数据库原理与应用：第1章 数据库系统概述

1、数据库系统原理与应用 第一讲 第1章 数据库系统概述一、信息与数据1.“信息”是对现实世界事物存在方式或运动状态的反映。信息具有可感知性、可表述性、可存储性、可加工性和可转换性、可传递性、可共享性、以及与其符号的不可分离性。第1章 数据库系统概述2.“数据”是用符号表示的，用于反映客观世界中客体属性的记录。数据是用于载荷信息的物理符号。数据的4个特征：1)数据有“型”和“值”之分。2)数据受数据类型和取值范围的约束。3)数据有定性表示和定量表示之分。4)数据应具有载体和多种表现形式。第1章 数据库系统概述3.信息与数据联系数据是信息的符号表示，信息是经过加工之后并对客观世界和生产活动产生影响的

2、数据，是数据的内涵，是数据的语义解释。数据是符号化的信息，信息是语义化的数据 数据和信息许多情况下可以混用，比如信息处理和数据处理有时并没有严格的语义区别；但有时却必须加以区分，比如数据文件不能说成信息文件。 4、数据管理与数据处理 数据管理（Data Management） 包括组织和保存数据、进行数据维护、提供数据查询和统计功能这三方面。 数据处理（Data Processing） 包括数据管理、数据加工、数据传播等工作。第1章 数据库系统概述第1章 数据库系统概述数据管理技术经历了人工管理、文件系统和数据库系统三个阶段。 二、数据管理技术的发展第1章 数据库系统概述1.人工管理阶段（20

3、世纪50年代中期以前）特点：1）数据不保存2）程序与数据合在一起，数据没有独立性3）编写程序时要安排数据的物理存储4）数据面向应用第1章 数据库系统概述1 9 5 1 年雷明顿兰德公司（Remington Rand Inc.）的一种叫做Univac I 的计算机推出了一种一秒钟可以输入数百条记录的磁带驱动器，从而引发了数据管理的革命。1956 年IBM生产出第一个磁盘驱动器 the Model 305 RAMAC。此驱动器有50 个盘片，每个盘片直径是2 英尺，可以储存5MB的数据。使用磁盘最大的好处是可以随机地存取数据，而穿孔卡片和磁带只能顺序存取数据。 第1章 数据库系统概述2. 文件系统

4、阶段（20 世纪50年代后期至60年代中期）特点： 1）数据以文件形式长期保存 2）数据的物理结构与逻辑结构有了区别 3）文件形式多样化 4）程序与数据间有一定的独立性缺点：不能表示复杂的数据结构，存在数据重复存储、冗余度大、一致性差等问题。第1章 数据库系统概述数据库系统的萌芽出现于60 年代。当时计算机开始广泛地应用于数据管理，对数据的共享提出了越来越高的要求。传统的文件系统已经不能满足人们的需要。能够统一管理和共享数据的数据库管理系统（DBMS）应运而生。数据模型是数据库系统的核心和基础，各种DBMS 软件都是基于某种数据模型的。 第1章 数据库系统概述3.数据库系统阶段（20 世纪60

5、年代后期以后）特点： 1）数据结构化 2）数据共享 3）减少了数据冗余 4）有较高的数据独立性 5）用数据库管理系统作为用户与数据库的接口数据库DBMS逻辑文件1逻辑文件2逻辑文件3程序1程序2程序3第1章 数据库系统概述三、数据库系统的组成与结构数据库管理系统DBMS数据库应用系统操作系统应用开发工具用户用户用户.数据库管理员第1章 数据库系统概述1.数据库（Database） 数据库简称DB，是在计算机存储设备上按一定的组织方式存储在一起的，相关的数据集合。数据库中的存储数据是“集成的”和“共享的” 1) 数据库系统具有整体数据结构化和数据冗余小的特点。 2) 数据库中的数据可为多个不同的

