第一章-數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述

第一章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支，是各種信息系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。借助數(shù)據(jù)庫技術(shù)，可以方便有效地存儲(chǔ)和管理大量、復(fù)雜的數(shù)據(jù)。本章是數(shù)據(jù)庫的入門，介紹有關(guān)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)模型等基本概念。借閱者的信息書的存儲(chǔ)信息借出情況歸還情況等等一個(gè)圖書館管理系統(tǒng)應(yīng)該有哪些功能？思考？1.1 數(shù)據(jù)庫基本概念1.數(shù)據(jù)：是數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的基本對象。從計(jì)算機(jī)的角度看，數(shù)據(jù)泛指那些可以被計(jì)算機(jī)接受并能夠被計(jì)算機(jī)處理的符號(hào)，數(shù)字、文字、圖形、圖像、音頻、視頻等都是數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)中，為了存儲(chǔ)和處理這些數(shù)據(jù)，就要抽出對這些數(shù)據(jù)感興趣的特征組成一個(gè)記錄來描述。(李明，男，20，1972，江蘇，計(jì)算機(jī)系，1990)學(xué)生檔案中一個(gè)學(xué)生記錄的數(shù)據(jù)例如：李明是個(gè)大學(xué)生，1972年出生，男，江蘇人，1990年考入計(jì)算機(jī)系。得到下列信息：2.數(shù)據(jù)庫(DB)：是長期儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)、有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫3.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)：位于用戶與操作系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)管理軟件。主要功能：數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)庫運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)庫建立與維護(hù)等。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)操作系統(tǒng)用戶4.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBS)：一般由硬件、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（及其開發(fā)工具）、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)操作系統(tǒng)用戶用戶用戶應(yīng)用開發(fā)工具應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理員

數(shù)據(jù)管理技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展：

人工管理階段文件系統(tǒng)階段數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段數(shù)據(jù)庫技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)階段

人工管理階段(50年代中期以前)：這一階段計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算。硬件中的外存只有卡片、紙帶、磁帶，沒有磁盤等直接存取設(shè)備。軟件只有匯編語言，沒有操作系統(tǒng)和管理數(shù)據(jù)的軟件。數(shù)據(jù)處理的方式基本上是批處理。

人工管理階段的特點(diǎn)如下：

(1)數(shù)據(jù)不保存因?yàn)楫?dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算，對于數(shù)據(jù)保存的需求尚不迫切。應(yīng)用程序1數(shù)據(jù)集1應(yīng)用程序2數(shù)據(jù)集2數(shù)據(jù)集3應(yīng)用程序3

人工管理階段(3)數(shù)據(jù)不共享數(shù)據(jù)是面向程序的，一組數(shù)據(jù)只能對應(yīng)一個(gè)程序。多個(gè)應(yīng)用程序涉及某些相同的數(shù)據(jù)時(shí)，也必須各自定義，因此程序之間有大量的冗余數(shù)據(jù)。(2)數(shù)據(jù)不具有獨(dú)立性程序依賴于數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)的類型、格式、或輸入輸出方式等發(fā)生變化，必須對應(yīng)用程序做出相應(yīng)的修改。

文件系統(tǒng)階段(50年代后期至60年代中期)：這一階段，計(jì)算機(jī)不僅用于科學(xué)計(jì)算，還大量用于信息管理；大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索和維護(hù)成為緊迫的需求；硬件有了磁盤、磁鼓等直接存儲(chǔ)設(shè)備；在軟件方面，出現(xiàn)了高級(jí)語言和操作系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)開始以“文件”的方式介入數(shù)據(jù)處理。

文件管理階段的特點(diǎn)如下：

(1)

數(shù)據(jù)長期保存數(shù)據(jù)以文件形式保存和處理。

(2)程序與數(shù)據(jù)間有一定獨(dú)立性由文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，一個(gè)文件可被多個(gè)應(yīng)用程序使用，一個(gè)應(yīng)用程序也可使用多個(gè)數(shù)據(jù)文件。

問題：數(shù)據(jù)冗余大，同樣的數(shù)據(jù)會(huì)在不同文件中出現(xiàn)。數(shù)據(jù)獨(dú)立性差；如果存儲(chǔ)文件的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，就不得不修改程序，程序和數(shù)據(jù)之間的獨(dú)立性仍然較差。

文件n應(yīng)用程序1應(yīng)用程序2應(yīng)用程序n文件1文件2文件系統(tǒng)……文件系統(tǒng)階段

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段(60年代末開始)：計(jì)算機(jī)應(yīng)用于管理的規(guī)模加大，數(shù)據(jù)量增加，為解決多用戶、多個(gè)應(yīng)用程序共享數(shù)據(jù)的需求，出現(xiàn)了統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)的專門軟件系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫管理階段的特點(diǎn)如下：

