数据库应用 第1章数据库系统概述学习资料

第1章数据库系统概述1.1数据库管理技术的发展历程1.2数据库与数据库管理系统的基本概念1.3数据模型1.4数据库系统结构1.5数据库系统在计算机的三大主要应用领域（科学计算、数据处理和过程控制）中，数据处理是计算机应用的主要方面。数据库技术是作为数据处理中的一门技术而发展起来的，它所研究的问题就是如何科学地组织和存储数据，如何高效地获取和处理数据。1.1数据库管理技术的发展历程数据库技术是随着数据管理任务的需要而产生的。数据管理是指对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，它是数据处理的中心问题。数据管理技术经历了人工管理、文件系统和数据库系统三个阶段。1.1.1人工管理阶段时间：20世纪50年代中期以前。背景：计算机硬件及软件都处于初级阶段。 ⑴硬件：外存只有纸带、卡片、磁带。（顺序存取） ⑵软件：没有操作系统，没有管理数据的软件，数据处理的方式是批处理。特点： ⑴数据管理由应用程序完成。数据的组织、存储结构、存取方式、输入输出及修改均由应用程序自身控制。 ⑵数据不共享。数据是依赖于具体应用程序而存在的。 ⑶数据缺乏独立性。由于数据和应用程序是组织在一起的，当数据的逻辑结构发生改变时，对应的应用程序必须做相应的改变。 ⑷数据不保存。1.1.2文件系统阶段时间：20世纪50年代后期到60年代中期。背景：硬件方面已有磁盘、磁鼓等直接存取设备（无需顺序存取）。软件方面有了专门的数据管理软件--文件管理系统（系统将有关数据按照一定规则组织成文件，存放到外存设备上）。特点： ⑴数据可以长期保存。 ⑵由文件系统管理数据。 文件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"的管理技术，可以对文件进行修改、插入和删除的操作。文件系统实现了记录内的结构性，但整体无结构。程序和数据之间由文件系统提供存取方法进行转换，使应用程序和数据之间有了一定的独立性。 ⑶数据共享性差，冗余度大。一个文件基本上对应一个应用程序，即文件仍然是面向应用的。由于相同数据的重复存储，各自管理，容易造成数据的不一致性。 ⑷数据独立性差。数据与程序之间仍缺乏独立性，一旦数据的逻辑结构改变，必须修改应用程序，对现有的数据再增加一些新的应用也很困难。1.1.3数据库系统阶段时间：20世纪60年代后期以后。背景：①计算机管理对象的规模越来越大，应用领域越来越广泛，处理的数据量急剧增加，对数据共享性的要求也越来越强烈。②大容量的磁盘已出现。③硬件价格下降，软件价格上升，为编制和维护系统软件及应用软件的成本相对增加。④在处理方式上，联机实时处理要求更多，并开始提出和考虑分布处理。在此背景下，出现了统一管理数据的专门软件--数据库管理系统。与文件系统相比，数据库系统是通过专门的数据管理软件对存放在数据库中的数据实施统一的管理和控制。从文件系统到数据库系统，标志着数据管理技术的飞跃。特点：⑴数据结构化 数据库系统的数据都是统一设计，并用复杂的数据模型表示，数据模型不仅描述数据本身的特点，还描述数据之间的关系。 数据库系统实现整体数据的结构化，是数据库的主要特征之一，也是数据库系统与文件系统的本质区别。⑵数据共享性高 数据不再面向特定的一个或多个应用程序，而是面向整个应用系统。⑶数据的独立性高 包括物理独立性和逻辑独立性。 ①物理独立性：用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中的数据是相互独立的（数据存储由DBMS管理）。 ②逻辑独立性：用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相对独立的。⑷数据冗余度小 数据冗余度是指同一数据重复存储的重复程度。⑸避免数据的不一致性 数据的不一致性是指同一数据不同备份的值不一样。⑹加强对数据的保护 数据的保护主要包括如下四个方面： ①数据的安全性控制 数据的安全性是指保护数据，防止未经授权的用户有意或无意地存取数据库中的数据。 ②数据的完整性 就是保证数据库中数据及语义的正确性和有效性，防止错误的数据进入数据库造成无效的操作。 ③并发控制 能对多用户的并发操作加以控制和协调，防止错误发生。 ④数据库恢复 具有检测故障并把数据从错误状态恢复到某一正确状态。1.2数据库与数据库管理系统的基本概念

