第01章 数据库系统概述

第一章绪论1.1数据库的基本概念1.2数据模型1.3关系数据库系统1.4本章小结2023/2/62/731.1数据库的基本概念1.1.1数据、信息、数据处理1.1.2数据管理技术的发展过程1.1.3数据库系统组成1.1.4数据库系统特点2023/2/63/731.1.1数据、信息、数据处理1.数据2.信息3.数据与信息的关系4.数据处理5.数据库2023/2/64/731.1数据库的基本概念1.1.1数据、信息、数据处理1.1.2数据管理技术的发展过程1.1.3数据库系统组成1.1.4数据库系统特点2023/2/65/731.1.2数据管理技术的发展过程

计算机技术用于数据管理，是指利用计算机的软件、硬件对数据进行存储、检索、维护并实现对数据的各种运算和操作。计算机中的数据管理经历了人工管理、文件系统管理和数据库系统管理三个发展阶段。1.人工管理阶段2.文件系统阶段3.数据库系统阶段2023/2/66/731.1.2数据管理技术的发展过程1.人工管理阶段20世纪50年代中期以前，计算机主要用于科学计算。当时的计算机硬件状况是，外存只有纸带、卡片、磁带，没有磁盘等直接存取的存储设备；软件状况是，没有操作系统，没有管理数据的专门软件；数据处理的方式是批处理。人工管理数据具有如下特点：（1）数据不保存。（2）用户自己编写应用程序管理数据。（3）数据不共享。（4）数据不具独立性。2023/2/67/731.1.2数据管理技术的发展过程2.文件系统阶段20世纪50年代后期到60年代中期，这时计算机硬件方面已经有了磁盘、磁鼓等直接存取存储设备；软件方面，操作系统中已经有了专门的数据管理软件，一般称为文件系统。其特点：（1）数据可以长期保存。（2）由文件系统进行数据管理。但是，文件系统仍存在以下缺点：（1）数据共享性差，冗余度大。（2）数据独立性低。2023/2/68/731.1.2数据管理技术的发展过程3.数据库系统阶段20世纪60年代后期以来，随着计算机软、硬件的继续发展，计算机管理的数据对象规模越来越大，应用范围也越来越广泛，数据量急剧增长，同时多种应用、多种语言互相共享数据集合的要求越来越强烈。因此，文件管理存在的不足越来越凸现，为了解决多用户、多应用共享数据的需求，使数据为尽可能多的应用服务，数据库技术便应运而生，出现了统一管理数据的专门软件系统——数据库管理系统。2023/2/69/731.1数据库的基本概念1.1.1数据、信息、数据处理1.1.2数据管理技术的发展过程1.1.3数据库系统组成1.1.4数据库系统特点2023/2/610/731.1.3数据库系统组成数据库系统（DataBaseSystem，简称DBS）是指引入了数据库技术的计算机系统，它由计算机硬件、操作系统、数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用程序及用户等几部分构成。2023/2/611/731.1数据库的基本概念1.1.1数据、信息、数据处理1.1.2数据管理技术的发展过程1.1.3数据库系统组成1.1.4数据库系统特点2023/2/612/731.1.4数据库系统特点与人工管理和文件系统相比，数据库系统主要有以下4个方面的特点：1.数据整体结构化。2.数据的共享性高，冗余度低，易扩充。3.数据的独立性高。4.数据由DBMS统一管理和控制。2023/2/613/731.数据整体结构化2023/2/614/732.数据的共享性高，冗余度低，易扩充2023/2/615/733.数据的独立性高。2023/2/616/734.