(1)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化：按照某種數(shù)據(jù)模型，將各種數(shù)據(jù)組織到一個(gè)結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫中，整個(gè)組織的數(shù)據(jù)不是一盤散沙，數(shù)據(jù)之間是有聯(lián)系的。

(2)數(shù)據(jù)間共享性高：數(shù)據(jù)不再面向某個(gè)應(yīng)用程序而是面向整個(gè)系統(tǒng)，所有用戶可同時(shí)存取庫中的數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)間獨(dú)立性強(qiáng)：數(shù)據(jù)與程序之間相互獨(dú)立。

(4)數(shù)據(jù)管理：由DBMS統(tǒng)一管理和控制。

例如：要建立學(xué)生成績管理系統(tǒng)，系統(tǒng)包含學(xué)生(學(xué)號(hào)、姓名、性別、系別、年齡)、課程(課程號(hào)、課程名)、成績(學(xué)號(hào)、課程號(hào)、成績)等數(shù)據(jù)，分別對應(yīng)三個(gè)文件。采用文件處理方式，因?yàn)椴煌募涗浿g無聯(lián)系，要想查找某個(gè)學(xué)生的學(xué)號(hào)、姓名、所選課程的名稱和成績，必須編寫程序來實(shí)現(xiàn)。而數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不僅描述數(shù)據(jù)本身，還描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，上述查詢可以非常容易地聯(lián)機(jī)查到。應(yīng)用程序1應(yīng)用程序2

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段數(shù)據(jù)庫DBMSDB1.2 數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間存在著一定聯(lián)系，數(shù)據(jù)模型就是對數(shù)據(jù)間聯(lián)系和約束條件的全局性描述。

兩大類數(shù)據(jù)模型：①概念模型。它是按用戶的觀點(diǎn)來對數(shù)據(jù)和信息建模，主要用于數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。②邏輯模型和物理模型。

.邏輯模型主要包括層次、網(wǎng)狀、關(guān)系、面向?qū)ο竽Ｐ?，是按?jì)算機(jī)系統(tǒng)的觀點(diǎn)對數(shù)據(jù)建模；

.物理模型是描述數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部的表示方式和存取方法，是面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的。

例如：學(xué)生是某個(gè)專業(yè)某個(gè)班的，有相關(guān)記錄描述。學(xué)生上計(jì)算機(jī)課，與老師之間又有相關(guān)記錄描述。兩組數(shù)據(jù)之間是有聯(lián)系的。且每個(gè)學(xué)生的學(xué)號(hào)是唯一的….

從現(xiàn)實(shí)世界到概念模型的轉(zhuǎn)換是由數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員完成的，從概念模型到邏輯模型的轉(zhuǎn)換可以由數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員完成，也可以用數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)工具協(xié)助設(shè)計(jì)人員完成，從邏輯模型到物理模型的轉(zhuǎn)換一般是由DBMS完成的。

現(xiàn)實(shí)世界(客觀存在的事物及其相互間聯(lián)系）信息世界(人們對客觀事物的反映通過符號(hào)記錄下來)計(jì)算機(jī)世界(將信息世界的數(shù)據(jù)描述成計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)形式。)現(xiàn)實(shí)世界認(rèn)識(shí)抽象概念模型物理模型將現(xiàn)實(shí)世界抽象為信息世界將信息世界轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)世界邏輯模型

數(shù)據(jù)模型的組成，包含三方面的內(nèi)容：①數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常按照其結(jié)構(gòu)類型(層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和關(guān)系結(jié)構(gòu))來命名數(shù)據(jù)模型。②數(shù)據(jù)操作

如數(shù)據(jù)的檢索、插入、刪除和修改等。③數(shù)據(jù)約束條件

如在學(xué)生數(shù)據(jù)庫中，學(xué)生的年齡不得超過40歲。

常用的數(shù)據(jù)模型：①層次模型②網(wǎng)狀模型③關(guān)系模型④面向?qū)ο竽Ｐ蛯哟文Ｐ停?/p>

通過從屬關(guān)系結(jié)構(gòu)表示數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，主要特征：

(1)有且只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)沒有雙親結(jié)點(diǎn)，該結(jié)點(diǎn)稱為根結(jié)點(diǎn)。

(2)根以外的其他結(jié)點(diǎn)有且只有一個(gè)雙親結(jié)點(diǎn)。

每一個(gè)結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)記錄類型，結(jié)點(diǎn)之間的連線表示記錄類型間的聯(lián)系。這種父子之間的聯(lián)系這使得該模型只能處理一對多的聯(lián)系。教師學(xué)生層次數(shù)據(jù)庫模型

網(wǎng)狀模型：

層次模型是網(wǎng)狀模型的一個(gè)特例，網(wǎng)狀模型是層次模型的擴(kuò)展，表示多個(gè)從屬關(guān)系的層次結(jié)構(gòu)，其主要特征：

