《精编》数据模型与数据库系统结构

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1、数据模型与数据库系统结构 第一章绪论 第一章绪论 数据库技术产生于六十年代末 是数据管理的最新技术 是计算机科学的重要分支 数据库技术是信息系统的核心和基础 它的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透 数据库的建设规模 数据库信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志 1 1数据库系统概述1 1 1四个基本概念数据 Data 数据 Data 是数据库中存储的基本对象数据的定义描述事物的符号记录数据的种类文本 图形 图像 音频 视频 学生的档案记录 货物的运输情况等数据的特点数据与其语义是不可分的 数据库 Database 数据库的定义数据库 Database 简称DB 是

2、长期储存在计算机内 有组织的 可共享的大量数据的集合 数据库的基本特征数据按一定的数据模型组织 描述和储存可为各种用户共享冗余度较小数据独立性较高易扩展概括地讲 数据库数据具有永久存储 有组织 可共享三个基本特点 数据库管理系统 DBMS 什么是DBMS位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件 是基础软件 是一个大型复杂的软件系统DBMS的用途科学地组织和存储数据 高效地获取和维护数据DBMS主要功能数据定义 数据组织 存储和管理 数据操纵 数据库的事务管理和运行管理 数据库的建立和维护 其他功能 数据库系统 DBS 数据库系统 DatabaseSystem DBS 在计算机系统中引入数据库后

3、的系统构成数据库系统的构成数据库数据库管理系统 及其开发工具 应用系统数据库管理员 1 1 2数据管理技术的产生和发展在应用需求推动下 在计算机硬件 软件发展的基础上 数据管理经历了人工管理 文件系统 数据库系统3个阶段 人工管理阶段时间 20世纪50年代中期以前特点 数据不保存 程序管理数据 数据不共享 数据不具有独立性文件系统阶段时间 20世纪50年代后期到60年代中期特点 数据可长期保存 由文件系统管理数据缺点 共享性差 冗余度大 独立性差数据库系统阶段时间 20世纪60年代末以来背景 计算机应用广泛 数据量剧增 共享需求强烈 硬件发展且价低 1 1 3数据库系统的特点数据结构化整体结构

4、化不再仅仅针对某一个应用 而是面向全组织不仅数据内部结构化 整体是结构化的 数据之间具有联系数据的共享性高 冗余度低 易扩充数据库系统从整体角度看待和描述数据 数据面向整个系统 可以被多个用户 多个应用共享使用 数据共享的好处减少数据冗余 节约存储空间避免数据之间的不相容性与不一致性使系统易于扩充 数据独立性高物理独立性指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中数据是相互独立的 当数据的物理存储改变了 应用程序不用改变 逻辑独立性指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的 数据的逻辑结构改变了 用户程序也可以不变 数据由DBMS统一管理和控制并发共享 多个用户可以同时存取数据库中的数据 甚至

5、可以同时存取数据库中同一个数据 为此 DBMS还需提供以下几方面的数据控制功能 1 数据的安全性 Security 保护保护数据 以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏 2 数据的完整性 Integrity 检查将数据控制在有效的范围内 或保证数据之间满足一定的关系 3 并发 Concurrency 控制对多用户的并发操作加以控制和协调 防止相互干扰而得到错误的结果 4 数据库恢复 Recovery 将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态 数据库系统阶段应用程序与数据之间的对应关系 1 2数据模型模型是对现实世界中某个对象特征的模拟和抽象 数据模型阤是一种模型 它是对现实世界数据特征的抽

6、象 也就是说 数据模型是用来描述数据 组织数据和操作数据的 现有的数据库系统均是基于某种数据模型的 在数据库中用数据模型这个工具来抽象 表示和处理现实世界中的数据和信息 1 2 1两类数据模型数据模型应满足三方面要求能比较真实地模拟现实世界容易为人所理解便于在计算机上实现 数据模型分为两类 分属两个不同的层次 概念模型也称信息模型 它是按用户的观点来对数据和信息建模 用于数据库设计 2 逻辑模型和物理模型逻辑模型主要包括网状模型 层次模型 关系模型 面向对象模型等 按计算机系统的观点对数据建模 用于DBMS实现 物理模型是对数据最底层的抽象 描述数据在系统内部的表示方式和存取方法 在磁盘或磁带

