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1、 第4章 数据库系统与数据模型 【学习目标】 通过本章学习，你将能够： 理解文件组织技术 分析数据库管理系统的意义 理解数据库管理系统的抽象层次 掌握数据模型建立的一般步骤24.1 引 言在信息时代，信息是一种资源。信息的原料是 数据，只有对数据进行有效组织，才能加工出 有价值的信息。许多组织由于缺乏关于企业内 部运作和外部环境的有效数据，而导致在竞争 中失败。因此，企业必须应用信息技术和管理 工具对数据进行有效的管理，而数据库管理系 统正是为解决数据管理问题而提出的。有效应 用数据库管理系统的前提是必须首先对企业的 运作进行数据建模，并理解数据的逻辑模式和 物理模式的关系。34.2 传统的文
2、件系统4.2.1 文件的概念 如图4-1所示是一个基于纸质的文件记录。而在计 算机系统中往往是以最基本的形式存储数据：二进 制数(又称位或比特)。 44.2.1 文件的概念由位构成字节，由字 节构成数据项，由数 据项构成记录，由记 录构成文件，如图4- 2所示。 一个数据项或域，是 由字符组成的逻辑集 合。一个记录是若干 数据项按一定逻辑关 系组合在一起的集合 ，同一类型的记录组 成一个文件。54.2.2 文件的结构 文件的结构是指在磁盘上存储记 录的方式。通常包括以下方面的 文件结构。 1) 顺序文件结构 2) 直接文件结构 3) 索引文件结构64.2.3 文件系统每个文件中的记录往往被设计
3、成只适合某个应 用程序，从而不能被其他应用程序读取。显然 ，这给程序设计以及修改造成了很大的障碍。 如图4-4所示，某公司运行了一个给员工发放薪 水的程序，这个程序使用一个薪水主文件来存 储员工个人数据。 74.2.3 文件系统 这种设计模式所存在的主要问题 有以下方面。 1) 数据的独立性 2) 数据的冗余性 3) 数据的一致性84.3 数据库管理系统4.3.1 数据库管理系统的概念 在数据库管理系统中，数据不再仅仅是服务于某个应用程 序或用户，而成为一个组织甚至组织之间的共享资源，由 数据库管理系统统一管理，实现了数据与程序的真正独立 ，并且最大限度地降低了数据冗余，充分做到了数据为多 个
4、用户共享，提高了数据的一致性，并且允许多个用户同 时访问某一数据，也就是实现数据的并发使用，对数据的 安全保密和完整性也有了保证措施，如图4-5所示。94.3.2 数据库管理系统的抽象层次如图4-6所示，数据库管理系统中的数据被描述 为三级抽象：概念模式、物理模式和外模式。 104.3.3 数据库的优势由前面的论述可知，使用数据库的优势包括以 下方面。 1) 减少数据冗余 2) 保持数据的一致性 3) 数据和程序可以保持独立 4) 面向用户或者用户程序提供逻辑视图 5) 应用程序的开发能力得到提高 6) 安全措施易于执行114.3.4 数据库的劣势 虽然数据库的使用日益普遍，但是也 存在局限性
5、。 1) 数据库设计需要花费更多的时间和成 本 2) 需要考虑数据库硬件和软件的成本 3) 数据库访问比直接的文件访问速度要 慢124.4 数据库模型数据库模型反映了数据库管理系统关于数据组 织的逻辑思路。先后出现了三种数据模型：层 次模型、网状模型及关系模型。 文件系统和数据库系统的主要区别之一就在于 前者仅仅是相同类型记录的一个简单集合，而 后者则包括： 不同类型的记录集合； 各记录集合间的关系。134.4.1 层次数据模型层次模型是早期数据库管理系统中常用的一种 模型。层次模型没有关于多个对象之间直接关 系的表示。 图4-7描述了某所大学数据库的部分层次结构。 144.4.2 网状数据模
6、型网状数据模型是层次数据模型的变形。 图4-9中的学生与课程之间的关系就是典型的多 对多的关系，一个学生可选修多门课程，而一 门课程可有多个学生选修。 同层次模型类似，网状模型一般也只在较老的 数据库系统中使用，如今一般不选择这种数据 库模型。 154.5 关系数据库模型关系数据库模型的发展在很大程度上得益于 E.F.Codd在20世纪70年代的理论探讨。关系模 型的数据库管理系统相对网状和层次模型有着 固有的优势，是目前开发信息系统使用的主流 数据库模型。164.5.1 关系一个关系数据库可以看作是由一系列相互关联的二维 表的集合，如图4-10所示。网状模型和层次模型通过 联接来表示各种各样
7、的关系，关系模型通过关系或者 表来表示各个对象之间的联系。 174.5.2 关系的键 1) 主键和候选键 2) 组合键 3) 外键184.5.3 关系的完整性规则关系的完整性规则是对关系的某种约束。 一般包括两个方面实体完整性规则和参照 完整性规则。 1) 实体完整性规则 2) 参照完整性规则总之，完整性规则是定义关系模式时的约 束条件，过滤不合法的数据，只允许合法 的数据存储于数据库中。 194.5.4 关系的规范化1) 函数依赖2) 关系的规范化具体来讲，关系规范化步骤如下。 (1) 确认关系的所有候选键。 (2) 确认关系中的函数依赖关系。 (3) 检查函数依赖关系的决定因子。如果任何一