1.2.1数据库基本概念

1.数据与信息⑴数据 数据是描述客观事物的符号记录，如字符、数字、文本、声音、图形、图像等。描述的可以是实在的事物，也可以是抽象的事物。数据的形式不能完全表达其内容，需要经过解释。所以数据和关于数据的解释是不可分的，数据的解释是指对数据含义的说明，数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的。⑵信息 信息是经过加工后的数据，它对接收者的行为能产生影响，它对接收者的决策具有价值。2.数据处理数据处理也可称为信息处理，指将数据转换成信息的过程。也就是从某些已知的数据出发，推导加工出一些新的数据，这些数据又表示了新的信息。在具体操作中，数据处理涉及到数据的收集、管理、加工利用乃至信息输出的演变与推导全过程。3.数据管理数据管理是指数据的收集、整理、组织、存储、维护、检索、传送等操作，这部分操作是数据处理业务的基本环节，而且是任何数据处理业务中必不可少的共有部分。数据处理是与数据管理相联系的，数据管理技术的优劣，将直接影响数据处理的效率。数据库技术正是瞄准这一目标研究、发展并完善起来的技术。4.数据库（DB）数据库是长期存储在计算机内、有组织的、统一管理的相关数据的集合。它能为各种用户共享，具有较小的冗余度、数据间联系紧密而又有较高的数据独立性等特点。1.2.2数据库管理系统（DBMS）是位于用户与操作系统之间的一层对数据进行管理的软件系统。主要提供以下功能：1.数据定义功能 提供数据定义语言（DDL，DataDefinitionLanguage），用于定义数据库中的数据对象。2.数据操纵功能 提供数据操纵语言（DML，DataManipulationLanguage），实现对数据库的基本操作，如对数据库中数据的创建、查询、修改和删除（CRUD）等。3.数据库的运行控制功能 提供数据控制语言（DCL，DataControlLanguage）对数据库的建立、运行和维护进行统一管理及统一控制，以保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用及故障恢复。4.数据库的建立和维护功能 初始数据的输入、转换功能，数据库的转储、恢复功能，数据库的重组织功能，性能监视、分析功能，通常由一些实用程序完成。5.数据库的存储管理功能

DBMS存储管理功能是把各种DML语句转换成低层的文件系统命令，起到数据的存储、检索和更新作用。6.数据字典 数据库系统中存放三级结构定义的数据库称为数据字典。对数据库的操作都要通过数据字典才能实现。 数据字典是由数据库管理系统自动生成并维护的，对用户和管理员来说都是只读的，可以从中获取数据库有关的信息。如：①数据库中各种对象的信息。 ②列的缺省值及完整性约束信息。 ③有关用户权限和角色的信息。7.数据通信功能 数据通信功能包括与操作系统的联机处理、分时处理和远程作业传输的相应接口等。1.2.3数据库语言数据库语言一般有两种：一种是交互式命令语言，它语法简明，可以独立使用；另一种是嵌入到某种程序设计语言中，称为宿主型语言。1.3数据模型

