数据库系统原理及应用 丁忠俊 第一章 数据库概论.ppt

1、数据库系统原理,第一章 数据库概论,本课程解决的问题：如何有效的组织、管理计算机系统中的大量的数据？ 引出： DB的概念 方法 理论 技术 本章的重点： DB的体系结构 DBS结构,第一节 数据管理技术发展,经历三个阶段： 人工管理阶段（20世纪50年代中期以前） 文件系统管理阶段（20世纪50年代后期至 60年代中期） 数据库管理阶段（20世纪60年代末开始）,一 人工管理阶段,存储介质： 磁带、卡片、纸带（无磁盘）主要用于科学计算 特点：数据量小、计算复杂。 数据管理的特点： （1）数据不保存在计算机中。 （2）只有程序的概念，无文件的概念。 （3）没有专用的软件对数据进行管理。 （4）数

2、据面向应用，程序与数据不具有独立性。,二 文件系统管理阶段,存储介质：出现了磁盘和磁鼓。 应用：由科学计算转向于信息管理。 特点：计算简单，数据量大。 数据管理的特点： （1）数据要求长期保存在磁盘上。 （2）数据不再属于某个特定的程序，可重复使用。 （3）数据逻辑结构和物理结构有区别；程序与数据之间具 有“设备独立”。 （4）文件组织呈现多样化：索引文件，链接文件和散列文 件等。,文件系统管理数据的缺点： （1） 数据冗余大。 （2）数据操作具有不一致性。 (3) 数据缺乏独立性。 （4）数据之间联系弱。 （5）数据管理无法实施统一的标准。,三 数据库管理阶段,1、特点： (1) 采用了复杂

3、的数据模型表示数据结构。 (2) 有较高的数据独立性。 数据的逻辑独立：当数据整体逻辑结构改变时，尽量不影响用户的 逻辑结构和应用程序 。 数据的物理独立：当数据的物理结构改变时，不影响整体的逻辑结 构以及应用程序 。 (3) 减少了数据的无控冗余。 (4) 数据库系统为用户提供了方便的用户接口来使用数据库。 (5) 数据操作的基本单位是数据项而不是记录，增强了系统的灵活性。 (6) 系统提供了4个方面的数据控制功能：数据库的恢复、并发控制、 数据完整性和数据的安全性。,2、4个重要的概念 （1）数据库（Database）:能为多个用户所共享，具有最小冗余 度，数据间联系密切，而又有较高数据独

4、立性的数据存储库。 （2）数据库管理系统（DBMS）：位于用户与OS之间的一层数据管 理软件，它能为用户或应用程序提供访问DB的方法，包括DB 的建立、查询、更新及各种数据控制。 （3）数据库系统（DBS）:实现有组织地，动态地存储大量关联数 据，方便多用户访问计算机软件、硬件和数据资源组成的系统. （4）数据库技术：是一门研究数据库的结构、存储、管理和使用的 软件科学。,第二节 数据描述,一 三个领域的数据描述 从事物的特性到计算机中的数据表示要经历三个领域： 现实世界、信息世界和计算机世界。,（1）现实世界：人们头脑之外的客观世界用表格、报表、图表记录的数据。 （2）信息世界：用文字和符号

5、记载下来实现世界相关数据。 常用术语： 实体（entity）：客观存在并可相互区别的事物称为实体。 实体集：同类、性质相同的实体的集合。 属性（attribute）:实体的某种特性。 实体标识符：能唯一标识每一个实体的属性或属性集。,(3)计算机世界：信息世界的信息在机内的数据存放形式。 常用术语： 字段（field）：标记实体属性的命名单位。 记录（record）：字段的有序集合。 文件（file）：同类记录的汇集。 关键字（key）：能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集。,信息世界与计算机世界的术语对应关系 信息世界 计算机世界 实体 记录 实体集 文件 属性 字段 实体标识符 关键字,

