2012第一章数据模型与数据库系统.ppt

1、1,数据库理论及应用,内蒙古工业大学 信息工程学院 王海凤,2,教材及参考书,数据库系统基础 高级篇（第5版） 人民邮电出版社 李建中：数据库系统原理教程（第二版） 数据库系统概念，Abraham， Silberschatz等著，杨冬青译，机械工业出版社 萨师煊，王珊：数据库系统概论， 高等教育出版社 王能斌：数据库系统原理教程（上、下），电子工业出版社,3,什么是数据库,20世纪60年代开始，经历3代演变 第一代：层次和网状数据库系统 第二代：关系数据库系统 前两代：源于商业事务处理（银行、飞机定票） 新数据库应用：工程数据库应用、地理信息系统、多媒体信息系统、科学与统计数据库 第三代：支持

2、Internet/Web应用。,4,数据库技术发展趋势,数据库行业的一个趋势就是快速数据库管理系统的版本更新 下一个巨大的趋势就是:复杂度 。这个趋势是被新版本中所有新的特性和功能所带来的 异构也是一个问题 另一个达成共识的趋势就是正在不断加强的网络上的数据 ，现代的支持网络的数据库管理系统支持Java，.NET，XML，以及其他一些网络技术。,5,Microsoft Access 2000* Microsoft SQL Server 2000* Oracle8i, 9i, 10g,11g DB2, Informix Sybase foxpro OpenSource MySQL Postgre

3、SQL*,产品与工具,6,Microsoft Visual Studio 6.0 VB*, VC Microsoft Visual Studio .NET C#*, VB.net, VC.net Boland Delphi Boland C+ Builder Boland JBuilder,产品与工具,7,几种主要数据库管理系统,DB2、INFORMIX ORACLE SYBASE SQL SERVER,8,学习目的,掌握数据库系统的基本概念 理解数据库技术的原理和技术 掌握数据库系统的设计和开发方法 了解数据库技术的发展方向 能熟练使用1-2种主流数据库管理系统,9,教学内容安排（1）, 第

4、一部分：数据库理论 第一章：数据模型与数据库系统 第二章：SQL 第三章：关系数据理论 第四章：数据库设计 第五章：事务处理技术,10,教学内容安排（1）, 第二部分：数据库应用 第六章：XML技术和ORACLE介绍 云计算简介,11,教学内容安排(2),第三部分：数据库新技术 第七章：数据挖掘与数据仓库 第八章：面向对象与对象关系数据库 第九章：分布式数据库 第十章：并行数据库 第十一章： WEB数据库,12,第一部分：数据库理论,第一章 数据模型与数据库系统,13,利用你的数据库方面的知识思考几个问题,你接触过哪些商用的数据库管理系统产品？会使用哪些工具？会使用数据库语言的哪些命令？会实现

5、哪些功能？ 根据你对数据库系统知识的理解及实际经验，你觉得商用数据库系统产品应该提供哪些功能？ 数据库系统的体系结构、组成与特点? 关系模型的三要素? 数据库的三级模式如何支持程序与数据的逻辑独立性与物理独立性？,14,第一章 数据模型与数据库系统,1.1 数据库技术的研究意义 1.2 数据库系统结构及组成 1.3 数据模型 1.4 数据库技术的研究领域及发展趋势 1.5 关系数据库系统,15,引言,1963年，美国Honeywell公司的IDS（Integrated Data Store）系统投入运行，揭开了数据库技术的序幕。 20世纪70年代是数据库蓬勃发展的年代，网状系统和层次系统占据了

6、整个数据库商用市场，而关系系统仅处于实验阶段。 20世纪80年代，关系系统由于使用简便以及硬件性能的改善，逐步代替网状系统和层次系统占领了市场。 20世纪90年代，关系数据库已成为数据库技术的主流。 进入21世纪以后，无论是市场的需求还是技术条件的成熟，对象数据库技术、网络数据库技术的推广和普及已成定局。,16,1.1 数据库技术的研究意义,数据库技术产生于六十年代末，是数据管理的最新技术，是计算机科学的重要分支 用于数据挖掘和知识提取。 是信息科学和其他相关科学的基础,17,1.1 数据库技术的研究意义（续),数据库应用领域 电子商务、网上购物 电子政务 MIS (Management In

