编译（或解释）程序3 3、数据库运行控制程序、数据库运行控制程序4 4、实用程序、实用程序（数据初始装入程序、转储程序、数据库恢复程序、（数据初始装入程序、转储程序、数据库恢复程序、性能监视程序）性能监视程序）1.4 小结数据库系统的发展过程数据库系统的发展过程数据、数据库、数据库管理系统、物理数据、数据库、数据库管理系统、物理独立性和逻辑独立性、数据冗余等基本独立性和逻辑独立性、数据冗余等基本概念。概念。介绍了数据库系统三层结构及数据库系介绍了数据库系统三层结构及数据库系统、数据库管理系统（统、数据库管理系统（DBMSDBM

14、S）等的组成）等的组成与主要功能。与主要功能。本 章 导 航三种数据库的数据结构与存储结构特点 学习目标顺序文件组织顺序文件组织: :在顺序文件中，记录被物理地按地址顺序在顺序文件中，记录被物理地按地址顺序排列，具体排列顺序可按某一码值的升或降序，也可按记排列，具体排列顺序可按某一码值的升或降序，也可按记录录入的先后次序。录录入的先后次序。2.1 基本文件组织链表结构文件组织链表结构文件组织: :数据在物理上可以任意存放，数据在物理上可以任意存放，每个数据都包括一到多个地址数据（视为指针），每个数据都包括一到多个地址数据（视为指针），利用指针表现数据间的逻辑关系。利用指针表现数据间的逻辑关系。

15、随机存取文件组织随机存取文件组织（HashHash文件组织）文件组织）: :随机随机存取文件的基本思想就是数据可以根据空存取文件的基本思想就是数据可以根据空闲区域的情况随机地存放数据，为了能找闲区域的情况随机地存放数据，为了能找到数据，可以在记录的关键字值与其地址到数据，可以在记录的关键字值与其地址之间建立某种联系，文件的记录按这种联之间建立某种联系，文件的记录按这种联系进行存取。系进行存取。（19,14,23,01,68,20,84,27,55,11,10,79）01234567891011121314H(19)=19%13=6H(19)=19%13=619H(14)=14%13=1H(14

16、)=14%13=114H(23)=23%13=10H(23)=23%13=1023H(01)=01%13=1H(01)=01%13=1H H1 1=(1+1)%15=2=(1+1)%15=21H(68)=68%13=3H(68)=68%13=368H(20)=20%13=7H(20)=20%13=720H(84)=84%13=6H(84)=84%13=6H H1 1=(6+1)%15=7=(6+1)%15=7H H2 2=(6+2)%15=8=(6+2)%15=884H(27)=27%13=1H(27)=27%13=1H H1 1=(1+1)%15=2=(1+1)%15=2H H2 2=(1+

17、2)%15=3=(1+2)%15=3H H3 3=(1+3)%15=4=(1+3)%15=427H(55)=55%13=3H(55)=55%13=3H H1 1=(3+1)%15=4=(3+1)%15=4H H2 2=(3+2)%15=5=(3+2)%15=555H(11)=11%13=11H(11)=11%13=1111H H1 1=(10+1)%15=11=(10+1)%15=11H H2 2=(10+2)%15=12=(10+2)%15=12H(10)=10%13=10H(10)=10%13=1010H H3 3=(1+3)%15=4=(1+3)%15=4H H1 1=(1+1)%15=

18、2=(1+1)%15=2H H2 2=(1+2)%15=3=(1+2)%15=3H(79)=79%13=1H(79)=79%13=1H H4 4=(1+4)%15=5=(1+4)%15=5H H5 5=(1+5)%15=6=(1+5)%15=6H H6 6=(1+6)%15=7=(1+6)%15=7H H7 7=(1+7)%15=8=(1+7)%15=8H H8 8=(1+8)%15=9=(1+8)%15=9792.2 数据库的数据结构及存储结构 v传统的数据库有三类：层次数据库、网状数传统的数据库有三类：层次数据库、网状数据库和关系数据库。据库和关系数据库。v面向对象数据库面向对象数据库这种

