数据库基础结构介绍讲解课件

1、数据库原理序课程简介有关数据库技术的主要内容：数据库基本概念数据库语言数据库实现技术(DBMS)数据库设计数据库新技术数据库系统必修课(2.5学分)本学期数据库原理课程安排及考核标准：1. 理论讲授30学时，理论课考试（笔试、闭卷）占总成绩80%2. 上机实习16机时，平时作业上机作业占总成绩20%序课程简介数据库原理指定教材：萨师煊，王珊数据库系统概论高等教育出版社参考书目：杨冬青 等译数据库系统概念(第四版)机械工业出版社周傲英 等译 数据库原理、编程与性能(第二版)机械工业出版社第一章 绪论1.1 数据库系统概述数据库技术的产生和发展计算机发展的初期只是用业做复杂的科学计算，随着软硬件技

2、术的发展，对字符串处理能力的引入，开始具有了数据处理的能力。数据是描述现实事物的符号。什么是数据管理对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，是数据处理的中心问题。1.1 数据库系统概述数据管理技术的发展经历了以下三个阶段： 人工管理阶段 (20世纪50年代中期前)应用程序数据集应用程序数据集应用程序数据集n.特点：1. 数据不保存2. 应用程序管理数据3. 数据不共享4. 数据不具有独立性DATASEGMENT X DB -25 RESULT DB ?DATAENDSCODESEGMENT ASSUME S:DATA,CS:CODESTART:MOVAX,DATA MOVDS,AX MO

3、VAL,X TEST AL,80H JZ NEXT NEG AL NEXT:MOV RESULT,AL MOV AH,4CH INT 21H CODEENDSEND START 1.1 数据库系统概述文件系统阶段 (20世纪50年代后60年代中期)应用程序文件应用程序文件2应用程序文件n存取方法.特点：1. 数据可以长期保存2. 文件系统管理数据3. 数据共享性差、冗余度大4. 数据独立性差95004王小明19女社会学9595006黄大鹏20男商品学9595008张文斌18女法律学951.1 数据库系统概述数据库系统阶段 (60年代末-现在)1.1 数据库系统概述特点：数据结构化数据共享性高冗

4、余度低易扩充数据独立性高数据由DBMS统一管理和控制DBMS应用程序1应用程序2数据库1.1 数据库系统概述几个概念：数据库（DataBase,简称DB）：长期存储在计算机内、有组织、可共享的数据集合。数据库管理系统（DataBase Management system,简称DBMS）：专门用于管理数据库的软件。数据库系统（DataBase System,简称DBS）：引入数据库之后的计算机系统。DBS=DB+OS+DBMS+App+DBA+Users1.1 数据库系统概述用户用户用户应用系统应用开发工具DBMS操作系统数据库数据库管理员数据库系统示意图1.1 数据库系统概述数据库管理系统的主

5、要功能数据定义功能:由DBMS提供的数据定义语言(Data Definition Language,DDL)定义数据库中的数据对象。数据操纵功能：由DBMS提供的数据操纵语言(Data Manipulation Language,DML)实现对数据库的查询、插入、删除和修改。数据控制功能:由DBMS提供的数据控制语言(Data Control Languge,DCL)实现数据保护和事务管理等功能。包括完整性、安全性、并发控制、数据库恢复。数据库的建立和维护功能1.1 数据库系统概述DBMS的主要构成：“Query” Processor查询处理器SchemaModification模式修改Que

6、ry查询Modifications修改Storage Manager存储管理器Data Metadata数据、元数据Transaction Manager事务处理器Figure 1.1:Major components of a DBMS1.1 数据库系统概述Database Applications: 数据库应用Banking: all transactions 银行业：完全事务Airlines: reservations, schedules 航空业：预定、调度Universities: registration, grades 大学：注册、评分Sales: customers, prod

7、ucts, purchases 销售业：客户、产品、购买Manufacturing: production, inventory, orders, supply chain制造业：生产、记帐、定单、供应链Human resources: employee records, salaries, tax deductions 人力资源：雇员记录、工资、课税减免At all, Databases touch all aspects of our lives 数据库接触生活各层面1.2 概念模型与数据模型信息处理的三个领域：现实世界信息世界机器世界具体事物信息数据(Data)数据库(DataBase)