7、formation System，管理信息系统) OA (Office Automation，办公自动化系统，网上办公) DSS (Decision Support System，决策支持系统) GIS (Geography Information System，地理信息系统),18,数据库应用领域（续） ERP （Enterprise Resources Planning，企业资源计划） DW (Data Warehouse，数据仓库、数据挖掘） 远程教育系统 计算机辅助设计 网络中动态数据库 移动数据库(无线技术、移动通信、GPS、嵌入式控制设备),19,1.1 数据库技术的研究意义（续)

8、,市场前景 无所不在的数据管理 Everything Over DB?,20,第一章 数据模型与数据库系统,1.1 数据库技术的研究意义 1.2 数据库系统的结构及组成 1.3 数据模型 1.4 数据库技术的研究领域及发展趋势 1.5 关系数据库系统,21,1.2 数据库系统的结构及组成,22,数据库的特征 数据按一定的数据模型组织、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,23,24,数据库系统构成,应用程序员,JB,VB,VC DELPHI,Oracle,Db2, Sybase, SQL Server, Informix,25,DBS的全局结构,26,数据库系统地位

9、,27,DBA的职责,定义数据库 定义存取方法和存储结构 授予用户不同的等级权限 规定完整性的约束条件 作为一个中介和用户进行交互 监视系统的运行并对请求做出相应的反应。,28,安装和升级数据库服务器（如Oracle、Microsoft SQL server），以及应用程序工具监控和优化数据库的性能。 制定数据库备份计划，灾难出现时对数据库信息进行恢复 维护适当介质上的存档或者备份数据 备份和恢复数据库 联系数据库系统的生产厂商，跟踪技术信息,29,数据库系统的结构,30,数据和程序的相互独立性,数据和使用它的程序之间不存在相互依赖关系。数据的逻辑结构、存储结构和存取方法等不随应用程序的改变而

10、改变，反之亦然。数据的独立性实质是数据库三种模式（模式、内模式和外模式）之间的独立性。数据独立性分两种： 物理独立性：指数据的物理结构（即存储结构）的改变，如物理存储设备的改变、位置和存取方法的改变，不影响数据库的逻辑结构，也不引起应用程序的修改。 逻辑独立性：指数据库逻辑结构的改变，如修改数据定义、改变数据之间的关系，无需修改原来的应用程序。,31,数据库系统的体系结构,单用户数据库系统,DB,32,1. 单用户数据库系统,整个数据库系统(应用程序、DBMS、数据)装在一台计算机上，为一个用户独占，不同机器之间不能共享数据 早期的最简单的数据库系统,33,数据库系统的体系结构,主从式数据库系

11、统,主机,DB,终端,终端,终端,终端,DBMS,应用程序,34,2. 主从式结构的数据库系统,一个主机带多个终端的多用户结构 数据库系统，包括应用程序、DBMS、数据，都集中存放在主机上，所有处理任务都由主机来完成 各个用户通过主机的终端并发地存取数据库，共享数据资源,35,主从式结构的数据库系统,优点 易于管理、控制与维护 缺点 当终端用户数目增加到一定程度后，主机的任务会过分繁重，成为瓶颈，从而使系统性能下降 系统的可靠性依赖主机,当主机出现故障时，整个系统都不能使用,36,数据库系统的体系结构,C/S应用模式,网络服务器,DB,客户机,客户机,客户机,客户机,应用程序,应用程序,应用程

12、序,应用程序,应用程序,37,3CS结构的数据库系统,客户服务器 把DBMS功能和应用分开 网络中某个（些）结点上的计算机专门用于执行DBMS功能，称为数据库服务器，简称服务器 其他结点上的计算机安装DBMS的外围应用开发工具，用户的应用系统，称为客户机,38,客户服务器数据库系统的种类,集中的服务器结构 一台数据库服务器，多台客户机 分布的服务器结构 在网络中有多台数据库服务器 分布的服务器结构是客户服务器与分布式数据库的结合,39,客户服务器结构的优点,客户端的用户请求被传送到数据库服务器，数据库服务器进行处理后，只将结果返回给用户，从而显著减少了数据传输量 数据库更加开放 客户与服务器一