6、用户共享。 数据库概念的含义: （1）数据库是存储在计算机存储设备上的: 数据库是存在于计算机存储设备上的一个或多个(数据库)文件组成的统一体，是可感知的数据库形体。 （2）数据库是按一定的组织方式存储在一起的： 数据库中的数据是以结构化的形式存储的，这种结构化形式实质上就是数据库的数据模型，是不可感知的数据库形体。第1章 数据库系统概述（3）数据库是相关的数据集合： 数据库中的数据既有某特定应用领域涉及的各种基本数据，也有反映这些数据之间联系的数据，也是不可感知的数据库形体之一。 第1章 数据库系统概述第1章 数据库系统概述2. 数据库管理系统（DBMS） 是建立、管理和维护数据库的软件系统

7、，是一种位于应用软件和操作系统之间，实现数据库管理功能的系统软件。 第1章 数据库系统概述四、数据库系统的体系结构应用程序应用软件包(用户接口)DBMS操作系统(OS)硬件(DB)存储记录接口第1章 数据库系统概述1. 数据库的三级模式结构 美国国家标准学会所属标准计划和要求委员会在1975年公布了一个关于数据库标准的报告，提出了数据库三级模式结构。 1）概念模式（Logical Schema） 是对DB中全部数据的整体逻辑结构和特征的描述，体现了全局、整体的数据观点。 概念模式的主体是数据库的数据模型； 一个DB只有一个与数据模型对应的概念模式； 概念模式仅涉及“型”的描述，不涉及具体的值。

8、第1章 数据库系统概述 2）外模式（External Schema） 是对DB用户能看见和使用的局部数据逻辑结构的描述，体现了应用程序员对数据库的数据观点。 外模式是用户和DB的接口； 一个DB可有多个外模式； 外模式是保证DB安全性的措施之一。第1章 数据库系统概述 3）内模式（Internal Schema） 是对数据库物理存储结构的描述，体现了对数据库的存储观。 一个DB只有一个与概念模式对应的内模式。内模式是数据在数据库内部的表示，它定义了数据的内部记录类型、记录寻址技术、索引和文件的组织方式及数据控制方面的内容。第1章 数据库系统概述模式结构内模式概念模式外模式DB数据抽象物理层逻辑

9、层视图层低复杂性强易用性简单结构抽象地访问数据高效地存储数据逻辑地组织数据第1章 数据库系统概述第1章 数据库系统概述2. 三个模式间的映像 1) 外模式/模式的映象：定义并保证了外模式与数据模式之间的对应关系。 保证了数据的逻辑独立性 当数据库的概念模式结构因某种原因修改时，只要没有改变概念模式中与外模式定义有关的属性及与其关系模式名的隶属关系，就可使外模式保持不变，从而不需修改应用程序。第1章 数据库系统概述 2) 模式/内模式的映象及作用：定义并保证了数据的逻辑模式与内模式之间的对应关系。 保证了数据的物理独立性 当数据库的内模式由于某种原因要修改时，可通过对概念模式与内模式之间的映象的

10、修改，使概念模式尽可能地保持不变，实现内模式的改变尽可能地不修改应用程序。应用程序A1应用程序A2应用程序B1应用程序B2用户A1用户A1外模式A外模式B外模式到模式的映象A外模式到模式的映象B概念模式模式到内模式的映象内模式数据库局部逻辑结构概念级DB全局逻辑结构存储级DB存储组织结构DBMSOS用户级DB用户A1用户A1需要强调的是： 数据库三级模式之间的转换是在数据库管理系统（DBMS）的统一控制下实现的。第1章 数据库系统概述第1章 数据库系统概述三级模式间的比较外模式概念模式内模式其他名字子模式、用户模式、外视图模式、概念视图、DBA视图存储模式、内视图描述数据库用户能看见和使用的局

11、部数据的逻辑结构数据库中全体数据的逻辑结构数据物理结构和存储方式的描述特点用户与数据库的接口所有用户的公共数据视图数据在数据库内部的表示方式可以有多个外模式只有一个概念模式只有一个内模式面向应用程序或最终用户由DBA定义基本由DBMS定义第1章 数据库系统概述五、数据库管理系统(DataBase Management System) 数据库管理系统是专门用于管理数据库的计算机系统软件。能够为数据库提供数据的定义、建立、维护、查询和统计等操作功能，并完成对数据完整性、安全性进行控制的功能。第1章 数据库系统概述数据定义功能 提供数据定义语言（DDL）2. 数据操纵功能提供数据操纵语言(DML)，

