第11单元数据库概述主讲刘志强

1、,第11单元 数据库概述,计算机软件基础 Fundamentals of Computer software,思考问题,当应用中涉及处理大批量数据时还使用FS？有没有更好的处理方法？ 在FS中，数据文件是由用户自己定义和维护的，安全性、可靠性、数据完整性受到影响。怎么解决这个问题？ 数据文件可以共享，前提是要知道它的类型、格式、记录长度等参数，很不方便。怎么解决？ ,教学目标、要求,了解什么是数据库 了解什么是数据模型 了解数据处理技术的发展变化及趋势 三种计算模式,涉及的章节,第6章 数据库系统基础 6.1 概述 6.2 数据模型 6.3 数据库系统的结构,一、基本概念,数据处理(Data

2、Processing) 是计算机应用中的最大的一个分支。最初指在计算机上加工商业、企业的信息和数据，现在常用来泛指非科技工程方面的计算、管理和操纵任何形式的数据资料。,数据库(DataBase),在计算机上合理存放的相互关联的数据的集合,被称为数据库。 它具有下列特点: 最小冗余(尽可能不重复) 可以最优方式提供数据共享 数据的独立性 实现数据的统一管理 数据库技术是数据处理最有效的手段,数据库管理系统(DBMS),DBMS是在OS支持下工作的数据管理软件。 对内，它负责管理数据库； 对外，它向用户提供一整套命令，用于合法用户对数据库的各种操作；包括创建DB、定义数据、增、删、改DB记录、统计

3、计算等。,DBMS的功能,数据定义 DBMS提供了数据定义语言DDL。用户利用DDL可以方便地定义DB中数据的逻辑结构。 数据操纵 用户利用提供的数据操纵语言DML 可以方便地实现对数据的各种操作。 完整性约束检查 支持常用的完整性检查（指数据必须符合一定的规则，如学号必须惟一）。 访问控制 DB中数据可以共享，但只有合法用户才能访问授权的数据。 并发控制 允许多用户同时访问DB，但要避免并发操作可能带来的不一致性问题。 数据库恢复,数据库系统DBS,DBS是指在计算机系统中引入DB后的系统构成。 DBS = 数据库 + 用户 + 软件 + 硬件 硬件：指运行DBS的硬件资源，例如， SQL

4、Server要求至少16MB内存、32位CPU、 至少80MB硬盘空间； 软件：指DBS操作平台，例如WINDOWS NT、DBMS、汉字处理系统等； 用户：指终端用户、应用程序员和数据库管理员。,DBS阶段数据与程序的关系,用户1,用户2,用户m,应用程序1,应用程序2,应用程序3,应用程序n,数 据 库 管 理 系 统,数据库,数据字典,记录,DBS与FS比较具有的特点,整体数据结构化 在DBMS中，数据不属于任何应用，数据是公共的，结构是全面的。它减少了数据冗余。 数据的共享性高 数据与数据的逻辑结构同时存储在DB中，合法用户可以很方便地使用其中的数据。 数据独立性高 数据的独立性是指数

5、据与应用程序之间的关联性。数据和数据结构是存储在DB中，由DBMS管理。当用户需要数据时，DBMS把DB中的数据转换成用户需要的格式。 高度的数据控制能力 由DBMS专门管理DB，具有较高的数据安全性、较好的数据完整性、较强的并发控制能力和较强的数据恢复能力。,数据库管理员DBA,与DBS有关的人员分三种类型：用户、数据库开发人员和DBA。DBA是DB设计、开发成败的关键。 DBA的主要职责： 协调和沟通用户与DB开发人员。 参与DB设计工作。熟悉DB的整体布局及其原因，熟悉DB的存储结构、存取策略及原因。 决定数据的完整性约束条件和不同用户的存取权限。 保证DB的正常运行，进行DB 的维护工

6、作。 提出DB的重构计划。当用户的需求有较大变动时，DBA还应及时提出DB的重构计划，供部门负责人参考。,数据库视图,由于观察的角度不同，数据库中的数据的结构有三种不同的视图： 用户视图 也称用户级DB；即用户看到并可操作的那部分数据 全局视图 也称概念级DB；是数据库管理员看到并可操作的全部数据 物理数据存储模式 也称物理级DB；是DB中的各种信息在计算机中的实际分布和存储方式，它由操作系统和DBMS直接管理，用户不必了解，也不可能了解。,后继内容,数据库技术发展历史,数据库（DB）技术是管理数据的一种最新方法。 它起源于60年代末。30多年来，在理论上、实现技术上都有很大的发展。 特别是在