13、般都能在多种不同的硬件和软件平台上运行 可以使用不同厂商的数据库应用开发工具,40,客户服务器结构的缺点,“胖客户”问题： 系统安装复杂，工作量大 应用维护困难，难于保密，造成安全性差 相同的应用程序要重复安装在每一台客户机上，从系统总体来看，大大浪费了系统资源 系统规模达到数百数千台客户机，它们的硬件配置、操作系统又常常不同，要为每一个客户机安装应用程序和相应的工具模块，其安装维护代价便不可接受了,41,数据库系统的体系结构,B/S应用模式,网络服务器,DB,客户机,客户机,客户机,客户机,应用程序,浏览器,浏览器,浏览器,浏览器,Web DBMS,42,浏览器/应用服务器/数据库服务器结构

14、,B/S 客户端： 浏览器软件、用户界面 浏览器的界面统一，广大用户容易掌握 大大减少了培训时间与费用 服务器端分为两部分： Web服务器、应用服务器 数据库服务器等 大大减少了系统开发和维护代价 能够支持数万甚至更多的用户,43,数据库系统的体系结构,分布式数据库系统,44,4. 分布式结构的数据库系统,数据库中的数据在逻辑上是一个整体，但物理地分布在计算机网络的不同结点上 网络中的每个结点都可以独立处理本地数据库中的数据，执行局部应用 同时也可以同时存取和处理多个异地数据库中的数据，执行全局应用,45,分布式结构的数据库系统,优点 适应了地理上分散的公司、团体和组织对于数据库应用的需求 缺

15、点 数据的分布存放给数据的处理、管理与维护带来困难 当用户需要经常访问远程数据时，系统效率会明显地受到网络传输的制约,46,第一章 数据模型与数据库系统,1.1 数据库技术的研究意义 1.2 数据库系统结构及组成 1.3 数据模型 1.4 数据库技术的研究领域及发展趋势 1.5 关系数据库系统,47,1.3 数据模型,48,数据描述 1. 数据描述的三个领域 现实世界 存在于人们头脑之外的客观世界 信息世界 现实世界在人们头脑中的反映，人们把它用文字和符号记载下来 机器世界 信息世界的信息在机器世界中以数据形式存储,49,对象的抽象过程,第一级 抽象,现实世界,信息世界 概念模型,机器世界 数

16、据模型,第二级 抽象,事物个体实体 记录 事物总体实体集 文件(表) 特征属性 字段/属性 事物间联系实体模型 文件(表),认识抽象,转换,50,数据模型的定义,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的数据和信息。通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟 数据模型应满足三方面要求 能比较真实地模拟现实世界 容易为人所理解 便于在计算机上实现,51,数据模型分成两个不同的层次 (1) 概念模型（信息模型）：是按用户的观点对数据和信息建模。 (2) 结构数据模型：主要包括网状模型、层次模型、关系模型等，它是按计算机系统的观点对数据建模。 客观对象的抽象过程-两步抽象 现实世界中的客观对

17、象抽象为概念模型； 把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型。 概念模型是现实世界到机器世界的一个中间层次。,52,概念数据模型,概念模型的用途 按用户的观点来对数据和信息建模 概念模型用于信息世界的建模 是现实世界到机器世界的一个中间层次 是数据库设计的有力工具 数据库设计人员和用户之间进行交流的语言,53,主要术语 实体：客观存在并互相区分的事物。 属性：实体所具有的某一特性。 码：唯一识别实体集中每个实体的属性或属性组 域：属性取值的变化范围。 实体型：性质相同的同类实体。 表示方法：实体名（属性名，） 实体集：性质相同的同型实体的集合。 联系：实体之间的关系（1:1,1:N,M:N）

18、,54,概念模型的表示方法：实体联系模型（E-R模型） E-R模型于1976年提出的 从现实世界抽象出实体及实体间联系，用E-R图表示 E-R图中的四个基本成分 矩形框，表示实体类型 菱形框，表示联系类型 椭圆形框，表示实体类型和联系类型的属性 直线，联系类型与其涉及的实体类型之间以直线连接，并在直线端部标上联系的种类(1:1, 1:N, M:N) ER-WIN工具,55,E-R图实例,属性,56,复合属性用椭圆形表示，并用直线连接到实体，同时组成复合属性的简单属性连接到复合属性上 多值属性用双线连接到实体,57,结构数据模型,数据模型= 数据结构(静态：对象、联系) + 数据操作(动态：检索