12、实现检索、插入、修改和删除等基本存取操作数据库的建立和维护功能 包括初试数据的装入，数据库的存储、恢复，系统性能的监视和分析等4. 数据库的运行管理功能数据的安全性、完整性和并发控制第1章 数据库系统概述六、常见数据库1.IBM的DB2IBM在1977年完成了System R系统的原型 2. Oracle 1979 年引入了第一个商用SQL 关系数据库管理系统3. Sybase 1987年5月推出1.0。首先提出Client/Server 数据库体系结构的思想，并率先在Sybase SQLServer 中实现第1章 数据库系统概述4.SQL Server 1989年，微软发布了SQL Serv

13、er 1.0 版5. mySQL 小型关系型数据库管理系统，开发者为瑞典MySQL AB公司。在Internet上的中小型网站中应用广泛6.Access 1994年推出的微机数据库管理系统。具有界面友好、开发简单等特点，是典型的桌面数据库管理系统 7.Foxpro 最初由美国Fox公司1988年推出，1992年被Microsoft公司收购第2章 数据模型 2.1 数据模型 2.2 概念模型 2.3 数据库类型现实世界信息 现实世界是存在于人们头脑之外的客观世界。 现实世界既包括象宇宙、地球、山脉、河流等一切自然存在的实体和现象，也包括人类社会进步与发展的演变过程和各种生产活动。 所以可狭义地将

14、现实世界看作为各个事物、各个现象、各个单位的实际情况，例如一个大学、一个企业、一个工厂的仓库等。2.1数据模型 计算机现实世界信息对数据和信息的处理是在计算机世界数据世界完成的。2.1数据模型 计算机现实世界信息？信息世界 信息世界是现实世界在人们头脑中的反映和解释，是现实世界的概念化。2.1数据模型 计算机现实世界信息信息世界概念模型概念化抽象 通过对现实世界中人们关心的“事物”及其之间联系的概念化抽象，形成了信息世界中的概念模型。2.1数据模型 计算机现实世界信息信息世界概念模型概念化抽象DBMS支持的数据模型形式化转换2.1数据模型2.1数据模型 计算机现实世界信息信息世界概念模型概念化

15、抽象DBMS支持的数据模型形式化转换 进一步讲，概念模型向DBMS支持的数据模型的转换，本质上是对信息世界的进一步抽象，是信息世界的形式化和数据化，反映了数据之间的联系和数据的共性特征，由此形成了由数据模型描述的数据世界，也即计算机世界。 数据模型是现实世界中的各种事物及各事物之间的联系用数据及数据间的联系来表示的一种方法。 一个数据库的数据模型实际上给出了在计算机系统上进行描述和动态模拟现实世界信息结构及其变化的方法。2.1数据模型 数据模型定义为一组面向计算机的概念集合，由数据结构、数据操作、数据约束三部分组成：数据结构：包括应用所涉及的对象、对象具有的特征和对象间的联系。是对数据库静态特

16、征的描述。数据操作：是一组对数据结构的任何实例执行的操作集合，如查询、插入、删除、修改，反映了数据的动态特性。数据约束：是对数据静态特征和动态特性的限定，定义了相容的数据库状态的集合及可允许的状态变化，保证了数据库中数据的正确、有效和安全。 2.1数据模型先自学，以后重点讲。2.2概念模型2.3数据库类型数据库技术的三个发展阶段: 层次模型、网状模型、关系模型从60 年代末到70年代初的三个事件为代表, 标志了数据库技术日趋成熟第一个事件：1969年, IBM公司研制开发了Information Management System（IBS）数据库管理系统。IBS是层次结构的数据库模型。层次模型

