中小学信息科学知识：数据库系统

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1、 总 序本世纪初叶，商务印书馆王云五先生得到胡适之、蔡孑民、吴稚晖、杨 杏佛、张菊生等 3 0 余位知名学者、社会贤达鼎力相助，编纂出版了万有文 库丛书。是书行世，对于开拓知识视野，营造读书风气，影响甚巨，声名 斐然，遗响至今不绝。 1 0 0 0 多年以前，南朝齐梁学者钟嵘在诗品中以“照烛三才，晖丽万 有”来指说天地人间的广博万物。今天，我们全国各地的数十家出版发行单 位与数千名作者以高度的历史责任感，联袂推出中华万有文库，并向社 会各界读者，特别是青少年读者做出承诺： 传播万物百科知识，营造有益成功文库。 我们之所以沿用万有文库旧名，并非意图掠美。首先，表明一个信 念：承继中国出版界重视文

2、化积累、造福社会、传播知识的优秀传统，为前 贤旧事翻演新曲，把旧时代里已经非常出色的事情在新时代里再做出个锦上 添花。其次，表明我们这套丛书体系与内容的鲜明特点。经过反复论证，我 们决定针对中小学生正在提倡素质教育的需要和农村、厂矿、部队基层青年 在提高文化与科学修养的同时还要提高劳动技能的广泛需要，以当代社会科 学与自然科学的基础知识为基本立足点，编纂一套相当于基层小型图书馆应 该具备的图书品种数量与知识含量的百科知识丛书。万有的本意是万物。百 科知识是人类从自然界万物与社会万象之中得到的最重要的收获。而为表示 新旧区别，丛书之名冠以中华。这就是我们这套丛书的缘起与名称的由来。 中华万有文库

3、基本按照学科划分卷次，各卷之下按照内容分为若干 辑，每一辑大体相当于学科的一个二级分支，各卷辑次不等；各辑子目以类 相从，每辑 1 0 至 2 0 种不等，每种约 1 0 万字左右，全书总计约 3 0 0 辑 3 0 0 0 种。中华万有文库不仅有传统学科的基本知识，而且注意吸收与介绍相 关交叉学科、新兴学科知识；不仅强凋学科知识的基础性与系统性，而且注 重针对读者的年龄特点、知识结构与阅读兴趣而保持通俗性和趣味性；不仅 着眼于帮助读者提高文化素质与科学修养，而且还注重帮助读者提高社会生 存能力与劳动技能。 每个时代，图书最大的读者群是 1 0 至 2 0 岁左右的青少年。每个时代能 够影响深

4、远的图书，是那些可以满足社会需要，具有时代特点，在最大的读 者群中启蒙混沌、传播知识、陶冶情操、树立信念的优秀图书。我们相信， 只要我们老老实实地做下去，经过几个甚至更为漫长的寒暑更迭，将会有数 以百万计的青少年读者通过中华万有文库而打开眼界，获取知识；中 华万有文库将会在他们成长的道路上留下鲜明的痕迹，伴随他们一同走向 未来，抵达成功的彼岸。 天高鸟飞，海阔鱼跃。万物霜天，凭知识力量，竞取成功，争得自由。 在现代社会中，任何人都没有任何理由拒绝为了获取力量而读书。这是中 华万有文库编纂者送给每一位本书读者的忠告。 追求完美固然是我们的愿望，但是如同世间只有相对完善一样，中华 万有文库卷帙庞大

5、，子目繁多，难免萧兰并撷，珉玉杂陈。这些不如人意 之处，尚盼大家幸以教之。我们虚心以待。是为序。 中华万有文库编委会数据库系统第一章 绪论在远古时代，人们就从现实世界中抽象出了数的概念，从原始的结绳记 事，到罗马人、阿拉伯人发明了今天仍在使用的数字，人们渐渐学会用数字 来描述现实世界里的事物，用数据运算表示现实世界的变化。随着人类文明 的进步，社会活动的更加活跃，数据运算越来越频繁，越来越复杂，人类从 而又有了利用机器实现运算的机械化、自动化的需求。中国古代的算盘和西 方 1 9 世纪的机械计算装置反映了人类的这种追求。自上个世纪末以来，由于 工业革命带来的对社会的巨大推动作用，社会呈现加速发

