数据库系统及应用课程辅导1

第1章数据库系统概述数据库技术就是研究如何对数据进行科学的管理以为人们提高可共享的、安全的、可靠的数据。数据库技术一般包含数据管理和数据处理两部分内容。本章我们将介绍数据库产生的背景、使用数据库技术管理数据带来的好处、数据模型、数据库管理系统的组成等。一、教学要求本章包括六个方面的内容，要求理解的内容有：·数据模型的概念。·概念层数据模型和组织层数据模型的作用。（实体-联系模型要作为重点学习内容。）·数据库三级模式结构和划分意义。（这个部分也是本章的难点，其具体应用在后面的章节中还会涉及，请大家在学习时注意前后的融会贯通。）·数据库管理系统的主要功能。（这部分内容是本章的重点，考试中经常出现相关的内容。请大家学习时给予重视。）要求了解的内容有：·数据库技术产生的背景。·数据库系统的组成。二、重点内容辅导1．数据库技术的发展数据管理的发经历了文件管理和数据库管理两个阶段。（1）用文件管理数据操作系统中有专门的数据管理软件，称为文件管理系统。文件管理系统把数据组织成相互独立的数据文件，利用“按文件名访问，按记录进行存取”的方式，可以对文件中的数据进行修改、插入和删除操作。（2）用数据库管理数据用数据库管理数据与直接用文件管理数据相比，实际上是在应用程序和存储数据的数据库之间增加了一层：数据库管理系统。数据库管理系统实际上是一个系统软件。文件管理数据和数据库管理数据的区别：·在用文件管理数据时，应用程序是直接访问存储数据的文件，而用数据库管理数据时，应用程序是通过数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS）来访问数据。·在用数据库管理数据时，用户在访问数据时不再是针对单个文件进行访问，而是针对一个存储有用户所需全部信息的数据库进行访问，存储数据的文件的具体信息被隐藏了，而且这些文件的具体操作和存储位置等细节信息也由数据库管理系统统一进行管理。与文件管理数据的局限性进行比较，数据库管理具有以下优点。1）相互关联的数据集成2）较少的数据冗余3）程序与数据相互独立4）保证数据的安全可靠5）最大限度地保证数据的正确性6）数据可以共享并能保证数据的一致性（3）数据库管理系统特征数据库是相互关联的数据的集合，它用综合的方法组织数据，具有较小的数据冗余，可供多个用户共享，具有较高的数据独立性，具有安全控制机制，能够保证数据的安全、可靠，允许并发地使用数据库，能有效、及时地处理数据，并能保证数据的一致性和完整性。数据库管理系统的特征并不是数据库中的数据固有的，而是由数据库管理系统提供和保证的。2．数据与数据模型（1）数据数据：描述事物的符号记录称为数据。数据有一定的格式，这些格式的规定是数据的语法，数据的含义是数据的语义。信息：人们通过解释、推论、归纳、分析和综合等方法，从数据所获得的有意义的内容称为信息。数据与信息的关系：数据是信息存在的一种形式，数据只有通过解释或处理才能成为有用的信息。数据的特征：分为静态特征和动态特征两部分。（2）数据模型模型是对事物、对象、过程等客观系统中感兴趣的内容的模拟和抽象表达，是理解系统的思维工具。数据模型（DataModel）也是一种模型，它是对现实世界数据特征的抽象。数据的动态特征（数据操作）与数据的静态特征（数据结构、完整性约束）统称为数据模型三要素。在数据库中用数据模型这个工具来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。通俗地讲，数据模型就是对现实世界数据的模拟。现有的数据库管理系统均是基于某种数据模型的，了解数据模型的基本概念是学习数据库的基础。数据模型一般应满足三个要求：第一个是数据模型要能够比较真实地模拟现实世界；第二个是数据模型要容易被人们理解；第三个是数据模型要能够很方便地在计算机上实现。数据模型实际上是模型化数据和信息的工具。根据模型应用目的的不同，可以将模型分为两大类，它们分别属于两个不同的层次。第一类是概念层数据模型，也称为概念模型或信息模型，它从数据的应用语义视角来抽取模型并按用户的观点来对数据和信息进行建模。另一类是组织层数据模型，也称为组织模型，它从数据的组织方式来描述数据。所谓组织层就是指用什么样的数据结构来组织数据。数据库发展到现在主要包括如下几种组织模型：层次模型（用树型结构组织数据）、网状模型（用图型结构组织数据）、关系模型（用简单二维表结构组织数据）以及对象-关系模型（用复杂的表格以及其他结构组织数据）。3．概念数据模型（1）基本概念概念数据模型：抽象现实系统中有应用价值的元素及其关联关系，反映现实系统中有应用价值的信息结构，并且不依赖于数据的组织层结构。概念数据模型用于信息世界的建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，是数据库设计人员进行数据库设计的工具，也是数据库设计人员和用户之间进行交流的工具。该模型一方面应该具有较强的语义表达能力，能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识；另一方面它还应该简单、清晰和易于被用户理解。概念数据模型是面向用户、面向现实世界的数据模型，它与具体的DBMS无关。我们这里介绍实体-联系（Entity-Relationship，E-R）模型，是最常使用的一种模型。（2）实体-联系模型1）实体实体是具有公共性质、并且可以相互区分的现实世界对象的集合。实体是具体的，例如：职工、学生、教师、课程都是实体。在E-R图中用矩形框表示具体的实体，把实体名写在框内。