19、、更新) + 完整性约束(条件：正确、有效、相容),58,一、数据结构（主要术语） 关系（Relation）：一张表 元组（Tuple）：表中的一行 属性（Attribute）：表中的一列 主码（Key）：表中的某个属性组，唯一确定某元组 域（Domain）：属性的取值范围 分量：元组中的一个属性值 关系模式：对关系的描述 关系名（属性1，属性2，属性n） 实体、实体之间联系关系描述 规范化：关系必须满足一定条件（范式）,59,二、数据操作 数据操作：检索、更新（插入、删除、修改） 特点： 数据操作是集合操作：操作对象、结果都是关系，即若干元组的集合。 数据的独立性：存取路径隐蔽 三、完整性约

20、束 关系的完整性约束（三类）：实体、参照、用户自定义,60,四种(逻辑)数据模型 基于树的层次模型（Hierarchical Model） 基于图的网状模型（Network Model） 基于表的关系模型 （Relational Model） 基于对象的面向对象模型（ Object Oriented Model） OO OR,61,四种逻辑数据模型的比较,62,第一章 数据模型与数据库系统,1.1 数据库技术的研究意义 1.2 数据库系统结构及组成 1.3 数据模型 1.4 数据库技术的研究领域及发展趋势 1.5 关系数据库系统,63,数据库新技术,新的数据库管理系统 面向对象数据库 对象-关

21、系数据库 并行数据库 分布式数据库 新的数据库应用 数据仓库 数据挖掘 OLAP,64,特种数据库 时态数据库 移动数据库 主动数据库 模糊数据库 实时数据库 空间数据库 Web数据库 XML数据库,65,面向对象数据库(OODB）,面向对象数据库系统是数据库技术与面向对象技术相结合的产物. 同传统的关系数据库系统相比具有处理多媒体数据、复杂对象的能力,因而更适用于涉及多媒体数据、时态数据、空间数据、复杂对象的数据库等新的应用领域. 由于关系数据库在传统数据库应用领域仍占据主导地位,因而将二者结合,发展一种分布式对象关系数据库是未来的趋势.,66,智能数据库(IDB),人工智能(AI)和数据库

22、技术相结合是数据技术未来发展的方向. 一个智能数据库至少应同时具备演绎能力和主动能力,即IDB应具有下列特点: (1) 提供表达各种形式的应用知识的手段; (2) 为用户象专家系统一样提供解释; (3) 主动规则,恰当地为快速变化作出反应; (4) 更普遍,更灵活地实现完整性控制、安全性控制、导出数据处理、报警等.,67,信息集成,传统的异构数据库系统的集成. Web 信息集成(泛数据研究的时代) 随着Internet 的飞速发展,网络迅速成为一种重要的信息传播和交换的手段,尤其是在Web上,有着极其丰富的数据来源. 如何获取Web 上的有用数据并加以综合利用,即构建Web 信息集成系统,成为

23、一个引起广泛关注的研究领域.,68,数据仓库、数据挖掘、智能决策,随着计算机网络技术及Internet应用的日趋普及,势必要求数据库系统的应用平台向Web平台迁移,最终达到全球数据信息共享的目的. 数据仓库、数据挖掘是目前发展极为迅速的一个研究领域 数据仓库是面向主题的、稳定的、综合的随时间变化的数据集合。,69,数据流管理,测量和监控复杂的动态的现象,如远程通信、Web 应用、金融事务、大气情况等，产生了大量、不间断的数据流。 数据流处理对数据库、系统、算法、网络和其他计算机科学领域的技术挑战已经开始显露，这是数据库界一个活跃的研究领域,包括新的流操作、SQL扩展、查询优化方法、操作调度技术