8、1.2 概念模型与数据模型认识和处理的过程：客观事物及事物间的联系信息数据反映（抽象）作用、指导数据化信息化构成信息模型数据模型现实世界信息世界机器世界客观存在规范信息分类组织编码存储检索指导、决策依据反映1.2 概念模型与数据模型概念模型是信息建模，是对现实世界的事物符号化的描述，为计算机处理做准备。常用的概念模型是E-R图(Entity-Relationship Diagram)。信息世界的主要概念实体(Entity):客观存在的各类事物。分为弱实体和强实体。属性(Attribute):实体所具有的特性。有组合属性、多值属性、派生属性。实体标识符(Entity Identifier)：能唯

9、一标识实体的属性。域(Domain):属性的取值范围。实体型(Entity Type):对具有相同属性特征实体的描述。实体集(Entity Set):同型实体的集合。联系(Relationship):不同实体集中实体之间的联系，也可以是同一实体集内实体的联系。1.2 概念模型与数据模型联系的种类：一对一联系(1:1)：实体集A中的任一实体，在实体集B中最多有唯一实体和它对应；反之，实体集B中的任一实体，在实体集A中最多有唯一实体和它对应。a1 a2 a3 a4 b1 b2 b3 b4 A B 1.2 概念模型与数据模型一对多联系(1:N)：实体集A中的任一实体，在实体集B中有多个实体和它对应；

10、反之，实体集B中的任一实体，在实体集A中最多有唯一实体和它对应。a1 a2 a3 b1 b2 b3 b4 b4 A B a1 a2 a3 b1 b2 b3 b4 b4 A B 1.2 概念模型与数据模型多对多联系(M:N)：实体集A中的任一实体，在实体集B中有多个实体和它对应；反之，实体集B中的任一实体，在实体集A中有多个实体和它对应。a1 a2 a3 a4 b1 b2 b3 b4 A B 1.2 概念模型与数据模型用E-R图建立概念模型实体的表示：属性名学生学号年龄性别姓名实体名 属性的表示：并用无向边将其与相应的实体连接起来。1.2 概念模型与数据模型联系的表示：联系名11联系名1N联系名

11、MN课程选修学生mnm:n联系班级组成学生1n1:n联系班级班级-班长班长111:1联系实体联系图示例：1.2 概念模型与数据模型两个以上不同实体集之间的联系：课程讲授教师1m多个实体型间的1:n联系参考书n食堂进餐教师mm多个实体型两两间的m:n联系学生n吃饭教-学mnn同一实体集内部实体间的联系：职工领导1n同一实体型内部的1:n联系学生室友mn同一实体型内部的m:n联系1.2 概念模型与数据模型完整的E-R图（实体、属性和联系都要完整）课程选修学生mn成绩姓名性别年龄班级课程号学号学分课程名学生选课E-R图结论E-R图可以准确地描述现实世界的事物及事务之间的关系（联系）。问题这些实体和联

12、系如何用计算机来实现？第一章 绪论结论：实体以记录为基本单位存储在计算机内。问题：联系如何来实现？1.2 概念模型与数据模型数据模型是信息模型（概念模型）的数据化 ，从计算机角度出发，提供表示和组织数据的方法。数据模型三要素：数据结构：记录间的组织形式。静态数据操纵：建立在特定结构下的操纵实现。动态数据完事性约束：记录内部及记录间的限定。数据模型的分类：层次模型网状模型关系模型面向对象模型1.2 概念模型与数据模型层次模型（Hierarchical Model）数据结构：以一条包含实体所有属性值的记录为基本单位，记录之间的联系以树型结构来表示。叶结点根结点兄弟结点兄弟结点叶结点叶结点R1R2R

13、3R4R5满足下面两个条件:1. 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点。2. 根以外的其它结点有且只有一个双亲结点。1.2 概念模型与数据模型层次模型实现示意图：主楼区通信工程D01主楼区电子工程D02主楼区计算机D03系：软件实践中心R0302软件教研室R0303信息科学研究所R0101信息保密研究所R0102应用教研室R0301教研室：男王大明E0102女李明丽E0103女陈芝E0313男孟正堂E0315教师：1.2 概念模型与数据模型层次模型特点：结点的双亲是唯一的只能直接处理一对多（一对一）的实体联系每个记录类型定义一个排序字段，也称为码字段任何记录值只有按其路径查看时，才