2）属性属性就是描述实体或者联系的性质或特征的数据项，一个实体中的所有实例都具有相同的性质，在E-R模型中，这些性质或特征就是属性。3）联系联系是数据之间的关联集合，是客观存在的应用语义链。实体内部的联系通常是指一个实体内属性之间的联系，实体之间的联系通常是指属于不同实体的属性之间的联系。通常情况下我们遇到的联系大多都是实体之间的联系。在E-R模型中，联系用菱形框表示，框内写上联系名，并用连线将联系框与它所关联的实体连接起来。联系也可以有自己的属性。4）联系的三种类型两个实体之间的联系通常分为三类：·一对一联系（1：1）如果实体A中的每个实例在实体B中至多有一个（也可以没有）实例与之关联，反之亦然，则称实体A与实体B具有一对一联系，记作：1：1。·一对多联系（1：n）如果实体A中的每个实例在实体B中有n个实例（n≥0）与之关联，而实体B中的每个实例在实体A中最多只有一个实例与之关联，则称实体A与实体B是一对多联系，记作：1：n。·多对多联系（m：n）如果实体A中的每个实例在实体B中有n个实例（n≥0）与之关联，而实体B中的每个实例在实体A中也有m个实例（m≥0）与之关联，则称实体A与实体B的联系是多对多的，记为m：n。一对一联系是一对多联系的特例，一对多联系是多对多联系的特例。E-R图的作用：E-R图广泛用于数据库设计的概念结构设计阶段。用E-R模型表示的数据库概念设计结果非常直观，易于用户理解，而且所设计的E-R图与具体的数据组织方式无关，并且可以被直观地转换为关系数据库中的关系表。4．关系数据模型关系模型是目前最重要的一种数据模型，关系数据库是采用关系模型作为数据的组织方式。关系模型源于数学，它把数据看成是二维表中的元素，而这个二维表在关系数据库中就称为关系，二维表的结构称为关系模式。用关系（表格数据）表示实体和实体之间的联系的模型就称为关系模型。在关系模型中，实体以及实体和实体之间的联系都用关系来表示，实体之间的联系不再通过指针来实现。表1和表2所示分别为“学生”和“选课”关系模型的数据结构，其中“学生”和“选课”间的联系是靠“学号”列实现的。表1学生学号姓名年龄性别所在系0811101李勇21男计算机系0811102刘晨20男计算机系0811103王敏20女计算机系0821101张立20男信息管理系0821102吴宾19女信息管理系表2选课学号课程号成绩0811101C001960811101C002800811101C003840811101C005620811102C001920811102C002900811102C004840821102C001760821102C004850821102C005730821102C007NULL关系模型易于设计、实现、维护和使用，它与层次模型和网状模型的最根本区别是，关系模型不依赖于导航式的数据访问方式，数据结构的变化不会影响数据的访问方式。5．数据库的三级模式结构数据库系统内部的结构划分为：外模式、模式和内模式三个抽象结构，同时在三个模式中间提供二级映像功能。这些结构的划分反映了看待数据库的三个角度。下图说明了这三种模式以及模式之间的映像关系。·内模式：是最接近物理存储的，也就是数据的物理存储方式。·外模式：是最接近用户的，也就是用户所看到的数据视图。·模式：是介于内模式和外模式之间的中间层次。外模式是面向每一类用户的信息需求而设计，是数据的外部视图，外模式可以有多个。模式是面向全体用户的信息需求而设计的，在一个数据库应用中，所有的信息作为一个整体考虑，因此模式只有一个，它是数据在概念层的视图。内模式描述的是数据的物理存储，它是数据的内部视图。1）外模式外模式也称为用户模式或子模式，它是对现实系统中用户感兴趣的整体数据结构的局部描述，用于满足不同数据库用户的数据需求，是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库整体数据结构的子集或局部重构。外模式是面向每一类用户的信息需求而设计，是数据的外部视图。外模式就是特定用户所看到的其感兴趣的数据库内容，对那些用户来说，外模式就是数据库。外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式。构建外模式也是保证数据库安全的一种方法。2）模式模式也称为概念模式或逻辑模式，是对数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。模式表示数据库中的全部信息，其形式要比数据的物理存储方式抽象。它是数据库系统结构的中间层，既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序、与所使用的应用开发语言和环境（比如，VB.NET、Java等）无关。模式实际上是数据库数据在逻辑级上的视图。一个数据库只有一种模式。数据库管理系统提供了模式定义语言（DDL）来定义数据库的模式。3）内模式内模式也称为存储模式。内模式是对整个数据库的底层表示，它描述了数据的物理存储，比如数据的存放位置、数据的组织方式（有序或无序）、是否加密等。注意内模式与物理层是不一样的，内模式不涉及物理记录的形式（即物理块或页，输入／输出单位），也不考虑具体设备的柱面或磁道大小。换句话说，内模式假定了一个无限大的线性地址空间，地址空间到物理存储的映射细节是与特定系统有关的，这些并不反映在体系结构中。6．数据库系统1.6.1数据库系统的组成数据库系统是采用了数据库技术的计算机应用系统。狭义上讲，数据库系统主要指数据库和数据库管理系统。广义上讲，数据库系统由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系