7、上的存储方式和存取方法 客观对象的抽象过程 两步抽象现实世界中的客观对象抽象为概念模型 把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型 1 2 2数据模型的组成要素a 数据结构什么是数据结构描述数据库的组成对象 以及对象之间的联系描述的内容与数据类型 内容 性质有关的对象与数据之间联系有关的对象数据结构是对系统静态特性的描述 b 数据操作数据操作对数据库中各种对象 型 的实例 值 允许执行的操作及有关的操作规则数据操作的类型查询更新 包括插入 删除 修改 c 完整性约束条件一组完整性规则的集合 完整性规则 给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和储存规则用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的

8、变化 以保证数据的正确 有效 相容 1 2 3概念模型概念模型实际上是现实世界到机器世界的一个中间层次 概念模型的用途概念模型用于信息世界的建模是现实世界到机器世界的一个中间层次是数据库设计的有力工具数据库设计人员和用户之间进行交流的语言对概念模型的基本要求较强的语义表达能力能够方便 直接地表达应用中的各种语义知识简单 清晰 易于用户理解 信息世界中的基本概念 1 实体 Entity 客观存在并可相互区别的事物称为实体 可以是具体的人 事 物或抽象的概念 2 属性 Attribute 实体所具有的某一特性称为属性 一个实体可以由若干个属性来刻画 3 码 Key 唯一标识实体的属性集称为码 4

9、域 Domain 属性的取值范围称为该属性的域 5 实体型 EntityType 用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型 6 实体集 EntitySet 同一类型实体的集合称为实体集 7 联系 Relationship 现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体内部的联系和实体之间的联系 两个实体型之间的联系 两个以上实体型之间的联系实例课程 教师与参考书三个实体型一门课程可以有若干个教师讲授 使用若干本参考书 每一个教师只讲授一门课程 每一本参考书只供一门课程使用 单个实体型内的联系实例职工实体型内部具有领导与被领导的联系某一职工 干部 领导 若干名职工一个职工

10、仅被另外一个职工直接领导这是一对多的联系 概念模型的一种表示方法 实体 联系方法实体 联系方法 E R方法 用E R图来描述现实世界的概念模型E R方法也称为E R模型E R图 实体型 用矩形表示 矩形框内写明实体名 属性 用椭圆形表示 并用无向边将其与相应的实体连接起来联系 联系本身用菱形表示 菱形框内写明联系名 并用无向边分别与有关实体连接起来 同时在无向边旁标上联系的类型 1 1 1 n或m n 联系本身也是一种实体型 也可以有属性 如果一个联系具有属性 则这些属性也要用无向边与该联系连接起来 用E R图表示某个工厂物资管理的概念模型实体仓库 仓库号 面积 电话号码零件 零件号 名称 规

11、格 单价 描述供应商 供应商号 姓名 地址 电话号码 帐号项目 项目号 预算 开工日期职工 职工号 姓名 年龄 职称实体之间的联系如下 1 一个仓库可以存放多种零件 一种零件可以存放在多个仓库中 仓库和零件具有多对多的联系 用库存量来表示某种零件在某个仓库中的数量 2 一个仓库有多个职工当仓库保管员 一个职工只能在一个仓库工作 仓库和职工之间是一对多的联系 职工实体型中具有一对多的联系 3 职工之间具有领导 被领导关系 即仓库主任领导若干保管员 4 供应商 项目和零件三者之间具有多对多的联系 1 2 4最常用的数据模型层次模型 HierarchicalModel 网状模型 NetworkMod