24、等。,70,XML数据管理,目前大量的XML数据以文本文档的方式存储,难以支持复杂高效的查询，用传统数据库存储XML数据的问题在于模式映射带来的效率下降和语义丢失。 XML 数据是半结构化的，这样就给 XML 数据库中的存储系统带来更大的灵活性，同时，带来了更大的挑战。恰当的记录划分和簇聚，能够减少I/O 次数，提高查询效率。 研究不同存储粒度对查询的支持也是XML 存储面临的一个关键性问题。,71,移动数据管理,用户不再需要固定地联接在某一个网络中不变,而是可以携带移动计算机自由地移动。这样的计算环境, 称之为移动计算。 研究移动计算环境中的数据管理技术，已成为目前分布式数据库研究的一个新的

25、方向，即移动数据库技术。 与基于固定网络的传统分布计算环境相比,移动计算环境具有以下特点:移动性、频繁断接性、带宽多样性、网络通信的非对称性、移动计算机的电源能力、可靠性要求较低和可伸缩性等。,72,微小型数据库技术,随着移动计算时代的到来，嵌入式操作系统对微小型数据库系统的需求，为数据库技术开辟了新的发展空间，微小型数据库技术目前已经从研究领域逐步走向应用领域。 随着智能移动终端的普及,人们对移动数据实时处理和管理要求也不断提高，嵌入式移动数据库越来越体现出其优越性,从而被学界和业界所重视。,73,传感器数据库技术,随着微电子技术的发展,传感器的应用越来越广泛. 可以使小鸟携带传感器,根据传

26、感器在一定的范围内发回的数据定位小鸟的位置,从而进行其他的研究; 还可以在汽车等运输工具中安装传感器,从而掌握其位置信息; 甚至于微型的无人间谍飞机上也开始携带传感器,在一定的范围内收集有用的信息,并且将其发回到指挥中心。 传感器网络越来越多地应用于对很多新应用的监测和监控。,74,网格数据管理,网格是把整个网络整合成一个虚拟的巨大的超级计算环境，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源和专家资源的全面共享，目的是解决多机构虚拟组织中的资源共享和协同工作问题。 在网格环境中,不论用户工作在何种“客户端”上,系统均能根据用户的实际需求，利用开发工具和调度服务机制，向用户提供优化整合后

27、的协同计算资源，并按用户的个性提供及时的服务。 按照应用层次的不同可以把网格分为3 种:计算网格,提供高性能计算机系统的共享存取；数据网格,提供数据库和文件系统的共享存取；信息服务网格，则支持应用软件和信息资源的共享存取。,75,云计算技术,云计算是一种商业计算模型。它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和信息服务。,76,在动态、多机构参与的虚拟组织中协同共享资源和求解问题,同时使用多种计算资源解决计算问题的过程,将需要巨大计算能力的问题分成许多小部分进行处理，最后综合结果,分布式计算,并行计算,网格计算,云计算,77,第一章 数据模型与数

28、据库系统,1.1 数据库技术的研究意义 1.2 数据库系统结构及组成 1.3 数据模型 1.4 数据库技术的研究领域及发展趋势 1.5 关系数据库系统,78,1.5 关系数据库系统,79,关系数据库简介,美国IBM公司的E.F.Codd 1970年提出关系数据模型 E.F.Codd于70年代初提出关系数据理论，他因此获得1981年的ACM图灵奖 关系理论是建立在集合代数理论基础上的，有着坚实的数学基础 80年代后，关系数据库系统成为最重要、最流行的数据库系统,80,关系数据库简介,典型实验系统 System R ：由IBM研制 University INGRES ：由加州Berkeley分校研

29、制 典型商用系统 ORACLE、SYBASE、INFORMIX、DB2、SQL SERVER 、INGRES Access，Foxpro，Foxbase,81,关系数据语言的种类 关系代数语言 关系演算语言：用谓词来表达查询要求 具有关系代数和关系演算双重特点的语言 典型代表：SQL,82,1、实体完整性,实体完整性规则：若属性A是关系R的主属性，则属性A不能取空值,83,2、参照完整性,在关系模型中实体及实体间的联系都是用关系来描述的，因此可能存在着关系与关系间的引用 外码：设F是基本关系R的一个或一组属性，但不是关系R的码。如果F与基本关系S的主码Ks相对应，则称F是基本关系R的外码。R称

