第1講數(shù)據(jù)庫概論

第1講數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論

1.1數(shù)據(jù)管理技術發(fā)展歷史1.2數(shù)據(jù)庫的基本概念1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構1.1數(shù)據(jù)管理技術發(fā)展歷史數(shù)據(jù)庫技術從20世紀60年代中期開始發(fā)展，到現(xiàn)在已經成為一個活躍的學科研究方向。以數(shù)據(jù)庫為基礎的信息系統(tǒng)正成為經濟、政務、國防等領域的信息基礎設施。數(shù)據(jù)庫技術是我軍進行信息資源建設、數(shù)據(jù)工程建設的關鍵技術之一。1.1數(shù)據(jù)管理技術發(fā)展歷史數(shù)據(jù)管理對數(shù)據(jù)的分類、組織、編碼、存儲、檢索和維護。經歷了三個階段：

1.人工管理階段

2.文件系統(tǒng)管理階段

3.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理階段1.1數(shù)據(jù)管理技術發(fā)展歷史數(shù)據(jù)管理人工管理20世紀50年代中期以前計算機主要用于科學計算硬件：外部存儲器只有磁帶、卡片和紙帶等軟件：沒有出現(xiàn)操作系統(tǒng)，無數(shù)據(jù)管理方面的軟件數(shù)據(jù)處理方式：批處理1.1數(shù)據(jù)管理技術發(fā)展歷史數(shù)據(jù)管理人工管理數(shù)據(jù)的特點數(shù)據(jù)不保存

數(shù)據(jù)面向應用數(shù)據(jù)不能共享數(shù)據(jù)不具有獨立性應用程序1應用程序2應用程序n數(shù)據(jù)集1數(shù)據(jù)集2數(shù)據(jù)集n數(shù)據(jù)管理文件系統(tǒng)20世紀50年代末到60年代中期計算機開始大量用于數(shù)據(jù)管理硬件：磁盤、磁鼓等直接存取設備軟件：操作系統(tǒng)中文件系統(tǒng)專門管理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理方式：不僅能進行批處理，還能進行聯(lián)機實時處理1.1數(shù)據(jù)管理技術發(fā)展歷史數(shù)據(jù)管理文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)的特點由文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)可以長期保存程序與數(shù)據(jù)之間具有

“設備獨立性”數(shù)據(jù)是面向應用的1.1數(shù)據(jù)管理技術發(fā)展歷史按文件名訪問按記錄進行存取應用程序１文件１應用程序２文件2應用程序ｎ文件n（文件系統(tǒng)）操作系統(tǒng)...…...…數(shù)據(jù)管理文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)的缺陷數(shù)據(jù)的共享性差，冗余度大程序與數(shù)據(jù)的獨立性差1.1數(shù)據(jù)管理技術發(fā)展歷史學生文件S的記錄結構課程文件C的記錄結構學生選課文件SC的記錄結構學號姓名性別出生日期所在系課程編號課程名先修課程號主講教師學號姓名課程編號成績數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理20世紀60年代后期以來管理的數(shù)據(jù)對象、應用范圍、數(shù)據(jù)量、處理速度和共享性需求變化硬件：大容量磁盤、光盤，價格下降軟件：價格上升，編制和維護成本增加數(shù)據(jù)處理：要求更高的聯(lián)機實時處理，出現(xiàn)分布處理1.1數(shù)據(jù)管理技術發(fā)展歷史三個基本概念數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫（Database--DB）數(shù)據(jù)庫是長期存儲在計算機內、有組織的、統(tǒng)一管理的、可共享的相關數(shù)據(jù)的集合。1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫技術進行數(shù)據(jù)管理的特點采用數(shù)據(jù)模型表示數(shù)據(jù)1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫技術進行數(shù)據(jù)管理的特點數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理和控制

