信息系统分析与设计-2.1.ppt

1、2020/9/15,1,1.1 数据库技术概述 1.2 概念模型 1.3 数据模型 1.4 数据库系统 1.5 数据库设计,2020/9/15,2,随着计算机技术的发展,数据处理和数据管理在计算机应用中所占比例越来越大,几乎所有规模较大的数据处理活动都涉及到大量的数据,于是如何妥善地保存数据、科学地管理数据、高效率地使用数据,便成为数据处理活动中的一个重要问题. 20世纪50-60年代,人们常采用高级语言进行数据处理和数据管理,但高级语言一般无法满足存储和处理大量的、关系错综复杂的数据要求,于是在20世纪60 年代末数据库技术便应运而生了. 现在,数据库技术已成为对大量数据进行组织和管理的重要

2、技术手段,也是信息化系统的基础.,2020/9/15,3,1.1 数据库技术概述,1.1.1 信息与数据,2020/9/15,4,1.1.2 数据库基本概念 数据(Data) 数据是描述现实世界事物的符号记录，是用物理符号记录的可以鉴别的信息。 数据库(DataBase，简记为DB) 数据库是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的数据集合。这种集合具有如下特点： 最小的冗余度 应用程序对数据资源共享 数据独立性高 统一管理和控制,2020/9/15,5,数据库管理系统(DataBase Management System,简记为DBMS) 数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的一个数据管理软

3、件，它的基本功能包括以下几个方面： 数据定义功能 用户通过数据定义语言（DDL,Data Definition Language）它可以方便地对数据库中的数据对象进行定义。 数据操纵功能 用户可以使用数据操纵语言（DML,Data Manipulation Language） 操纵数据，实现对数据的基本操作。如查询、插入、删除和修改。,2020/9/15,6,数据库的运行管理功能 数据库在建立、运行和维护时由数据库管理系统统一管理和控制，以保证数据的安全性、完整性，对并发操作的控制以及发生故障后的系统恢复等。 数据库的建立和维护功能 它包括数据库初始数据的输入、转换功能，数据库的转储、恢复功能

4、，数据库的重组织功能和性能监视、分析功能等。,数据库系统(DataBase System，简记为DBS) 数据库系统一般由数据库、操作系统、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员（DBA）和用户构成。,2020/9/15,7,特点： 数据在计算机中不保存; 数据由应用程序管理; 数据不能共享; 数据与程序不具有独立性; 基本上是一个程序对应一批数据.,1.1.3 数据库技术的产生与发展 数据管理技术经历了如下三个阶段：人工管理阶段、文件系统阶段和数据库系统阶段。 人工管理阶段,需要：计算机主要用于科学计算. 硬件：使用纸带、穿孔卡片等保存数据，无直接存取存储设备 软件：无操作系

5、统和数据管理软件. 数据处理方式：批处理,2020/9/15,8,文件系统阶段,需要：数据量增大,联机处理增多. 硬件：使用磁盘、磁鼓等直接存取存储设备. 软件：操作系统及其文件管理软件. 数据处理方式：批处理、联机实时处理,2020/9/15,9,特点： 数据可以在计算机的文件中长期保存; 由文件管理系统进行程序与文件中的数据之间的转换; 文件形式多样化：顺序文件、直接文件、索引文件等; 数据共享性差、冗余度大、无安全控制功能; 数据容易出现不一致性; 数据对程序依赖性强; 数据结构由应用程序决定，编程难度大.,数据库系统阶段,需要：数据管理需要越来越多、数据规模越来越大,多种应用 、多种语

6、言互相覆盖,共享要求越来越大. 硬件：大容量硬盘；硬件价格下降. 软件：软件系统更加成熟；价格上升,编制和维护成本增加. 处理方式：联机实时处理,分布式处理. 文件系统已无法满足要求,数据库系统应运而生.,2020/9/15,10,2020/9/15,11,数据库系统阶段具有以下的特点： 数据结构化 在描述数据时不仅描述数据本身，还描述数据之间的联系。 数据共享性高、冗余度小、易扩充 数据可以被多个应用共享。这不仅大大减小了数据的冗余度、节约存储空间、减少存取时间，而且可以避免数据之间的不相容性和不一致性。 数据独立性高 数据独立性包括物理独立性和逻辑独立性。数据的物理独立性是指当数据的物理存

