第6章-信息系统与数据库技术

第6章--信息系统与数据库技术第一页，共58页。第6章信息系统与数据库技术第二页，共58页。本章学习目标与要求熟悉计算机信息系统的相关内容。熟悉数据库系统的特点及其组成，掌握数据库的数据模型、概念模型与E-R图的相关知识。熟悉关系数据库基本原理，掌握数据结构及其形式化定义、关系代数的操作、SQL语言的使用以及数据库控制方法。第三页，共58页。6.1计算机信息系统与数据库技术基础

第四页，共58页。6.1.1计算机信息系统的概念第五页，共58页。计算机信息系统（Computer_basedInformationSystem，以下简称信息系统）是一类以提供信息服务为主要目的的数据密集型、人机交互的计算机应用系统。什么是计算机信息系统第六页，共58页。涉及的数据量大绝大部分数据是持久的这些持久数据为多个应用程序所共享，甚至在一个单位或更大范围内共享除具有数据采集、传输、存储和管理等基本功能外，还可向用户提供信息检索，统计报表、事务处理、分析、控制、预测、决策、报警、提示等信息服务计算机信息系统技术上的特点第七页，共58页。从功能分类有:

电子数据处理、管理信息系统、决策支持系统等从信息资源分类有:

地理信息系统、多媒体管理系统等从应用领域分类有:

办公自动化系统、军事指挥信息系统、医疗信息系统、民航订票系统、电子商务系统、电子政务系统等计算机信息系统的分类第八页，共58页。计算机信息系统是一种人机结合的系统，通过用户界面用户可向系统输入原始数据、操作命令并获得结果信息。输入的数据由专门程序按一定格式送入数据库；对于输入的操作命令，系统将调用相应的处理程序，对有关数据进行加工处理，得到的结果再通过用户界面显示给用户。一个信息系统除了计算机之外，还包括人、人工过程及数据等资源。

第九页，共58页。

虽然信息系统是多种多样的，但其基本结构又是共同的，信息系统的层次结构可分为：＊基础设施层＊资源管理层＊业务逻辑层＊应用表现层目前，信息系统的软件体系结构包括客户/服务器和浏览器/服务器两种主流模式，它们都是上述计算机信息系统层次结构的变种。

可将计算机信息系统视为面向信息的，由计算机硬件、软件和相关的人员共同组织成一个整体的计算机应用系统。

计算机信息系统的层次结构用户应用表现层业务逻辑层资源管理层

基础设施层第十页，共58页。从信息处理的深度来区分信息系统，基本可分为4大类，这些系统还可以按处理深度再继续进行划分。操作层业务处理系统业务信息处理系统信息检索系统信息分析系统专家系统管理层业务处理系统知识层业务处理系统辅助设计系统办公信息系统目录检索系统全文检索系统决策支持系统经理支持系统信息系统的类型第十一页，共58页。1业务信息处理系统业务信息处理系统是采用计算机技术进行日常业务处理的信息系统，用以使业务工作自动化，提高业务工作的效率和质量。

每一个单位或部门（包括个人）都有专门的业务范围和工作内容，在其业务处理中存在着大量信息。从信息学的角度看，业务信息处理系统是一次信息（直接信息）的生产和处理系统。由于在企事业单位中不同层次的业务信息处理系统服务对象不同，因而可以进一步将它分为三类。（1）操作层业务处理系统（2）管理层业务处理系统（3）知识层业务处理系统知识层又分：辅助技术系统办公信息系统第十二页，共58页。在业务信息处理系统中，其信息检索查询一般都在本单位的业务信息范围内，检索的途径和功能也比较简单。信息检索系统（InformationRetrievalSystem）将原始信息（一次情报）预处理生成的二次信息（二次情报）输入到计算机中，经过计算机的加工再处理，生成具有一定结构的供检索用的情报数据库。此后，用户按规定输入检索要求，由检索系统在情报数据库中进行检索匹配，最后将符合用户检索要求的结果输出给用户。信息检索系统不是为一个单位服务的，它可以供广大的用户使用，例如我国用于科学技术“查新”建立有各类科学和技术的文献数据库（如中国科技文献库、中国科技成果库、中国专利数据库、中国学位论文数据库，中国学术会议数据库等），世界上著名的情报检索系统（如DIALOG、ORBIT等）包含的众多数据库，均可向有关人员提供联机检索服务。２信息检索系统第十三页，共58页。信息检索系统的特点是：信息量大检索功能强服务面广通常可根据获得最终检索结果的详细程度和检索词的来源不同，而将信息检索系统分为两大类：目录检索系统全文检索系统从信息的内容来划分信息检索系统，将其分为：文献检索系统事实检索系统数值检索系统等第十四页，共58页。业务信息处理系统是对原始信息存储和利用的系统，信息检索系统是对原始信息作简单的加工后提供检索服务的系统，它们基本上均停留在信息的表层，并未对这些信息进行深层次的处理，所以仅属于一次信息或二次信息系统。而对于高层（领导和决策层）人员而言，他们需要的是经过处理和分析的概括性信息，即所谓三次信息。信息分析系统是为管理决策人员掌握企事业单位运行规律和趋势，制订规划、进行决策的辅助系统。是一种高层次的信息系统，三次信息的处理系统。决策支持系统