6、展的趋势。本世纪 4 0 年代，逐步兴起的电子技术，以及为了应付二战战术数据处理的需要，人 们开始了对电子自动工具的研究。 1 9 4 6 年，第一台电子计算机诞生了。从此， 人类在对数据处理能力上，有了质的飞跃。5 0 年来，计算机以人们始料不及 的速度发展着，以让人眼花缭乱的强大功能迅速渗透到社会的各行业各场 合，并且仍在不断地以新面目面向世人。 计算机的计算能力和存储量，几十年来有了翻天覆地的变化，这些变化 导致了计算机的作用从单纯的数字计算演变为对电子数据的处理上来。这种 转变是一个划时代的转折，它使计算机从少数的天才科学家手中的怪物转变 为广大科技人员和管理人员工作的有力工具和得力助

7、手，它为推动信息化社 会转变起到了决定性的作用。1 . 信息、数据和数据处理计算机处理的电子数据，来自于现实世界的信息。信息是现实世界在人 脑中的抽象反映，是通过人的感官感知出来并经过人脑的加工而形成的反映 现实世界中事物的概念。这里所说的“事物”不仅是那些看得见、摸得着的 物体，而且也包括那些不可触及的抽象概念，如产量、质量、速度等。因此 信息可以看作是现实世界的真实反映。信息不仅为人们所认识和理解，而且 能够把它作为知识来进行推理、加工和传播，从而达到认识世界、改造世界 的目的。 在用计算机处理信息的时候，要将信息转比为计算机可以识别的符号， 也就是数据。数据是表示信息的一种手段。比如对一

8、本书的认识信息， 可以在计算机中表示为标题、作者、开本、价格、出版社、提要和全文等等 符号化的数据。 事物信息数据，实际上贯穿了三个世界，即现实世界信息 世界计算机世界。 现实世界存在着各种物体的集合，如某个班集体、书、零件等，这些可 以称为事物类，事物类也可以是某种抽象概念的集合，如成绩。这是现实世 界中进行管理的基础。每一个事物类都有具体的事物组成，如某班集体的学 生，可以是张三、李四等。每一个具体的事物又具有自己的内涵，如张三具 有姓名、性别等内涵。事物类、事物、内涵构成三个层次，与事物、内涵相 对应的是实体和属体。 在数据世界，即计算机世界中，与三个层次对应的概念分别是文件、记 录和字

9、段。三个世界的类比关系可由表 1 。表 1 . 1三个世界的类比关系现实世界信息世界数据世界事物类实体集文件事物实体记录内涵属性字段表 1 . 2数据世界的事物表示形式姓名性别出生日期籍贯地址张三男1 9 6 9 . 1 1北京北京师范大学李四男1 9 6 6 . 0 8山西北京大学认识到了现实世界中的事物可以表示成计算机世界的数据，计算机就有 了进行数据处理的基础。数据处理正是对各种形式的数据进行收集、储存、 加工和传播的一系列活动的总和。其目的是从大量的、原始的数据中抽取、 推导出对人们有价值的信息，作为行动和决策的依据；是为了借助计算机科 学地保存和管理复杂的大量的数据，以便人们能方便而

10、充分地利用这些宝贵 的信息资源。比如说，对天文观测的数据处理，可以预报天气的变化；对经 济运行中产生的数据处理，可以帮助制定科学的经济政策；当计算机保存并 处理了图书馆的书刊数据时，就可以迅速从浩瀚的书海中迅速找到所需的资 料。借助于计算机网络，数据处理可以使人们在社会活动中如虎添翼。如在 北京可以迅速得知上海的商业行情；从中国可以得到美国的某篇文献的原 文。这一切均来自于计算机的对电子数据的处理功能。 现在让我们来思考一下，上文中所述及的计算机完成的种种功能如何才 能实现呢？要想对数据进行处理，首先要作的是对数据的分类、组织、储存、 索引和维护等。这些工作是数据处理的基本环节，这些工作统称为

11、数据管理。2 . 数据管理技术的发展数据管理的水平是和计算机硬件、软件的发展相适应的，是随着计算机 技术的发展而发展的。人们的数据管理技术经历了三个阶段的发展： 人工管理阶段； 文件系统阶段； 数据库系统阶段。 1 . 人工管理阶段 这一阶段，大致是在 5 0 年代中期之前。此时计算机技术相对落后。这时 的计算机主要用于科学计算。硬件方面，计算机的外存只有磁带、卡片、纸 带，没有磁盘等直接存取的存储设备，存储量非常小；软件方面，没有操作 系统，没有高级语言，数据处理的方式是批处理，也即机器一次处理一批数 据，直到运算完成为止，然后才能进行另外一批数据的处理，中间不能被打 断，原因是此时的外存如