数据由DBMS统一管理和控制2023/2/617/731.2数据模型1.2.1现实世界中客观对象的抽象过程1.2.2概念模型1.2.3逻辑模型2023/2/618/731.2.1现实世界中客观对象的抽象过程2023/2/619/731.2数据模型1.2.1现实世界中客观对象的抽象过程1.2.2概念模型1.2.3逻辑模型2023/2/620/731.2.2概念模型概念模型也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，是对现实世界客观对象的第一层抽象和模拟，模型主要强调语义的表达能力,要求概念简单清晰。概念模型主要用于数据库的概念设计阶段的建模。常见的表示方式有ER图2023/2/621/731.2.2概念模型2023/2/622/731.2数据模型1.2.1现实世界中客观对象的抽象过程1.2.2概念模型1.2.3逻辑模型2023/2/623/731.2.3逻辑模型是从计算机系统的角度对数据建模，即在计算机数据库管理系统（DBMS）中如何对数据进行组织，如何用它定义、操纵数据库中的数据，一般需要有严格的形式化定义，即是一组严格定义了语法和语义的语言，并有一些约束和限制。因此，主要用于DBMS软件的实现。而数据库设计人员只需理解其特征，并掌握概念模型向对应的逻辑模型（如关系模型）转换的方法。2023/2/624/731.2.3逻辑模型逻辑模型主要有:网状模型层次模型关系模型面向对象模型对象关系模型XML模型2023/2/625/73逻辑模型的三要素不管是什么样的逻辑数据模型，都有一些共性的概念与组成要素。一般地讲，数据模型是严格定义的一组概念的集合。这些概念精确地描述了系统的静态结构、动态特征和完整性约束条件。因此数据模型通常由数据结构数据操作完整性约束三部分组成，也称为数据模型的三要素。2023/2/626/73层次模型某高校组织机构层次模型数据结构2023/2/627/73层次模型层次数据库模型示例2023/2/628/73层次模型层次模型中的型-值关系示意2023/2/629/73层次模型层次模型的数据操作与完整性约束层次模型的数据操纵主要有查询、插入、删除和修改。在进行插入、删除和修改操作时要满足层次模型的完整性约束：①进行插入操作时，如果没有相应的双亲结点值就不能插入它的子女结点值。例如，在上述某学校的层次数据库中，如果该学校新调入一名教师，但尚未分配到某个系，这时就不能将新教师信息插入到数据库中。②进行删除操作时，如果删除双亲结点，则相应的子女结点值也被同时删除。2023/2/630/73层次模型层次模型的特点层次模型的特点是层次分明，结构清晰，适于表达事物之间“一对多”联系，但对“多对多”联系则要进行特殊的转换，需要存储冗余数据，同时，由于层次模型结构严密，层次命令趋于程序化，用户要非常熟悉数据库结构，才能正确使用。2023/2/631/73网状模型网状模型数据结构2023/2/632/73网状模型网状数据库模型示例2023/2/633/73网状模型网状模型的数据操作与完整性约束网状数据模型一般来说没有层次模型那样严格的完整性约束条件，但具体的网状数据库系统（如DBTG）对数据操作都加了一些限制，提供了一定的完整性约束。如：支持码的概念；保证一个联系中父结点与子结点为一对多的联系。2023/2/634/73网状模型与层次模型相比，网状模型的主要优点有：能够更为直接地描述现实世界；用户可以从任何结点开始访问其他结点数据，具有良好的性能，存取效率较高。但其缺点也比较明显：结构复杂，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，不便于修改，并且数据库结构的修改将直接影响访问数据库的应用程序；由于记录之间联系是通过存取路径实现的，应用程序在访问数据时必须选择适当的存取路径，因此，用户必须了解系统结构的细节，加重了编写应用程序的负担。2023/2/635/73关系模型关系模型数据结构及型-值关系关系模型是目前最流行的一种数据模型。关系模型用二维表的形式来描述实体及实体间的联系，也就是说，关系模型的数据结构只有二维表，实体间的联系也用二维表表示，已不存在层次或网状模型中表示结点与结点间联系的连线了。

