第1章數(shù)據(jù)庫概述

第1章數(shù)據(jù)庫概述主要內(nèi)容1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.2概念模型1.3數(shù)據(jù)模型1.4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu)1.5本章小結(jié)1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述信息當(dāng)今社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。對信息資源的開發(fā)利用，可以有效地降低社會的運營成本，使各種社會資源得到最大限度的節(jié)約和更加合理的調(diào)配。信息系統(tǒng)對信息進(jìn)行有效的管理和利用。MIS、ERP、CRM、OA、DSS、ES、GIS……數(shù)據(jù)庫對信息進(jìn)行有效的組織和管理。為信息系統(tǒng)的正常運行和作用發(fā)揮提供最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支持，是信息系統(tǒng)賴以成功的重要保障。衡量一個國家信息化程度的重要指標(biāo)。Oracle、DB2、SQLServer、MySQL、MongDB、OceanBase……

1.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念數(shù)據(jù)信息的具體表示形式（即載體）。98、2009、￥300、（張三，男，2001，計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)）……

給定了不同的解釋，同一個數(shù)據(jù)就可以表達(dá)不同的語義（即信息）。

數(shù)據(jù)庫（Database，DB）數(shù)據(jù)庫是長期存儲在計算機(jī)內(nèi)的、可供不同用戶共享的、按照一定結(jié)構(gòu)組織在一起的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合。例如，學(xué)生社團(tuán)數(shù)據(jù)庫社團(tuán)表（表1.1）學(xué)生表（表1.2）參加表（表1.3）1.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念1.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念具有相應(yīng)操作權(quán)限的輔導(dǎo)員可以很方便地查詢出每個社團(tuán)的學(xué)生人數(shù)和社團(tuán)負(fù)責(zé)人的姓名、學(xué)號和聯(lián)系電話：1.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DatabaseManagementSystem，DBMS）負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一管理和統(tǒng)一控制的系統(tǒng)軟件。用戶對數(shù)據(jù)庫的任何操作都是通過它來完成的。作為用戶和數(shù)據(jù)庫之間的橋梁，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中處于核心地位。Oracle、DB2、SQLServer、MySQL、MongDB、OceanBase……

主要功能數(shù)據(jù)定義功能（DDL）數(shù)據(jù)操縱功能（DML）數(shù)據(jù)庫的運行管理數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)功能1.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DatabaseSystem，DBS）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是在計算機(jī)系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的一個人-機(jī)系統(tǒng)。一般由數(shù)據(jù)庫、計算機(jī)硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、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)庫設(shè)計開發(fā)人員、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶構(gòu)成，如圖1.1所示。1.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念工作過程1.1.2數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展三階段人工管理、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)是分離的，缺乏整體結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)冗余度大，共享性差，難以擴(kuò)充。數(shù)據(jù)獨立性差。1.1.2數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整體結(jié)構(gòu)化。數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和統(tǒng)一控制。數(shù)據(jù)的共享性高，冗余度低，易擴(kuò)充。

數(shù)據(jù)的獨立性高。1.1.2數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展數(shù)據(jù)的整體結(jié)構(gòu)化返回1.1.2數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展