6、二 数据联系的描述,实体内部的联系：反映在数据上指记录内部字段间的联系 实体联系有两类： 实体间的联系：反映在数据上指记录之间的联系 同一实体集中各实体的联系（简单联系） 实体间的联系： 不同实体集中各实体的联系（复杂联系） 1对1联系 不同实体集之间的联系分为三类： 1对多联系 多对多联系,1、1对1联系,如果实体集E1中每个实体至多与实体集E2中一个实体有联系，反之亦然，则E1对E2称为“1对1”的联系 ，记为：1:1。,E1,E2,图形表示为：,E1,E2,E1,E2,或,1:1,2、1对多的联系,如果实体集E1中每个实体与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联系，而E2中每个实体至多

7、和E1中一个实体有联系，则称E1与E2的联系为“1对多”联系， 记为：1:m。,E1,E2,图形表示为：,E1,E1,E2,E2,或,1:m,3、多对多的联系,如果实体集E1中每个实体与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联系，反之亦然，则称E1与E2的联系是“多对多”的联系，记为n:m。,E1,E2,图形表示为：,E1,E2,E2,E1,或,n:m,注：,记录中的字段之间（属性之间）也存在这三种联系。 三种联系的联系： 实体集之间的复杂联系：,1:1,1:n,n:m,航班,驾驶员,飞机,零件,一个零件由若干个子零件组成，而一个零件又是其他零件的子零件。,第三节 数据模型,表示实体类型及实体

8、间联系的模型。 数据库结构是以数据模型为基础构建的。,一、数据模型的分类,（1） 概念模型（语义模型）：独立于计算机，用来描述特定组织关心的信息结构，着重信息之间的语义表达，如：实体联系模型（ER模型）。 （2）结构模型：面向DB逻辑结构的模型，如：层次、网状、关系和面向对象模型。,两大类：,结构模型的组成（模型3要素） 数据结构：实体类型和联系表达与实现； 数据操作：检索与更新操作； 数据完整性约束：数据及联系应具有的约束和依赖规则。,1. 概念模型与结构模型的关系：,2. 模型的特点 （1）概念模型特点： 表达了系统用户对应用项目所涉及数据的整体逻辑结构； 概念模型是从用户需求的观点出发，

9、对数据的建模； 概念模型独立于计算机硬件和软件； 概念模型是DB设计人员与用户进行交流的工具。 （2）逻辑模型特点： 逻辑模型表达了DB整体逻辑结构； 逻辑模型是从数据库实现的观点出发，对数据的建模； 逻辑模型独立于计算机硬件，依赖于软件； 逻辑模型是DB设计人员与应用程序员进行交流的工具。 逻辑模型主要有三种：网状、层次、关系。 （3）外部模型特点： 外部模型是逻辑模型的逻辑子集；, 独立于计算机硬件，依赖于软件； 表达单个用户使用数据库的观点。 划分外部模型的优点： 简化了用户的观点； 有助于DB的安全和保护； 外部模型是对概念模型的支持。 （4）内部模型特点： 内部模型（物理模型）是DB

10、最低层的抽象。描述数据在磁盘或磁带上的存储方式。存储设备。存取方法的细节； 内部模型依赖于软件和硬件； 注意： 对于层次和网状DB，需要精心设计内部模型。对于关系DB不必考虑内部模型的设计细节，由DBMS自动完成。 物理DB是DB唯一的物理实体。,二、E-R模型,E-R模型：E-R图表示现实世界中实体及实体间联系的模型。 用途：用于DB概念设计阶段，描述DB概念模式。 构成： 矩形框：其内写上实体名，表示实体类型； 菱形框：其内写上联系名，表示联系类型； 椭圆框：其内写上属性名，表示实体或联系的属性； 直线：连接实体，联系及属性框，傍边可标注联系的种类（1:1,1:n或n:m）。,例：,有语义

