數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用 第一章 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論

一章 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論 主要講解內(nèi)容 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展歷史 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段的主要特點 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 三級模式結(jié)構(gòu)與二級 (層）映象功能 數(shù)據(jù)的獨立性 物理獨立性與邏輯獨立性 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主要功能 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的組成 概念模型 數(shù)據(jù)模型 層次 網(wǎng)狀 關(guān)系 工管理階段 文件系統(tǒng)階段 據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展 應(yīng)用程序 1 應(yīng)用程序 2 應(yīng)用程序 n 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段 數(shù)據(jù) 1 數(shù)據(jù) 2 數(shù)據(jù) n 文件 系統(tǒng) 物理文件 1 物理文件 2 物理文件 n 數(shù)據(jù)庫 管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫 據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展 人工管理階段 文件系統(tǒng)階段 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段 時間 50年代中期 50年代后期 60年代中期 60年代后期 應(yīng)用背景 科學(xué)計算 科學(xué)計算、管理 大規(guī)模管理 硬件背景 無直接存取存 儲設(shè)備 磁盤、磁鼓 大容量磁盤 軟件背景 沒有操作系統(tǒng) 有操作系統(tǒng) （文件系統(tǒng)） 有 理方式 批處理 批處理 聯(lián)機實時處理 批處理 聯(lián)機實時處理 分布處理 據(jù)庫技術(shù)的三個階段 (續(xù) 1) 人工管理階段 文件系統(tǒng)階段 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段 數(shù)據(jù)保存方式 數(shù)據(jù)不保存 以文件的形式長期保存，但無結(jié)構(gòu) 以數(shù)據(jù)形式保存，有結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)管理 考慮安排數(shù)據(jù)的物理存儲位置 與數(shù)據(jù)文件名打交道 對所有數(shù)據(jù)實行統(tǒng)一、 集中、獨立的管理 數(shù)據(jù)與程序 數(shù)據(jù)面向程序 數(shù)據(jù)與程序脫離 數(shù)據(jù)與程序脫離 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享 數(shù)據(jù)的管理者 人 文件系統(tǒng) 據(jù)面向的對象 某一應(yīng)用程序 某一應(yīng)用程序 現(xiàn)實世界 據(jù)庫技術(shù)的三個階段 (續(xù) 2) 人工管理階段 文件系統(tǒng)階段 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段 數(shù)據(jù)的共享程度 無共享 共享性差 共享性高 數(shù)據(jù)的冗余度 冗余度極大 冗余度大 冗余度小 數(shù)據(jù)的獨立性 不獨立，完全依賴于程序 獨立性差 具有高度的物理獨立性和一定的邏輯獨立性 數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化 無結(jié)構(gòu) 記錄內(nèi)有結(jié)構(gòu) 整體無結(jié)構(gòu) 整體結(jié)構(gòu)化 用數(shù)據(jù)模型描述 數(shù)據(jù)的控制能力 應(yīng)用程序自己控制 應(yīng)用程序自己控制 由 整性、并發(fā)控制和恢復(fù)能力 本概念 數(shù)據(jù) 描述現(xiàn)實世界中各種事物的符號記錄 數(shù)據(jù)庫 長期儲存在計算機中的、有組織的、可共享的數(shù)據(jù)的集合 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是為數(shù)據(jù)庫的建立、使用和維護而配置的軟件。