数据模型与数据库系统结构

浪子1511738045X第一章：绪论数据模型与数据库系统结构第1页第一章绪论数据模型与数据库系统结构第2页第一章绪论数据库技术产生于六十年代末，是数据管理最新技术，是计算机科学主要分支。数据库技术是信息系统关键和基础，它出现极大地促进了计算机应用向各行各业渗透。数据库建设规模、数据库信息量大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度主要标志。数据模型与数据库系统结构第3页1.1数据库系统概述1.1.1四个基本概念数据(Data)数据(Data)是数据库中存放基本对象数据定义描述事物符号统计数据种类文本、图形、图像、音频、视频、学生档案统计、货物运输情况等数据特点数据与其语义是不可分数据模型与数据库系统结构第4页数据库(Database)数据库定义数据库(Database,简称DB)是长久储存在计算机内、有组织、可共享大量数据集合。数据库基本特征数据按一定数据模型组织、描述和储存可为各种用户共享冗余度较小数据独立性较高易扩展概括地讲，数据库数据含有永久存放、有组织、可共享三个基本特点。数据模型与数据库系统结构第5页数据库管理系统(DBMS)什么是DBMS位于用户与操作系统之间一层数据管理软件。是基础软件，是一个大型复杂软件系统DBMS用途科学地组织和存放数据、高效地获取和维护数据DBMS主要功效

数据定义；数据组织、存放和管理；数据操纵；数据库事务管理和运行管理；数据库建立和维护；其它功效。数据模型与数据库系统结构第6页数据库系统(DBS)数据库系统（DatabaseSystem，DBS）在计算机系统中引入数据库后系统组成数据库系统组成数据库数据库管理系统（及其开发工具）应用系统数据库管理员数据模型与数据库系统结构第7页

数据库

应用系统应用开发工具

操作系统

数据库管理系统

数据库管理员用户用户用户

数据库系统数据模型与数据库系统结构第8页1.1.2数据管理技术产生和发展在应用需求推进下，在计算机硬件、软件发展基础上，数据管理经历了人工管理、文件系统、数据库系统3个阶段。人工管理阶段

时间：20世纪50年代中期以前

特点：数据不保留，程序管理数据，数据不共享，数据不含有独立性文件系统阶段

时间：20世纪50年代后期到60年代中期

特点：数据可长久保留，由文件系统管理数据

缺点：共享性差，冗余度大；独立性差数据库系统阶段

时间：20世纪60年代末以来

背景：计算机应用广泛，数据量剧增，共享需求强烈，硬件发展且价低数据模型与数据库系统结构第9页1.1.3数据库系统特点数据结构化整体结构化

不再仅仅针对某一个应用，而是面向全组织

不但数据内部结构化，整体是结构化，数据之间含有联络数据共享性高，冗余度低，易扩充数据库系统从整体角度对待和描述数据，数据面向整个系统，能够被多个用户、多个应用共享使用。数据共享好处降低数据冗余，节约存放空间防止数据之间不相容性与不一致性使系统易于扩充数据模型与数据库系统结构第10页数据独立性高物理独立性指用户应用程序与存放在磁盘上数据库中数据是相互独立。当数据物理存放改变了，应用程序不用改变。逻辑独立性指用户应用程序与数据库逻辑结构是相互独立。数据逻辑结构改变了，用户程序也能够不变。数据模型与数据库系统结构第11页数据由DBMS统一管理和控制

并发共享：多个用户能够同时存取数据库中数据，甚至能够同时存取数据库中同一个数据。

为此，DBMS还需提供以下几方面数据控制功效：(1)数据安全性（Security）保护保护数据，以预防不正当使用造成数据泄密和破坏。(2)数据完整性（Integrity）检验将数据控制在有效范围内，或确保数据之间满足一定关系。(3)并发（Concurrency）控制对多用户并发操作加以控制和协调，预防相互干扰而得到错误结果。(4)数据库恢复（Recovery）将数据库从错误状态恢复到某一已知正确状态。数据模型与数据库系统结构第12页DBMS应用程序1应用程序2数据库…数据库系统阶段应用程序与数据之间对应关系