7、PC机上推出XBASE系统DBS后，使数据库技术走出实验室，从专业人员掌握的特殊工具变为普通用户手中的一般数据处理工具。 现在，DB已成为MIS、OA、CAM等领域的主要工具之一。,数据管理的发展阶段,数据管理经历了4个发展阶段： 手工管理阶段 文件系统阶段 数据库系统阶段 分布式数据库系统阶段,手工管理阶段（4650年代中期）,早期计算机数据处理应用没有专门管理数据的软件，程序自带数据。其特点是： 数据独立性差，不能共享； 数据冗余 无法集中式管理 主要用于科学计算,应用程序1,应用程序n,.,数据组1,数据组n,.,姓名 班级 性别 成绩 刘 计应 男 英语90 刘 计应 男 高数89 刘

8、 计应 男 物理80 ,学习成绩表,文件系统阶段（5060年代）,数据以文件的形式存放于外存中,数据由文件系统FS和操作系统OS统一管理，数据通过程序方式来实现操作。其特点是： 文件系统是应用程序和数据间的公共接口、统一存取； 文件由用户自定义，格式和内容不统一，难于共享； 数据冗余度大 文件系统本身无法解决这些问题。,应用程序1,应用程序n,.,数据组1,数据组m,.,文件 系统,数据库系统阶段（60年代至今）,由DBMS实现对DB的定义、管理和操作。DBMS是用户和数据间的接口，特别是网络和通信技术的发展，使异地、异机间的数据共享成为现实。其特点是： 能为多用户共享 数据冗余度最小 可以交

9、互方式或程序方式操作 问题:异地共享一处数据,容易造成网络通信“堵塞”,应用程序1,应用程序n,.,DBMS,DB,数据通信,局域网LAN 远程通信,.,DBMS,DB,实时方式,M,M,接收器,DBMS,DB,非实时方式,.,.,分布式数据库系统阶段（80年代中期）,分布式数据库DDBS(Distributed DBS)技术是DB技术和网络、通信技术的结晶产物。 其主要特点： 处理的数据分散在各个结点上，每个结点的数据由本地的DBMS管理，各结点间可以数据共享； 充分利用、发挥各个结点的资源优势，减轻网络负担；,数据库技术的发展方向,数据库的发展方向： 可视化 多媒体 面向对象的处理 交叉平

10、台 开放式 现代数据库还要具有： 数据仓库、数据开采、知识发现、决策支持的功能。,几种常用的数据库,XBASE 一种大众化的关系型数据库系统；类似产品有：DBASE、FOXBASE、FOXPRO、VFP等系列产品。 Oracle 大型关系数据库管理系统，具有兼容性、可移植性、可联接性、开放性、高生产率，支持SQL等优点。 Sybase 大型“客户机/服务器数据库体系结构”的DMS 具有分布式处理等优点。 Informix 是唯一具有“可伸缩、高性能”体系结构的DBMS。 SQL Server 是建立在 Windows NT 上的RDBMS。 Access 微软公司推出的桌面RDBMS。,对数据

11、库研究的发展趋势,由于计算机应用的普及，数据处理的社会需求剧增，极大地促进了DB技术的发展，至今为止，对DB的研究主要集中在以下几个方面： DB的设计方法 DB规范理论 分布式DBS 4GL及应用生成器 新一代DBS面向对象的DB系统,DB的设计方法,目前的DB设计方法，主要停留在经验与尝试阶段，工程规范程度不高。主要方法有： 数据模型设计： 解决从现实世界到DB的逻辑描述 数据存储与访问方法的设计：根据数据模型物理存储结构，确定用户访问数据的方式； DB的管理与保护：解决DB使用及维护中的各种问题，例如，对用户友好、使用简便、维护方便等。,DB规范理论,研究数据的语义问题（即数据元素间的关系

12、），构造规范的数据模型，其目的是使存储数据能正确地反映现实世界的联系，防止导出与客观实际矛盾的结果。 目前这方面的工作越来越形式化、抽象化，已成为一个独立的理论分支。,4GL及应用生成器,第四代语言（4GL）来源于DB查询语言，例如SQL Server。用户只需指出“做什么”，应用生成器自动生成相应的应用程序。 这方面的研究可以使DB应用系统开发趋于自动化、标准化，从而提高系统的效率、可靠性和可维护性。,新一代DBS面向对象的DB系统,传统应用模式（三种数据模型）适合于那些结构简单以及访问有规律的数据。但现代应用在更高级的领域，数据表示超出了用记录这种简单结构就能表示的范围，需要用到更复杂的抽

13、象数据类型，如声音、图标、包、清单、队列、地图等。 例如，一个地图对象可以定义为经、纬度，地点的时间维；以点到点之间的等高线来定义地形；用图标表示主要的嵌入对象。在地图的各区域可能还含有隐藏的数据；例如，可以表示人口密度、水源、建筑物、污染情况等信息。 最新技术是面向对象的数据库系统OODBS，目前还处于探索阶段。即把OOPL与DB技术结合。,二、数据模型,从现实生活中的客观事物到存放于计算机中的数据，这样一个加工过程可划分为三个领域： 现实世界、观念世界和数据世界 表示实体之间联系的方式被称为数据模型，而实体模型是从客观事物中抽象得到的。,现实世界,现实世界是存在于人脑之外的客观世界，事物及

