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1、数据库系统原理及应用,第一篇 基础篇,主 编 李晓峰 李 东,普通高等教育“十二五”规划教材,中国水利水电出版社,数据库系统原理及应用,第1章 数据库系统概论,1.1数据库系统基本概念,1.1.1信息、数据与数据处理,1数据 包括两个方面，即数据内容和数据形式。数据内容是指所描述客观事物的具体特性，也就是通常所说的数据的“值”；数据形式则是指数据内容存储在媒体上的具体形式，也就是通常所说的数据的“类型”。数据主要有数字、文字、声音、图形和图像等多种形式。 2信息 指数据经过加工处理后所获取的有用知识。信息是以某种数据形式表现的。 数据和信息是两个相互联系、但又相互区别的概念；数据是信息的具体表
2、现形式，信息是数据有意义的表现。,3数据处理 将数据转换为信息的过程。数据处理的目的是从大量的数据中，根据数据自身的规律和及其相互联系，通过分析、归纳、推理等科学方法，利用计算机技术、数据库技术等技术手段，提取有效的信息资源，为进一步分析、管理和决策提供依据。数据处理也称信息处理。 我们可以简单地用下式表示信息、数据与数据处理的关系： 信息=数据+数据处理 可以将数据形象化地比喻为原料，是输入；信息就像产品，是输出；而数据处理是把原料变成产品的过程。从这个角度出发，“数据处理”的真正含义应该是为了产生信息而处理数据。,数据库系统原理及应用,1.1.2数据库 1数据库 按一定结构组织并长期存储在
3、计算机内的、有组织、可共享的大量数据的有机集合。 2数据库特点 数据完整性 数据共享性 数据独立性 数据冗余少,数据库系统原理及应用,数据库系统原理及应用,1.1.3 数据库管理系统与管理信息系统 1数据库管理系统 管理和维护数据库的系统软件，是数据库和用户之间的一个接口，其主要作用是在数据库建立、运行和维护时对数据库进行统一管理和控制。 2管理信息系统 计算机应用领域的一个重要分支。MIS帮助人们完成原来需要手工处理的复杂工作，它不仅能明显地提高工作效率，降低劳动强度，而且能提高信息管理的质量或水平。,数据库,数据库管理系统与管理信息系统三者间的关系 MIS以数据库技术为基础，它的核心是数据
4、库。MIS的数据存放在数据库中，数据库技术为MIS提供了数据管理的手段，DBMS为MIS提供了系统设计的方法、工具和环境。学习数据库及DBMS的基础理论和设计方法，其目的就是要掌握数据库系统的设计，管理和应用，以便能够胜任MIS的设计，开发和应用工作。,数据库系统原理及应用,数据库系统原理及应用,1.1.4数据库系统,1数据库系统 实现有组织地、动态地存储大量关联数据，方便多用户访问的计算机软件、硬件和数据资源组成的系统。,(1)数据库 用户数据库 系统数据库（数据字典） (2)软件 操作系统 数据库管理系统 各种宿主语言 应用开发软件,2数据库系统组成,数据库系统原理及应用,(3)硬件 中央
5、处理器 内存 外存 输入/输出设备 (4)用户 普通用户 应用程序员 系统分析员和数据库设计员 数据库管理员（DBA),数据库系统原理及应用,DBA是DBS中的一个重要角色，主要负责设计、建立、管理和维护数据库，协调各用户对数据库的要求等。因此，DBA要熟悉、掌握程序语言和系统软件（如OS,DBMS等），充分了解各种用户的需求，了解各应用部门的所有业务工作，具有系统分析员和运筹学专家的知识。所以，DBA通常是信息技术方面的专业人员，负责全局控制。DBA不一定是一个人，他往往是一个工作小组。它具有如下职责： 决定数据库中的信息内容和结构 决定数据库的存储结构和存取策略 定义数据的安全性和完整性
6、监控数据库的使用和运行 数据库的改进和重组重构,3数据库系统结构图,数据库系统原理及应用,Database,1.2数据库技术的产生与发展 1.2.1数据管理技术的发展 20世纪60年代计算机开始广泛用于管理，但软件开发成本很高，并且提出了数据共享、分布处理等应用需求。于是，提出了开发“统一管理数据的专门软件”的思想。,数据,数据管理软件,应用,请求,回答,数据库系统原理及应用,数据库系统原理及应用,1人工管理阶段 早期的计算机主要用于科学计算，计算处理的数据量很小，基本上不存在数据管理的问题。从50年代初，开始将计算机应用于数据处理。,图1.2 人工管理阶段程序与数据的关系,数据库系统原理及应