11、：“一个部门拥有多个仓库，仓库中存放了多种零件，多种零件存放在不同的仓库中。”画出该语义的E-R图。,部门号,部门名,电话号,仓库名,地址,电话号码,零件号,零件名,数量,型号,部门,拥有,储存,仓库,零件,1,n,n,m,例：某学生宿舍管理系统，涉及的部分信息如下： 学生：学号，姓名，性别，专业，班级。 寝室：寝室号，房间电话。 管理员：员工号，姓名，联系电话。 其中：每个寝室可同时住宿多名学生，每名学生只分配一个寝室；每个寝室指定其中一名学生担当寝室长；每个管理员同时管理多个寝室，但每个寝室只有一名管理员。 建立一个反映上述局部应用的E-R模型。 解： E-R模型如下：,实体间联系的特殊情

12、况：,三元联系： 回路表示的实体集内部的联系： 语义（概念）模型描述的优点： 在高层上直接表达实体间联系的语义，容易理解； 不涉及数据组织的具体结构，与计算机无关。,供应者,工程,零件,零件,M,组装,m,n,k,m,n,三、结构模型,层次模型 传统的结构模型： 网状模型 关系模型,用树型结构或森林表表示实体及实体联系的模型。 层次模型树型结构： 树的结点是记录类型，有且仅有一个无父的结点（树的根），其它结点仅有一个父结点； 父子结点之间只能是1对多或则1对1的联系，不能是多对多。,1、层次模型,例：,d# dname,t# tname,c# cname credit,s# sname,dep

13、t,teacher,student,course,特点： 层次性：实体 之间的联系是单向的树任一结点只有唯一一条自根到达 它的路径； 有序性：从左到右的顺序规则了任一结点所有子树的先后次序； 原子性：结点中记录的任何属性均不可再分的简单类型数据； 父子结点之间是1对多（或则1对1）的联系。 优点：层次模型的DB中，结点记录之间是通过指针联系，查询效率高。 缺点： 结点之间的联系只能是1对多，因此，对于多对多联系需要转变且转换较为复杂。 由于树的层次性和顺序性的要求，引起数据查询和更新操作较为复杂。 典型的层次DB系统：IMS。,2、网状模型,网状模型DB的结构（DBTG报告中的网状模型，简单模

14、型） 用记录类型为结点的网状来表示实体与实体间1对多联系的模型。,例：,A,C,D,B,去掉层次模型中的下列限制： 最多只有一个无父的结点的根（有多个无父结点） 其它的所有结点只有一个父结点（可能有多个父结点） 所以，层次DB模型是DBTG中网状模型的特殊形式。,优点：记录之间用指针连接，联系容易，查询效率高. 缺点：编写应用程序复杂，程序员必须熟知DB的逻辑结构。,典型网状DBS： TOTAL DMS1100 IDMS IDS/,3、关系模型,用二维表格结构表达实体集，用外关键字表示实体间联系的模型。 关系模型：关系模式组成的集合。,1、关系模型的物理概念 关系就是俗称的二维表：,学生登记表

15、,属性（字段）,元组 （记录值）,属性值集,表头：称为关系的框架，即为属性集。 构成模式：学生（学号，姓名，性别，系名，专业名）,必须满足下列条件的二维表： 表中的每一列是不可再分的基本数据项（初等项）。 每列指定一个相异的名称，类型相同。 各行相异不允许重复（无重元组）。 列行次序无关紧要。,例：,描述边、点组成的空间封闭的多边形的关系：,x,y,z,E3,E1,E2,V3(4,3,6),V2(5,2,1),V1(0,0,0),模式：s(s#,line) v(v#,x,y,z) sv(s#,v#),关系模型的数学概念：笛卡尔积中有意义的子集称为关系。,边/点关系,描述边/点之间的多对多的联系

16、,边关系,点关系,2、关系模型与层次模型，网状模型的差别： 用关键字而不是用指针导航数据（建立联系）； 关系模型具有严密的数学基础和操作的代数性质，网状、层次无； 简单灵活地表达实体间的复杂关系； 表格简单、易懂，编程方便，不涉及到存储结构，访问的细节。,主要的关系DBMS产品：DB2，ORACLE，FOXPRO，ACCESS等。,4、面向对象模型（object-oriented-model）,对于复杂的数据对象，如CAD数据，图形数据等需要新的概念及方法描述。 面向对象模型最基本的概念是：对象和类。,对象（object） 对象是现实世界中实体的模型化。 组成：每个对象有唯一的标识符，把状态和