1.2數(shù)據(jù)庫基本概念應用程序1DB…DBMS應用程序2DBA數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫技術進行數(shù)據(jù)管理的特點程序和數(shù)據(jù)之間具有獨立性數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)結構的描述和完整性約束的定義存儲在DBMS的數(shù)據(jù)字典中。各類應用可通過DBMS，從數(shù)據(jù)字典中得到數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)文件結構的信息，來存取數(shù)據(jù)庫中某個數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)記錄（項）值。對數(shù)據(jù)文件結構的修改只需通過DBMS修改數(shù)據(jù)庫的定義即可，而無需修改應用程序，實現(xiàn)了程序與數(shù)據(jù)的分離。1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫技術進行數(shù)據(jù)管理的特點數(shù)據(jù)面向整個應用領域數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)模型將整個組織所涉及的不同的數(shù)據(jù)組織集成在一個數(shù)據(jù)庫的整體邏輯結構中，被全組織不同的應用共享。任意一個用戶只關心其所使用的數(shù)據(jù)庫中的一小部分數(shù)據(jù)，用戶可見的是數(shù)據(jù)庫的局部邏輯結構。1.2數(shù)據(jù)庫基本概念1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫整體與局部邏輯結構數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫技術進行數(shù)據(jù)管理的優(yōu)點數(shù)據(jù)的共享性高，冗余度低，易擴展1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)冗余是指相同的信息在不同的地方（文件）重復存儲。數(shù)據(jù)的不一致性是指同一數(shù)據(jù)備份的值不一樣。1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫技術進行數(shù)據(jù)管理的優(yōu)點數(shù)據(jù)的共享性高，冗余度低，易擴展數(shù)據(jù)獨立性高數(shù)據(jù)獨立性是指在物理結構改變時，可不影響整體邏輯結構、用戶的邏輯結構以及應用程序；或在整體邏輯結構改變時，可不影響用戶的邏輯結構以及應用程序。物理獨立性邏輯獨立性1.2數(shù)據(jù)庫基本概念物理獨立性是指用戶的應用程序與存儲在磁盤上的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是相互獨立的。當數(shù)據(jù)的物理存儲改變時，應用程序不用改變。邏輯獨立性是指用戶的應用程序與數(shù)據(jù)庫的邏輯結構是相互獨立的，即數(shù)據(jù)的邏輯結構改變了，用戶程序也可以不變。1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫技術進行數(shù)據(jù)管理的優(yōu)點數(shù)據(jù)的共享性高，冗余度低，易擴展數(shù)據(jù)獨立性高對數(shù)據(jù)的控制能力強1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和存儲，具有較小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨立性和易擴展性，并可為多用戶共享。1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫在實際使用中具有如下隱含的性質：數(shù)據(jù)指的是用符號記錄下來的、可以識別的信息，具有一定的語義。所以數(shù)據(jù)庫應反映現(xiàn)實世界的某些方面，現(xiàn)實世界的變化應在數(shù)據(jù)庫中有所反應。數(shù)據(jù)庫是邏輯上一致而且有某種內在含義的數(shù)據(jù)集合，不是數(shù)據(jù)的隨機歸類。數(shù)據(jù)庫是為一個特定目標而設計、構建并裝入數(shù)據(jù)的。數(shù)據(jù)庫有目標用戶組，而且存在這些用戶組感興趣的一些預想應用。1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DatabaseManagementSystem，DBMS

）位于用戶與操作系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)管理軟件為用戶或應用程序提供了訪問數(shù)據(jù)庫的方法，包括DB的建立、查詢、更新及各種數(shù)據(jù)控制。1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的定義功能

提供數(shù)據(jù)定義語言（DataDefinitionLanguage,DDL）對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象進行定義。數(shù)據(jù)操縱功能提供數(shù)據(jù)操縱語言（DatamanipulationLanguage,DML）操縱數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的查詢、插入、刪除和修改等。數(shù)據(jù)的組織、存儲和管理分類組織、存儲和管理數(shù)據(jù)字典、用戶數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的存取路徑等。1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的事務管理和運行管理（控制功能）數(shù)據(jù)的安全性控制數(shù)據(jù)完整性控制數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制數(shù)據(jù)庫的恢復功能數(shù)據(jù)庫的維護功能數(shù)據(jù)的載入、轉換功能，數(shù)據(jù)庫的轉儲、恢復功能，數(shù)據(jù)庫的重組和性能監(jiān)視、分析功能。其他功能1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS是一個大型復雜的軟件系統(tǒng)。DBMS實現(xiàn)存儲管理、緩沖區(qū)管理、數(shù)據(jù)存取操作、語言處理，以及支持外層的用戶接口、數(shù)據(jù)表示、開發(fā)環(huán)境等。DBMS的實現(xiàn)，既要充分利用計算機硬件、操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)和網絡通信技術，又要突出對海量數(shù)據(jù)存儲、管理和處理的特點，并要保證其存取事務的高效率，是一個復雜而綜合的軟件設計開發(fā)過程。1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DatabaseSystem--DBS）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是指在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫技術存儲、維護數(shù)據(jù)，向應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

1.2數(shù)據(jù)庫基本概念1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應用層

支撐軟件層操作系統(tǒng)層硬件層…編譯程序匯編程序DBMS……實用程序應用軟件支撐軟件用戶1用戶2用戶3用戶4用戶n1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)OracleSQLServerSybaseInformixVB,VCDelphi1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理員（DataBaseAdministrator，DBA）DBA負責全面管理和控制數(shù)據(jù)庫決定數(shù)據(jù)庫中的信息內容和結構；決定數(shù)據(jù)庫的存儲結構和存取策略；定義數(shù)據(jù)的安全性和完整性約束條件；監(jiān)控數(shù)據(jù)庫的使用和運行；數(shù)據(jù)庫的改進和重組重構。