数据模型与数据库系统结构第13页1.2数据模型模型是对现实世界中某个对象特征模拟和抽象。数据模型阤是一个模型，它是对现实世界数据特征抽象。也就是说，数据模型是用来描述数据、组织数据和操作数据。现有数据库系统均是基于某种数据模型。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数据和信息。1.2.1两类数据模型数据模型应满足三方面要求能比较真实地模拟现实世界轻易为人所了解便于在计算机上实现数据模型与数据库系统结构第14页数据模型分为两类（分属两个不一样层次）概念模型

也称信息模型，它是按用户观点来对数据和信息建模，用于数据库设计。(2)逻辑模型和物理模型逻辑模型主要包含网状模型、层次模型、关系模型、面向对象模型等，按计算机系统观点对数据建模，用于DBMS实现。物理模型是对数据最底层抽象，描述数据在系统内部表示方式和存取方法，在磁盘或磁带上存放方式和存取方法。客观对象抽象过程---两步抽象现实世界中客观对象抽象为概念模型；把概念模型转换为某一DBMS支持数据模型。数据模型与数据库系统结构第15页DBMS支持数据模型概念模型认识抽象信息世界机器世界现实世界中客观对象抽象过程现实世界现实世界概念模型数据库设计人员完成逻辑模型物理模型由DBMS完成概念模型逻辑模型数据库设计人员完成数据模型与数据库系统结构第16页1.2.2数据模型组成要素a)数据结构什么是数据结构描述数据库组成对象，以及对象之间联络描述内容与数据类型、内容、性质相关对象与数据之间联络相关对象数据结构是对系统静态特征描述数据模型与数据库系统结构第17页b)数据操作数据操作对数据库中各种对象(型)实例(值)允许执行操作及相关操作规则数据操作类型查询更新(包含插入、删除、修改)

数据模型与数据库系统结构第18页c)完整性约束条件一组完整性规则集合。完整性规则：给定数据模型中数据及其联络所含有制约和储存规则用以限定符合数据模型数据库状态以及状态改变，以确保数据正确、有效、相容。数据模型与数据库系统结构第19页1.2.3概念模型概念模型实际上是现实世界到机器世界一个中间层次。概念模型用途概念模型用于信息世界建模是现实世界到机器世界一个中间层次是数据库设计有力工具数据库设计人员和用户之间进行交流语言对概念模型基本要求较强语义表示能力能够方便、直接地表示应用中各种语义知识简单、清楚、易于用户了解数据模型与数据库系统结构第20页信息世界中基本概念(1)实体（Entity）客观存在并可相互区分事物称为实体。能够是详细人、事、物或抽象概念。(2)属性（Attribute）实体所含有某一特征称为属性。一个实体能够由若干个属性来刻画。(3)码（Key）唯一标识实体属性集称为码数据模型与数据库系统结构第21页(4)域（Domain）属性取值范围称为该属性域。(5)实体型（EntityType）用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型(6)实体集（EntitySet）同一类型实体集合称为实体集(7)联络（Relationship）现实世界中事物内部以及事物之间联络在信息世界中反应为实体内部联络和实体之间联络。数据模型与数据库系统结构第22页两个实体型之间联络实体型A联络名实体型B111:1联络实体型A联络名1n1:n联络实体型A实体型B联络名mnm:n联络实体型B数据模型与数据库系统结构第23页两个以上实体型之间联络实例

课程、教师与参考书三个实体型一门课程能够有若干个教师讲授，使用若干本参考书，每一个教师只讲授一门课程，每一本参考书只供一门课程使用课程讲授教师1m两个以上实体型间1:n联络参考书n数据模型与数据库系统结构第24页单个实体型内联络实例

职员实体型内部含有领导与被领导联络某一职员（干部）“领导”若干名职员一个职员仅被另外一个职员直接领导这是一对多联络职员领导1n单个实体型内部1:n联络数据模型与数据库系统结构第25页概念模型一个表示方法：实体-联络方法实体－联络方法(E-R方法)用E-R图来描述现实世界概念模型E-R方法也称为E-R模型E-R图：实体型：用矩形表示，矩形框内写明实体名。属性：用椭圆形表示，并用无向边将其与对应实体连接起来