綜上所述，數(shù)據(jù)庫是長期存儲在計算機(jī)內(nèi)的、可供不同用戶共享的、按照一定結(jié)構(gòu)組織在一起的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合，它具有最低的數(shù)據(jù)冗余度和較高的數(shù)據(jù)獨立性，由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理和統(tǒng)一控制，可以保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性，在多用戶同時使用數(shù)據(jù)庫時進(jìn)行并發(fā)控制，并在發(fā)生故障時對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行恢復(fù)。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的出現(xiàn)使信息系統(tǒng)的開發(fā)從以加工數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序為中心轉(zhuǎn)向以共享的數(shù)據(jù)庫為中心的新階段，這和數(shù)據(jù)在各行各業(yè)的基礎(chǔ)地位是相符合的。這樣既便于數(shù)據(jù)的搜集、組織和集中管理，又有利于應(yīng)用程序的研制和維護(hù)，通過提高數(shù)據(jù)的安全性、完整性、共享性、可靠性和可用性，最終提高決策的科學(xué)性。1.2概念模型計算機(jī)不能直接處理現(xiàn)實世界中的客觀對象，首先需要對其進(jìn)行抽象，將其轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫用數(shù)據(jù)模型（DataModel）來對現(xiàn)實世界進(jìn)行抽象和模擬，并且按照數(shù)據(jù)模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織。數(shù)據(jù)模型不同，數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的組織方式以及由此引發(fā)的操作方式不同，數(shù)據(jù)庫的類型就有所不同。因此，理解數(shù)據(jù)模型是學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)。層次數(shù)據(jù)庫→網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫→關(guān)系數(shù)據(jù)庫→…