它建立在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一的管理和控制。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 是實現(xiàn)在組織地、動態(tài)地存儲大量相關(guān)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，方便各類用戶使用數(shù)據(jù)庫的計算機軟件 /硬件資源的集合。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由 5部分組成：硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫集合、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及相關(guān)軟件、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶。 據(jù)描述 據(jù)描述的 3個領(lǐng)域 從事物的特征到計算機中數(shù)據(jù)的表示，數(shù)據(jù)描述要經(jīng)歷 3個不同的領(lǐng)域： 現(xiàn)實世界、信息世界和機器世界。 信息世界 指現(xiàn)實世界在人們頭腦中的反映。人們用文字、符號、圖形、圖像、聲音等方式記載下現(xiàn)實世界的信息，我們稱之為信息世界。 在信息世界中，常用的術(shù)語有以下 4個： 實體（ 客觀存在可以相互區(qū)別的事物稱為實體。實體可以是具體的對象，例如：一個員工、一本教材等。也可以是抽象的事件，例如：一次旅游、一場球賽等。 實體集（ ：性質(zhì)相同的同類實體的集合稱為實體集。例如，學(xué)生等。 屬性（ 實體有很多特性，每一個特性稱為一個屬性。每個屬性有一個數(shù)據(jù)類型和值域。例如：大學(xué)生有學(xué)號、姓名、年齡、性別等屬性。學(xué)號、姓名、性別的數(shù)據(jù)類型是字符串，而年齡的數(shù)據(jù)類型是整數(shù)，其值域在 13 30之間。 實體標(biāo)識符 ( 能惟一標(biāo)識每個實體的屬性或?qū)傩约Q為實體標(biāo)識符，或簡稱鍵。例如，學(xué)生的學(xué)號可以作為學(xué)生實體標(biāo)識符 器世界 信息世界的信息在機器中以數(shù)據(jù)形式存儲，成為機器世界。在機器世界中，常用的術(shù)語有以下 4個： 字段（ 標(biāo)記實體屬性的命名單位稱為字段或數(shù)據(jù)項。它是可以命名的最小信息單位，所以又稱為數(shù)據(jù)元素或初等項。字段的命名往往與屬性名相同。例如：一個學(xué)生記錄中有學(xué)號、姓名、年齡、性別等字段。 記錄（ 字段的有序集合稱為記錄。一般用一個記錄描述一個實體，所以記錄又可以定義為能完整地描述一個實體的字段集。例如：一個學(xué)生記錄由有序的字段集組成：（學(xué)號，姓名，年齡，性別）。 基本表（ ： 描述一個實體集的所有記錄的集合。有的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，一個基本表就對應(yīng)一個數(shù)據(jù)文件（ 關(guān)鍵碼（ 能惟一標(biāo)識基本表中每個記錄的字段或字段集。 數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述 1對 1、 1對多、多對多 據(jù)模型 數(shù)據(jù)模型是表示實體類型和實體間聯(lián)系的模型，是現(xiàn)實世界中的事物及其間聯(lián)系的一種抽象表示，是一種形式化描述數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)間聯(lián)系以及有關(guān)語義約束規(guī)則的方法。 象的抽象過程 第一級 抽象 現(xiàn)實世界 信息世界 概念模型 機器世界 數(shù)據(jù)模型 第二級 抽象 事物個體 實體 記錄 事物總體 實體集 文件 特征 屬性 字段 事物間聯(lián)系 實體模型 數(shù)據(jù)模型 認(rèn)識抽象 轉(zhuǎn)換 一級抽象：概念模型 數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。各種機器上實現(xiàn)的 了把現(xiàn)實世界中的具體事物抽象、組織為某一 們常 常首先將現(xiàn)實世界抽象為信息世界，然后將信息世界轉(zhuǎn)換為機器世界。也就是說，首先把現(xiàn)實世界中的客觀對象抽象為某一種信息結(jié)構(gòu)，這種信息結(jié)構(gòu)并不依賴于具體的計算機系統(tǒng)，不是某一個 是概念級的模型；然后再把概念模型轉(zhuǎn)換為計算機上某一 不難看出，概念模型實際上是現(xiàn)實世界到機器世界的一個中間層次。 念模型 1) 信息世界中的基本概念 (1) 實體 客觀存在并相互區(qū)別的事物 (2) 實體集 1. 性質(zhì)相同的同類實體的集合 2. 實體整體 3. 例子 所有的學(xué)生 (3) 屬性 1. 