联络：联络本身用菱形表示，菱形框内写明联络名，并用无向边分别与相关实体连接起来，同时在无向边旁标上联络类型（1:1、1:n或m:n）；联络本身也是一个实体型，也能够有属性。假如一个联络含有属性，则这些属性也要用无向边与该联络连接起来数据模型与数据库系统结构第26页班级班级-班长班长111:1联络课程选修学生mnm:n联络班级组成学生1n1:n联络数据模型与数据库系统结构第27页课程选修学生mn成绩数据模型与数据库系统结构第28页用E-R图表示某个工厂物资管理概念模型实体仓库：仓库号、面积、电话号码零件：零件号、名称、规格、单价、描述供给商：供给商号、姓名、地址、电话号码、帐号项目：项目号、预算、开工日期职员：职员号、姓名、年纪、职称实体之间联络以下：(1)一个仓库能够存放各种零件，一个零件能够存放在多个仓库中。仓库和零件含有多对多联络。用库存量来表示某种零件在某个仓库中数量(2)一个仓库有多个职员当仓库保管员，一个职员只能在一个仓库工作，仓库和职员之间是一对多联络。职员实体型中含有一对多联络(3)职员之间含有领导-被领导关系。即仓库主任领导若干保管员(4)供给商、项目和零件三者之间含有多对多联络数据模型与数据库系统结构第29页数据模型与数据库系统结构第30页1.2.4最惯用数据模型层次模型(HierarchicalModel)网状模型(NetworkModel)关系模型(RelationalModel)面向对象模型(ObjectOrientedModel）对象关系模型(ObjectRelationalModel)数据模型与数据库系统结构第31页1.2.5层次模型层次模型是数据库系统中最早出现数据模型层次数据库系统经典代表是IBM企业IMS（InformationManagementSystem）数据库管理系统层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间联络层次数据模型数据结构满足下面两个条件基本层次联络集合为层次模型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.根以外其它结点有且只有一个双亲结点层次模型中几个术语根结点，双亲结点，弟兄结点，叶结点数据模型与数据库系统结构第32页

Ｒ1

根结点

Ｒ2

弟兄结点

Ｒ3

叶结点

Ｒ4

弟兄结点

Ｒ5

叶结点

叶结点图1.16一个层次模型示例数据模型与数据库系统结构第33页层次模型特点：结点双亲是唯一只能直接处理一对多实体联络每个统计类型能够定义一个排序字段，也称为码字段任何统计值只有按其路径查看时，才能显出它全部意义没有一个儿女统计值能够脱离双亲统计值而独立存在数据模型与数据库系统结构第34页图1.17教员学生层次数据库模型

根结点统计型系儿女结点统计型教员双亲结点叶结点叶结点字段数据模型与数据库系统结构第35页图1.18教员学生层次数据库一个值

数据模型与数据库系统结构第36页多对多联络在层次模型中表示用层次模型间接表示多对多联络方法将多对多联络分解成一对多联络分解方法冗余结点法虚拟结点法数据模型与数据库系统结构第37页层次模型数据操纵与完整性约束层次模型数据操纵查询：在层次模型中假如要查找一个统计必须从跟结点开始。插入：插入数据可先将数据写入系统输入/输出区，然后指定一个由根统计开始插入层次路径，完成数据插入工作。删除：当删除一个统计时候，其隶属全部子统计都将删除更新：先查询定位为当前统计，然后将该统计读到系统输入/输出区，在输入/输出区中对数据进行修改，然后用对应命令将修改后统计值写回到数据库中数据模型与数据库系统结构第38页层次模型完整性约束条件无对应双亲结点值就不能插入儿女结点值假如删除双亲结点值，则对应儿女结点值也被同时删除更新操作时，应更新全部对应统计，以确保数据一致性数据模型与数据库系统结构第39页邻接法按照层次树前序遍历次序把全部统计值依次邻接存放，即经过物理空间位置相邻来实现层次次序…A1A2C8C6C4B6C9C2B4C14C7C5C3B1A1图1.21邻接法数据模型与数据库系统结构第40页链接法用指导来反应数据之间层次联络儿女－弟兄链接法层次序列链接法层次模型优缺点优点层次模型数据结构比较简单清楚查询效率高，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完整性支持数据模型与数据库系统结构第41页缺点多对多联络表示不自然对插入和删除操作限制多，应用程序编写比较复杂查询儿女结点必须经过双亲结点因为结构严密，层次命令趋于程序化数据模型与数据库系统结构第42页1.2.6网状模型在现实世界中事物之间联络殉是非层次关系，用层次模型表示非树形结构是很不直接，网状模型则能够克服这一弊病。网状数据模型数据结构：满足下面两个条件基本层次联络集合：1.允许一个以上结点无双亲；2.一个结点能够有多于一个双亲。与层次模型一样，网状模型中每个结点表示一个刻录类型（实体），每个统计类型可包含若干个字段（实体属性），结点间连线表示统计类型之间一对多父子联络。数据模型与数据库系统结构第43页多对多联络在网状模型中表示用网状模型间接表示多对多联络方法：将多对多联络直接分解成一对多联络网状数据模型操纵与完整性约束网状数据库系统对数据操纵加了一些限制，提供了一定完整性约束码：唯一标识统计数据项集合一个联络中双亲统计与儿女统计之间是一对多联络支持双亲统计和儿女统计之间一些约束条件数据模型与数据库系统结构第44页网状数据模型存放结构关键实现统计之间联络惯用方法单向链接双向链接环状链接向首链接数据模型与数据库系统结构第45页图1.25学生/选课/课程网状数据库实例

