數(shù)據(jù)庫原理與MySQL應(yīng)用-1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本原理

第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本原理1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用21.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概念1.數(shù)據(jù)（data）

數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫存儲的基本對象。

數(shù)據(jù)的含義稱為數(shù)據(jù)的語義，數(shù)據(jù)與其語義是不可分的。如：93是數(shù)據(jù)；語義：1）某門課成績；2）某個人體重……再如：描述學(xué)生基本信息情況：張洋同學(xué)，男，2002年3月7日生人，2021年入學(xué)計算機系。計算機中記錄的描述：（張洋，男，2002/03/07，計算機系，2021）2.數(shù)據(jù)庫（DataBase，簡稱為DB）

簡單的說，數(shù)據(jù)庫就是相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合。

嚴(yán)格的說，數(shù)據(jù)庫是長期存儲在計算機內(nèi)、有組織的、可共享的大量數(shù)據(jù)的集合。

學(xué)生表學(xué)號姓名性別……

如何組織和存儲數(shù)據(jù)、高效地獲取和維護數(shù)據(jù)？3.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，DBMS）DBMS是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心部分。

常用的DBMS有MySQL、Oracle、SQLServer等。完成這項任務(wù)需要一個系統(tǒng)軟件。DBMS主要功能1）數(shù)據(jù)定義功能DBMS提供數(shù)據(jù)定義語言(DataDefinitionLanguage,DDL)，用戶通過它可以方便地在數(shù)據(jù)庫中定義數(shù)據(jù)對象(如表、視圖、索引)和數(shù)據(jù)的完整性約束。如：CREATETABLEfruits(f_idchar(10) NOTNULLPRIMARYKEY,s_idINT NOTNULL,f_namechar(255) NOTNULL,f_pricedecimal(8,2)CHECK(f_price>0));2）數(shù)據(jù)操縱功能DBMS提供數(shù)據(jù)操縱語言(DataManipulationLanguage,DML)，用戶可以通過它對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行增加、刪除、修改和查詢等操作。如：SELECTf_id,f_nameFROMfruitsWHEREs_id=101;3）數(shù)據(jù)控制功能DBMS提供數(shù)據(jù)控制語言(DataControlLanguage,DCL)，用戶可以通過它完成對用戶訪問數(shù)據(jù)權(quán)限的授予和撤消，即安全性控制；解決多用戶對數(shù)據(jù)庫的并發(fā)使用所產(chǎn)生的事務(wù)處理問題，即并發(fā)控制；數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)儲、恢復(fù)功能；數(shù)據(jù)庫的性能監(jiān)視、分析等功能。如：GRANTSELECTONfruitsToyg001;4）數(shù)據(jù)組織、存儲和管理

DBMS要分類組織、存儲和管理各種數(shù)據(jù)，如用戶數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的存取路徑等。確定以何種存取方式存儲數(shù)據(jù)，以何種存取方法來提高存取效率。在數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，這些都由具體的DBMS自動實現(xiàn)，使用者一般不用進行設(shè)置。4.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DataBaseSystem，簡稱為DBS）

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DBS）是由數(shù)據(jù)庫（DB）、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）、應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理員（DBA）組成的存儲、管理、處理和維護數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。用戶用戶用戶應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)工具數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理員數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存儲數(shù)據(jù)的組織、存取、管理、維護等全面管理DBS使用DB5.數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)(DataBaseApplicationSystem，簡稱為DBAS)

DBAS主要是指實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的應(yīng)用程序。該系統(tǒng)必須為用戶提供一個友好的、人性化的操作數(shù)據(jù)的圖形用戶界面（GUI），通過數(shù)據(jù)庫語言或相應(yīng)的數(shù)據(jù)訪問接口，存取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。如圖書管理應(yīng)用系統(tǒng)、鐵路訂票應(yīng)用系統(tǒng)、證券交易應(yīng)用系統(tǒng)等。1.1.2數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)的發(fā)展階段1.人工管理階段特點：