…兩類數(shù)據(jù)模型概念模型（信息模型）邏輯模型（狹義的數(shù)據(jù)模型）和物理模型1.2.1客觀對象的抽象過程1.2.2概念模型的基本內(nèi)容概念模型是現(xiàn)實世界到機(jī)器世界的一個中間層次，是數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員和用戶之間交流的工具，通過用戶的認(rèn)可可以確保隨后轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)模型能夠?qū)ΜF(xiàn)實世界中數(shù)據(jù)的真實結(jié)構(gòu)進(jìn)行正確模擬，從而實現(xiàn)用戶的各種應(yīng)用需求。概念模型應(yīng)具有以下特點：較強(qiáng)的語義表達(dá)及擴(kuò)充能力。概念模型應(yīng)能方便、直接、準(zhǔn)確地表達(dá)現(xiàn)實世界中的各種語義，并能方便地進(jìn)行擴(kuò)充，這是對概念模型最起碼的要求。簡單、清晰、便于用戶理解。這是由概念模型作為數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員和用戶之間交流的工具所決定的。便于向數(shù)據(jù)模型如關(guān)系模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。1.2.2概念模型的基本內(nèi)容概念模型涉及的基本概念實體（Entity）現(xiàn)實世界中客觀存在并可相互區(qū)分的對象，如一名學(xué)生、一門課程等。屬性（Attribute）實體具有的特征。碼（Key）能唯一標(biāo)識一個實體的屬性或?qū)傩缘淖钚〗M合。某個屬性（組）能否成為碼依賴于現(xiàn)實世界的具體語義，如學(xué)生的姓名。域（Domain）具有相同數(shù)據(jù)類型的值的集合，如{‘男’,‘女’}。實體型（EntityType）和實體集（EntitySet）具有相同屬性的同類實體。型（Type）和值（Value）的關(guān)系。1.2.2概念模型的基本內(nèi)容聯(lián)系（Relationship）反映系統(tǒng)中存在的各種業(yè)務(wù)活動。最常見的聯(lián)系是兩個實體型之間的聯(lián)系，可分為以下三類：一對一聯(lián)系（1:1）一對多聯(lián)系（1:n）多對多聯(lián)系（m:n）兩個以上的實體型之間也可能存在如上3類聯(lián)系。供應(yīng)商、項目和零件之間具有多對多的供應(yīng)聯(lián)系。3個實體型之間的一個聯(lián)系和3個實體型兩兩之間的3個聯(lián)系在語義上是不同的！同一個實體型內(nèi)部各實體之間也可能存在如上3類聯(lián)系。學(xué)生實體型內(nèi)部具有一對多的領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)系。實體之間具有什么樣的聯(lián)系依賴于人們對現(xiàn)實世界具體情況的具體分析：聯(lián)系究竟涉及哪些實體、人們到底關(guān)心哪些內(nèi)容等。1.2.3E-R模型和E-R圖實體型1.2.3E-R模型和E-R圖聯(lián)系1.2.3E-R模型和E-R圖例如，某工廠的庫存管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及的實體有：倉庫：屬性有倉庫號、面積、位置、電話號碼，其中，倉庫號是碼。零件：屬性有零件號、名稱、規(guī)格、單價、描述，其中，零件號是碼。產(chǎn)品：屬性有產(chǎn)品號、名稱、生產(chǎn)日期、單價、描述，其中，產(chǎn)品號是碼。職工：屬性有職工號、姓名、性別、年齡、職稱，其中，職工號是碼。1.2.3E-R模型和E-R圖這些實體之間存在如下聯(lián)系：一個倉庫可以存放多種零件，一種零件也可以存放在多個倉庫中，因此，倉庫和零件之間具有多對多的庫存聯(lián)系，某個倉庫存放某種零件會有一個庫存量。一個倉庫可以存放多種產(chǎn)品，一種產(chǎn)品也可以存放在多個倉庫中，因此，倉庫和產(chǎn)品之間具有多對多的存放聯(lián)系，某個倉庫存放某種產(chǎn)品會有一個存放量。一種零件可以用在多種產(chǎn)品上，一種產(chǎn)品也由多種零件制造而成，因此，產(chǎn)品和零件之間具有多對多的使用聯(lián)系，某種產(chǎn)品使用某種零件會有一個使用量。一個倉庫有多名職工，但一名職工只能在一個倉庫工作，因此，倉庫和職工之間具有一對多的工作聯(lián)系。在這些職工中，除倉庫主任外，其他職工都被自己所在倉庫的倉庫主任直接領(lǐng)導(dǎo)，因此，職工內(nèi)部具有一對多的領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)系。1.2.3E-R模型和E-R圖該系統(tǒng)的E-R圖1.2.3E-R模型和E-R圖該系統(tǒng)的E-R圖1.2.3E-R模型和E-R圖用E-R圖表達(dá)的概念模型獨立于具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，比數(shù)據(jù)模型更接近于現(xiàn)實世界，用戶也更容易理解，因此，它是用戶能夠參與到數(shù)據(jù)庫設(shè)計中來的關(guān)鍵，也是今后設(shè)計的各種數(shù)據(jù)模型的共同基礎(chǔ)。1.3數(shù)據(jù)模型概念模型雖然能很好地模擬現(xiàn)實世界，但卻獨立于具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。因此，數(shù)據(jù)庫的計算機(jī)實現(xiàn)還需要將概念模型進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為某一數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)模型（包括邏輯模型和物理模型，這就是上述的第二步抽象），然后據(jù)此在計算機(jī)上創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)模型應(yīng)具有以下特點：能比較真實地模擬現(xiàn)實世界。和概念模型一樣，這也是對數(shù)據(jù)模型最起碼的要求。容易為人所理解，這里的人一般指數(shù)據(jù)庫設(shè)計開發(fā)人員和數(shù)據(jù)庫管理員等。便于在計算機(jī)上實現(xiàn)，這是概念模型所不具有的。1.3.1數(shù)據(jù)模型的組成要素為了精確地描述數(shù)據(jù)賴以計算機(jī)實現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)模型提供了一組嚴(yán)格定義的概念，這些概念精確地描述了數(shù)據(jù)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性和完整性約束條件。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所研究對象的數(shù)據(jù)類型的集合。是對數(shù)據(jù)的組織方式及其類型，即靜態(tài)特性的描述，是刻畫一個數(shù)據(jù)模型性質(zhì)最重要的方面。樹型結(jié)構(gòu)→圖結(jié)構(gòu)→關(guān)系結(jié)構(gòu)→…