14、能显出它的全部意义没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在问题：多对多联系如何表示？1.2 概念模型与数据模型多对多联系在层次模型中的表示将多对多联系分解成一对多联系。分解方法：冗余结点法+成绩姓名学号课程名课程号S-CmnSC成绩姓名学号课程名课程号SC课程名课程号成绩姓名学号SC1.2 概念模型与数据模型2. 虚拟结点法+两种方法的比较：冗余结点法可以随意改变结点的存储位置，但增加了额外存储空间，容易造成数据的不一致性。虚拟结点法改变结点存储位置后必须修改虚结点的指针，但不会产生数据的不一致性。成绩姓名学号课程名课程号S-CmnSC成绩姓名学号V.CSC课程名课程号V.SCS1.2

15、概念模型与数据模型数据操纵与约束：操纵主要有查询（Query）、插入（Insert）、删除（Delete）和修改（Update）。查询信息通常需要从根结点出发做树的遍历。插入若无双亲结点则无法进行。删除某一结点则必须将子树删除。修改必须保证数据的一致性。存储结构：邻接表法（顺序存储）链接法结论：层次模型中的联系是以指针或数据间的相对位置来表达联系。1.2 概念模型与数据模型优点层次数据模型简单，对具有一对多的层次关系的部门描述自然、直观，容易理解性能优于关系模型，不低于网状模型层次数据模型提供了良好的完整性支持缺点多对多联系表示不自然对插入和删除操作的限制多查询子女结点必须通过双亲结点层次命令

16、趋于程序化典型代表： 1968年推出的IMS(Information Management System)系统。1.2 概念模型与数据模型网状模型：数据结构R1R2L1L2R3数据结构是网。记录之间的联系用连线表达。联系必须标注名称。L3L1L4 R1R2R3R5L2R41.2 概念模型与数据模型网状模型的实现课程选修学生mn成绩姓名系别课程号学号学分课程名学生选课E-R图将多对多联系分解成两个一对多联系对于带属性的联系单独作为一组记录系别姓名学号学分课程名课程号成绩课程号学号S-SCC-SCBachman图SCSC1.2 概念模型与数据模型示意图：CS王杰S003CS张娜S002CS李小明S

17、001S4计算机原理C023高等数学C01C65C01S00284C02S00291C01S00385C02S003.78C02S00180C01S001SC1.2 概念模型与数据模型操纵与约束：操纵同层次模型支持码(对应实体标识符)双亲结点与子女结点间有一以多的联系支持双亲结点与子女结点间的某些约束存储结构链式存储1.2 概念模型与数据模型优点能够更为直接地描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲具有良好的性能，存取效率较高缺点结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握DDL、DML语言复杂，用户不容易使用规范：DBTG系统，亦称CODASYL系统（

18、1970s）实际系统Cullinet Software Inc.公司的 IDMSUnivac公司的 DMS1100Honeywell公司的IDS/2HP公司的IMAGE1.2 概念模型与数据模型关系模型数据结构关系(Relation)元组(Tuple)属性(Atribute)分量域：属性的取值范围。关系模式：对关系结构的描述，定义如下：关系名（属性1，属性1，属性n ）例： 学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级）主码(Key)1.2 概念模型与数据模型关系应具有的六条性质：列是同质的；不同的列可以出自同一个域；列序无关性；任意两个元组不能完全相同；行序无关性；分量必须取原子值。数据操纵与完整

19、性约束查询、插入、删除、修改数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合。实体完整性、参照完整性、用户定义完整性1.2 概念模型与数据模型存储结构实体和联系都作为数据文件来存储。实体型：直接用关系（表）表示。属性：用属性名表示。一对一联系：隐含在实体对应的关系中。一对多联系：隐含在实体对应的关系中。多对多联系：直接用关系表示。1.2 概念模型与数据模型优点建立在严格的数学概念的基础上概念单一。数据结构简单、清晰，用户易懂易用实体和各类联系都用关系来表示。对数据的检索结果也是关系。关系模型的存取路径对用户透明具有更高的数据独立性，更好的安全保密性简化了程序员的工作和数据库开发