19、层次结构形式的查询只能从头顺着链向后走这种层次结构形式的查询只能从头顺着链向后走层次数据库结构层次数据库结构系代号系名电话课程号课程名 电话室代号室名员工名姓名研究方向项目号 项目名 经费系研究室员工课程项目指针结构过于复杂，给数据维护带来不便，指针结构过于复杂，给数据维护带来不便，且灵活性也不够。且灵活性也不够。网状数据库结构网状数据库结构工人设备使用保养T-TCC-TC教师 教师号 姓名系别课程 课程号 课程名学分授课 教师号 课程号教学效果v关系模型的本质是一张二维表关系模型的本质是一张二维表v一张二维表就称为一个关系一张二维表就称为一个关系关系数据库结构关系数据库结构第2章 小结v顺序

20、文件组织、链表结构文件组织、随机存顺序文件组织、链表结构文件组织、随机存取文件组织取文件组织v数据库种类：层次数据库、网状数据库、数据库种类：层次数据库、网状数据库、关关系数据库系数据库v因为因为 计算机不能直接处理现实世界中的具体计算机不能直接处理现实世界中的具体事物事物 所以所以 必须把具体事物转换成计算机能够处理必须把具体事物转换成计算机能够处理的数据的数据 即即 用用数据模型数据模型来抽象，表示和处理现实世来抽象，表示和处理现实世界中具体的事物界中具体的事物一、数据模型概念一、数据模型概念设计数据库系统时，一般先用图或表的形式抽设计数据库系统时，一般先用图或表的形式抽象地反映数据彼此之

21、间的关系，称为建立数据模象地反映数据彼此之间的关系，称为建立数据模型。型。常用的数据模型一般可分为两类常用的数据模型一般可分为两类: :一是语义数据模型，如实体一是语义数据模型，如实体_ _联系模型联系模型( (E-RE-R模型模型) )，面向对象模型等；面向对象模型等；二是经典数据模型，如层次模型，网状模型，二是经典数据模型，如层次模型，网状模型，关系关系模型模型。3.1 3.1 数数 据据 模模 型型几个术语：几个术语：v实体实体（EntityEntity）：）：客观存在并可相互区别的事物客观存在并可相互区别的事物 v属性属性：实体所具有的某一特性。实体所具有的某一特性。v关键字关键字：

22、能唯一地标识实体的属性的集合称为关键能唯一地标识实体的属性的集合称为关键字（或字（或主码主码）v域域： 属性的取值范围称作域属性的取值范围称作域 （成绩：（成绩：0 0100100）v实体型实体型： 一类实体所具有的共同特征或属性的集一类实体所具有的共同特征或属性的集合称为实体型合称为实体型 例如：例如：学生（学号、姓名、专业名、性别、出生日期、学生（学号、姓名、专业名、性别、出生日期、身高）身高） v实体集实体集： 同型实体的集合叫实体集同型实体的集合叫实体集 （例如（例如: :全体全体学生）学生）一、数据之间的联系一、数据之间的联系1 1、一对一联系、一对一联系(1:1)(1:1)若对于实

23、体集若对于实体集A A中每一个实体，实体集中每一个实体，实体集B B中至多只有中至多只有一个实体与之联系，反之对于实体集一个实体与之联系，反之对于实体集B B中每一个实体，中每一个实体，实体集实体集A A中也至多只有一个实体与之联系。则称实体集中也至多只有一个实体与之联系。则称实体集A A与实体集与实体集B B之间具有一对一联系，记为之间具有一对一联系，记为1:11:1。3.2 E-R3.2 E-R数据模型数据模型 A B班长集 班级集校长集 学校集2 2、一对多联系（、一对多联系（1:N1:N）若对于实体集若对于实体集A A中的每一个实体，实体集中的每一个实体，实体集B B中有中有n n个实