17、的特征 1) 有且仅有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点。 2) 除根结点之外的其他结点有且只有一个双亲结点。2.3数据库类型系教务管理层次模型实体联系2.3数据库类型系教务管理层次实例2.3数据库类型层次模型的优点：（1）结构清晰，容易理解；（2）结点间联系简单，记录之间的联系通过指针来实现，查询效率较高。 现实世界中的家族和组织机构关系, 都是自然的层次结构, 用层次模型来组织数据, 查询数据的算法很简便, 因为查询的路径是唯一的。但它不能描述事物间复杂的联系。 层次模型只能表示一对多(包括一对一)的联系，对于多对多联系，需要分解成一对多的联系。2.3数据库类型第二个事件：60年代末

18、、70年代初, 美国数据系统语言协商会下属的数据库任务组（DBTG）, 对数据库方法进行了系统的研讨后提出报告, 称为DBTG报告。DBTG报告确定并建立了数据库系统的许多概念、方法和技术, 标志了网状结构的数据库模型的诞生。2.3数据库类型网状模型结构的特征 1) 有一个以上的结点没有双亲。 2) 结点可以有多于一个的双亲。 在现实世界中, 比如存款户与银行的联系, 一个用户可在多个银行开户, 而一个银行可为多个用户开户, 网状模型可用于描述这类较为复杂的结构, 但由于到达一个结点的路径有多条, 开发者必须选择较优的数据存取路径, 因此开发者必须了解系统结构的细节, 加重了其编写应用程序的负

19、担。2.3数据库类型 学生选修课网状模型2.3数据库类型 学生选修课网状模型实例2.3数据库类型网状模型的优点： 在网状模型中，结点间的联系更具有任意性，更能表示事物之间的复杂联系，更适合于描述客观世界。数据结构复杂，数据独立性差。2.3数据库类型层次模型和网状模型是数据库发展过程中最先使用的两种模型，但由于他们都有非常明显的不足，已经被关系模型所取代。2.3数据库类型第三个事件：1970年, IBM公司San Jose研究实验室的研究员E.F.Codd发表了一篇里程碑性的文章“A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks” ，大

20、型共享数据库的关系模型。在该文中, 他把数学中的一个称为关系代数的分支, 应用到存储大量数据的问题中。他连续发表了多篇论文, 系统而严格地提出了关系模型的理论, 最终奠定了现代关系型数据库管理系统的（RDBMS）的理论基础。2.3数据库类型Edgar F.Codd 博士关系数据库之父美国工程院院士 原是英国人，1923生于英格兰中部波特兰 第二次世界大战时应征入伍，在皇家空军服役。1942-1945年间任机长，参与了许多惊心动魄的空战。 英国牛津大学数学专业理学士及硕士学位，毕业后到IBM公司工作从事操作系统和自动机理论研究 年近40重返密歇根大学进修计算机与通信专业，1963年获得硕士学位，

21、1965年又获得博士学位。 60年代后期开始数据库研究, 1970年E.F.Codd 博士提出关系模型概念(CACM,Vol.13, Vol.6, 1970 ) 1981年获图灵奖，84年从IBM公司退休 还创办了一个研究所：关系研究所（The Relational Institute）和一个公司：Codd & Associations，进行关系数据库产品的研发、销售、咨询等业务关系模型是一种用二维表格结构表示数据及数据之间联系的数据模型。其关系模式是: 学生(学号,姓名,年龄,性别,系,年级)2.3数据库类型关系数据模型的特点：1）关系数据模型具有严格的数学理论基础2）关系数据模型概念单一，

22、容易理解3）关系数据模型的存取路径对用户隐蔽4）关系模型中的数据是靠数据冗余实现的其关系模式是: R(A1,A2,An) R是关系名，Ai(i=1,2,n)是关系的属性2.3数据库类型 关系模型的优点： （1）模型结构简单清晰，容易为初学者接受。 （2）用户只需用简单的查询语句就可以对数据库进行操作，不涉及存储结构、访问技术等细节。 （3）关系模型使数据库的研究建立在比较坚实的数学基础上，为数据库技术的成熟奠定了基础。2.3数据库类型 关系模型的缺点： （1）查询效率可能不如非关系模型，要对用户的查询进行优化。 （2）关系必须是规范化的，不允许表中有表。2.3数据库类型第章 关系数据库 3.1