12、磁带、卡片等只能顺序输入。 这一阶段数据管理的特点是： （1 ）数据不保存。在需要计算时，利用卡片、纸带等将数据输入，经过运算得到运算结果，数据处理的过程就结束了。 （2 ）数据不能独立。数据是作为输入程序的组成部分，即程序和数据是 一个不可分隔的整体，数据和程序同时提供给计算机运算使用。对数据进行 管理，就像现在的操作系统可以以目录、文件的形式管理数据。程序员不仅 要知道数据的逻辑结构，也要规定数据的物理结构，程序员对存储结构，存 取方法及输入输出的格式有绝对的控制权，要修改数据必须修改程序。要对 1 0 0组数据进行同样的运算，就要给计算机输入 1 0 0个独立的程序，因为数 据无法独立存

13、在。 （3 ） 这一时期， 尚没有文件的概念。 数据的组织完全由程序员自行设计。 即使人们发现了这样作的弊病，也无可奈何。因为此时计算机的外存能力是 很弱的。 （4 ）数据是面向应用的。一组数据对应一个程序。不同应用的数据之间 是相互独立、彼此无关的，即使两个不同应用涉及到相同的数据，也必须各 自定义，无法相互利用，互相参照。数据不但高度冗余，而且不能共享。 综上所说，所以有人也称这一数据管理阶段为无管理阶段。 2 . 文件系统阶段 从 5 0 年代后期到 6 0 年代中期，数据管理发展到文件系统阶段。此时的 计算机不仅用于科学计算，还大量用于管理。外存储器有了磁盘等直接存取 的存储设备。在软

14、件方面，操作系统中已有了专门的管理数据软件，称为文 件系统。从处理方式上讲，不仅有了文件批处理，而且能够联机实时处理， 联机实时处理是指在需要的时候随时从存储设备中查询、修改或更新，因为 操作系统的文件管理功能提供了这种可能。这一时期的特点是： （1 ）数据长期保留。数据可以长期保留在外存上反复处理，即可以经常 有查询、修改和删除等操作。所以计算机大量用于数据处理。 （2 ）数据的独立性。由于有了操作系统，利用文件系统进行专门的数据 管理，使得程序员可以集中精力在算法设计上，而不必过多地考虑细节。比 如要保存数据时，只需给出保存指令，而不必所有的程序员都还要精心设计 一套程序，控制计算机物理地

15、实现保存数据。在读取数据时，只要给出文件 名，而不必知道文件的具体的存放地址。文件的逻辑结构和物理存储结构由 系统进行转换，程序与数据有了一定的独立性。数据的改变不一定要引起程 序的改变。保存的文件中有 1 0 0 条记录，使用某一个查询程序。当文件中有 1 0 0 0 条记录时，仍然使用保留的这一个查询程序。 （3 ）可以实时处理。由于有了直接存取设备，也有了索引文件、链接存 取文件、直接存取文件等，所以既可以采用顺序批处理，也可以采用实时处 理方式。数据的存取以记录为基本单位。 上述各点都比第一阶段有了很大的改进。但这种方法仍有很多缺点，主 要是： （1 ）数据冗余大。当不同的应用程序所需

16、的数据有部分相同时，仍需建 立各自的独立数据文件，而不能共享相同的数据。因此，数据冗余大，空间 浪费严重。并且相同的数据重复存放，各自管理，当相同部分的数据需要修 改时比较麻烦，稍有不慎，就造成数据的不一致。比如，学籍管理需要建立 包括学生的姓名、班级、学号等数据的文件。这种逻辑结构和学生成绩管理 所需的数据结构是不同的。在学生成绩管理系统中，进行学生成绩排列和统 计，程序需要建立自己的文件，除了特有的语文成绩、数学成绩、平均成绩等数据外，还要有姓名、班级等与学籍管理系统的数据文件相同的数据。数 据冗余是显而易见的，此外当有学生转学走或转来时，两个文件都要修改。 否则，就会出现有某个学生的成绩，却没有该学生的学籍的情况，反之亦然。 如果系统庞大，则会牵一发而动全身，一个微小的变动引起一连串的变动， 利用计算机管理的规模越大，问题就越多。常常发生实际情况是这样，而从 计算机中得到的信息却是另一回事的事件。 （2 ）数据和程序缺乏足够的独立性。文件中的数据是面向特定的应用 的，文件之间是孤立的。不能反映现实