1.2數(shù)據(jù)庫基本概念數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是采用數(shù)據(jù)庫技術在計算機中長期存儲大量的相關數(shù)據(jù)，由DBMS在數(shù)據(jù)庫建立、運用和維護時對數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一控制，使得數(shù)據(jù)庫能為多用戶共享，并向應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持的計算機硬件、軟件和數(shù)據(jù)資源組成的系統(tǒng)。

1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構體系結構的概念根據(jù)IEEESTD610.12的定義Thestructureofcomponents,theirrelationships,andtheprinciplesandguidelinesgoverningtheirdesignandevolutionovertime.1978年美國ANSI的DBMS研究組發(fā)表了SPARC（系統(tǒng)規(guī)劃與需求委員會）報告提出了一個標準化的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模型，對數(shù)據(jù)庫的總體結構、特征、各個組成部分以及相應接口作了明確的規(guī)定。從邏輯上劃分為三層體系結構外部級（externallevel）概念級（conceptuallevel）內部級（internallevel）1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構1971年在CODASYL（conferenceondatasystemlanguage數(shù)據(jù)系統(tǒng)語言協(xié)會）組織的DBTG（DataBaseTaskGroup數(shù)據(jù)庫任務組）報告中完整地給出了系統(tǒng)結構的三個層次。它們分別是物理層、邏輯層和視圖層。數(shù)據(jù)庫先驅CharlesBachman的貢獻負責的DBTG報告，成為數(shù)據(jù)庫歷史上具有里程碑意義的文獻。積極推動與促成數(shù)據(jù)庫標準的制定。主持設計與開發(fā)了最早的網狀數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)IDS。它的設計思想和實現(xiàn)技術被后來的許多數(shù)據(jù)庫產品所仿效。1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通過三個層次的抽象來向用戶屏蔽復雜性，隱藏關于數(shù)據(jù)存儲和維護的某些細節(jié)，提高數(shù)據(jù)的物理獨立性和邏輯獨立性。采用三級模式結構來對應三個級別的數(shù)據(jù)抽象1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構用戶視圖1用戶視圖2用戶視圖n概念視圖存儲視圖......外部級概念級內部級1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構ANSI/SPARC體系結構的層次DBTG報告中的體系結構的層次對應的抽象視圖用數(shù)據(jù)定義語言描述后的模式外部級視圖層用戶視圖外模式（子模式）概念級邏輯層全局視圖（概念視圖）概念模式（邏輯模式、模式）內部級物理層存儲視圖內模式（存儲模式）數(shù)據(jù)庫體系結構的術語模式的概念數(shù)據(jù)庫的描述稱為數(shù)據(jù)庫模式（databaseschema）。模式反映的是數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的結構及其聯(lián)系，是相對穩(wěn)定的。1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構學生關系S課程關系C學生選課關系SC學號姓名性別出生日期所在系課程編號課程名先修課程號主講教師學號課程編號成績學生選課數(shù)據(jù)庫模式圖模式的概念一個特定時刻數(shù)據(jù)庫中的即時數(shù)據(jù)稱為數(shù)據(jù)庫狀態(tài)（databasestate）或快照（snapshot），也可以稱之為數(shù)據(jù)庫的當前出現(xiàn)（occurrence）或實例（instance）。實例是不斷變動的。1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構學生選課數(shù)據(jù)庫實例三級模式結構概念模式（conceptualschema）概念級有一個概念模式，概念模式也稱邏輯模式、模式。概念模式是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結構和特征的描述，是對概念級數(shù)據(jù)視圖的描述。概念模式以某一種數(shù)據(jù)模型為基礎，綜合考慮所有用戶的需求，并將其有機地結合成一個邏輯整體。定義概念模式包括定義數(shù)據(jù)的邏輯結構，數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，以及與數(shù)據(jù)有關的安全性、完整性要求。1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構三級模式結構外模式（externalSchema）外模式通常是概念模式的子集，與應用有關，也稱子模式（Subschema）或用戶模式是數(shù)據(jù)庫用戶能夠看見和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結構和特征的描述，是對外部級用戶數(shù)據(jù)視圖的描述外部級可包括多個外模式，來描述不同用戶的數(shù)據(jù)視圖。同一外模式可以為某一用戶的多個應用程序所使用，但一個應用程序只能使用一個外模式。1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構三級模式結構內模式（internallevel）內部級有一個內模式，內模式也稱存儲模式（storageschema）。是數(shù)據(jù)庫的物理存儲結構和存儲方式的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內部的表示方式。內模式獨立于具體的存儲設備，不考慮具體設備的物理特性。1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構三級模式結構外模式和概念模式都是模型層面上的，是用面向用戶的概念來定義的，比如：記錄和字段；而內模式是實現(xiàn)層面上的，是用面向機器的概念來定義的，比如：位和字節(jié)。概念模式和內模式之間的關系可以看作是設計與實現(xiàn)的關系，而概念模式和子模式之間的關系可以看作是全局和局部的關系。1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構三級模式間的對應關系三級模式結構具有ANSI/SPARC體系結構的DBMS支持一個內模式、一個概念模式和多個外模式。概念模式獨立于其他模式，內模式獨立于外模式，也獨立于具體的存儲設備，但依賴于概念模式。外模式定義在概念模式之上，獨立于內模式和存儲設備，面向具體的應用程序。1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構模式定義語言DBMS提供數(shù)據(jù)定義語言（DDL）來定義各級模式，對模式中的數(shù)據(jù)庫對象進行定義和說明。描述概念模式的數(shù)據(jù)定義語言稱為“概念模式DDL”描述子模式的數(shù)據(jù)定義語言稱為“子模式DDL”描述內模式的數(shù)據(jù)定義語言稱為“內模式DDL”1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構模式定義語言當前的DBMS中，使用一種綜合集成語言（SQL語言），它結合了概念模式定義語言（DDL）、視圖定義語言（ViewDefinitionLanguage，VDL）和數(shù)據(jù)操縱語言（DML）的功能，以及一些其他特性。利用模式定義語言對外模式、模式和內模式的定義都存儲于DBMS的數(shù)據(jù)字典中。DBMS通過數(shù)據(jù)字典管理和訪問這三級數(shù)據(jù)模式。CREATETABLEGBJB（NAMECHAR（10）UNIQUE，BIRTHDATA，