數(shù)據(jù)不保存數(shù)據(jù)不具有獨立性數(shù)據(jù)不共享2.文件管理系統(tǒng)階段

特點：

數(shù)據(jù)的冗余和不一致數(shù)據(jù)獨立性差數(shù)據(jù)孤立1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化“整體”結(jié)構(gòu)化是指數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不再僅僅針對某一個應(yīng)用，而是面向整個組織或企業(yè)；不僅數(shù)據(jù)內(nèi)部是結(jié)構(gòu)化的，而且整體是結(jié)構(gòu)化的，數(shù)據(jù)之間是具有聯(lián)系的。學(xué)生基本記錄

學(xué)號姓名性別年齡系家庭出身籍貫政治面貌日期學(xué)校學(xué)歷

學(xué)號課程號學(xué)期成績?nèi)掌讵剳蜅l目姓名與本人關(guān)系詳細情況課程號課程名稱學(xué)生人事記錄學(xué)生學(xué)籍記錄學(xué)生選課記錄獎懲情況記錄家庭成員記錄課程記錄學(xué)校信息系統(tǒng)組織中的學(xué)生數(shù)據(jù)3.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段特點：2）數(shù)據(jù)的共享性高、冗余度低且易擴充

數(shù)據(jù)共享可以大大減少數(shù)據(jù)冗余，節(jié)約存儲空間。

數(shù)據(jù)共享能夠避免數(shù)據(jù)之間的不相容性與不一致性。

數(shù)據(jù)的不一致性是指同一數(shù)據(jù)不同副本的值不一樣。

由于數(shù)據(jù)面向整個系統(tǒng)，是有結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，不僅可以被多個應(yīng)用共享使用，而且容易增加新的應(yīng)用，這就使得數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)彈性大，易于擴充。避免或杜絕數(shù)據(jù)冗余，這句話對不對？不對，只能是盡量降低數(shù)據(jù)冗余

原因：要實現(xiàn)多表的連接，必須在每個表中有相同的能夠?qū)崿F(xiàn)連接的列。學(xué)號姓名性別出生日期選課表學(xué)生表學(xué)號課號成績課程表課號課程名學(xué)分要完成查詢學(xué)生姓名、選修的課程名及成績信息。3）數(shù)據(jù)獨立性

數(shù)據(jù)獨立性是指數(shù)據(jù)與程序的獨立。

把數(shù)據(jù)的定義從程序中分離出來，加上存取數(shù)據(jù)的方法又由DBMS負責(zé)提供，從而簡化了應(yīng)用程序的編制，大大減少了應(yīng)用程序的維護和修改。

包括數(shù)據(jù)的物理獨立性和邏輯獨立性。4）數(shù)據(jù)由DBMS統(tǒng)一管理和控制

（1）數(shù)據(jù)的完整性檢查

數(shù)據(jù)的完整性指數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性。

完整性檢查將數(shù)據(jù)控制在有效的范圍內(nèi)，并保證數(shù)據(jù)之間滿足一定的關(guān)系。

如：學(xué)生各科成績的值要求只能取0~100間的值；學(xué)生退學(xué)后，在學(xué)生表中刪除該記錄的同時，還需要將其它存放該學(xué)生信息的表中記錄一起刪除，比如選課表中課程成績記錄。

（2）并發(fā)控制

當(dāng)多個用戶的并發(fā)進程同時存取、修改數(shù)據(jù)庫時，可能會發(fā)生相互干擾而得到錯誤的結(jié)果或使得數(shù)據(jù)庫的完整性遭到破壞，因此必須對多用戶的并發(fā)操作加以控制和協(xié)調(diào)。

（2）數(shù)據(jù)的安全性保護

數(shù)據(jù)的安全性是指保護數(shù)據(jù)以防止不合法使用造成的數(shù)據(jù)泄密和破壞。

每個用戶只能按規(guī)定對某些數(shù)據(jù)以某些方式進行使用和處理。

如：在教務(wù)系統(tǒng)中，學(xué)生只能查看成績，而教師能錄入、修改和查看。

（4）數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)