经理支持系统３信息分析系统（InformationAnalysisSystem）两种常见的信息分析系统：第十五页，共58页。决策支持系统（DecisionSupportSystem，简称DSS）是辅助决策者通过数据、模型、知识以人机交互方式进行半结构化或非结构化决策的计算机信息系统。它为决策者提供分析问题、建立模型、模拟决策过程和方案的环境，可调用各种信息资源和分析工具，帮助决策者提高决策水平和质量。经理支持系统（ExecutiveSupportSystem，简称ESS）不提供某种固定的应用或某种具体的能力，而是提供一个综合性的计算和通信环境。第十六页，共58页。专家系统（ExpertSystem，简称ES）是一种知识信息的加工处理系统，也是人工智能最为重要的应用系统。专家系统模仿人类专家的思维活动，通过推理与判断来求解问题。专家系统具有解决特定问题所需的专门领域知识，这种知识不但包括解决该问题的知识，同时还包括求解该问题过程的知识。一个专家系统通常由两部分组成：一部分是称为知识库的知识集合，它包括要处理问题的领域知识，另一部分是称为推理机的程序模块。推理是指从已有事实推出新事实（或结论）的过程。在专家系统中首先将专家的知识和经验以适当的形式存入计算机（拥有专门知识），利用类似专家的思维规则，对事例的原始数据，进行逻辑推理和演释，最后作出判断和决策（选择知识和运用知识）。４专家系统第十七页，共58页。系统类型输入信息处理输出信息使用者业务信息处理系统操作层事务和事件的直接数据排序、列表、合并报告、列表、概要操作和管理人员管理层总括的事务处理数据常规的统计、分析总结报告、异常报告中层管理人员知识层设计说明书、知识库模型设计、仿真、优化模型、图形设计报告专业技术人员办公信息文献、资料、目录、公文流转、编目、通信、归档资料、目录、电子邮件办公人员信息检索系统资料和文献数据交互性、检索检索结果各类人员信息分析系统决策支持总括数据、模型、分析方法联机分析、知识发现决策分析、对提问的响应决策人员经理支持内外部的总括数据图形、交互性对提问的响应决策人员专家系统领域专家知识推理、演释决策知识技术和决策人员第十八页，共58页。新的应用需求和新的计算机技术是推动信息系统发展的动力。目前，信息系统的发展趋势：信息多媒体化系统集成化功能智能化结构分布化信息系统的发展趋势第十九页，共58页。6.1.2数据库技术基础第二十页，共58页。

从计算机一开始应用于数据管理领域，人们就面对数据管理的需求，致力于研究在计算机系统中如何准确地表示数据、如何有效地获取与组织数据、以及如何高效地存储和处理数据。应用需求推动数据库技术的发展计算机数据管理技术的发展可以划分为三个阶段:

人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段数据管理技术的发展第二十一页，共58页。数据库系统中应用程序与数据库的关系用户用户用户用户用户教务处应用程序学工处应用程序财务处应用程序DBMSDB第二十二页，共58页。数据库系统的组成（1）应用程序（2）计算机支持系统（3）数据库（4）数据库管理系统（5）人员：包括设计、开发和维护、使用数据库的各类人员数据库管理员系统分析设计和开发人员用户第二十三页，共58页。数据库系统的特点数据结构化数据共享性高，冗余度低数据独立于程序统一管理和管制数据第二十四页，共58页。在数据库系统中，一般采用数据模型来对现实世界数据进行抽象。数据模型是数据库系统中用于数据表示和操作的一组概念和定义。各种数据库产品都是基于某种数据模型的。现实世界（客观对象）抽象概念系统转换计算机系统（概念模型）（数据模型）首先把现实世界的对象抽象为某一种不依赖于具体计算机系统的数据结构（概念模型）;然后再把概念模型转换为计算机中DBMS所支持的数据模型关系数据模型第二十五页，共58页。概念模型可以按用户观点准确地模拟应用单位对数据的描述及业务需求，即对应用数据和信息建模。建模的最终目的是按计算机系统所支持的数据模型来组织数据。数据模型要用严格的形式化定义来描述数据的结构特点和结构约束。通常一个数据模型包括以下两方面的内容：①

数据静态的特性它包括数据的基本逻辑结构，数据间的联系和数据中的完整性约束，以保证数据的正确、有效和相容。②

数据的动态特性它指定义在数据上的操作，包括这些操作的规则及实现操作的语言。目前常用“实体-联系（Entity-Relationship，简称E_R）”方法来建立概念模型。第二十六页，共58页。概念模型是对应用单位数据的第一次抽象，也是用户和数据库设计人员之间进行交流与沟通的工具。E－R概念模型有关术语实体:凡是可以被人们识别而又可以互相区别的客观对象统统抽象为实体(Entity)。具有共性的一类实体可以组合为一个实体集。属性:实体一般具有若干特征，用于描述其性质，这种特征称之为实体的属性（Attribute）。称每个属性的取值范围为值域。实体主键:能够唯一标识实体的属性或属性组（这组属性的任何真子集无此性质）称为实体集的实体键。

联系:抽象到概念系统中的实体之间会有各种联系（Relationship）。

如果一个实体集有多个实体键存在，则可从中选一个最常用的作为实体主键，简称主键(PrimaryKey)。第二十七页，共58页。联系又可分为两种：1.实体集内部的联系

2.实体集之间的联系

三类不同语义的联系：(以二元联系(两个实体集之间的联系)为例)·

一对一联系（1：1）对于实体集A的每一个实体，实体集B中至多有一个实体与之联系；反之亦然，则称实体集A和实体集B具有1：1联系

·

一对多联系（1：n）对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体与之联系；而对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B存在1：n的联系。

·

多对多联系（m:n）若对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体与之联系；而对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体与之联系，则称该二个实体集A，B之间存在m:n联系

第二十八页，共58页。E－R图学号SNO姓名SNME系别DEPART出生年月BDATE学生S所属SCL班级CLASS班号CLNO班名CLNAME班长MONITOR排座SS教室座位SIE排号ROW列号COLUMN选课SC成绩GRADE课程C课程号CNO课程名CNAME学时LHOUR开课时间SEMESTERnm1n11性别SEX身高HEIGHT第二十九页，共58页。数据模型层次模型（HierarchicaModel）层次模型用树结构表示实体集之间的联系。