…數(shù)據(jù)操作對數(shù)據(jù)庫中各種數(shù)據(jù)對象的實例（即數(shù)據(jù)）允許執(zhí)行的操作集合，包括操作及其操作規(guī)則。主要包括查詢和更新（包括插入、修改和刪除）兩大類。完整性約束條件為了使數(shù)據(jù)能夠符合現(xiàn)實世界的要求、保證數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性而設(shè)定的一組完整性規(guī)則的集合。1.3.2常見的數(shù)據(jù)模型層次模型（HierarchicalModel）網(wǎng)狀模型（NetworkModel）關(guān)系模型（RelationalModel）對象-關(guān)系模型（Object-RelationalModel）面向?qū)ο竽Ｐ停∣bject-OrientedModel）1.3.2常見的數(shù)據(jù)模型層次模型樹型結(jié)構(gòu)

1.3.2常見的數(shù)據(jù)模型網(wǎng)狀模型圖結(jié)構(gòu)1.3.2常見的數(shù)據(jù)模型關(guān)系模型關(guān)系在用戶的眼中，一個關(guān)系就是一張二維表。元組、屬性、候選碼、主碼…

…

關(guān)系模式對關(guān)系的結(jié)構(gòu)及其特征的抽象描述，相對穩(wěn)定。一般表示：關(guān)系名（屬性1，……，屬性n）規(guī)范條件最基本的規(guī)范條件：關(guān)系的每一列都不可再分。關(guān)系數(shù)據(jù)操作高度非過程化SQL（StructuredQueryLanguage，結(jié)構(gòu)化查詢語言）完整性約束條件實體完整性、參照完整性、用戶定義的完整性以文件的形式存儲1.3.2常見的數(shù)據(jù)模型面向?qū)ο竽Ｐ秃蛯ο?關(guān)系模型

為了表達(dá)現(xiàn)實世界中更為復(fù)雜的客觀對象及其聯(lián)系，人們將諸如C++和Java等面向?qū)ο缶幊陶Z言所具有的面向?qū)ο蠊δ芎蛿?shù)據(jù)庫功能結(jié)合起來，從而形成了面向?qū)ο竽Ｐ秃兔嫦驅(qū)ο髷?shù)據(jù)庫。面向?qū)ο竽Ｐ途哂幸韵聨讉€核心概念：對象屬性方法消息類封裝性繼承性多態(tài)性1.3.2常見的數(shù)據(jù)模型面向?qū)ο竽Ｐ秃蛯ο?關(guān)系模型然而，純粹的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)并不支持SQL語言，在通用性方面丟失了關(guān)系數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢。對象-關(guān)系模型將面向?qū)ο蠓椒ㄒ氲疥P(guān)系模型中，在以下幾個方面對關(guān)系模型進(jìn)行了擴(kuò)展：允許用戶擴(kuò)充基本數(shù)據(jù)類型支持對復(fù)雜對象的處理支持子類對超類的繼承和函數(shù)重載等面向?qū)ο蟮暮诵母拍钐峁?qiáng)大而通用的規(guī)則系統(tǒng)，并與其它的對象-關(guān)系能力集成為一體1.3.2常見的數(shù)據(jù)模型NoSQL和NewSQL數(shù)據(jù)模型

