計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論-基于計(jì)算思維的思想與方法（第4版） 課件【ch10】數(shù)據(jù)庫技術(shù)

計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論基于計(jì)算思維的思想與方法數(shù)據(jù)庫技術(shù)第十章新工科建設(shè)之路·計(jì)算機(jī)類系列教材01數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)01一、數(shù)據(jù)與信息信息(Information)是對(duì)客觀事物的反映，泛指那些通過各種方式傳播的、可被感受的聲音、文字、圖形、圖像、符號(hào)等所表征的某一特定事物的消息、情報(bào)或知識(shí)。信息必須具有以下屬性。(1)事實(shí)性；(2)時(shí)效性；(3)傳輸性；(4)共享性；(5)層次性；(6)不完全性。1.信息數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)01一、數(shù)據(jù)與信息數(shù)據(jù)(Data)是承載信息的媒體，是描述事物狀態(tài)特征的符號(hào)，是信息定量分析的基本單位。數(shù)據(jù)具有如下基本特征：(1)數(shù)據(jù)具有“型(Type)”和“值(Value)”之分(2)數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)類型和取值范圍約束條件(3)數(shù)據(jù)可以通過觀察、測量和考核等手段獲得2.數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)01一、數(shù)據(jù)與信息3.數(shù)據(jù)與信息的關(guān)系數(shù)據(jù)與信息兩者之間既有相互依存關(guān)系，也有相互替代關(guān)系。主要表現(xiàn)為：數(shù)據(jù)反映信息，信息則依靠數(shù)據(jù)來表達(dá)；數(shù)據(jù)是使用各種物理符號(hào)和它們有意義的組合來表示信息，它是信息的一種量化表示；數(shù)據(jù)是信息的具體表現(xiàn)形式，而信息是數(shù)據(jù)有意義的表現(xiàn)。在通常簡單描述時(shí)，信息代表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)代表信息。數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)01一、數(shù)據(jù)與信息4.數(shù)據(jù)處理我們把對(duì)數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、整理、分類、排序、檢索、統(tǒng)計(jì)、加工和傳播等系列活動(dòng)的總和稱為數(shù)據(jù)處理(DataProcessing)。其中“加工”包括計(jì)算、排序、歸并、制表、模擬、預(yù)測等操作。由此可見，數(shù)據(jù)處理是指將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息的過程。數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)01一、數(shù)據(jù)與信息5.數(shù)據(jù)管理我們把對(duì)數(shù)據(jù)的分類、組織、編碼、存儲(chǔ)、檢索、傳遞和維護(hù)稱為數(shù)據(jù)管理(DataManagement)，它是數(shù)據(jù)處理的中心問題。數(shù)據(jù)量越大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其管理的難度也越大，要求數(shù)據(jù)管理的技術(shù)也就越高。數(shù)據(jù)管理及其組織是數(shù)據(jù)庫技術(shù)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)本質(zhì)上就是數(shù)據(jù)管理技術(shù)。數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)01一、數(shù)據(jù)與信息6.信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)可分為以下三類。(1)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(2)管理信息系統(tǒng)(3)決策支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)01二、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫是對(duì)數(shù)據(jù)信息管理的抽象。由此定義：數(shù)據(jù)庫是為滿足對(duì)數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用的需要，按照一定數(shù)據(jù)模型的組織形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中、能為多個(gè)用戶所共享的、與應(yīng)用程序彼此獨(dú)立的、相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合。1.數(shù)據(jù)庫的定義數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)01二、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的基本對(duì)象，一個(gè)適用的、高效的數(shù)據(jù)庫，應(yīng)該具有以下特點(diǎn)。(1)數(shù)據(jù)的共享性；(2)數(shù)據(jù)的獨(dú)立性；(3)數(shù)據(jù)的完整性；(4)減少數(shù)據(jù)冗余；(5)便于使用和維護(hù)。2.數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)01二、數(shù)據(jù)庫3.數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)庫管理是一個(gè)按照數(shù)據(jù)庫方式存儲(chǔ)、維護(hù)并向應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持的復(fù)雜系統(tǒng)。如果將它比作圖書管理，則更能確切理解，如圖10-2所示。