SEXCHAR（2），

…）；

模式定義語言1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構二級映射在一個基于三層模式體系結構的DBMS中，各層間完成請求和結果轉換的過程稱為映射（mapping）DBMS必須將對外模式的請求轉化為一個面向概念模式的請求，然后再轉化為一個面向內模式的請求，以處理存儲數(shù)據(jù)庫。如果一請求要檢索數(shù)據(jù)庫，那么從物理數(shù)據(jù)庫中提取出來的數(shù)據(jù)必須進行轉化，以便與用戶外模式相匹配。1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構主語言＋數(shù)據(jù)子語言主語言＋數(shù)據(jù)子語言主語言＋數(shù)據(jù)子語言主語言＋數(shù)據(jù)子語言主語言＋數(shù)據(jù)子語言外模式A外模式B模式內模式外模式/概念模式式

映射A外模式/概念模式式

映射B概念模式/內模式映射式DBMSOS用戶A1用戶A2用戶B1用戶B2用戶B3由數(shù)據(jù)庫管理者DBA建立和維護

DB

DB二級映射DBMS在三級模式之間提供了二級映射1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構二級映射外模式/概念模式間的映射存在于外部級和概念級之間，用于定義用戶的外模式和概念模式的對應關系。當概念模式改變時，由數(shù)據(jù)庫管理員對各個外模式/概念模式的映射作相應的改變，可以使外模式保持不變。由于應用程序是在外模式描述的數(shù)據(jù)結構上編制的，從而應用程序不必修改，保證了數(shù)據(jù)與程序的邏輯獨立性。1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構邏輯獨立性二級映射

概念模式/內模式的映射存在于概念級和內部級之間，用于定義概念模式和內模式的對應關系。如果數(shù)據(jù)庫的內模式改變了，導致數(shù)據(jù)庫的存儲結構發(fā)生改變，對概念模式/內模式的映射進行相應的改變，可使概念模式盡可能保持不變，將內模式變化所帶來的影響與概念模式隔離開來，對外模式和應用程序的影響更小，保證了數(shù)據(jù)與程序的物理獨立性。1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構物理獨立性二級映射與數(shù)據(jù)獨立性

數(shù)據(jù)獨立性可以定義為在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的某個層次修改模式而無需修改上一層模式的能力。數(shù)據(jù)的邏輯獨立性就是指修改概念模式而無需修改外模式或應用程序的能力；數(shù)據(jù)的物理獨立性就是指修改內模式而無需修改概念模式（相應地，也無需修改外模式）的能力。

1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結構DBMS的工作模式在遵循ANSI/SPARC體系結構的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，用戶對數(shù)據(jù)庫進行的訪問操作，是由DBMS把數(shù)據(jù)操