7、储改变时，应用程序不用改变。数据的逻辑独立性是指当数据的逻辑结构改变时，用户应用程序不用改变。,2020/9/15,12,统一的数据管理和控制 数据库对系统中的用户是共享资源。计算机的共享一般是并发的，即多个用户可以同时存取数据库中的数据，甚至可以同时存取数据库中同一个数据。因此，数据库管理系统必须提供以下几个方面的数据控制保护功能。 数据的安全性(security)保护 数据的完整性(integrity)控制 数据库恢复(recovery) 并发(concurrency)控制,2020/9/15,13,1.1.4 数据库系统的体系结构 集中式系统 DBMS和应用程序以及与用户终端进行通信的软

8、件等都运行在一台宿主计算机上，所有的数据处理都是在宿主计算机中进行。宿主计算机一般是大型机、中型机或小型机。应用程序和DBMS之间通过操作系统管理的共享内存或应用任务区来进行通信，DBMS利用操作系统提供的服务来访问数据库。终端通常是非智能的，本身没有处理能力。 集中系统的主要优点是：具有集中的安全控制，以及处理大量数据和支持大量并发用户的能力。集中系统的主要缺点是：购买和维持这样的系统一次性投资太大,并且不适合分布处理。 个人计算机系统 与大型系统不同，通常个人计算机（微机）上的DBMS功能和数据库应用功能是结合在一个应用程序中的，这类DBMS（如FoxPro、Acssce）的功能灵活，系统

9、结构简洁，运行速度快，但这类DBMS的数据共享性、安全性、完整性等控制功能比较薄弱。,2020/9/15,14,客户/服务器系统 在客户/服务器（Client/Server,简记为C/S）结构的数据库系统中，数据处理任务被划分为两部分：一部分运行在客户端，另一部分运行在服务器端。客户端负责应用处理，数据库服务器完成DBMS的核心功能。 这种模型中，客户机上都必须安装应用程序和工具，使客户端过于庞大、负担太重，而且系统安装、维护、升级和发布困难，从而影响效率。,2020/9/15,15,分布式系统 一个分布式数据系统由一个逻辑数据库组成，整个逻辑数据库的数据，存储在分布于网络中的多个结点上的物理

10、数据库中。在当今的客户/服务器结构的数据库系统中，服务器的数目可以是一个或多个。当系统中存在多个数据库服务器时就形成了分布系统。 浏览器/服务器系统 随着Internet的迅速普及，出现了三层客户机/服务器模型：客户机应用服务器数据库服务器。这种系统称为浏览器/服务器（Browser/Server，简记为B/S）系统。,2020/9/15,16,1.2 概念模型,根据应用目的不同，模型分为两类： 概念模型：按用户的观点来对数据和信息建模，也称为信息模型。 数据模型：按计算机系统的观点对数据建模。,2020/9/15,17,学籍管理,学生,教师,学院,课程,教材,教室,上课,任课,考评,成绩,奖

11、学金,成绩单,名称,保研,实体(entity) 客观存在并可相互区别的事物称为实体。实体可以是具体的人、事、物，也可以是抽象的概念或联系。,2020/9/15,18,学生：姓名，年龄，籍贯，出生地， 教师：姓名，职称，专业，,属性(attribute) 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。,2020/9/15,19,主码（primary key） 惟一标识实体的属性集称为主码。 例如，学生号是学生实体的主码，职工号是职工实体的主码。 域（domain） 属性的取值范围称为该属性的域。 例如，职工性别的域为（男，女），姓名的域为字母字符串集合，年龄的域为小于150的整数

12、，职工号的域为5位数字组成的字符串等。,2020/9/15,20,实体型（entity type） 具有相同属性的实体必然具有共同的特征和性质。用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体，称为实体型。 例如，学生（学号，姓名，性别，出生年份，系，入学时间）就是一个实体型。 实体集（entity set） 同型实体的集合称为实体集。 例如，全体学生就是一个实体集。 图书馆的图书也是一个实体集。 联系（relationship） 在现实世界中，事物内部以及事物之间是有联系的，这些联系在信息世界中反映为实体内部的联系和实体之间的联系。实体内部的联系通常是组成实体的各属性之间的联系。,2020/9/1

