数据库原理与应用 课件 第1章 数据库系统概述

数据库原理与应用第1章数据库系统概述本章知识导图本章学习目标了解：发展历史与系统构成数据管理技术的发展历史，数据库系统的组成，以及层次、网状、面向对象等数据模型的基础信息。理解：核心概念与转换逻辑数据与信息的联系与区别、数据处理与数据管理的异同，数据从现实世界到机器世界的转换逻辑及核心特点。掌握：模型要素与系统结构ER图的基本元素、数据模型三要素，以及数据库系统的三级模式、两级映像结构与数据独立性实现原理。目录01基本概念数据与信息·数据处理与管理·发展历史·系统组成02数据模型三个世界·概念模型·数据模型三要素·关系模型03数据库系统结构三级模式结构·两级映像与数据独立性04本章小结回顾本章重点内容，总结核心知识点1.1基本概念数据与信息数据处理与管理发展历史系统组成1.1.1数据与信息数据对客观事物或现象的原始符号记录，是未经加工的数字、文字、图像、声音等，本身无特定含义。信息经过组织、分析和解释后的数据，被赋予特定含义和实用价值，能反映客观事物的运动状态和变化。核心关系数据是信息的表现形式和载体，信息是数据的语义解释和内涵。案例：数据vs信息原始数据：孤立的数值记录08:00体温测量：37.5℃12:00体温测量：38.0℃18:00体温测量：37.8℃处理后信息：趋势与结论结论：体温持续高于正常水平，提示患者存在发烧症状1.1.2数据处理与数据管理数据处理侧重于数据的“使用”阶段，将原始数据加工分析并转化为有价值的信息。采集清洗分析挖掘可视化数据管理贯穿数据“全生命周期”，侧重于组织、存储与保护，确保数据质量与安全。分类存储备份恢复安全控制二者联系：数据管理是基础，为处理提供高质量数据；数据处理是手段，实现数据价值的转化。两者相辅相成，缺一不可。1.1.3数据管理技术的发展人工管理阶段20世纪50年代中期以前数据不保存，依赖程序管理，无独立性，数据冗余度大。文件系统阶段50年代后期-60年代中期数据可长期保存，由文件系统管理，共享性差，独立性弱。数据库系统阶段20世纪60年代后期至今数据结构化，高共享、低冗余，独立性高，由DBMS统一管理。人工管理阶段(20世纪50年代中期以前)主要特点数据不保存：无长期存储介质应用程序管理：数据由程序自行携带和管理数据不共享：各程序数据独立，无法互通数据不独立：数据结构改变需修改应用程序存在问题数据冗余度高：数据在多个程序间无法共享维护困难：数据与程序强耦合，维护成本高昂应用程序与数据的对应关系文件系统阶段(20世纪50年代后期至60年代中期)技术进步数据可长期保存在外存中，由文件系统统一管理存在局限数据共享性差，冗余度较高数据独立性低，缺乏统一管理控制应用程序与数据的对应关系数据库系统阶段(20世纪60年代后期至今)核心优势与特点数据结构化：结构化存储，面向整个组织数据共享性高：多用户、多应用并发访问数据冗余度低：统一管理，减少重复存储数据独立性高：物理独立性与逻辑独立性统一管理控制：由DBMS统一管理和控制应用程序与数据的对应关系1.1.4数据库系统(DBS)的组成1.数据库(DB)长期存储的、有组织的、可共享的数据集合，是系统的数据基础。2.数据库管理系统(DBMS)位于用户与操作系统之间的系统软件，是DBS的核心管理机构。3.数据的用户包括数据库管理员(DBA)、系统设计员、应用程序员和终端用户。4.计算机平台包括硬件平台（CPU、内存、存储）和软件平台（操作系统）。数据库核心定义数据库是长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的大量数据的集合。永久存储数据可以长期保存在存储设备中，不会因为程序结束而消失。有组织数据按一定的数据模型进行组织、描述和存储，结构清晰规范。可共享数据库中的数据能为多个用户、多个应用程序并发共享使用。数据库管理系统数据定义功能负责定义数据库的结构，包括创建和修改表、视图、索引等模式对象，构建数据库的逻辑框架。数据操作功能实现对数据的基本操作，支持用户进行数据的插入(增)、删除、更新(改)和查询(查)等核心业务处理。数据控制功能保障数据安全与一致性，涵盖用户权限管理、数据完整性约束以及多用户并发操作的控制机制。数据库维护功能确保系统长期稳定运行，包括数据的备份与恢复、数据库重构以及系统性能的监控与优化。数据的用户数据库管理员(DBA)负责数据库的整体规划、设计、维护和安全，是系统的最高管理者。数据库设计员专注于数据库的结构设计和概念模型设计，构建高效的数据架构。应用程序员负责编写访问数据库的应用程序，实现业务逻辑与数据的交互。终端用户通过应用程序界面直接使用数据库的普通用户，是系统的最终服务对象。计算机平台硬件平台(Hardware)提供数据库系统运行的物理基础：计算核心：高性能CPU提供强大算力存储系统：大容量内存与高速存储设备网络设施：高带宽网络设备保障数据传输软件平台(Software)连接硬件与应用的逻辑桥梁与运行环境：操作系统：提供底层运行支持接口支持：为DBMS和上层应用提供标准接口开发工具：配套的开发环境与管理工具链1.2数据模型三个世界/概念模型/数据模型三要素/关系模型1.2.1三个世界现实世界客观存在的事物及其联系，是数据库管理的对象来源。信息世界对现实世界的抽象，形成概念模型（如ER图），便于理解。机器世界对信息世界的转换，形成适合计算机处理的数据模型。现实世界核心定义现实世界是指我们生活的客观环境，存在着各种各样的事物（对象）以及事物之间的联系。典型示例以学校环境为例：包含学生、教师、课程等事物；以及选课、授课、班级归属等联系。核心作用现实世界是数据库系统中所有数据的最终来源，是信息处理的起点。信息世界的基本概念实体(Entity)客观存在并可相互区别的事物，是信息世界的基本单元。属性(Attribute)实体所具有的某一特性，用于描述实体的具体特征。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。实体集(EntitySet)同一类型实体的集合，代表具有相同特征的一类事物。码(Key)唯一标识实体的属性集，确保每个实体都有独一无二的身份。联系(Relationship)实体集之间的关联，描述事物之间的相互作用和关系。机器世界基本定义计算机世界的映射