常見的NoSQL數(shù)據(jù)模型有以下4種：鍵值對存儲模式文檔存儲模式列族存儲模式圖存儲模式傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫+NoSQL數(shù)據(jù)庫→NewSQL數(shù)據(jù)庫1.4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的獨立性模式（Schema）數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)及其特征的抽象描述。不涉及數(shù)據(jù)的具體取值，因此，模式是相對穩(wěn)定的。模式的實例（Instance）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)模式外模式內(nèi)模式1.4.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)1.4.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)模式（Schema）又稱邏輯模式，是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)及其特征的抽象描述。綜合考慮了所有用戶的需求，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。模式就是數(shù)據(jù)庫在邏輯級上的視圖，位于三級模式結(jié)構(gòu)的中間層，既不涉及數(shù)據(jù)的物理存儲細(xì)節(jié)和硬件環(huán)境，也與具體的應(yīng)用程序和所使用的應(yīng)用開發(fā)工具無關(guān)。在設(shè)計數(shù)據(jù)庫的模式結(jié)構(gòu)時首先應(yīng)確定數(shù)據(jù)庫的模式。1.4.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)外模式（ExternalSchema）又稱用戶模式（UserSchema）、子模式（Subschema），是數(shù)據(jù)庫用戶或應(yīng)用程序使用的那一部分?jǐn)?shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)及其特征的抽象描述，是與某一用戶或應(yīng)用程序有關(guān)的那一部分?jǐn)?shù)據(jù)的局部邏輯表示。外模式定義在模式的基礎(chǔ)之上，面向具體的用戶或應(yīng)用程序，獨立于數(shù)據(jù)的物理存儲細(xì)節(jié)和硬件環(huán)境。一個數(shù)據(jù)庫可以有多個外模式。一個外模式可以供多個用戶或應(yīng)用程序所共享，但一個用戶或應(yīng)用程序卻只能使用一個外模式。保證數(shù)據(jù)安全性的一個有力措施。在設(shè)計外模式時，應(yīng)充分考慮到應(yīng)用的擴(kuò)充性。1.4.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)內(nèi)模式（InternalSchema）又稱物理模式（PhysicalSchema）、存儲模式（StorageSchema），是數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的物理存儲結(jié)構(gòu)和存取方式的抽象描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式。堆存儲，還是有序存儲、聚簇存儲等B+索引，還是Hash索引等是否壓縮存儲、加密存儲等一條記錄是否允許跨頁存儲等依賴于模式，由于面向物理存儲，獨立于外模式和具體應(yīng)用，但也獨立于具體的存儲設(shè)備。一個數(shù)據(jù)庫只有一個內(nèi)模式。在設(shè)計內(nèi)模式時主要考慮它的時間和空間效率。1.4.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的兩級映像功能為了實現(xiàn)這三級模式之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)的獨立性，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在這三級模式之間提供了兩級映像功能：外模式/模式映像模式/內(nèi)模式映像正是這兩級映像功能保證了數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有較高的邏輯獨立性和物理獨立性。1.4.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的兩級映像功能外模式/模式映像一個數(shù)據(jù)庫只有一個模式，卻可以有多個外模式，分別面向具有不同數(shù)據(jù)需求的用戶或應(yīng)用程序。對于每一個外模式，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都會相應(yīng)地存在一個外模式/模式映像，用來定義該外模式和模式之間的對應(yīng)關(guān)系，包含在該外模式的定義之中。保證數(shù)據(jù)的邏輯獨立性。1.4.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的兩級映像功能模式/內(nèi)模式映像一個數(shù)據(jù)庫只有一個模式，也只有一個內(nèi)模式，因此，模式和內(nèi)模式之間的對應(yīng)關(guān)系是唯一的，這就是模式/內(nèi)模式映像，該映像通常包含在模式的定義之中。保證數(shù)據(jù)的物理獨立性。1.4.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的兩級映像功能應(yīng)用程序從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)的步驟：應(yīng)用程序向數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)發(fā)出讀數(shù)據(jù)的命令。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對該命令進(jìn)行語法和語義檢查，并調(diào)用該應(yīng)用程序?qū)?yīng)的外模式，檢查該應(yīng)用程序?qū)⒁x取的數(shù)據(jù)擁有什么樣的存取權(quán)限，決定是否執(zhí)行該命令，如果拒絕執(zhí)行，則返回錯誤信息。在決定執(zhí)行該命令后，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)調(diào)用模式，根據(jù)外模式/模式映像，確定應(yīng)該讀取模式中的哪些數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)調(diào)用內(nèi)模式，根據(jù)模式/內(nèi)模式映像，確定應(yīng)該從哪些文件、采用什么樣的存取方法、讀取哪些物理記錄。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)向操作系統(tǒng)發(fā)出讀物理記錄的命令。操作系統(tǒng)執(zhí)行讀物理記錄的有關(guān)操作，將物理記錄送至緩沖區(qū)。