7、用,2文件管理阶段 从50年代后期开始至60年代末为文件管理阶段，应用程序通过专门管理数据的软件即文件系统管理来使用数据。,图1.3 文件系统阶段程序与数据之间的关系,数据库系统原理及应用,3数据库管理阶段 数据库管理阶段是60年代末在文件管理基础上发展起来的。,图1.4 应用程序与数据库之间的关系,数据库系统原理及应用,人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系统阶段的比较表1.1 数据管理三个阶段的比较,数据库系统原理及应用,4.高级数据库阶段 20世纪70年代，数据库技术又有了很大的发展，表现如下： 数据库方法，特别是OBTG方法和思想应用于各种计算机系统，出现了许多商品化数据库系统，它们大都
8、是基于网状模型和层次模型的。 商用数据库系统的运行，使数据库技术日益广泛地应用到企业管理、事务处理、交通运输、信息检索、军事指挥、政府管理和辅助决策等各个方面，深入到生产、生活的各个领域。数据库技术成为实现和优化信息系统的基本技术。 关系方法的理论研究和软件系统的研制取得了很大的成果。 80年代出现的分布式数据库系统 90年代出现的面向对象数据库系统和各种新型数据库系统,数据库系统原理及应用,1.2.2数据库系统的特点,1.程序数据独立性 2.提高了数据的共享性 3.降低了数据的冗余度，提高了数据的一致性 4.采用一定的数据模型实现数据结构化 5.数据由DBMS统一管理和控制,数据库系统原理及
9、应用,1.3 数据模型,1.3.1 信息的三个世界,1.现实世界 存在于人们头脑之外的客观世界，称为现实世界。现实世界存在的客观事物及其联系，经过人们大脑的认识、分析和抽象后，用物理符号、规范并转换为计算机所能接受的形式，在现实世界中每种事物都具有各自的特征，彼此互相区别，事物之间又是相互联系、息息相关的，才构成这大千世界。 现实世界术语如下： （1）事物 （2）特征,数据库系统原理及应用,2.信息世界 现实世界中的事物及其联系由人们的感官感知，经过人们头脑的分析、归纳、抽象。形成信息。信息世界是一种相对抽象与概念化的世界，它介于现实世界与计算机世界之间，起着承上启下的作用。 信息世界术语如下
10、： (1)实体 (2)属性 (3)码（关键字或键） (4)域 (5)实体型 (6)实体值 (7)实体集,数据库系统原理及应用,3.机器世界 信息世界的信息在机器世界中以数据形式存储，用计算机管理信息，必须对信息进行数据化，数据化后的信息则成为机器世界的数据。 机器世界术语如下： (1)字段 (2)记录 (3)文件 (4)关键码,数据库系统原理及应用,三个世界术语虽各不相同，但它们之间有对应关系。三个世界术语间关系如图1.6所示。,图1.6 三个世界术语间的关系,数据库系统原理及应用,1.3.2模型与数据模型,1模型 对现实世界的模拟和抽象。 2数据模型 现实世界数据特征的模拟和抽象。是理解数据
11、库的基础。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。数据模型是数据库中用于提供信息表示和操作手段的形式框架，它是我们将现实世界转换为数据世界的桥梁。,数据库系统原理及应用,1.3.3数据模型的基本组成,1数据结构 数据结构用于描述数据库系统的静态特性。 2数据操作 数据操作用于描述数据库系统的动态特性。 3数据的约束条件 数据的约束条件是一组完整性规则的集合。,数据库系统原理及应用,1.3.4数据模型的分类,目前广泛使用的数据模型可分为两个层次。 第一层数据模型是独立于计算机系统的模型，它完全不涉及信息在系统中的表示，只是用来描述某个特定组织所关心的信息结构，这类模