机器世界也称为计算机世界，它是数据在计算机系统中的具体表示和存储形式。这是现实世界经过抽象后的最终物理载体。概念对应关系实体记录(Record)属性字段(Field)实体集数据表(Table)联系引用/联系表核心作用DBMS的操作层面

机器世界是数据库管理系统（DBMS）实际操作和管理数据的层面。所有的数据查询、插入、更新和删除操作，最终都是在这个层面上对物理存储的数据进行的。三个世界术语关系1.2.2概念模型与ER图概念模型定义现实世界到机器世界的一个中间层次，独立于具体的DBMS，用于描述现实世界的结构。ER图(实体-联系图)基本元素实体——矩形表示代表客观存在的事物，如“学生”、“课程”等。属性——椭圆形表示代表实体的特征，如学生的“学号”、“姓名”等。联系——菱形表示代表实体之间的关联，如学生“选修”课程。实体集间的联系类型一对一(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。

示例：一个班级只有一个班长，一个班长只属于一个班级。一对多(1:N)如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体(n≥0)与之联系；反之，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。示例：一个班级有多个学生，但一个学生只属于一个班级。多对多(M:N)如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体(n≥0)与之联系；反之，实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体(m≥0)与之联系。

示例：一个学生可以选修多门课程，一门课程可以被多个学生选修。实体集间的联系类型ER图绘制示例：学生选课实体：学生(Student)●属性：学号(主键)●属性：姓名●属性：性别实体：课程(Course)●属性：课程号(主键)●属性：课程名●属性：学分联系：选课(SC)属性：成绩(Grade)联系类型：多对多(M:N)说明：一个学生可选多门课，一门课可被多个学生选。核心概念：实体（矩形）+属性（椭圆）+联系（菱形）ER图绘制示例：学生选课ER图案例职工工号姓名年龄民意测验性别职称领导1m零件代号名称数量价格组装mn医生病人主诊看护1nmnER图综合案例为某百货公司数据库系统设计一个E-R模型。百货公司管辖若干连锁商店，每家商店经营若干商品，每家商店有若干职工，但每个职工只能服务于一家商店。商店的属性有：店号、店名、店址、店经理。商品的属性有：商品号、品名、单价、产地。职工的属性有：工号、姓名、性别、工资。在联系中应反映出职工参加某商店工作的开始时间。E-R模型设计的一般步骤：1、确定实体集2、确定实体集之间的联系和联系的类型3、确定属性（实体属性、联系属性）