數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)01三、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)1.DBMS的基本功能DBMS是為用戶提供數(shù)據(jù)的定義功能、操縱功能、查詢功能，以及數(shù)據(jù)庫的建立、修改、添加、刪除等管理和通信功能，并且具有維護(hù)數(shù)據(jù)庫和對(duì)數(shù)據(jù)庫完整性控制的能力；同時(shí)提供了直接利用的功能，用戶只要向數(shù)據(jù)庫發(fā)出查詢、檢索、統(tǒng)計(jì)等操作命令，就能獲得所需結(jié)果，而不需要了解數(shù)據(jù)的應(yīng)用與數(shù)據(jù)的存放位置和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)01三、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)2.DBMS的層次結(jié)構(gòu)DBMS是一個(gè)龐大而復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，構(gòu)造方法是按其功能劃分為多個(gè)程序模塊，各模塊之間相互聯(lián)系，共同完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫管理。以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為例，DBMS可分為應(yīng)用層、語言處理層、數(shù)據(jù)存取層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，如圖10-3所示。數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)01四、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本組成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)就是引入數(shù)據(jù)庫技術(shù)后的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是由有組織地、動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)有密切聯(lián)系的數(shù)據(jù)結(jié)合，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一管理的計(jì)算機(jī)軟件和為數(shù)據(jù)庫提供物理支撐的硬件所組成的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成如圖10-4所示。數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述——抽象(I)01四、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)2.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)模式、概念模式和外模式，三級(jí)體系結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系如圖10-6所示。02數(shù)據(jù)模型——抽象(II)數(shù)據(jù)模型——抽象(II)021.數(shù)據(jù)模型的定義用數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)或標(biāo)記(如專門的符號(hào)、圖形等)和術(shù)語對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中事物的特征、聯(lián)系和行為進(jìn)行抽象與模擬的模型被稱為數(shù)據(jù)模型(DataModel)。因此，數(shù)據(jù)模型是組織數(shù)據(jù)的方式，是用于描述數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)之間的關(guān)系、數(shù)據(jù)語義和數(shù)據(jù)約束的概念工具的集合。換句話說，數(shù)據(jù)模型是一種對(duì)客觀事物抽象化的表現(xiàn)形式，是用來描述數(shù)據(jù)的一組概念和定義。一、數(shù)據(jù)模型概念數(shù)據(jù)模型——抽象(II)022.數(shù)據(jù)抽象過程人們把客觀存在的事物以數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，經(jīng)歷了對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中事物特性的認(rèn)識(shí)、概念化到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫的具體表示的逐級(jí)抽象過程，并分為三個(gè)世界：現(xiàn)實(shí)世界→信息世界→數(shù)據(jù)世界，數(shù)據(jù)抽象過程與三個(gè)世界的聯(lián)系如圖10-7所示。一、數(shù)據(jù)模型概念數(shù)據(jù)模型——抽象(II)023.數(shù)據(jù)模型的分類在數(shù)據(jù)庫技術(shù)中，根據(jù)數(shù)據(jù)抽象的不同級(jí)別，將數(shù)據(jù)模型分為三個(gè)層次：概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型，通常簡稱為概念模型、邏輯模型和物理模型，