(1)允許一個(gè)以上的結(jié)點(diǎn)無雙親。

(2)一個(gè)結(jié)點(diǎn)可以有多于一個(gè)的雙親。每一個(gè)結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)記錄類型，結(jié)點(diǎn)之間的連線表示記錄類型間的聯(lián)系。該模型可實(shí)現(xiàn)一對多和多對多的聯(lián)系。學(xué)生/選課/課程的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型

關(guān)系模型：

現(xiàn)在主流數(shù)據(jù)庫大都是基于關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。關(guān)系模型用二維表表示事物間的聯(lián)系，它由行和列組成。

例如：下表就是關(guān)系模型結(jié)構(gòu)。表中每一行可看成獨(dú)立的記錄，它們共同構(gòu)成了學(xué)生關(guān)系的全部內(nèi)容。

學(xué)生關(guān)系數(shù)據(jù)模型學(xué)號(hào)姓名性別出生年月籍貫050101張三秋男1986-6-9廣東0580102王五男1986-8-8江蘇050103李玉女1985-9-12湖南050104黃國度男1986-8-13廣東

面向?qū)ο竽Ｐ?/p>

面向?qū)ο蟾拍钆c數(shù)據(jù)庫技術(shù)的結(jié)合，由于該模型相對比較復(fù)雜，因此尚未達(dá)到關(guān)系模型的普及程度。

綜合上述，數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，它規(guī)范了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的組織形式，表示了數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，數(shù)據(jù)模型的好壞直接影響數(shù)據(jù)庫的性能。層次模型和網(wǎng)狀模型屬早期模型，已逐漸淡出市場，目前流行的數(shù)據(jù)庫軟件大多使用關(guān)系模型。面向?qū)ο竽Ｐ蛣t是未來的一個(gè)發(fā)展方向。1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是由外模式、模式和內(nèi)模式三級(jí)構(gòu)成。教師編號(hào)姓名性別職務(wù)教研室編號(hào)

模式：也稱邏輯模式。介于內(nèi)模式與外模式之間，是對數(shù)據(jù)庫中全部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的總體描述。一個(gè)數(shù)據(jù)庫中只有一個(gè)邏輯模式。

例如：教師教研室編號(hào)教研室名稱系編號(hào)教研室系編號(hào)系名稱系主任學(xué)院編號(hào)系學(xué)院編號(hào)學(xué)院名稱院長姓名電話地址學(xué)院學(xué)院教師數(shù)據(jù)庫

外模式(用戶模式、子模式)：對應(yīng)于用戶級(jí)，是某個(gè)或某幾個(gè)用戶所看到的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)視圖，一個(gè)邏輯模型可以產(chǎn)生若干個(gè)外模式。教師編號(hào)姓名性別職務(wù)教研室編號(hào)例如：教師教研室編號(hào)教研室名稱系編號(hào)教研室系編號(hào)系名稱系主任學(xué)院編號(hào)系學(xué)院編號(hào)學(xué)院名稱院長姓名電話地址學(xué)院教研室名稱系名稱系主任外模式1外模式2姓名性別系名稱學(xué)院名稱多種模式……邏輯模式

內(nèi)模式(存儲(chǔ)模式、物理模式)：是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的內(nèi)部表示，描述了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式和物理結(jié)構(gòu)。一個(gè)數(shù)據(jù)庫中只有一個(gè)內(nèi)模式。內(nèi)模式是針對計(jì)算機(jī)的，用戶可不必關(guān)心。外模式模式內(nèi)模式最終用戶看到的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫中的基本表數(shù)據(jù)庫通過建立視圖或?qū)Ρ淼牟僮魍ㄟ^DBMS實(shí)現(xiàn)表在數(shù)據(jù)庫中的存儲(chǔ)兩級(jí)映射功能

為實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次間的轉(zhuǎn)換與聯(lián)系，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在三個(gè)模式間提供了兩級(jí)映射：內(nèi)模式邏輯模式外模式1外模式3外模式2應(yīng)用E應(yīng)用D應(yīng)用C應(yīng)用B應(yīng)用A數(shù)據(jù)庫外模式/邏輯模式映像邏輯模式/內(nèi)模式映像說明：邏輯模式與外模式是一對多的關(guān)系；邏輯模式與內(nèi)模式是一對一的關(guān)系。

數(shù)據(jù)庫(DB)：是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心部分，是長期儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)、有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合。幾個(gè)概念小結(jié):

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBS)：包括數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫及其它相關(guān)設(shè)備和人員。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)：是管理數(shù)據(jù)庫的軟件的集合，是用戶訪問數(shù)據(jù)庫的接口。

數(shù)據(jù)(Data)：是數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的基本對象。

四種模型：①層次模型②網(wǎng)狀模型③關(guān)系模型④面向?qū)ο竽Ｐ?/p>

三級(jí)體系結(jié)構(gòu)：①外模式②邏輯模式③內(nèi)模式

兩級(jí)映射：