2023/2/636/73关系模型2023/2/637/731.3关系数据库系统1.3.1关系数据结构1.3.2关系操作1.3.3关系完整性2023/2/638/731.3.1关系数据结构学生信息表学号姓名性别出生日期党员否籍贯200736001龙云梅女1988.06.29.T.四川省自贡市200736002张洋男1988.04.23.T.云南省昆明市200736003陈冰冰女1989.08.26.F.山东省大连市………………2023/2/639/731.3.1关系数据结构关系模型的几个概念：（1）关系（Relation）（2）元组（Tuple）（3）属性（Attribute）（4）码（Key）（5）主属性（MainAttribute）（6）外码（ForeignKey）（7）域（Domain）（8）分量（Component）（9）关系模式（RelationalSchema）

2023/2/640/731.3.1关系数据结构（1）关系（Relation）：一个关系对应通常所说的一张表。如图1-15便是学生信息以表的形式进行组织的示例。（2）元组（Tuple）：表中的一行即为一个元组。注：不包括表头行。（3）属性（Attribute）：表中的一列即为一个属性，给每个属性起一个名称即属性名。如图1-15中的学号、姓名等。2023/2/641/731.3.1关系数据结构（4）码（Key）：也称为关键字。如果表中的某个属性（组），如果它的值可以唯一标识关系中的各个元组，且又不含多余的属性，则该属性（组）称为该关系的候选码（CandidateKey），也称为候选关键字。若一个关系中有多个候选码，则选其中一个主码（PrimaryKey）。主码也称主关键字。如图1-15中的学号，就可唯一标识每一个学生，也就成为学生关系的码。如果能确保无重名的学生，则姓名也可作为码。2023/2/642/731.3.1关系数据结构（5）主属性（MainAttribute）：包含在任何一个候选码中的属性，都称为关系的主属性；不包含在候选码中的属性称为非主属性或非码属性。（6）外码（ForeignKey）：若F是基本关系R的属性却不是它的码，但F却与基本关系S的码Ks相对应，则称F是关系R的外码。并称基本关系R为参照关系（ReferencingRelation），S关系为被参照关系（ReferencedRelation）或目标关系（TargetRelation）。R和S不一定是不同的关系，但F与Ks一定在同一个（或同一组）域上。2023/2/643/731.3.1关系数据结构（7）域（Domain）：属性的取值范围，如一个人的性别只能取男或女，出生日期不能在当前日期之后等。（8）分量（Component）：一个元组在一个属性上的取值。如图1-15中第二元组对应的姓名属性值“张洋”就是一个分量。在VisualFoxPro中分量即为字段值。2023/2/644/731.3.1关系数据结构（9）关系模式（RelationalSchema）：是对实体型的定义，描述的是关系的结构。而关系则是该类关系型的一个具体值，是某个时刻关系模式的状态或内容。关系模式是稳定的、静态的，而关系则是变化的、动态的。关系模型与关系的概念上的区别，就象高级程序设计语言中的变量类型与变量的值类似。不过，在不引起混淆的情况下，人们通常将两者都称为关系。2023/2/645/731.3.1关系数据结构关系模式一般表示为：关系名（属性1，属性2，…，属性n）示例：学院（学院号，名称，院长）学院-系（学院号，系号）系（系号，名称，办公地址）或者，可用如下的另一组关系模式表示：学院（学院号，名称，院长）系（系号，学院号，名称，办公地址）2023/2/646/731.3.1关系数据结构术语对比关系术语一般表格术语VFP中的数据表术语关系名表名表文件名（使用时可用别名替代）关系模式表头（表格的语义描述）表结构关系（一张）二维表（一张）数据表元组记录或行记录属性列字段属性名列名字段名属性值列值字段值分量一条记录中的一个列值（单元格值）一条记录中的一个字段值2023/2/647/731.3关系数据库系统1.3.1关系数据结构1.3.2关系操作1.3.3关系完整性2023/2/648/731.3.2关系操作关系模型中常用的关系操作包括:查询操作插入、删除、修改操作关系模型中的数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干个元组组成的集合，与层次或网状模型一次一记录（Record-at-a-time）的操作方式相比，关系操作是一次一集合(Set-at-a-time)的。2023/2/649/731.3.2关系操作另一方面，关系模型屏蔽了用户读写数据时的存取路径，用户只需要指出“干什么”或“找什么”，而不必详细说明“怎么干”或“怎么找”，从而大大提高了数据的独立性和用户的生产率。2023/2/650/731.3.2关系操作关系运算的对象就是关系