實體所具有的某一特性 2. 用若干個屬性來描述實體 3. 包含 (1) 屬性的型：學(xué)生（姓名，系別 ） (2) 屬性的值：學(xué)生（張三，計算機系 ） (4) 實體型 1. 用若干個屬性型所組成的集合表征一個實體類型 2. 用實體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實體 3. 例如：學(xué)生（學(xué)號、姓名、系別 ） (5) 碼 1. 唯一標(biāo)識實體的屬性集 2. 實體鍵、關(guān)鍵字（段） 3. 把某個實體個體與其他實體個體區(qū)分來開（成績表） (6) 域 1. 屬性的取值范圍 (7) 聯(lián)系 1. 一對一聯(lián)系（ 1:1） 2. 一對多聯(lián)系（ 1:n） 3. 多對多聯(lián)系（ m:n） ) 概念模型的表示方法 （實體聯(lián)系方法） （ 1） 實體聯(lián)系方法（ 來 實體 976年提出的一種語義數(shù)據(jù)模型 不必考慮信息的存儲機構(gòu) ,存取路徑及存取效率如何在計算機中實現(xiàn) 而不是面向機器的實現(xiàn) . 2)設(shè)計 E 不是它在機器中如何實現(xiàn)，因此 E 面介紹 E 個基本的抽象概念：實體、聯(lián)系和屬性。 實體 ( 實體是客觀存在的且可以區(qū)別的事物?，F(xiàn)實世界由各種各樣的實體組成。實體可以是有生命的，也可以是無生命的；可以是具體的，也可以是抽象的概念。例如學(xué)生、教師、文化藝術(shù)、信息技術(shù)、夢、愛與恨 都是實體。所以，實體具有客觀存在和可區(qū)分的墓本特征。 在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中，常常關(guān)心具有相同性質(zhì)的實體的集合。這種具有相同性質(zhì)的一類實體的集合稱為實體集(如全校學(xué)生的集合組成學(xué)生實體集。實體集中各個實體是借助實體標(biāo)識符 (稱為關(guān)鍵字 )加以區(qū)別的。例如，可以定義學(xué)校的“教師”為一實體集，而學(xué)校中每個教師都是該實體集的成員。 聯(lián)系 ( 聯(lián)系是實體集之間關(guān)系的抽象表示，即對現(xiàn)實世界中事物之間關(guān)系的描述。如教師實體集與學(xué)生實體集間的“講授”聯(lián)系，公司實體集與職工實體集之間的“聘任”聯(lián)系等。如果參與聯(lián)系的實體集的數(shù)目為 n，則稱這種聯(lián)系數(shù)為 據(jù)聯(lián)系的元數(shù)不同，通常把聯(lián)系分為如下幾類： (1)二元聯(lián)系：只有兩個實體集參與的聯(lián)系稱為二元聯(lián)系，它是現(xiàn)實世界中大量存在的聯(lián)系。 E 元聯(lián)系可進 步區(qū)分為 1： 1、 l： n和 m： 在 E （ 2）多元聯(lián)系：參與聯(lián)系的實體集個數(shù) =3時，稱為多元聯(lián)系 例：學(xué)生 書店和圖書 購成“購書”聯(lián)系是三元聯(lián)系 （ 3）自反聯(lián)系：它描述了同一實體集內(nèi)兩部分實體之間的聯(lián)系，是一種特殊的二元聯(lián)系。也可區(qū)分為 1： 1， 1： ： N 例：人中的夫與妻 職工中的領(lǐng)導(dǎo)與被領(lǐng)導(dǎo) 屬性 ( 實體或聯(lián)系所具有的特征稱之為屬性。實體由特征來 表征和區(qū)分，通常一個實體可以由多個屬性來描述，即實體可用屬性集表示。例如學(xué)生實體可用學(xué)號、姓名、性別、年齡、系、籍貫等屬性來描述。不僅實體可以用屬性來描述，聯(lián)系也可以用屬性來描述使其語義更加豐富。例如學(xué)生實休集和課程實體集間存在 m： 課”聯(lián)系，這種聯(lián)系可以有“成績”、“選修時間”等屬性。有關(guān)屬性的幾點說明如下： 示方法 1. 實體型：矩形實體名 2. 屬性：橢圓形，無向邊與實體連接 3. 聯(lián)系：菱形聯(lián)系名，無向邊與實體連接，邊上標(biāo)注聯(lián)系類型 在 E=有時為了突出各實體集之間的聯(lián)系 ,略去了實體集或聯(lián)系的屬性 =校長 負(fù)責(zé) 學(xué)校 1 1 系部 聘任 教師 1 n 教師 教學(xué) 學(xué)生 m n 職工號 姓名 性別 年齡 職稱 書號 書名 簡介 價格 課程名 學(xué)分 課程號 專業(yè)系 班編號 成績 學(xué)號 姓名 性別 年齡 教師 參考書 講授 課程 m n 1 選修 m n 領(lǐng)導(dǎo) 1 n 學(xué)生 組成 班級 n 1 實體集 聯(lián)系 學(xué)員 屬性 二級抽象 機器世界的數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)模型 1) 實體模型 數(shù)據(jù)模型 2) 實體集 文件 3) 實體 記錄 4) 實體型 記錄型 5) 屬性 數(shù)據(jù)項、字段 數(shù)據(jù)模型種類 層次模型 ( 網(wǎng)狀模型 ( 關(guān)系模型 (次模型 代表系統(tǒng) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 樹型結(jié)構(gòu)（一對多關(guān)系） 1： 1或 1： N 只有一個根結(jié)點：無雙親 其他結(jié)點有且只有一個雙親 基本概念 兄弟 同一個雙親的結(jié)點稱為兄弟 葉子 無子女的結(jié)點，稱為葉子 校行政機構(gòu)的層次模型 校 教研室 系 科 處 研究所 研究室 次模型示例 優(yōu)點 1. 