网状模型（NetworkModel）用网络结构表示实体集之间联系的数据模型。

关系模型（RelationalModel）用二维表结构表示实体集以及实体集之间联系的数据模型

面向对象模型（Object-OrintedModel）第三十页，共58页。在面向对象模型中把现实世界的实体都模拟为一种对象，并把类似的对象归并为一类（Class）每个对象有一个状态，对象的状态是该对象属性值的集合每个对象有一组操作，而每个操作决定对象的一种行为每个对象有一个唯一的标识符，它把对象状态和对象行为“封装”在一起对象之间通过消息进行通信。当一个对象要求另一个对象做某个动作时，就向它发送一个消息，以激活该对象的某个方法对象的每个方法都对应且仅对应一条消息对象运行的结果也以消息的形式给出面向对象模型第三十一页，共58页。6.2关系数据库第三十二页，共58页。6.2.1关系模型第三十三页，共58页。（1）关系数据模型的逻辑结构关系数据模型的基本结构是关系关系数据模型中数据的逻辑结构是一张二维表（Table），它由表名、行和列组成。表的每一行称为一个元组（Tuple），每一列称为一个属性（Attribute）。用关系数据模型对一个具体单位中客观对象的实体集、属性和联系的结构描述，一般称为关系数据模式（DataSchema），而二维表中的内容即为其实例。关系数据模式的一般描述形式为：R（A1,A2,…Ai…,An）1关系数据模型的数据结构第三十四页，共58页。（2）关系数据模型的存储结构在关系数据模型中，实体集、实体集之间的联系都用二维表来表示。在支持关系模型的数据库（即关系数据库）物理组织中，二维表以文件形式存储。在大多数数据库中，二维表与操作系统中的文件相对应。文件系统（操作系统）关系模型数据库语言SQL记录类型关系模式基本表结构文件关系（二维表）基本表记录元组行数据项属性列（3）关系数据模型的特点第三十五页，共58页。在这一节里，我们从集合论角度给出关系数据结构的形式化定义。【定义1】域（Domain）是一组具有相同数据类型的值的集合。【定义2】给定一组域D1，D2，…，Dn，这些域中可以有相同的。其笛卡尔积（Cartesianproduct）为：D1×D2×…×Dn={(d1,d2,…,dn)|di∈Di,i=1,2,…,n}。2关系模型结构的形式化定义第三十六页，共58页。【定义3】D1×D2×…×Dn的子集称为在域D1，D2，…，Dn上的关系。若D1，D2，…，Dn对应的属性名为A1,A2,…，An，则可将这种关系的结构表示如下：R(A1/D1,A2/D2,…,An/Dn),可简化为：R(A1,A2,…，An)与前述相一致，称这种结构为关系数据模式，其中R为关系数据模式的名，n为关系数据模式的属性的个数，称为关系的目（degree或arity）。关系中的每个元素称关系的元组（Tuple），用t表示。由此，若R的值用r来表示，它是n目元组t的集合，即：r={t1,t2,…,tm}。其中，每个元组t可表示为：t=(v1,v2,…,vm),vi∈Di,1≤i≤n在关系数据模型中，对每个关系还作了一些限制第三十七页，共58页。关系模式用R（A1，A2，…，An）表示，仅仅说明关系的语法，但是并不是每个合乎语法的元组都能成为R的元组，它还要受到语义的限制。数据的语义不但会限制属性的值，数据的语义还会制约属性间的关系，这些约束可以用来保证数据库中数据的正确性，称其为关系数据模型的完整性约束。三类关系数据模型的完整性规则:（1）实体完整性（2）引用完整性（3）用户定义完整性约束3关系数据模型的完整性第三十八页，共58页。（1）实体完整性若属性A为关系R的主键，则A不能为空值（即其值处于未知状态，记为Null）或重值。【定义4】设F是基本关系R（指对应实际存储的文件）的一个或一组属性，但不是R的主键。如果F与另一个基本关系S的主键KS相对应，则称F是基本关系R的外键（Foreignkey），关系R和S可以是同一个关系。（2）引用完整性

R1的外键F要么是被引用关系R2中某一元组实际存在的主键值，要么为空值。简单地说，即“引用完整性”要求在关系中不允许引用不存在的实体（即元组）。（3）用户定义完整性约束

用户定义完整性它反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求，由应用环境对数据的需求而决定。第三十九页，共58页。E_R概念模型转换为关系模式的两条原则①实体的转换②联系的转换“联系”转换成”关系模式”中的主键应仔细考虑:联系为1：1联系为1：n联系为m:n4E_R概念模型转换为关系数据模式第四十页，共58页。6.2.2关系数据库的基本操作第四十一页，共58页。

关系数据模型提供了关系操作的能力，这种操作能力可用代数方式和逻辑方式来表示，分别称为关系代数和关系演算。关系代数：用对关系的运算来表达查询要求的方法(代数方式表示)关系演算：用谓词来表达查询要求的方式(逻辑方式表示)