表示數(shù)據(jù)處理的3個(gè)階段。數(shù)據(jù)抽象與數(shù)據(jù)模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖10-8所示。一、數(shù)據(jù)模型概念數(shù)據(jù)模型——抽象(II)02二、概念數(shù)據(jù)模型E-R方法是使用圖解的方法描述數(shù)據(jù)庫的概念模型，因而也稱為E-R模型或E-R圖，通常用實(shí)體、實(shí)體屬性、實(shí)體型、實(shí)體集、實(shí)體聯(lián)系五個(gè)要素來描述。1.E-R模型要素?cái)?shù)據(jù)模型——抽象(II)02二、概念數(shù)據(jù)模型E-R模型一般用圖形方式來表示，E-R圖提供了表示實(shí)體、屬性和聯(lián)系的圖形表示法。在描述概念模型時(shí)，往往需要選擇多個(gè)實(shí)體，并做出每種實(shí)體的E-R圖及其實(shí)體之間的聯(lián)系。作E-R圖時(shí)應(yīng)先確定實(shí)體集與聯(lián)系集，將各實(shí)體聯(lián)系起來，然后再分別為每個(gè)實(shí)體加上實(shí)體屬性。2.E-R模型的表示數(shù)據(jù)模型——抽象(II)02三、關(guān)系數(shù)據(jù)模型1.關(guān)系模型結(jié)構(gòu)關(guān)系模型實(shí)際上是一個(gè)由“二維表框架”組成的集合，每個(gè)二維表又可稱為關(guān)系，所以關(guān)系模型是“關(guān)系框架”的集合。二維表的結(jié)構(gòu)如圖10-11所示。數(shù)據(jù)模型——抽象(II)02三、關(guān)系數(shù)據(jù)模型2.關(guān)系模型約束關(guān)系模型約束是對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)提出的約束條件，是關(guān)系模型的一個(gè)重要組成部分。關(guān)系模型中有4類完整性約束：域完整性、實(shí)體完整性、參照完整性和用戶定義完整性。數(shù)據(jù)模型——抽象(II)02三、關(guān)系數(shù)據(jù)模型3.關(guān)系數(shù)據(jù)操作關(guān)系數(shù)據(jù)操作建立在關(guān)系的基礎(chǔ)上，并且與關(guān)系數(shù)據(jù)約束緊密相連，是施加于數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)的運(yùn)算及其規(guī)則，用于描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，反映事物的行為特征。關(guān)系數(shù)據(jù)操作包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)更新和數(shù)據(jù)修改。數(shù)據(jù)模型——抽象(II)02四、關(guān)系數(shù)據(jù)模式1.關(guān)系數(shù)據(jù)模式定義[定義10-1]對(duì)關(guān)系的結(jié)構(gòu)及其特征的抽象描述稱為關(guān)系數(shù)據(jù)模式，簡稱為關(guān)系模式。一個(gè)關(guān)系的完整模式可表示為R(U，D，DOM，F(xiàn))，這是一個(gè)五元組的關(guān)系模式。其中，R為關(guān)系模式名；U為組成關(guān)系的屬性名集合；D為U中屬性數(shù)據(jù)域集合；DOM為屬性到域的映射集合；F為屬性間數(shù)據(jù)依賴關(guān)系集合，用來限定組成該關(guān)系的各元組必須滿足的完整性約束條件，體現(xiàn)關(guān)系的元組語義(各屬性值之間的“關(guān)聯(lián)性”)。數(shù)據(jù)模型——抽象(II)02四、關(guān)系數(shù)據(jù)模式2.關(guān)系數(shù)據(jù)模式導(dǎo)航圖關(guān)系之間的M：1(或1：1)聯(lián)系或一一個(gè)關(guān)系內(nèi)部的M：1(或1：1)聯(lián)系通過有向連線表示，并含有主鍵和外鍵依賴的數(shù)據(jù)模式圖被稱為關(guān)系數(shù)據(jù)模式導(dǎo)航圖或模式圖(SchemaDiagram)。關(guān)系數(shù)據(jù)模式導(dǎo)航圖可以清晰地描述一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中各關(guān)系模式之間的有機(jī)聯(lián)系。數(shù)據(jù)模型——抽象(II)02四、關(guān)系數(shù)據(jù)模式3.關(guān)系數(shù)據(jù)查詢語言關(guān)系數(shù)據(jù)庫抽象層次上的關(guān)系查詢語言可以分為三類：關(guān)系代數(shù)語言、關(guān)系演算語言、具有關(guān)系代數(shù)和關(guān)系演算雙重特點(diǎn)的語言，如圖10-17所示。03關(guān)系數(shù)據(jù)庫——理論關(guān)系數(shù)據(jù)庫——理論03一、關(guān)系代數(shù)運(yùn)算1.傳統(tǒng)的集合運(yùn)算傳統(tǒng)的集合運(yùn)算就是將一個(gè)二元關(guān)系看成元組的集合運(yùn)算，包括并、差、交、廣義笛卡爾積4種運(yùn)算，并且要求參加運(yùn)算的關(guān)系必須是相容的關(guān)系。4種運(yùn)算的文氏圖如圖10-8所示。關(guān)系數(shù)據(jù)庫——理論03一、關(guān)系代數(shù)運(yùn)算2.專門的關(guān)系運(yùn)算(1)選擇運(yùn)算，又稱為限制(Restriction)運(yùn)算，是指從關(guān)系中選取滿足給定條件的元組構(gòu)成一個(gè)新關(guān)系。(2)投影運(yùn)算是指從一個(gè)關(guān)系中選取所需的列構(gòu)成一個(gè)新的關(guān)系，具體說，就是對(duì)一個(gè)關(guān)系做垂直分解，消去關(guān)系中的某些列，刪除重復(fù)元組，并重新排列次序。關(guān)系數(shù)據(jù)庫——理論03一、關(guān)系代數(shù)運(yùn)算2.專門的關(guān)系運(yùn)算(3)由于廣義笛卡爾積會(huì)產(chǎn)生大量的無效元組，為了能實(shí)現(xiàn)關(guān)系的有效合并，元組之間應(yīng)按照一定的條件進(jìn)行組合，這就是連接運(yùn)算。連接運(yùn)算是把兩個(gè)關(guān)系中的元組按條件連接起來，形成一個(gè)新的關(guān)系。連接運(yùn)算是笛卡爾積、選擇和投影操作的組合。(4)除運(yùn)算，也稱為商(Quotient)運(yùn)算，是基于選擇、投影、連接的、從關(guān)系的行方向和列方向進(jìn)行的運(yùn)算。關(guān)系數(shù)據(jù)庫——理論03二、關(guān)系數(shù)據(jù)查詢優(yōu)化1.問題的提出如何有效地執(zhí)行笛卡爾積操作，才能使耗費(fèi)較小的時(shí)間和空間呢?如何選擇合適的代數(shù)表達(dá)式及如何執(zhí)行笛卡爾積操作呢?關(guān)系數(shù)據(jù)庫——理論03二、關(guān)系數(shù)據(jù)查詢優(yōu)化2.問題解決方案事實(shí)上，還可以寫出多種等價(jià)的關(guān)系代數(shù)表達(dá)式，但僅對(duì)這三種表達(dá)式進(jìn)行分析就足以說明，對(duì)于同一個(gè)問題，因不同的表達(dá)式采用不同的查詢策略所存在的效率差別。3.