17、行为封装在一起。 其中：状态是对象的属性值集；行为是在状态上操作的方法集。,类（class） 类：将属性集和方法集相同的所有对象组合在一起，构成一个类。 其中：类的属性值域可以是基本数据类型（整，实，字符串），也可以是 记录型或集合型（嵌套）。,类层次：系统中所有的类组成一个有根的有向无环图。 一个类可以从类层次中直接或间接祖先那里继承所有的属性和方法。（实现软件重用）,例如：有E-R模型：,J#,jname,date,P#,pname,color,weight,saddr,sname,S#,total,project,part,supplier,pp,ps,quantity,m,n,m,n,

18、根据上面的E-R图，设计如下面向对象模型：,PR PA TOTAL,PA PS QUANTITY,j# Jname date,p# Pname Color weight,S# Sname saddr,类pp,类ps,类project,类part,类supplier,其中： PR取值为类project中的对象 PA取值为类part中的对象 PA取值为类part中的对象 PS取值为类supplier中的对象,类PP,类PS,5. E-R模型与结构模型的转换关系,E-R模型属于语义模型，独立于机器，用于信息世界描述试题及实体之间的联系。 E-R模型用于DB设计阶段的概念设计阶段。 E-R模型很方便地

19、转换成结构模型中之一个模型：,E-R模型：,E1,E2,R,关系模型,层次模型,网状模型,面向对象模型,转换规则,第四节 DB的体系结构,一. 数据库系统的体系结构 数据库系统的体系结构是指最终用户所看到的数据库系统使用方下的结构形式，可分为：集中式、分布式、客户机服务器等。 集中式数据库系统结构 集中式数据库系统可分为：单用户和多用户系统 。 （1）单用户数据库系统 在单用户系统中，数据库、DBMS和应用程序都装在一台计算机上，由一个用户独占，并且系统一次只能处理一个用户的请求。 （2）多用户数据库系统 多用户数据库系统指在一个主机中集中存放数据库、DBMS和应用程序，供多个与之相联系的终端

20、用户并发地共同使用数据库，由一个处理机同时处理多个用户事务的活动。,2. 分布式数据库系统结构 分布式数据库系统结构是指数据库被划分逻辑关联而物理分布在计算机网络 中不同场地（又称结点）的计算机中，并具有整体操作与分布控制数据能力的 数据库系统，,计算机 系统,计算机 系统,计算机 系统,在分布式数据库系统中，一般每个场地是一个集中式数据库系统，它们都有独立处理能力并能完成局部应用；而每一个场地的系统也参与全局应用程序的执行，全局应用程序可通过网络访问系统中多个场地的数据。,分布式数据库系统的特点： 分布性：数据库中的数据分布地存储在不同的场地。（有别于集中式数据库） 自治性：每个场地是一个自

21、主独立的数据库系统，即为集中式数据库系统。（有别于分散式数据库） 全局性：各自治站点协同工作使数据库逻辑上成为一个整体，以支持各用户的全局应用。（有别于网络的分散式数据库）,客户机服务器数据库系统结构 客户机服务器（clientServer，简称CS）数据库系统将DBMS功能管理程序单独存放到网络中某个或某些场地的计算机中，而将用户应用程序安装到其余场地的计算机中。安装DBMS功能管理程序系统的计算机称为数据库服务器，简称服务器；存储用户应用程序的计算机称为客户机。,在客户机服务器数据库系统中，客户机通过计算机网络向服务器提出计算请求，服务器经过计算，将结果返回客户机，减少了网上数据的传输量，