1.3.1数据模型概述通俗地讲，数据模型就是现实世界的模拟，是现实世界数据特征的抽象。由于计算机不可能直接处理现实世界中的具体事物，所以人们必须事先把具体事物转换成计算机能够处理的数据，这一过程经历了二层抽象。数据模型就是用来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息的工具。现有的数据库系统均是基于某种数据模型的，它是数据库系统的核心和基础。因此，了解数据模型的基本概念是学习数据库的基础。数据模型应满足三个方面的要求：一是能比较真实地模拟现实世界；二是容易为人们所理解；三是便于在计算机上实现。一种数据模型要很好地满足这三个方面的要求在目前尚很困难。在数据库系统中针对不同的使用对象和应用目的，采用不同的数据模型。根据模型应用的目的不同，可以将这些模型划分成两类，它们分属于两个不同的层次。第一类模型是概念模型，也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计。另一类模型是数据模型，它是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于DBMS的实现，包括网状模型、层次模型、关系模型等。1.3.2概念模型概念模型是现实世界到信息世界的中间层次，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。概念模型强调其语义的表达能力，要求能方便地、直观地表达应用中各种语义知识，如被描述对象的意义和相互关系等。该模型是用户和数据库设计人员之间进行交流与沟通的工具。1.基本概念⑴实体客观存在并可相互区别的事物称为实体。⑵属性实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。⑶码唯一标识实体的属性集称为码。 ⑷域属性的取值范围称为属性的域。⑸实体型具有相同属性的实体必然具有共同的特征和性质。用实体名及属性名集合来抽象和刻画同类实体，称为实体型。 ⑹实体集同型实体的集合称为实体集。⑺联系实体集与实体集之间，以及组成实体的各属性之间的关系。两实体集间的联系可分为三类。①一对一联系（1:1）如果对于实体集A中的每一个实体，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与实体集B具有一对一联系。②一对多联系（1:n）如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n（n≥0）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有一对多联系。③多对多联系（m:n）如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n（n≥0）个实体与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m（m≥0）个实体与之联系，则称实体集A与实体集B具有多对多联系。实际上，一对一联系是一对多联系的特例，而一对多联系又是多对多联系的特例。2.概念模型的表示方法概念模型的表示方法很多，其中最为著名最为常用的是由美藉华人陈平山于1976年提出的实体--联系方法（Entity-RelationshipApproach），E-R方法也称为E-R模型。E-R图构成要素：实体集--用矩形表示，矩形内写明实体名。属性--用椭圆表示，并用线与相应实体连接起来。联系--用菱形表示，框内写联系名，用线与有关实体连接，线旁写上联系类型。联系本身也可以是实体集，也可以有属性。例：设计E-R模型的过程①确定实体集及其属性。②确定实体集之间存在什么联系及联系的属性。例：学生选课管理系统中涉及学生、教师、单位和课程四个实体集。 学生（学号，姓名，选修课名） 教师（姓名，讲授课程号，教师号） 单位（单位名称，教师号） 课程（编号，课程名，开课单位，课程号）四个实体之间存在如下联系：①一个学生可选修多门课程，一门课程可为多个学生选修。②一个单位可有多个教师，一个教师只能属于一个单位。③一个教师可讲授多门课程，一门课程可为多个教师讲授。1.3.3数据模型数据模型是直接面向数据库的，表示数据结构及数据之间逻辑联系的结构形式，是对现实世界的第二次抽象。1.数据模型的三要素数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成。⑴数据结构数据结构是所研究的对象类型的集合，这些对象是数据库的组成部分，包括两类：①与数据类型、内容、性质有关的对象。②与数据之间联系有关的对象。数据结构是对系统静态特性的描述。⑵数据操作数据操作是指对数据中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则。数据操作是对系统动态特性的描述。⑶数据的约束条件数据的约束条件是一组完整性规则的集合。完整性规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则，用以保证数据的正确、有效和相容。2.基本的数据模型数据库管理系统总是基于某种数据模型的，根据DBMS的不同，数据模型可以分为层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型等。⑴层次模型用树型结构表示实体之间的联系。特点：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。例：教师学生数据库模型层次模型的优点及缺点优点：①层次数据模型本身比较简单。②对于实体间联系是固定的，且预先定义好的应用系统采用层次模型来实现，其性能优于关系模型。③提供了良好的完整性支持。缺点：①不能很好地表示非层次联系。②对插入和删除操作的限制比较多。③查询子女结点必须通过双亲结点。④由于结构严密，层次命令趋于程序化。⑵网状模型用网状结构表示实体之间联系的数据模型。特点：①允许一个以上的结点无双亲。②一个结点可以多于一个的双亲。例：学生选课网状数据模型网状模型的优缺点优点：①能够更为直接地描述现实世界。②具有良好的性能，存取效率高。缺点：①结构比较复杂，不利于用户掌握。②其DDL、DML语言复杂，用户不容易使用。1.4数据库系统结构虽然现在DBMS的产品多种多样，在不同的操作系统支持下工作，但是大多数系统在总的体系结构上都具有三级结构特征。1.4.1数据库三级模式结构①模式（逻辑模式）是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。模式实际上是数据库数据在逻辑级上的视图，它以某一种数据模型为基础，统一考虑了所有用户的需求，并将这些需求有机地结合成一个整体。定义模式时，不仅要定义数据的逻辑，例如数据记录由哪些数据项构成，数据项的名字、类型、取值范围等，而且要定义数据之间的联系，定义与数据有关的安全性、完整性要求。一个数据库只有一个模式。1.4.1数据库三级模式结构②外模式（用户模式）外模式是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，是数据库用户的数据视图。由于外模式是各个用户的数据视图，如果不同的用户在应用要求、看待数据的方式、对数据保密的要求等方面存在差异，则其外模式描述就是不同的，即使对逻辑模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同。外模式是保证数据安全性的一个有力措施。外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式，但一个应用程序只能使用一个外模式。1.4.1数据库三级模式结构③内模式（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。例如记录的存储方式是顺序存储，B树结构存储，还是按照hash方法存储，索引按照什么方