涉及的基本問題關(guān)系數(shù)據(jù)查詢優(yōu)化涉及的基本問題有關(guān)系代數(shù)表達(dá)式的等價(jià)變換、查詢優(yōu)化策略、查詢優(yōu)化算法等。有興趣的讀者可查閱數(shù)據(jù)庫原理教材。04構(gòu)建數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)——設(shè)計(jì)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)——設(shè)計(jì)04一、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求1.良好的共享性建立數(shù)據(jù)庫的目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享。不僅要為現(xiàn)有的用戶提供共享，還要為開發(fā)新的應(yīng)用留有余地，使數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。2.數(shù)據(jù)冗余最小數(shù)據(jù)的重復(fù)采集和存儲(chǔ)將降低數(shù)據(jù)庫的效率，要求數(shù)據(jù)冗余最小。這樣的公用數(shù)據(jù)必須統(tǒng)一規(guī)劃，以減小冗余。構(gòu)建數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)——設(shè)計(jì)04一、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求3.數(shù)據(jù)的一致性要求數(shù)據(jù)的一致性是數(shù)據(jù)庫重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，否則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。引起不一致性的根源往往是數(shù)據(jù)冗余。若數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中只存儲(chǔ)一次，則不可能發(fā)生不一致性。4.實(shí)施統(tǒng)一的管理控制數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中統(tǒng)一有效的管理控制，是保證數(shù)據(jù)庫正常運(yùn)行的根本保證。構(gòu)建數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)——設(shè)計(jì)04一、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求5.數(shù)據(jù)獨(dú)立數(shù)據(jù)獨(dú)立就是數(shù)據(jù)說明和使用數(shù)據(jù)的程序分離，即數(shù)據(jù)說明或應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)的修改不引起對(duì)方的修改。6.減少應(yīng)用程序開發(fā)與維護(hù)的代價(jià)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫必須具有良好的易操作性、可移植性、可維護(hù)性等，這是在數(shù)據(jù)庫建設(shè)中必須充分考慮的問題。構(gòu)建數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)——設(shè)計(jì)04一、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求7.安全、保密和完整性要求數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建立必須保障數(shù)據(jù)信息的安全性、完整性和一致性，既要防止不正確操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息錯(cuò)誤，更要避免因?yàn)槭艿酵饨缫蛩赜绊懚茐臄?shù)據(jù)庫。8.良好的用戶界面和易于操作性在設(shè)計(jì)時(shí)，除了設(shè)計(jì)好例行程序進(jìn)行常規(guī)的數(shù)據(jù)處理，還要允許用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫執(zhí)行某些功能而根本不需要編寫任何程序，努力實(shí)現(xiàn)操作的簡單化與便捷化。構(gòu)建數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)——設(shè)計(jì)04二、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)庫為核心。這里以教學(xué)信息管理(簡稱JXGL)為例介紹數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)過程，其設(shè)計(jì)流程如圖10-28所示。構(gòu)建數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)——設(shè)計(jì)04二、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程1.需求分析需求分析是對(duì)組織的工作現(xiàn)狀和用戶需求進(jìn)行調(diào)查、分析，明確用戶的信息需求和系統(tǒng)功能，提出擬建系統(tǒng)的邏輯方案。這里的重點(diǎn)是對(duì)建立數(shù)據(jù)庫的必要性及可行性進(jìn)行分析和研究，確定數(shù)據(jù)庫在整個(gè)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)中的地位，確定出各數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)系。構(gòu)建數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)——設(shè)計(jì)04二、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程2.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是將需求分析階段得到的用戶需求抽象為反映現(xiàn)實(shí)世界信息需求的數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)(概念模式)