23、 关系模型的基本概念 3.2 关系的数学定义 3.3 关系代数 3.1 关系模型的基本概念关系 元组 属性域关系模式候选码（候选关键字）主码（主关键字）主属性外码（外关键字）全码举例：关系：一个关系就是一张二维表 每个关系有一个关系名，比如学生登记表元组：表中的每一行即为一个元组，即一条记录属性：表中的列称为属性，每一列有一个属性名，即字段、字段名。3.1 关系模型的基本概念元组属性注：元组、属性，是关系模型的术语， 对应于存储文件的名词为记录、字段。举例：1,2,3,4,5域域：属性的取值范围。 即不同元组对同一个属性的值所限定的范围。关系模式：对关系的描述称为关系模式 关系名（属性1, 属

24、性2, ., 属性n）一个关系模式对应一个关系文件结构 学生登记表（学号# , 姓名, 年令，性别，系名，年级）候选码（或候选关键字、码）：属性或属性的组合，其值能够唯一地标识一个关系中的一个元组。 本例候选码是：学号（由于姓名可能重码） 本例有二个候选码：学号、身份证号举例：候选码也可以是属性的组合，如关系：邮寄地址（城市名，街道名，邮政编码） 其候选码: 城市名，街道名 和 街道名，邮政编码3.1 关系模型的基本概念主码（或主关键字）：一个关系中若有多个候选码，从中选择一个为主码 本例候选码有二个：学号、身份证号，可选学号为主码 唯一性 非冗余 有效性主属性：包含在主码中的诸属性称为主属性

25、 本例主码是学号，学号是主属性 不属于任何候选码中的属性称为非主属性。外码（或外关键字）： 如关系R2中的属性或属性组X，是另一个关系R1的主码，则X称为R2的外码，关系R2为参照关系，关系R1为被参照关系。 2（商品编号# , 商品名称, 大类编号） 1（大类编号# , 大类名）主码外码外码是用来表示多个关系联系的方法 全码：当所有属性都是一关系模式的候选码，称为全码 本例候选码有二个：学号、身份证号，可选学号为主码讨论：主码由多个属性组合（学号 , 姓名 , 性别 , 课程编号 , 课程名 , 成绩 ,绩点 ）#属性组学号与课号是关系的主码 关系 R11的主码是电影编号 关系 R2不同场次

26、不同价2的主码是电影编号+场次 关系 R33的主码： 电影编号+场次+场所不同场次、不同场所不同价3.2 关系的数学定义域 域是一组具有相同数据类型的值的集合笛卡尔积 设定一组域D1,D2,Dn，定义D1,D2,Dn的笛卡尔积为：D1D2Dn= (d1,d2,dn)|diDi,i=1,n其中每个元素(d1,d2,dn)叫做一个n元组，元素中的每个值di叫做一个分量例：设D1=李兵，王芳，D2=男，女， D3=北京，上海。D1D2D3=(李兵,男,北京)，(李兵,男,上海)，(李兵,女,北京)，(李兵,女,上海)，(王芳,男,北京)，(王芳,男,上海)，(王芳,女,北京)，(王芳,女,上海)基数为222=8。3.2 关系的数学定义可见，笛卡儿积实际上是一个二维表，结果共有8个元组。 姓名(D1)性别(D2)籍贯(D3)李兵男北京李兵男上海李兵女北京李兵女上海王芳男北京王芳男上海王芳女北京王芳女上海3.2 关系的数学定义3.2 关系的数学定义关系关系是笛卡尔积的有限子集，关系中的每个元素是关系中的元组。笛卡儿积D1D2Dn的任一子集称为在域D1,D2,Dn上的关系。值域集合D1,D2,Dn是关系中元组的取值范围，称为关系的域（Domain），