13、5,21,两个实体型之间的联系可以分为3类 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，记为1:1。 例如，一个宾馆，每个客房都对应着一个房间号，一个房间号也惟一的对应这一间客房。所以，客房和房间号之间具有一对一联系。 又如，确定部门实体和经理实体之间存在一对一联系，意味着一个部门只能有一个经理管理，而一个经理只管理一个部门。,2020/9/15,22,一对多联系（1:n） 如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体与之联系（n0），反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多有一个实体与之

14、联系，则称实体集A与实体集B具有一对多联系，记为1:n 。 例如，一个部门中有若干名职工，而每个职工只能在一个部门工作，则部门与职工之间具有一对多联系。,2020/9/15,23,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个实体与之联系（n0），反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体与之联系（m0），则称实体集A与实体集B具有多对多联系，记为m:n 。 注意: 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。实体型之间的这种一对一、一对多、多对多联系不仅存在于两个实体型之间，也存在于两个以上的实体型之间。同一个实体集内的各实体之间也可

15、以存在一对一、一对多、多对多的联系。,2020/9/15,24,1.2.2 概念模型的表示方法 概念模型是对信息世界建模，所以概念模型应该能够方便、准确地表示信息世界中的常用概念。概念模型的表示方法很多，其中最为常用的是P.P.S.Chen于1976年提出的实体联系方法（Entity-Relationship Approach，简记为E-R表示法）。 该方法用ER图来描述现实世界的概念模型，称为实体联系模型，简称E-R模型。E-R图中各图形的含义及图示见表1-1。 需要注意的是，联系本身也可以有属性。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来。,2020/9/15,25,表1

16、-1 E-R图中各图形的含义,2020/9/15,26,【例1-1】在选课系统中，一门课程同时有若干个学生选修，而一个学生可以同时选修多门课程，则课程与学生之间具有多对多联系。,学号,所在系,年龄,姓名,性别,学生,课程号,课程名,学分,课程,成绩,选课,m,n,2020/9/15,27,【例1-2】 在授课系统中，对于课程、教师与参考书3个实体型，如果一门课程可以有若干个教师讲授，使用若干本参考书，而每一个教师只讲授一门课程，每一本参考书只供一门课程使用，则课程与教师、课程与参考书之间的联系是一对多的。,2020/9/15,28,【例1-3】职工实体集内部有领导与被领导的联系。即某职工为部门

17、领导，“领导”若干职工，而一名职工仅被另外一个职工（领导）直接领导，因此这是一对多联系。,2020/9/15,29,【例1-4】图书借阅系统概念模型设计。该系统中有读者、图书两个实体集，实体集之间通过借阅建立联系。假定一位读者可以借阅多本图书，一本图书可以经多位读者借阅。一本图书一位读者可以借阅多次（不同时间）。,2020/9/15,30,1.3.1 数据模型及其组成要素 数据库系统的核心是数据库，数据库是根据数据模型建立的，因而数据模型是数据库系的基础。 数据模型通常都是由数据结构、数据操作和完整性约束3个要素组成。 数据结构 数据结构研究数据元素之间的组织形式、存储形式以及数据对象的类型等

18、。数据结构用于描述系统的静态特性。 在数据库系统中，通常按照其数据结构的类型来命名数据模型。例如层次结构、网状结构、关系结构的数据模型分别命名为层次模型、网状模型和关系模型。,1.3 数据模型,2020/9/15,31,数据操作 数据操作用于描述系统的动态特性。数据操作是指对数据库中的各种对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则。 数据库主要有查询和更新两大类操作。 数据完整性约束 数据完整性约束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储存规则，用以符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效和相容。 数据模型是数据库技术

19、的关键，它的3个要素完整地描述了一个数据模型。,2020/9/15,32,1.3.2 数据模型的种类 目前，数据库领域中，最常用的数据模型有：层次模型、网状模型和关系模型。 层次模型 层次模型是数据库中最早出现的数据模型，层次数据库系统采用层次模型作为数据的组织方式。用树型结构表示实体类型以及实体间的联系是层次模型的主要特征。 层次模型的一个最基本的特点是，任何一个给定的记录值(也称为实体)只有按照其路径查看时，才能显出它的全部意义。没有一个子记录值能够脱离双亲记录值而独立存在。,2020/9/15,33,图1-1 层次模型示意图,2020/9/15,34,网状模型 在现实世界中事物之间的联系