StudentsCourses学号姓名性别课程号课程名学分200736001龙云梅女101高等数学4.0200736002张洋男102英语4.0200736003陈冰冰女201法律基础2.0200826041徐明辉男SCStudents_Append学号课程号成绩学号姓名性别20073600110180200826042周东亮男20073600210175200826043陈曦女20073600210285200826041徐明辉男2008260432011002023/2/651/73关系查询操作关系数据查询是关系操作的主要部分，查询操作又分为：选择（Select）、投影（Project）、连接（Join）、除（Divide）、并（Union）、交（Intersection）、差（Except）、广义笛卡尔积（ExtendedCartesianProduct）等。其中，选择、投影、并、差、笛卡尔积是5种基本操作，其他操作都可以用它们来定义和导出。2023/2/652/731.3关系数据库系统1.3.1关系数据结构1.3.2关系操作1.3.3关系完整性2023/2/653/731.3.3关系完整性关系完整性规则是对关系的某种语义约束条件，这些约束条件实际上是现实世界的要求。也就是说，虽然关系的值随着时间在不断地变化，但任何变化都应不违反这些语义约束。关系模型中有三类完整性约束：实体完整性参照完整性用户定义的完整性。2023/2/654/731.3.3关系完整性1.实体完整性实体完整性（EntityIntegrity）是指关系的主属性（一个或一组属性）不能取空值或重复值。主属性是指构成主码的属性（组）；所谓空值就是“不知道”或“不存在”的值。如图1-15学生信息表中的学号不能为空值，且不能有重复值。2023/2/655/731.3.3关系完整性2.参照完整性现实世界中的实体之间往往存在某种联系，在关系模型中实体及实体间的联系都是用关系在描述的。这样就自然存在着关系与关系间的引用，这种引用关系在数据库中用参照完整性(ReferentialIntegrity)来描述。2023/2/656/731.3.3关系完整性3.用户定义完整性任何关系数据库系统都应该支持实体完整性和参照完整性，这是关系模型所要求的。此外，不同的关系数据库系统根据其应用环境的不同，往往还需要一些特殊的约束。用户定义完整性(User-definedIntegrity)就是针对这一特殊约束的。2023/2/6实验一VisualFoxPro9.0应用与开发环境实验目的熟悉VFP9.0系统的基本操作和开发环境，并在VFP提供的系统帮助下完成VFP的系统设置，重点在于通过实验熟悉VFP的使用环境和开发环境。建议学时：2学时57/732023/2/6实验一VisualFoxPro9.0应用与开发环境实验要求

实验前先预习教材相关章节，了解VFP9.0的安装与启动，了解VFP9.0任务面板的功能，熟悉VFP9.0的用户界面，了解并逐渐掌握VFP9.0项目管理器概念、作用及其使用方法，了解VFP9.0的向导、设计器和生成器的有关概念。58/732023/2/6实验一VisualFoxPro9.0应用与开发环境实验内容启动与退出VFP9.0系统。用多种方式启动和退出VisualFoxPro9.0。了解VFP9.0的任务面板管理器（TaskPaneManager）功能并定制任务面板。命令窗口的使用。菜单、对话框、工具栏的使用。掌握以下三种调用帮助系统的方法。59/732023/2/6实验一VisualFoxPro9.0应用与开发环境实验内容6.建立“学生信息管理”项目文件SIM.pjx，并编辑其项目信息。7.VFP系统环境设置。选择Tools菜单下的Options选项，在弹出的Options对话框中配置VFP的系统环境。8.在命令窗口输入以下命令，了解VFP命令操作及面向对象的特征。60/732023/2/661/731.4本章小结面对大量的、纷繁复杂的数据，如何实现高效的管理与有效的应用，目前，在计算机中引入数据库技术是用户的最优选择。本章首先介绍了数据、信息、数据处理和数据库之间的关系，以及数据管理技术的发展过程。然后，介绍了数据库系统的相关概念、组成和特点。最后，介绍了数据库中数据的组织方式——数据模型的概念和分类，并对目前流行的关系数据库系统所基于的关系模型做了较为全面的论述，使读者对其有个较为感性和宏观的认识。2023/2/662/73思考题1．数据、信息、数据处理、数据库之间的关系？2．什么是数据库，建立数据库的目的是什么？3．数据库系统由那些组成部分，各部分功能如何？4．关系、元组、属性、主码、外码、关系模式的概念与联系？5．关系数据模型具有那些特征？6．基本的关系代数运算有哪些？关系的连接有哪些类型？7．什么关系数据模型的完整性？2023/2/663/73选择题数据库（DB）、数据库系统（DBS）和数据库管理系统（DBMS）三者之间的关系是

A.DBS包括DB和DBMS. B.DBMS包括DB和DBSC.DB包括DBS和DBMS D.DBS就是DB，也就是DBMS2023/2/664/73选择题2.关系数据模型（）

A.只能表示实体间的1:1关系

B.只能表示实体间的1:n关系C.不能表示实体间的m:n关系

D.能够表示任意m:n关系2023/2/665/73