22、提高了系统的性能、吞吐量和负载能力。,三级模式和两级变换结构 模式是由结构模型定义而来，对应有：外模式、模式和内模式。 两级变换：外模式/模式、模式/内模式。,DB系统结构,二.数据库系统结构,1、三级模式结构 外模式（子模式，用户模式）：由外部模型定义而来。 概念模式（模式）：由逻辑模型定义而来。 内模式（物理模式，存储模式）：由内部模型定义而来。,外模式（external schema） 外模式：是用户与DBS的接口，是单个用户所使用的那一部分数据视图的描述。程序员 表现形式：DB局部数据的逻辑结构，由若干外部记录类型组成。（I/O与视图区别：数据，命名，组合，次序，种类等不同） 外模式通

23、过“外模式DDL”定义，并通过数据库操纵语言DML操纵。 一个DB由若干个子模式,为多个应用程序共享。,概念模式（conceptual schema） 概念模式（conceptual schema）: DB中全部的整体数据逻辑视图的描述。DBA 表现形式：DB全局数据逻辑描述：数据名、类型、记录间的联系，操作，完整性，安全性要求。 概念模式通过“模式DDL”定义： 子模式是模式的逻辑子集；DBS中只有一个模式它是子模式的合成。均不涉及存储结构及访问技术等细节。 子模式与模式可能有若干差别：数据名，次序，数据的类型等。 模式/子模式之间映象由DBMS完成。,内模式（internal schema

24、） 内模式：DB在物理存储方面的描述，是物理存储数据视图的描述。 表现形式：DB内部记录类型，索引和文件组织方式及控制的的描述细节。 内模式通过“内模式DDL”定义。 内模式只有一个，内模式/模式映象由DBMS完成。,2、两级变换 外模式/模式映象：DBMS定义外模式与概念模式间的对应性（内部记录与外 部记录的对应性） 外模式/模式映象都是在外模式中描述。 模式/内模式映象：定义模式与内模式之间的对应性。由于数据中记录类型， 字段类型，命名组成可能不一样，需要说明概念记录和内 部记录的对应关系。 模式/内模式映象一般在内模式中描述。,二、数据两级独立性,数据的物理独立性 数据的逻辑独立性,分为

25、：,1、数据的物理独立性 DBS中对DB的内模式的修改尽量不影响概念模式的修改，称数据具有物理独 立性。 如：DB的存储设备和存取方法有所变化，使模式/内模式映象进行相应修改，但概念模式尽可能保持不变。 2、数据的逻辑独立性 对DB 的概念模式的修改，尽量不影响外模式和应用程序的变化，称数据具有逻辑独立性。 概念模式修改如增加记录类型或数据项，外模式/概念模式映象随之相应修改，但使外模式尽可能保持不变。,三、用户界面,I/O视图是用户的界面，通过数据操纵语言（DML）编写的程序而完成的图表等数据显示或打印形式。,自含型DML：编程语言本身含有DML语句， DML两种方式： 如：FoxPro。

26、宿主型DML：DML嵌入到高级语言（如C等）中使用， 如：SQL语言。,第五节 数据库系统（DBS） 一、DBS的构成,数据库（DB）：存放在磁盘中的物理数据库。 硬件： DBS的物理支持。 DBMS：DBS管理功能的体现 其它软件（OS等）：DBS的软件支持 终端用户：使用程序的非计算机人员。 人员：包括：专业人员：数据库设计的上层人员如系统分析员 程序员：编写应用程序的人员。 数据库管理员（DBA：database administrator）: DBS责任的承担者。,软件：,DBS的构成：,1、DB 一个组织中,与各项应用有关的全部数据集合。 应用数据的集合，称为物理库。 各项数据结构的

27、描述，称为描述库，由DD系统管理。 磁盘中存储的数据结构：5种： 数据文件：应用数据的DB文件。 数据字典：存储DB三级模式及数据完整性约束。 索引：优化查询提高速度而设置的排序文件。 统计数据：存储DBS运行时统计分析的数据。供查询分析器有效处理查询。 日志：存储DBS运行时对DB的操作情况。供查询DB使用情况和数据恢复。,组成：,2、硬件 包括：CPU、内存、外存、I/O设备、数据通讯设备等。 DBS关注的是：内存、外存、I/O存取速度，可支持终端数和性能稳定 性等指标。,3、软件 OS：支持DBMS存取数据。 宿主语言及对应的编译系统。 数据通讯软件。 用户开发的应用程序。 集成的DB管