20、更多的是非层次关系的，用层次模型表示非树形结构是很不直接的，网状模型则可以克服这一弊端。 用网状结构表示实体类型及实体之间联系的数据模型称为网状模型。在网状模型中，一个子结点可以有多个父结点，在两个结点之间可以有一种或多种联系。,图1-2 网状模型示意图,2020/9/15,35,关系模型(relational model) 关系模型是目前最常用的一种数据模型。关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式。 在关系模型中，数据在用户观点下的逻辑结构就是一张二维表。每一张二维表称为一个关系（relation）。,关系模型示意图,2020/9/15,36,1.4.1 数据库系统三级模式结构 从DB

21、MS方面考虑，数据库系统通常采用三级模式结构，这是DBMS内部的系统结构。 模式（schema） 模式也称为逻辑模式，是数据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。 一个数据库只有一个模式。DBMS提供描述语言（模式DDL）来严格定义模式。 外模式（external schema） 外模式也称为子模式或用户模式，它是数据库用户能够看到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，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。 外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式。外模式是保证数据库安全性的一个有力措施。每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据，数据库中

22、其余数据是不可见的。 DBMS提供子模式描述语言（子模式DDL）来严格定义子模式。,1.4 数据库系统,2020/9/15,37,内模式（internal shcema） 内模式也称为存储模式（storage shcema）,一个数据库只有一个内模式。它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。 DBMS提供内模式描述语言（内模式DDL，或者存储模式DDL）来严格定义内模式。 三级模式之间的映射 三级模式间有两种映射：模式/外模式映射、模式/内模式映射 模式/外模式映射定义某个外模式和模式的对应关系，当模式发生改变时，只要改变其映射，而无需改动外模式，从而保证了数据的逻辑独

23、立性。 模式/内模式映射定义内模式和模式的对应关系，当内模式发生改变时，只要改变其映射，而无需改动模式，从而保证了数据的物理独立性。,2020/9/15,38,概念级 （DBA视图）,局部逻辑结构,整体逻辑结构,存储结构,外模式,从各个用户角度看到和使用的数据库，因此也称为用户视图。,这是数据管理员看到的数据库，称为DBA视图。它是所有用户视图的一个最小集合，是对数据库整体逻辑的描述。,是系统管理员对数据进行的物理组织，称为系统程序员视图，也称为数据的存储结构 。,2020/9/15,39,通过数据库的结构可以看出，在数据库系统中，用户看到的数据与计算机中存放的数据是两回事，它们之间已经过了两

24、次变换： 一次是系统为了减少冗余，实现数据共享，把所有用户的数据进行综合、抽象为一个统一的数据视图； 第二次是为了提高存取效率，改善性能，把全局视图的数据按照物理组织的最优形式存放。DBMS的中心工作之一，就是完成这二级数据之间的转换。,2020/9/15,40,2020/9/15,41,上页,下页,1.4.2 数据库系统的组成 一般由数据库、硬件、软件、数据库管理员和用户构成。,硬件 要求：大内存,大硬盘,较高的通道能力. 软件 支持数据库的操作系统; 数据库管理系统; 具有与数据库接口的高级语言及其编译系统; 以DBMS为核心的开发工具. 数据库:具体的数据库应用系统. 数据库的数据; 数

25、据库的描述. 人员:数据库管理员、系统分析员、应用程序员和用户,2020/9/15,42,上页,下页,2020/9/15,43,1.4.3 数据库管理系统的功能 数据库管理系统（简称DBMS）的主要功能包括： 数据定义功能 数据操纵功能 数据库的运行管理 数据库的建立和维护功能 数据字典,2020/9/15,44,1.4.4数据库系统的人员 数据库管理员DBA 决定DB中的信息内容和结构; 决定DB的存储结构和存取策略; 定义DB的安全性和完整性约束条件; DB的使用和运行; DB的改进和重组. 系统分析员 负责应用系统的需求分析和规范说明,与DBA及用户配合,确定系统的软硬件配置,参与数据库系统的概要设计. 应用程序员 根据外模式设计和编写应用系统的程序模块,并进行调试和安装. 用户 通过应用系统的用户接口使用数据库. 用户分类:偶然用户、简单用