ER图综合案例入职时间数据模型三要素数据结构描述数据的类型、内容、性质、结构以及数据之间的联系，是数据库的静态特性。数据操作定义对数据可以执行的操作（如查询、插入、删除、修改）及相应的操作规则，是数据库的动态特性。完整性约束一组完整性规则，用以限定符合数据模型的数据库状态及状态变化，保证数据的正确性与相容性。数据结构基本定义数据结构是数据模型的基础，它描述了数据库的组成对象以及对象之间的联系。核心作用决定数据的组织与存储方式，是数据库设计的核心。不同模型（如关系模型）对应不同结构，例如关系模型的数据结构即二维表。数据操作数据操作是指对数据库中各种对象（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。主要操作类型查询：检索数据库中的数据，获取所需信息。更新：包括插入(Insert)、删除(Delete)和修改(Update)数据。操作规则定义DBMS必须明确定义操作的：确切含义与操作符号具体的操作规则实现操作的语言（如SQL）数据完整性约束数据完整性约束是一组规则的集合，作为数据库的“门卫”，确保存储数据的准确性与一致性。实体完整性确保表中的每一行（实体）都是唯一的，通常通过定义主键（PrimaryKey）来实现唯一性约束。参照完整性维护表之间的引用关系有效性，防止无效数据的引用，通常通过外键（ForeignKey）来建立关联。用户定义完整性根据具体应用需求定义的特定业务规则，例如限制年龄必须大于0或性别只能是特定值。关系模型基础关系一个关系对应通常说的一张二维表，是数据组织的核心形式。元组表中的一行即为一个元组，对应现实世界中的一条记录。属性表中的一列即为一个属性，描述了实体的某个特征或字段。码表中的某个属性组，它可以唯一标识一个元组，选取一个码作为主码。域属性的取值范围，定义了数据的类型和部分约束条件。分量元组中的一个具体属性值（特征值或字段值），是数据的最小组成单元。数据模型对比层次模型结构特征：树形结构，节点间存在严格的层级关系。

特点：结构清晰，但难以表示多对多联系，灵活性较差。网状模型结构特征：图结构，是层次模型的扩展，允许节点有多个父节点。

特点：能表示复杂联系，但结构过于复杂，不易掌握和实现。关系模型结构特征：以二维表（关系）组织数据，理论基础完善。

特点：结构简单清晰，表达能力强，是目前应用最广泛的主流模型。1.3数据库系统结构三级模式结构、两级映像与数据独立性三级模式结构外模式用户视图/局部逻辑也称子模式或用户模式，是数据库用户使用的局部数据的逻辑结构和特征描述。模式全局视图/整体逻辑也称模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征描述，是所有用户的公共数据视图。内模式存储视图/物理结构也称存储模式，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。外模式核心定义：用户的数据视图外模式是数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，本质上是数据库用户所看到的数据视图。主要特点：多视图与安全性一个数据库可以有多个外模式，分别对应不同用户或应用的特定需求。有效保障数据安全，用户只能看见和访问被授权的外模式范围内的数据。模式定义与核心视图概念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。它综合了所有用户的需求，是数据库设计人员关注的核心。主要特点唯一性：一个数据库实例中只能有一个概念模式。抽象性：仅描述数据的逻辑结构，不涉及物理存储细节。核心地位：概念模式设计是整个数据库系统构建的核心环节。内模式核心定义内模式，也称存储模式，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。唯一性原则一个数据库只有一个内模式，它是数据物理存储的基础蓝图。存储结构描述详细描述了数据的存储结构（如索引、存储文件）和具体的存取路径。性能优化视角主要面向DBA和数据库设计人员，用于底层的性能调优和存储优化。两级映像与数据独立性外模式/模式映像定义外模式与模式的对应关系。当模式改变时，通过调整该映像即可保持外模式不变。保证：数据的逻辑独立性应用程序无需修改。意