28、理软件：报表生成器，DB辅助设计工具软件， 数据库测试工具，图形系统，I/O交换设施等。 DBMS系统（下面介绍）,包括：,关系：,DB及硬件,OS,DBMS/编译系统,集成的DB管理软件,应用程序,4、人员 （1）DBA 承担创建，监控和维护整个DB结构的责任： 模式定义 内模式定义 修改DB的模式和内模式 对DB访问的授权 完整性约束的说明,通过一系列使用程序完成：DBMS装载、重组、日志、恢复、统计分析。 通过DD系统，掌握系统的工作情况。 DBA与DBMS的界面是数据库模式。,DBA：,（2）专业用户：使用专用的DB查询语言操作数据。 专业用户与DBMS的界面是数据库查询工具。 （3）

29、应用程序员：使用DML编写应用程序。 应用程序语言：C，C+，JAVA等。或者软件开发工具：Delphi、PowerBuilder（PB）、VisualBasic（VB）或VC、NET等。 应用程序员与DBMS的界面是应用程序。 （4）终端用户：使用程序人员。 终端用户与DBMS的界面是应用程序运行后的I/O界面。,二、DBMS,1、DBMS的主要功能 DBMS是DBS中重要的核心软件。 DBMS的主要功能：,（1）DB的定义功能： 定义DB的三级模式：外模式， DBMS提供的数据定义语言（DDL） 概念模式，内模式及相互之间的映像。 定义数据完整性、安全性约束。 定义索引文件。,（2）DB的

30、操纵功能 DBMS提供数据操作语言DML，实现对DB中的数据操纵。（需要DML编译程序或解释程序） 查询 更新（插入，删除，修改） 过程性DML（指出“做什么”和“如何做”）：层次和网状DB中用。 非过程性DML（只指出“做什么”）：关系DB中采用。 DML的使用方式分为：自含型和宿主型（嵌入型） （3）DB的保护功能 DB的恢复:DB被破坏，则利用DBMS提供的恢复子系统，将DB恢复到正确状态。 DB的并发控制：解决多个用户对DB中数据操作的共享问题。 DB的完整性控制：保证DB中数据及语义的正确性和有效性。 DB的安全性控制：防止未授权的用户窃取数据。,基本操作分为：,DML分为：,（4）

31、DB的存取管理 把各种DML语句转换成低层的文件系统命令，交OS存取磁盘中DB的数据。 （5）DB的维护和通信功能 数据的装载 数据的备份 文件重组 性能的监控 通信功能：实现用户程序与DBMS之间的通信与OS协调完成。,维护功能：,2、DBMS组成 DBMS由一些功能程序组成。 查询处理器 存储管理器,DBMS分为两大部分：,（1）查询处理器组成 DDL翻译程序：把源模式翻译成目标模式：即编译或解释DDL语句，并 把它们登录到数据字典中。 DML处理程序 DML预编译程序 查询运行的核心程序：执行由DML编译器产生的低层指令。,把程序中的DML语句翻译成可执行程序。,（2）存储管理器的组成 授权和完整性管理器：测试访问是否满足完整性约束，检查用户访问数 据是否合法。 事务管理器：负责并发事务的正确执行，保证DB一致性。 文件管理器：负责磁盘空间的分配，管理物理文件的存储结构和存取方法。 缓冲区管理器：为应用程序开辟DB的系统缓冲区，负责从磁盘读取数据通过 缓冲区进入内存。,3、用户访问数据的过程 例如：应用程序从DB中读取一个记录。,系统缓冲区,应用程序A 子模式,模式,内模式,DBMS,OS,DB,运行日志,数据字典系统,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,步骤： 应用程序A向DBMS发出一个读记录命令（通过DML语句）。 DBMS分析程序