14、其相互联系就存在于这个世界中。 事物可用“对象”和“性质”来描述 又有“共同事物”和“特殊事物”两个不同级别。,观念世界,观念世界是现实世界在人脑中的反映，客观事物在概念世界中称为“实体”。 反映事物联系的是实体模型。 实体用“对象”和“属性”来描述 又分为“个体实体”和“总体实体”两个级别。,数据世界,数据世界是数据在观念世界中信息的数据化，现实世界中的事物及联系在这个世界中用数据模型来描述。 数据模型反映的是数据间的联系。 数据用“数据记录”和“数据项”来描述； 又分为“数据类型”和“数据值”两个不同级别。,数据加工三个的领域关系,数据,数据分级,记录项项值,数 据 模 型,实 体 模 型

15、,事物 及 联系,实体分级,实体,对象属性总体个体,事物,事物分级,对象性质共同特殊,抽 象 过 程,数据 世界,观念 世界,现实 世界,客观世界是信息之源，是设计DB的出发点。 实体模型和数据模型是对客观事物的两级抽象描述。 数据库的核心问题是数据模型。,结论： 要得到正确的数据模型，必须首先充分了解客观事物。,由此可见：,实体模型,实体模型 是用符号和文字描述的客观事物的联系。要考虑下述问题： 对象与属性 个体与总体 总体之间的联系 实体模型,对象和属性,对象和属性 在概念世界中，用实体来描述客观事物，实体可以是具体的，也可以是抽象的： 具体实体： 一个学生、一辆汽车 抽象实体： 一部法规

16、、一种算法 实体又可以分成“对象”和“属性”两类： 对象：人、汽车、工厂、西安交通大学等 属性：用来描述对象的特征信息；例如，“人”的特征有： 姓名、性别、民族、籍贯、出生日期等。 在设计、调研过程中，要从不同角度、观点考虑、分析实体及其属性。,个体和总体,个体：指单个的相互区别的特定实体。人的个体：张三、李四；学校的个体：北大、清华、西安交大等； 总体：泛指某一类个体的集合。“人”泛指张三、李四等个体组成的集合。 个体和总体的联系是对象的外部联系。,总体之间的联系,总体的个体之间有着某种联系，联系方式又分为三种： 一对一联系 实体A中任一个体至多对应实体B中的一个个体，反之亦然；则称A和B是

17、一一对应的联系。例如，高考录取、电影院看电影等。 一对多联系 实体A中至少有一个个体对应于实体B中一个以上的个体，反之亦然，则称这种联系是“一对多”的联系。例如，父亲对子女；院系对班级等。 多对多联系 实体A中至少有一个个体对应于实体B中一个以上个体；反之，B中也至少有一个个体对应于A中一个以上的个体，则称A对B是多对多的联系。例如，学生对课程、工厂对产品等。,实体模型,反映实体间联系的模型成为实体模型。分析、研究了客观事物及其联系后，即可建立实体模型。以教学为例： 教学由学生、课程、教师、学习、任课等实体组成。 学生属性：学号、姓名、性别、年龄、班级 课程属性：课程号、课程名称 教师属性：姓

18、名、课程号、课时 学习属性：学号、课程号、分数 任课属性：教师名、课程号、教室,教学实体模型示意图,数据模型,建立了实体模型后，就可以建立数据模型了。 在DBS中表示实体（数据记录）之间联系的方式称为数据模型。数据模型实际上是数据间的一个整体逻辑结构图。 为了使模型能清晰、准确地反映客观事物，要进行数据模型的设计，也即数据库的设计。,数据模型（DB）的设计,命名数据模型（数据库名称） 以示区别不同的模型，例如：成绩库.MDB 命名记录类型(数据库结构) 定义数据库记录结构，例如：成绩库记录 学号、课程号、分数 命名每个记录中的数据项（字段） XH（学号）、CNO（课程号）、SCORE（分数） 说明各个记录类型之间的联系 指出各数据项的数据特征 数据类型、长度、值域等。例如，XH ，字符型，长度为7,商店的数据关系模型,关系（库名）SHOP,店 名 地 址 经办人 电话,解放路食品店 解放路262号 李国基 3275036 桃园商场 桃园路6号 张山 6246161 香香瓜果店 北大街26号 王宏 3366201 白塔干鲜果店 西大街56号 宋良 3337637 北大街果品店 北大街231号 林青 3321116,关系框架 或 库结构,元组 或 记录,属性（字段）,属性 “电话”的值,三种数据模型,数据模型的好坏直接影响到DB的性能。当前较流行