12、型称为“概念数据模型”，如实体-联系模型、语义对象模型等。 第二层数据模型是依赖于计算机系统的模型，它是直接面向数据库的逻辑结构，这类模型涉及到计算机系统和数据库管理系统，这类模型称为“逻辑数据模型”，如网状模型、层次模型、关系模型和面向对象模型等。,数据库系统原理及应用,1.概念模型 概念数据模型是按用户的观点对数据和信息的建模，主要用于数据库设计。 它是对现实世界进行抽象并建立信息世界的数据模型，它语义表达能力很强，概念简单、清晰，易于用户理解，是用户和数据库设计人员之间进行交流的工具。 2.逻辑模型 逻辑数据模型是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于DBMS的实现。它是现实世界中的信息
13、最终在机器世界得到的反映，它通常有一组严格定义了语法和语义的语言，人们可以使用它来定义、操纵数据库中的数据。,数据库系统原理及应用,(1)层次模型 1969年IBM公司研制的层次模型的数据库管理系统IMS (Information Management System)。 (2)网状模型 国数据库系统语言协商会CODASYL(Conference On Data System Language)下属的数据库任务组DBTG(Data Base Task Group)对数据库方法进行了系统的研究、探讨，于20世纪60年代末70年代初提出了若干报告，称为DBTG报告。DBTG报告确定并建立了数据库系统
14、的许多概念、方法和技术。DBTG所提议的方法是基于网状结构的。,数据库系统原理及应用,在DBTG方法和思想的指引下数据库系统的实现技术不断成熟，开发了许多商品化的数据库管理系统，它们都是基于网状模型或层次模型的。 可以说，层次数据库是数据库系统的先驱，而网状数据库则是数据库概念、方法、技术的奠基。它们是数据库技术中研究得最早的两种数据库系统。两者的区分是以数据模型为基础，层次数据库的数据模型是分层结构的( Tree)，而网状数据库的数据模型是网状的(Graph)，它们的数据结构用树和图来表示。,数据库系统原理及应用,(3)关系模型 20世纪70年代末，关系方法的理论研究和软件系统的研制均取得了
15、很大成果，IBM公司的San Jose实验室在IBM370系列机上研制的关系数据库实验系统System R获得成功。关系数据库应用数学方法来处理数据库中的数据。最早将这类方法用于数据处理的是1962年CODASYL发表的“信息代数”，之后有1968年David Child在 7090机上实现的集合论数据结构，但系统地、严格地提出关系模型的是美国IBM公司的EFCodd。 1970EFCodd在美国计算机学会会刊Communication of the ACM上发表的题为“A Relational Model of Data for Shared Data Banks”的论文，开创了数据库系统的
16、新纪元。,数据库系统原理及应用,关系模型的优点 有坚实的理论基础。 采用自然的表格联系，结构简单、易用。 数据独立性及安全保密性好。 关系模型的缺点 查询效率较低。 关系模型在处理如CAD数据和多媒体数据时有局限性，必须和其他的新技术相结合。,数据库系统原理及应用,(4)面向对象数据模型,提出于20世纪70年代末80年代初。它吸收了概念数据模型和知识表示模型的一些基本概念，同时又借鉴了面向对象程序设计语言和抽象数据类型的一些思想。面向对象数据模型是用面向对象的方法构建起来的数据模型，是一种可扩充的数据模型。现在该数据模型仍在不断发展完善之中。,(5)对象关系数据模型,在传统关系型基础上，提供元组，数组，集合一类丰富的数据数据，同时又支持面向对象的特征，能扩充基类、支持复杂对象、对象继承机制等OO特征形式的数据模型。,数据库系统原理及应用,1.4 数据库系统的体系结构,数据库管理系统角度看，即根据数据库系统内部的层次结构，数据库系统通常采用三级模式结构，即外模式、模式和内模式。 数据库最终用户角度看，即根据数据库系统外部的体系结构，数据库系统通常分