計算機系統(tǒng)的硬件故障、軟件故障、操作員的失誤以及故意破壞也會影響數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確性，甚至造成數(shù)據(jù)庫部分或全部數(shù)據(jù)的丟失。DBMS提供了數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)功能，可將數(shù)據(jù)庫從錯誤狀態(tài)恢復(fù)到某一已知的正確狀態(tài)?！?11”事件案例

人工管理階段文件系統(tǒng)階段數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段背景應(yīng)用背景硬件背景軟件背景處理方式科學(xué)計算科學(xué)計算、數(shù)據(jù)管理大規(guī)模數(shù)據(jù)管理無直接存取存儲設(shè)備磁盤、磁鼓大容量磁盤、磁盤陣列沒有操作系統(tǒng)有文件系統(tǒng)有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)批處理聯(lián)機實時處理、批處理聯(lián)機實時處理、批處理、分布式處理數(shù)據(jù)管理技術(shù)3個階段的特點及其比較

人工管理階段

文件系統(tǒng)階段

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段

特點

數(shù)據(jù)的管理者數(shù)據(jù)面向的對象數(shù)據(jù)的共享程度數(shù)據(jù)的獨立性數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)控制能力用戶（程序員）文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)某一應(yīng)用程序某一應(yīng)用現(xiàn)實世界（一個部門、企業(yè)、跨國組織等）無共享，冗余度極大共享性差，冗余度大共享性高，冗余度小不獨立，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)模型描述應(yīng)用程序自已控制應(yīng)用程序自已控制由DBMS提供數(shù)據(jù)安全性、完整性、并發(fā)控制和恢復(fù)能力1.1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成1.硬件1）數(shù)據(jù)庫管理員（DBA）參與數(shù)據(jù)庫的設(shè)計定義數(shù)據(jù)的安全性要求和完整性約束條件日常維護，備份數(shù)據(jù)庫和確保系統(tǒng)正常運行數(shù)據(jù)庫的改進和重組、重構(gòu)2.軟件（DBMS）3.數(shù)據(jù)庫（DB）4.人員2）數(shù)據(jù)庫用戶最終用戶系統(tǒng)分析員和數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員應(yīng)用程序員1.2數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用251.2.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)是指數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是由外模式、模式和內(nèi)模式三級構(gòu)成。用戶1用戶2用戶3外模式1外模式n模式內(nèi)模式物理數(shù)據(jù)庫外模式模式內(nèi)模式外模式/模式映射模式/內(nèi)模式映射……用戶1用戶2用戶3外模式1外模式n模式內(nèi)模式物理數(shù)據(jù)庫

模式也稱為概念模式或邏輯模式，是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。一個數(shù)據(jù)庫只有一個模式?！?/p>

外模式又稱為子模式或用戶模式，是數(shù)據(jù)庫用戶能夠看到和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是數(shù)據(jù)庫用戶的數(shù)據(jù)視圖，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。一個數(shù)據(jù)庫可以有多個外模式。

內(nèi)模式又稱為存儲模式或物理模式，是數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲方式的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式。一個數(shù)據(jù)庫只有一個內(nèi)模式。1.2.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的二級映射與數(shù)據(jù)獨立性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三級模式間通過兩級映射進行相互轉(zhuǎn)換，形成一個統(tǒng)一的整體。用戶1用戶2用戶3外模式1外模式n模式內(nèi)模式物理數(shù)據(jù)庫外模式模式內(nèi)模式外模式/模式映射模式/內(nèi)模式映射…實現(xiàn)邏輯獨立性。邏輯獨立性是指用戶的應(yīng)用程序與邏輯結(jié)構(gòu)是相互獨立的。實現(xiàn)物理獨立性。物理獨立性是指用戶的應(yīng)用程序與存儲在磁盤上的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是獨立的。1.3數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用29