12、el 关系模型 RelationalModel 面向对象模型 ObjectOrientedModel 对象关系模型 ObjectRelationalModel 1 2 5层次模型层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型层次数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS InformationManagementSystem 数据库管理系统层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系层次数据模型的数据结构满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型1 有且只有一个结点没有双亲结点 这个结点称为根结点2 根以外的其它结点有且只有一个双亲结点层次模型中的几个术语根结点 双亲结点 兄弟结点 叶结点 图

13、1 16一个层次模型的示例 层次模型的特点 结点的双亲是唯一的只能直接处理一对多的实体联系每个记录类型可以定义一个排序字段 也称为码字段任何记录值只有按其路径查看时 才能显出它的全部意义没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在 图1 17教员学生层次数据库模型 根结点 记录型系的子女结点记录型教员的双亲结点 叶结点 叶结点 字段 图1 18教员学生层次数据库的一个值 多对多联系在层次模型中的表示用层次模型间接表示多对多联系方法将多对多联系分解成一对多联系分解方法冗余结点法虚拟结点法 层次模型的数据操纵与完整性约束层次模型的数据操纵查询 在层次模型中如果要查找一个记录必须从跟结点开始 插入

14、 插入数据可先将数据写入系统输入 输出区 然后指定一个由根记录开始的插入层次路径 完成数据的插入工作 删除 当删除一个记录的时候 其从属的所有子记录都将删除更新 先查询定位为当前记录 然后将该记录读到系统输入 输出区 在输入 输出区中对数据进行修改 然后用相应命令将修改后的记录值写回到数据库中 层次模型的完整性约束条件无相应的双亲结点值就不能插入子女结点值如果删除双亲结点值 则相应的子女结点值也被同时删除更新操作时 应更新所有相应记录 以保证数据的一致性 邻接法按照层次树前序遍历的顺序把所有记录值依次邻接存放 即通过物理空间的位置相邻来实现层次顺序 链接法用指引来反映数据之间的层次联系子女 兄

15、弟链接法层次序列链接法层次模型的优缺点优点层次模型的数据结构比较简单清晰查询效率高 性能优于关系模型 不低于网状模型层次数据模型提供了良好的完整性支持 缺点多对多联系表示不自然对插入和删除操作的限制多 应用程序的编写比较复杂查询子女结点必须通过双亲结点由于结构严密 层次命令趋于程序化 1 2 6网状模型在现实世界中事物之间的联系殉的是非层次关系的 用层次模型表示非树形结构是很不直接的 网状模型则可以克服这一弊病 网状数据模型的数据结构 满足下面两个条件的基本层次联系的集合 1 允许一个以上的结点无双亲 2 一个结点可以有多于一个的双亲 与层次模型一样 网状模型中每个结点表示一个刻录类型 实体

16、每个记录类型可包含若干个字段 实体的属性 结点间的连线表示记录类型之间一对多的父子联系 多对多联系在网状模型中的表示用网状模型间接表示多对多联系方法 将多对多联系直接分解成一对多联系网状数据模型的操纵与完整性约束网状数据库系统对数据操纵加了一些限制 提供了一定的完整性约束码 唯一标识记录的数据项的集合一个联系中双亲记录与子女记录之间是一对多联系支持双亲记录和子女记录之间某些约束条件 网状数据模型的存储结构关键实现记录之间的联系常用方法单向链接双向链接环状链接向首链接 图1 25学生 选课 课程的网状数据库实例 学生记录 课程记录 选课记录 网状数据模型的优缺点优点能够更为直接地描述现实世界 如一个结点可以有多个双亲具有良好的性能 存取效率较高缺点结构比较复杂 而且随着应用环境的扩大 数据库的结构就变得越来越复杂 不利于最终用户掌握DDL DML语言复杂 用户不容易使用 1 2 7关系模型关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式1970年美国IBM公司SanJose研究室的研究员E F Codd首次提出了数据库系统的关系模型计算机厂商新推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型关系数据模