20、建立的工作缺点存取路径对用户透明导致查询效率往往不如非关系数据模型。为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化，增加了开发数据库管理系统的难度。1.2 概念模型与数据模型ORACLESYBASEINFORMIXDB/2IngresOpenBaseSQL ServerPostgreSQLMySQL1.3 数据库系统结构数据库系统结构的两种划分方法从数据库管理系统角度看：三级模式结构从数据库最终用户角度看集中式结构(单用户结构、主从式结构)分布式结构客户服务器(Client/Server)结构并行结构1.3 数据库系统结构数据库系统的模式型（Type）：对某一类数据的结构和属性的说明值（Value）

21、：是型的一个具体赋值例如：学生记录记录型： （学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）该记录型的一个记录值： （900201，李明，男，计算机，22，江苏）1.3 数据库系统结构模式（Schema）数据库逻辑结构和特征的描述是型的描述反映的是数据的结构及其联系模式是相对稳定的模式的一个实例（Instance）模式的一个具体值反映数据库某一时刻的状态同一个模式可以有很多实例实例随数据库中的数据的更新而变动1.3 数据库系统结构数据库系统的三级模式结构应用程序1应用程序3应用程序4应用程序5应用程序2外模式1外模式3外模式2模式内模式数据库外模式模式映象模式内模式映象1.3 数据库系统结构模式（Sch

22、ema，也称逻辑模式）数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求一个数据库只有一个模式模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层与数据的物理存储细节和硬件环境无关与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关模式的定义数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）数据之间的联系数据有关的安全性、完整性要求1.3 数据库系统结构外模式（External Schema，也称子模式或用户模式）数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示外模式的地位：介于模式与应用之间模式与外

23、模式的关系：一对多外模式通常是模式的子集一个数据库可以有多个外模式。反映了不同的用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同1.3 数据库系统结构外模式与应用的关系：一对多同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用，但一个应用程序只能使用一个外模式。外模式的用途保证数据库安全性的一个有力措施。每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据1.3 数据库系统结构内模式（Internal Schema，也称存储模式）是数据物理结构和存储方式的描述是数据在数据库内部的表示方式记录的存储方式（顺序存储，按照B树结构存储，按has

24、h方法存储）索引的组织方式数据是否压缩存储数据是否加密数据存储记录结构的规定一个数据库只有一个内模式1.3 数据库系统结构三级模式是对数据的三个抽象级别二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换应用程序1应用程序3应用程序4应用程序5应用程序2外模式1外模式3外模式2模式内模式数据库外模式模式映象模式内模式映象1.3 数据库系统结构外模式模式映象定义外模式与模式之间的对应关系每一个外模式都对应一个外模式模式映象映象定义通常包含在各自外模式的描述中外模式模式映象的用途保证数据的逻辑独立性当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式模式映象，使外模式保持不变应用程序是依据数据的外模式编写的

25、，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。1.3 数据库系统结构模式内模式模式内模式映象定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的数据库中模式内模式映象是唯一的该映象定义通常包含在模式描述中模式内模式映象的用途保证数据的物理独立性当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），数据库管理员修改模式内模式映象，使模式保持不变应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。1.3 数据库系统结构用户访问数据库的过程DBMSOS应用程序A工作区系统缓冲区数据库工作日志应用程序A外模式模式内模式123485671.3 数据库系统结构 用户在应用程序中发出命令，指明外模式名。 DBMS根据该命令，调出所需外模式，并检查用户的权限。若通过检查，则继续执行，否则拒绝。 DBMS根据外模式模式转换，确认所需数据在模式上的有关信息。 DBMS根据模式内模式转换，确认所需数据在内模式上的有关信息。 DBMS向操作系统发出读相应数据的请求。 操作系统把有关数据从外存调入到系统缓冲区上。 DBMS把数据按外模式的形式送入用户工作区。 记载系统工作日志。1.4 数据库系统的组成用户用户用户应用系统应用开发工具DBMS操作