关系代数操作简称为关系操作。分为两类：传统的集合操作关系专用的操作关系操作的结果仍为关系，可以再参与其他关系操作，构成关系代数表达式，由此描述对关系的各种复杂操作。第四十二页，共58页。关系是元组的集合，因此集合运算均可适用于关系。（2）差操作设关系R和S并相容，其差操作（Difference）表示为R-S，操作结果生成一个新关系，其元组由属于R，但不属于S的元组组成：1传统的集合操作（1）并操作设有关系R和关系S，它们有相同的模式结构（称R与S是“并相容”），其并操作（Union）表示为R∪S，操作结果生成一个新的关系，其元组由属于R的元组和属于S的元组共同组成：并、差、交、积第四十三页，共58页。（3）交操作(Intersection）设关系R和S并相容，其交操作表示为：R∩S，操作结果为：即结果关系中的元组由既属于R又属于S的元组组成。关系的交可以用差来表示：或者第四十四页，共58页。（4）广义笛卡尔积设关系R和S分别具有p和q个属性，定义R和S的广义笛卡尔积（ExtendedCartesianProduct）是一个具有（p+q）个属性的集合，每一个元组的前p个属性来自R的一个元组，后q个属性来自S的一个元组。广义笛卡尔积记为R×S，定义如下：注意:R×S有m×n个元组第四十五页，共58页。其中R为关系名，逻辑表达式F(t)表示条件，F(t)中的运算符包括∧、∨、┐、=、≠、>、＞＝、＜、＜＝及算术表达符，运算对象可以是属性名，常量等。由此可见，选择操作实际上是从关系中选取使条件F(t)为真的元组组成新的关系，它是从行的角度进行的操作。2专门的关系操作它包括：选择、投影、连接、自然连接、除法（1）选择操作（Selection）选择操作是从关系中选择满足条件的元组组成一个新关系。选择操作用下式表示：σF

(R)=第四十六页，共58页。（a）关系RABCABCACabcabcacaafafcedcd（2）投影操作（Project）投影操作是对关系作垂直分解。从关系的属性中选择属性列，由这些属性列组成一个新关系。若A为关系R中的属性列，投影操作表示为：第四十七页，共58页。

连接是从关系R和S的广义笛卡尔积中选取属性值之间满足某一θ运算的元组，记为（3）连接操作（Join）其中i

表示关系R第i个属性，j表示关系S中第j个属性，θ是算术比较符。连接的形式定义如下：其中p是关系R的属性个数。第（p+j）个属性满足θ运算的元组。如果θ是等号“=”那么这个连接操作称为“等值连接”。在R和S的广义笛卡尔积中挑选第i个属性和第四十八页，共58页。自然连接是一种特殊的等值连接，它要求两个关系中进行比较的属性必须是相同的属性列，并且在结果中把重名的属性列去掉。即若关系R和S具有相同的属性列B，则自然连接记作：（4）自然连接（naturaljoin）RS=其中是从关系S中去掉B属性列的元组。第四十九页，共58页。设有关系R(x,y)和S(y)，x和y为属性列，且S(y)≠Ф，则除法操作（Division）可记为：（5）除法操作R÷S=R：学生-外语课程选修表S：外语课程开设表R÷S：选修全部外语课程学生表学号

姓名

课程号

课程名

C005

张雷

W-001

英语

C005

张雷

W-002

日语

C005

张雷

W-003

德语

C008

王宁

W-001

英语

C008

王宁

W-003

德语

R098

钱欣

W-001

英语

A041

周光明

W-002

日语

A041

周光明

W-003

德语

M038

李霞霞

W-001

英语

A041

周光明

W-001

英语

课程号

课程名

W-001

英语

W-002

日语

W-003

德语

周光明A041张雷C005姓名学号第五十页，共58页。3.关系代数操作的应用实例

以上9种关系代数操作，其中并、差，广义笛卡尔积、投影和选择5种操作称为基本操作，它们可以组成关系代数的完备操作集。其他操作（如交、连接和除法）均可以用这5种基本操作来表达。第五十一页，共58页。6.2.3关系数据库语言SQL第五十二页，共58页。数据库语言：数据库管理系统配置，使用户可以对数据库进行各式各样的操作，构成用户和数据库的接口的语言。由于DBMS所提供的语言一般局限于对数据库的操作，不同于计算机的程序设计语言，因而称它为数据库语言。关系数据库语言是一种非过程语言。SQL（StructuredQueryLanguage）：一种基于关系代数和关系演算之间的语言非过程语言是有别于过程语言的，即对用户而言只要说明“做什么”，指出需要何类数据，至于“如何做”才能获得这些数据的过程，则不必要求用户说明，而由系统来实现。第五十三页，共58页。SQL数据库具有三级体系结构。在SQL中，逻辑模式对应于基本表（BaseTable）,存储模式对应于存储文件，用