數(shù)據(jù)模型簡單 2. 若實體間的關(guān)系固定，性能優(yōu)于關(guān)系模型 3. 良好的完整性支持 缺點 1. 描述現(xiàn)實世界的非層次性很笨拙 2. 插入和刪除操作限制較多 3. 必須通過雙親才能找到子結(jié)點 4. 由于結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，層次命令趨于程序化 狀模型 (1) 代表系統(tǒng) (2) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 1. 允許多個結(jié)點無雙親 2. 允許結(jié)點有多個雙親 3. 允許結(jié)點間有多個聯(lián)系（復(fù)合聯(lián)系） 操縱與完整性約束 1. 允許插入無雙親的子結(jié)點 2. 允許只刪除雙親結(jié)點 3. 更新操作較簡單 存儲結(jié)構(gòu) 1. 鏈接法 優(yōu)點 1. 能夠直接描述現(xiàn)實世界 2. 存取效率較高 缺點 1. 數(shù)據(jù)描述語言極其復(fù)雜 2. 數(shù)據(jù)獨立性差 系模型 (1) 代表系統(tǒng) 1. 2. 3. 4. 5. (2) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：關(guān)系模型（規(guī)范的二維表） (3) 概念 1. 關(guān)系：整個二維表 2. 關(guān)系名：表格名稱 3. 元組：行數(shù)據(jù)（記錄） 4. 屬性名：列名稱（字段名） 5. 屬性：列數(shù)據(jù)（字段） 6. 主碼：唯一確定元組的屬 性組（關(guān)鍵字） 7. 域：屬性的取值范圍 8. 分量：元組中的一個屬性值 9. 關(guān)系模式：關(guān)系名（屬性 ），如：學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，系別，年齡，籍貫） (4) 操縱與完整性約束 1. 操縱：查詢、更新（插入、修改、刪除） 2. 完整性：實體完整性、參照完整性、用戶定義完整性 3. 操作的對象與結(jié)果都是關(guān)系 4. 數(shù)據(jù)獨立性高（隱蔽存取路徑） (5) 存儲結(jié)構(gòu) 1. 以文件形式存儲表 (6) 優(yōu)點 1. 有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)概念作基礎(chǔ) 2. 關(guān)系模型的概念單一 3. 存取路徑對用戶透明 (7) 缺點 1. 查詢效率不高 系數(shù)據(jù)模型 學(xué)號 姓名 性別 年齡 籍貫 9901 李勇 男 20 江蘇 9902 劉晨 女 19 山東 9903 王明 女 20 北京 9999 張立 男 18 陜西 學(xué)生學(xué)籍記錄表 關(guān)系名 關(guān)系 元組 (行 ) 屬性 (列 ) 主碼 男 女 域 分量 關(guān)系模式 ： 學(xué)生（學(xué)號、姓名、性別、年齡、籍貫） 屬性名 據(jù)庫中的表 /關(guān)系 學(xué) 號 姓 名 專 業(yè) 選修課程 任課教師 9003105 張 鵬 計算機應(yīng)用 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 唐 飛 9003212 吳俊武 計算機軟件 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 王小棟 9003223 廖 凱 計算機軟件 程序設(shè)計語言 陸 非 9003214 李 娜 計算機軟件 形式語言 蔣 濤 學(xué)生選課登記表 表、關(guān)系：由關(guān)系模式和元組構(gòu)成 值域： 列數(shù)據(jù)的取值范圍 如，十個漢字以內(nèi)的文字串 關(guān)系模式：由表名和屬性名構(gòu)成 如，學(xué)生選課登記表 (學(xué)號 ,姓名 ,專業(yè) ,選修課程 ,任課教師 ) 列、字段、屬性、數(shù)據(jù)項： 列有名稱 (屬性名 ),有值 /數(shù)據(jù) (數(shù)據(jù)項 ) 如，屬性名為“專業(yè)”，數(shù)據(jù)項為“計算機應(yīng)用”，“計算機軟件” 行、元組、記錄：由數(shù)據(jù)構(gòu)成 表名：學(xué)生選課登記表 如， (9003212,吳俊武 ,計算機軟件 ,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ,王小棟 ) (9003223,廖凱 ,計算機軟件 ,程序設(shè)計語言 ,陸非 ) 據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 注： 我們可以從不同的角度考察數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)；從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的抽象層次看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常采用三級模式結(jié)構(gòu)。