數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)進行抽象。1.3.1數(shù)據(jù)抽象的過程用戶需求1用戶需求2用戶需求n……概念模型邏輯模型內(nèi)部模型設(shè)計轉(zhuǎn)換映射映射視圖1視圖2視圖n……外部模型信息→數(shù)據(jù)1.概念模型

1）概念模型的特點（1）概念模型表達了數(shù)據(jù)庫的整體邏輯結(jié)構(gòu)，它是企業(yè)管理人員對整個企業(yè)組織的全面概述。（2）概念模型是從用戶需求的觀點出發(fā)，對數(shù)據(jù)建模。（3）概念模型獨立于硬件和軟件。（4）概念模型是數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員與用戶之間進行交流的工具。

2）概念模型的基本概念（1）實體（Entity）：客觀存在并可相互區(qū)別的事物稱為實體。（2）屬性（Atrribute）：實體所具有的某一特性稱為屬性。（3）碼（Key）：能唯一標(biāo)識實體的最小屬性集，又稱為鍵或關(guān)鍵字。（4）聯(lián)系（Relation）：兩個或多個實體間的關(guān)聯(lián)。聯(lián)系類型：一對一（1:1如學(xué)校和校長）、

一對多（1：n如學(xué)校和學(xué)生）、

多對多（m：n如學(xué)生和課程）

3）概念模型的表示方法※※※概念模型較常用的表示方法是實體-聯(lián)系模型（E-R模型）用戶需求1用戶需求2用戶需求n……概念模型邏輯模型內(nèi)部模型設(shè)計轉(zhuǎn)換映射映射視圖1視圖2視圖n……外部模型采用實體-聯(lián)系模型（E-R模型）（1）實體采用矩形框表示，框內(nèi)為實體名。E-R模型組成（2）屬性采用橢圓表示，圓內(nèi)為屬性名，并用無向線與其相應(yīng)實體連接。（3）碼采用在相應(yīng)屬性下畫實線的方式表示。（4）聯(lián)系采用菱形框表示，框內(nèi)為聯(lián)系名，兩側(cè)標(biāo)明聯(lián)系的類型，例如1：1、1：n、m：n。【例1-2】畫出商店銷售管理系統(tǒng)的E-R模型。商店銷售管理系統(tǒng)包括員工、訂單、商品、部門4個實體，員工包括員工號、姓名、工資3個屬性，訂單包括訂單號、客戶號、銷售日期、總金額4個屬性，商品包括商品號、商品名稱、商品類型代碼、單價、庫存量、未到貨商品數(shù)量6個屬性，部門包括部門號、部門名稱2個屬性。各實體間存在的聯(lián)系為：一個部門擁有多名員工，一個員工只屬于一個部門；一個員工可開出多個訂單，一個訂單只能由一個員工開出；一個訂單可訂購多類商品，一類商品可有多個訂單。2.邏輯模型1）邏輯模型表達了數(shù)據(jù)庫的整體邏輯結(jié)構(gòu)，但它是設(shè)計人員對整個企業(yè)組織數(shù)據(jù)庫的全面概述。2）邏輯模型是從數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的觀點出發(fā)，對數(shù)據(jù)建模。3）邏輯模型硬件獨立，但軟件依賴。4）邏輯模型是數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員與應(yīng)用程序員之間進行交流的工具邏輯模型有層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型3種。3.外部模型外部模型特點：1）外部模型是邏輯模型的一個邏輯子集。2）硬件獨立，軟件依賴。3）外部模型反映了用戶使用數(shù)據(jù)庫的觀點。從整個系統(tǒng)考察，外部模型最主要的特點。1）簡化了用戶的觀點。2）有助于數(shù)據(jù)庫的安全性保護。3）外部模型是對概念模型的支持。4．內(nèi)部模型內(nèi)部模型又稱為物理模型，是數(shù)據(jù)庫最底層的抽象，它描述數(shù)據(jù)在磁盤上存儲方式、存取設(shè)備和存取方法。隨著計算機軟、硬件性能的大幅度提高，并且目前占有絕對優(yōu)勢的關(guān)系模型以邏輯級為目標(biāo)，因而可以不必考慮內(nèi)部級的設(shè)計細節(jié)，由系統(tǒng)自動實現(xiàn)。1.數(shù)據(jù)模型的組成要素數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是描述數(shù)據(jù)庫的組成對象以及對象之間的聯(lián)系。