学生统计课程统计选课统计数据模型与数据库系统结构第46页网状数据模型优缺点优点能够更为直接地描述现实世界，如一个结点能够有多个双亲含有良好性能，存取效率较高缺点结构比较复杂，而且伴随应用环境扩大，数据库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，用户不轻易使用数据模型与数据库系统结构第47页1.2.7关系模型关系数据库系统采取关系模型作为数据组织方式1970年美国IBM企业SanJose研究室研究员E.F.Codd首次提出了数据库系统关系模型计算机厂商新推出数据库管理系统几乎都支持关系模型关系数据模型数据结构关系模型中数据逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。学号姓名年龄性别系名年级004王小明19女社会学006黄大鹏20男商品学008张文斌18女法律数据模型与数据库系统结构第48页关系（Relation）一个关系对应通常说一张表元组（Tuple）表中一行即为一个元组属性（Attribute）表中一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名主码（Key）表中某个属性组，它能够唯一确定一个元组。域（Domain）属性取值范围。分量元组中一个属性值。数据模型与数据库系统结构第49页关系模式对关系描述关系名（属性1，属性2，…，属性n）学生（学号，姓名，年纪，性别，系，年级）学生、系、系与学生之间一对多联络：学生（学号，姓名，年纪，性别，系号，年级）系(系号，系名，办公地点)学生、课程、学生与课程之间多对多联络：学生（学号，姓名，年纪，性别，系号，年级）课程（课程号，课程名，学分）选修（学号，课程号，成绩）数据模型与数据库系统结构第50页关系必须是规范化，满足一定规范条件最基本规范条件：关系每一个分量必须是一个不可分数据项,不允许表中还有表图1.27中工资和扣除是可分数据项,不符合关系模型要求数据模型与数据库系统结构第51页关系数据模型操纵与完整性约束数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系查询插入删除更新数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组集合存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”，无须详细说明“怎么干”数据模型与数据库系统结构第52页关系数据模型存放结构实体及实体间联络都用表来表示表以文件形式存放有DBMS一个表对应一个操作系统文件有DBMS自己设计文件结构关系数据模型优缺点优点建立在严格数学概念基础上概念单一关系模型存取路径对用户透明数据模型与数据库系统结构第53页缺点存取路径对用户透明造成查询效率往往不如非关系数据模型为提升性能，必须对用户查询请求进行优化，增加了开发DBMS难度数据模型与数据库系统结构第54页1.3数据库系统结构从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采取三级模式结构，是数据库系统内部系统结构从数据库最终用户角度看（数据库系统外部体系结构），数据库系统结构分为:单用户结构主从式结构分布式结构客户／服务器浏览器／应用服务器／数据库服务器多层结构等数据模型与数据库系统结构第55页1.3.1数据库系统模式概念“型”和“值”概念模式是数据库中全体数据逻辑结构和特征描述，它仅仅包括到型描述，不包括到详细值。模式一个详细值称为模型一个实例，同一个模式能够有多个实例。比如数据模型与数据库系统结构第56页1.3.2数据库系统三级模式结构数据库三级模式结构是指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级组成。模式详细定义：数据逻辑结构（数据项名字、类型、取值范围等）数据之间联络数据相关安全性、完整性要求数据模