從最終用戶角度來看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分為單用戶結(jié)構(gòu)、主從式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)和客戶 /服務(wù)器結(jié)構(gòu)。 1) 模式 (1) 數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述 (2) 僅涉及到數(shù)據(jù)類型的描述，不涉及到具體的數(shù)值 (實例 ) (3) 模式是穩(wěn)定的，實例是相對變動的 (4) 模式反映數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和關(guān)系，實例反映數(shù)據(jù)庫某時刻的狀態(tài) 據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu) 據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu) _外模式 (1) 外模式 ( 也叫子模式或用戶模式 ) 1. 是數(shù)據(jù)庫用戶看見和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特性的描述 2. 是數(shù)據(jù)庫用戶的數(shù)據(jù)視圖 3. 描述數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu) 4. 是概念模式的邏輯子集 5. 有多個外模式（不同的用戶有不同的外模式） 6. 用戶通過外模式訪問數(shù)據(jù)庫 7. 與用戶看待數(shù)據(jù)庫方式有關(guān)的層 據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu) _模式 (2) 概念模式 (邏輯模式或簡稱模式 ) 1. 是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特性的描述 2. 是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖 3. 所有個別用戶視圖綜合起來的用戶共同視圖 4. 描述數(shù)據(jù)的全局邏輯結(jié)構(gòu) 5. 只有一個概念模式，它是數(shù)據(jù)系統(tǒng)三級模式結(jié)構(gòu)的中間層 據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu) _內(nèi)模式 (3) 內(nèi)模式 (存儲模式 ) 1. 與實際存儲數(shù)據(jù)方式有關(guān)的層 2. 數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)和存儲結(jié)構(gòu)的描述 3. 數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式 4. 描述數(shù)據(jù)的物理存儲結(jié)構(gòu) 5. 存儲方式、索引、壓縮加密 6. 只有一個內(nèi)模式 ) 數(shù)據(jù)庫的二層映象功能與數(shù)據(jù)獨立性 正是這兩層映像保證了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)具有較高的數(shù)據(jù)邏輯獨立性與數(shù)據(jù)物理獨立性 (1) 外模式 /概念模式的映象 1. 定義外模式與概念模式的對應(yīng)關(guān)系 2. 概念模式改變 改變映象 外模式不變 應(yīng)用程序不變 3. 保證數(shù)據(jù)的邏輯獨立性 (2) 概念模式 /內(nèi)模式的映象 1. 定義數(shù)據(jù)的全局邏輯結(jié)構(gòu)與存儲結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系 2. 存儲結(jié)構(gòu)改變 映象改變 概念模式不變 3. 保證數(shù)據(jù)的物理獨立性 ) 三級結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)點 (1)保證數(shù)據(jù)的獨立性 (2)簡化了用戶的使用 (3)減少冗余，利于共享 (4)有利于數(shù)據(jù)的安全操作 ) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)