在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，人們通常按照其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來命名數(shù)據(jù)模型。常見的數(shù)據(jù)模型有層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是所描述的對象類型的集合，是對系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述。1.3.2常用的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)操作

數(shù)據(jù)操作是指對數(shù)據(jù)表中記錄的值允許執(zhí)行的操作集合，包括操作及有關(guān)的操作規(guī)則。

數(shù)據(jù)庫主要有查詢和更新(插入、刪除、修改)兩大類操作。數(shù)據(jù)模型必須定義這些操作的確切含義、操作符號、操作規(guī)則及實現(xiàn)操作的語言。

數(shù)據(jù)操作是對系統(tǒng)動態(tài)特性的描述。數(shù)據(jù)的完整性約束條件

數(shù)據(jù)的完整性約束條件是一組完整性規(guī)則。

完整性規(guī)則是給定的數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約和依存規(guī)則，用以限定符合數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效、相容。2.關(guān)系模型用戶需求1用戶需求2用戶需求n……概念模型邏輯模型內(nèi)部模型設(shè)計轉(zhuǎn)換映射映射視圖1視圖2視圖n……外部模型采用E-R模型層次模型網(wǎng)狀模型關(guān)系模型學(xué)號姓名性別1040101錢江雨男1040102王清馨女1050101李晨男1050102趙一翰男1）關(guān)系（Relation）：一個關(guān)系就是一張規(guī)范的二維表。學(xué)號姓名性別成績英語數(shù)學(xué)語文1040101錢江雨男9080851040102王清馨女7991821050101李晨男7395651050102趙一翰男868576學(xué)號姓名性別1040101錢江雨男1040102王清馨女1050101李晨男1050102趙一翰男2）元組(Tuple)：表中的一行即為一個元組。3）屬性(Attribute)：表中的一列即為一個屬性，每個屬性都有屬性名4）鍵(Key)：也稱為關(guān)鍵碼或關(guān)鍵字。表中的某個屬性或者屬性的組合，能唯一的確定一個元組，那么這個屬性或者屬性的組合就稱為碼，一個關(guān)系中可以有多個碼。5）關(guān)系模式：關(guān)系名（屬性1，屬性2，屬性3，…，屬性n）學(xué)生關(guān)系3.關(guān)系模型的操作與完整性約束關(guān)系模型的操作主要包括查詢、插入、刪除和更新數(shù)據(jù)。關(guān)系的完整性約束條件包括三大類：

實體完整性、參照完整性和用戶定義完整性。1.4非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫NOSQL**數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用451.4.1NoSQL概述Web2.0興起，傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫暴露的難以克服的問題：（1）對數(shù)據(jù)庫高并發(fā)讀寫的需求。（2）對海量數(shù)據(jù)的高效率存儲和訪問的需求。（3）對數(shù)據(jù)庫的高可擴展性和高可用性的需求。關(guān)系數(shù)據(jù)庫在越來越多的應(yīng)用場景下已經(jīng)顯得不那么合適了，為了解決這類問題，非關(guān)系數(shù)據(jù)庫應(yīng)運而生。1.4.2NoSQL相關(guān)理論1.CAP理論Consistency（一致性）：意味著系統(tǒng)在執(zhí)行了某些操作后仍處在一個一致的狀態(tài)，這點在分布式系統(tǒng)中尤其明顯。Availability（可用性）：指對數(shù)據(jù)的所有操作都應(yīng)有成功的返回Partitiontolerance（分區(qū)容忍性）：在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的時候。在網(wǎng)絡(luò)連接上，一些結(jié)點出現(xiàn)故障，使得原本連通的網(wǎng)絡(luò)變成了一