24、体（个实体（n0n0）与之联系。而对于实体集）与之联系。而对于实体集B B中的每一中的每一个实体，实体集个实体，实体集A A中至多只有一个实体与之联系，则中至多只有一个实体与之联系，则称实体集称实体集A A与实体集与实体集B B有一对多的联系，记为有一对多的联系，记为1:N1:N。A B班级集 学生集学校集 教师集3 3、多对多联系（、多对多联系（M:NM:N）若对于实体集若对于实体集A A中的每一个实体，实体集中的每一个实体，实体集B B中有中有n n个实体（个实体（n0n0）与之联系，反过来对于实体）与之联系，反过来对于实体B B中的每中的每一个实体，实体集一个实体，实体集A A中有中有m

25、 m个实体（个实体（m0m0）与之联系，）与之联系，则称实体集则称实体集A A与实体集与实体集B B之间有多对多联系，记为之间有多对多联系，记为M:NM:N。 A B学生集 课程集教师集 学生集二、实体联系模型（二、实体联系模型（Entity-Relationship ModelEntity-Relationship Model）v E-RE-R模型是模型是P.PS.ChenP.PS.Chen于于19761976年提出的一种概念模型，用年提出的一种概念模型，用E-E-R R图来描述一个系统中的数据及其之间关系。图来描述一个系统中的数据及其之间关系。E-RE-R图：图：（1 1）实体集）实体集

26、（2 2）属性）属性 （3 3）联系）联系作作E-RE-R图的步骤：图的步骤：1 1、确定实体、确定实体2 2、确定实体之间的联系及联系的类型、确定实体之间的联系及联系的类型 3 3、给实体和联系加上属性、给实体和联系加上属性 【例例1 1】根据以下描述设计关于该学校数据库的根据以下描述设计关于该学校数据库的E_RE_R图。图。某学校有以下实体某学校有以下实体: :系、课程、学生。系、课程、学生。系可以开设若干课程，课程可以被不同的系开设；系可以开设若干课程，课程可以被不同的系开设；每个系有若干学生，每个学生只属于一个系；每个系有若干学生，每个学生只属于一个系；每个学生可以选修若干课程，每门课

27、程可以被若干学生所选修。每个学生可以选修若干课程，每门课程可以被若干学生所选修。系的属性有系名；系的属性有系名；课程的属性有课程号、课程名；课程的属性有课程号、课程名；学生的属性有学号、姓名。学生的属性有学号、姓名。 注意：注意：v实体：实体：具有相关属性；具有相关属性；实体与实体之间具有联实体与实体之间具有联系系v属性：属性：是不可分的数据项；是不可分的数据项；不与其他实体具有联系不与其他实体具有联系v联系：发生在实体联系：发生在实体集之间的行为集之间的行为【例题例题】假设某公司的业务规则如下假设某公司的业务规则如下: :v每个部门承担多个工程项目，每个工程项目每个部门承担多个工程项目，每个

28、工程项目属于一个部门；属于一个部门；v每个部门有多名职工，每一名职工只能属于每个部门有多名职工，每一名职工只能属于一个部门；一个部门；v一个职工可能参与多个工程项目，且每个工一个职工可能参与多个工程项目，且每个工程项目有多名职工参与施工。程项目有多名职工参与施工。v工程项目有工程号、工程名；工程项目有工程号、工程名；v部门有部门号、部门名；部门有部门号、部门名；v职工有职工号、姓名。职工有职工号、姓名。v根据职工在工程项目中完成的情况发放根据职工在工程项目中完成的情况发放酬金。酬金。v联系的属性：联系的属性：和联系中所有实体都有关的属性作为和联系中所有实体都有关的属性作为联系的属性联系的属性部门工程项目职工有承担参与1n1nmn工程号工程号部门号部门名职工号姓名酬金学校系统的E-R图如右图所示：要注意的几个问题：要注意的几个问题：1 1、某些联系也具有属性、某些联系也具有属性2 2、 对于三个实体对于三个实体m:n:pm:n:p的联系的老师、学生、课程间联系的联系的老师、学生、课程间联系可如图可如图2.32.3所示描述。所示描述。3 3、E-RE-R图图可以表现一个实体内部部分成员可以表现一个实体内