8、个 决定因子都不是候选键，则关系就存在规范化问题 。 (4) 根据需要，多次重复步骤，直至每个关系的 决定因子都是候选键。204.6 创建自己的关系数据模型 具体的创建过程可以参照下面的步骤 。 (1) 定义实体类和主键。 (2) 定义每个实体类之间的关联。 (3) 为每个关系定义字段(信息)。 (4) 用数据描述语言创建数据库。214.6.1 定义实体类和主键所谓实体，就是系统用户希望跟踪的对象。 实体集反映了相同类型的实体实例的集合，如 图4-13所示。224.6.2 定义每个实体类之间的关联实体之间必须建立关联，我们用实体-关联图 (Entity_Relationship Diagram
9、，E-R图)来反 映实体间的关联。E-R模型可以有多种形式或 变体。如图4-14所示是传统的E-R图的符号组 成，所有的数据库专业人员都理解传统的E-R 模型。 234.6.3 为每个关系定义字段关系中的字段是我们所关心的该实体的某方面 的信息。 在设计字段时，应该时刻注意关系的规范化原 则，即确保关系中每个字段都只依赖于主键。 另外为了尽量减少冗余，要确保关系中没有衍 生字段。244.7 分布式数据库4.7.1 分布式处理 分布式处理可以定义为：计算机设备和数据在一个 以上的地点出现，应用程序在一个以上的地点的系 统上运行。 如图4-20所示是一个轮胎制造商为在全国范围内购 买原材料并销售产
10、品而建立的分布式处理系统。 254.7.1 分布式处理总结以上，我们可以看出，采用分布式系 统的优点包括以下方面。 1) 系统发展的灵活性增强 2) 较低的通信费用 3) 容错能力 4) 跨国界数据流动 5) 减少反应时间 6) 用户满意度提高264.7.2 有效的分布式处理系统有效的分布式处理系统应该是容易使用的。 另外，有效的分布式处理系统也应该避免数据 的不一致性。软件和程序应该能提供自动的全 系统范围内的修改。 组织的性质是规划分布式处理时要考虑的一个 问题。以分布式处理的形式组织信息系统对于 在其他方面也较分散的组织来说可能会很有效 。 274.7.3 分布式数据库 1. 数据库的复
11、制和分解 2. 分布式数据库系统的体系结构 1) C/S结构 2) B/S结构 3) C/S结构与B/S结构的分析比 较284.8 数据库管理系统的分类 桌面数据库管理系统主要是在单机环境下运行的数据库管理系 统，无须网络操作系统的支持，如Foxpro、Access等，这类 系统主要作为支持一般事务处理需要的数据库环境，是为满足 日常小型办公的需要，强调使用的方便性和操作的简便性。 由于桌面数据库侧重于可操作性、易开发和简单管理等方面， 所以提供的是较弱的数据库管理和较强的前端开发工具，同时 充当了应用开发和数据库管理系统的角色，图4-25所示。 294.9 面向对象数据库系统人们对面向对象的
12、数据库具有强烈需求的原因 在于：将来的数据库不再仅需要用来存储字符 ，而且要存储图形、声音、视频等非文本数据 ，传统的数据库管理系统很难实现这些处理。 关系模型将信息理解为：实体、属性和各个实 体之间的关系。在关系模型中，对那些数据的 处理是隐含的。面向对象数据库的倡导者认为 ，关系模型将数据和处理分开将会导致系统设 计存在缺陷。 具备相同属性及方法的对象被称为一个类。 304.10 小 结信息的原料是数据，只有对数据进行有效组织，才能 加工出有价值的信息。 数据库管理系统的概念正是针对以上问题而提出的。 数据据管理系统中的数据被描述为三级抽象：概念模 式、物理模式和外模式。其中概念模式是全局
13、的数据 逻辑结构的描述，外模式是每个用户的局部描述，物 理模式则是数据在物理存储介质上实际的组织形式和 结构。 关系数据库将数据组织成二维表的形式。一个关系就 是一个二维表格。关系之间通过外键建立关联。 关系的完整性规则是对关系的某种约束。一般包括两 个方面：实体完整性规则和参照完整性规则。314.10 小 结关系的规范化是对所建立的关系进行优化的过 程。 在创建关系时一般遵循下面的步骤： (1) 定义实体类和主键； (2) 定义每个实体类之间的关联； (3) 为每个关系定义字段(信息)； (4) 用数据描述语言创建数据库。 我们把分散放置数据库的系统称为分布式数据 库系统。对数据进行分布式处理的主要方式包 括复制和分解。目前，分布式数据库系统的体 系结构主要有C/S结构和B/S结构两大类。32思 考 题1. 什么是数据库管理系统？它与文件系统有什么区别 ？ 2. 理解数据库管理系统的抽象级别。3. 数据库管理系统的优点是什么？4. 什么是数据模型？理解数据模型的演变过程。5. 理解和掌握关系数据库设计的一般思路。6. 理解分布式数据库系统的体系结构。7. 阅读以下案例，找出实体，画出实体关联图，并确 定实体的属性。 参见教材P10733