30、为参照关系，S称为被参照关系 参照完整性规则：参照关系中的外码或者为空， 或者为被参照关系的某个元组的主码值。,84,关系模型,今要向关系P中插入新行，新行的值分别列出如下。哪些行能够插入？ A(037，绿，null) B(null，黄，T20) C(201，红，T20) D(105，蓝，B01) E(101，黄，T11),零件关系P（主码是“零件号”，外码是“供应商号”）,供应商关系S（主码是“供应商号”）,85,关系代数,数据库的核心应用是数据库的查询 关系代数是一种抽象的查询语言 通过对关系的运算来表达查询 运算的三个要素：运算对象、运算符、运算结果 关系代数运算： 运算对象：关系 运算

31、结果：关系 运算符：四类,86,关系代数运算符,87,差运算,R,S,RS,SR,88,关系代数投影Projection() 从关系R中选择若干属性（列）组成新的关系 A1,A2,An (R) tA1,A2,An| tR,89,关系代数选择Selection(),从关系R中选择符合条件的元组构成新的关系 F(R),表示从R中选择满足条件F的元组 F(R) t | tR F(t)=真 F：选择条件，是一个逻辑表达式， 行的运算,关系代数,90,关系代数连接( ),是一个关于属性集的逻辑表达式 R S = | tRR tSS tRA tS B A和B：分别为R和S上度数相等且可比的属性组 ：比较运

32、算符,A B,关系代数,91,连接(续),两类常用连接运算 等值连接 为“”的连接运算称为等值连接 等值连接的含义：从关系R与S的广义笛卡尔积中选取A、B属性值相等的那些元组，即等值连接为： R S = | tr Rts StrA = tsB ,A=B,92,连接(续),自然连接（Natural join） 自然连接是一种特殊的等值连接 两个关系中进行比较的分量必须是相同的属性组 在结果中把重复的属性列去掉 自然连接的含义：R和S具有相同的属性组B R S = | tr Rts StrB = tsB ,93,连接(续),5）举例,R,S,94,连接(续),R S,95,连接(续),等值连接 R

33、 S,96,连接(续),自然连接 R S,97,关系代数除运算( ),象集Zx 给定一个关系R（X，Z），X和Z为属性组。当tX=x时，x在R中的象集为： Zx=tZ|t R，tX=x 它表示R中属性组X上值为x的诸元组在Z上分量的集合。,X Y,x=张军,Yx,98,除（ ）,给定关系R (X，Y) 和S (Y，Z)，其中X，Y，Z为属性组。 R中的Y与S中的Y可以有不同的属性名，但必须出自相同的域集。 R与S的除运算得到一个新的关系P(X)，P是R中满足下列条件的元组在X属性列上的投影：元组在X上分量值x的象集Yx包含S在Y上投影的集合。 RS = tr X | tr RY (S) Yx

34、Yx：x在R中的象集，x = trX,99,例题：除,R,S,100,除运算适合于具有包含关系的查询。 同时行、列运算,除（ ）,101,例题：除,例 查询至少选修1号课程和3号课程的学生的学号 首先建立一个临时关系K： 然后求：Sno，Cno(SC)K,Sno,Cno(SC),95001象集1，2，3 95002象集2，3 于是:Sno.Cno(SC)K=95001,K,102,除运算,做法：逐个考虑选课关系SC中的元组r，求r在学号SNO上的分量x，再求x在选课关系中的象集课程Cx，若Cx包含了所有的课程C，则x是满足条件的一个元组,如何得到选修了全部课程的学生？, x | x=rSNO

35、rSC CxC ,选修全部课 程的学生,全部课程,x同学所选修 的全部课程,103,除运算,示例 求同时选修了001和002号课程的学生号 方案1： Sno，Cno(SC) Cno = 001 Cno = 002 (C) 方案2： Sno(SC Cno = 001 Cno = 002 (C) 哪一个正确？,104,综合举例 1、 求选修C2课程的学生学号 SNO( CNO=C2(SC) 2、求选修了C1或C2号课程的学生学号 1） SNO(CNO =C1 CNO =C2(SC) 2）SNO(CNO =C1 (SC) SNO(CNO =C2(SC) 3、 求选修了全部课程的学生学号和姓名 1）SNO,CNO(SC) CNO(Course) SNO,SN