数据库原理与应用 第1章 数据库概述

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1、数据库原理与应用,第一章 数据库概述,【本章导读】,数据库技术是计算机科学技术中发展最快的技术之一。本章主要讲述数据库和数据模型的有关概念、数据库技术的发展过程和研究领域、三种主要的数据模型以及数据库系统的结构。,【本章要点】,数据库和数据模型的基本概念 数据模型的三要素 概念模型的表示方法 数据库技术的发展过程与研究领域 数据库系统的模式结构与体系结构 DBMS的功能与组成,第一章 数据库概述,1.1 引言 1.2 数据模型 1.3 数据库系统的结构 本章小结 习题一,1.1 引言,1.1.1 数据、数据库、数据库管理系统 和数据库系统 1.1.2 数据管理的发展 1.1.3 数据库技术的研

2、究领域,1.1.1数据、数据库、数据库管理系统 和数据库系统,数据（Data） 数据库（Database，简称DB） 数据库管理系统（DataBase Management System，简称DBMS ） 数据库系统 （DataBase System，简称DBS）,1数据（Data）,数据是描述事物的符号记录。 学生的学号、姓名、年龄、照片等档案记录、货物的运输情况等都是数据。 数据的表示形式多样，可以是文字、数字、图形、图像、声音等，它们都可以经过数字化后存入计算机。,2数据库（DataBase，简称DB）,数据库指长期储存在计算机内、有组织的、可共享的数据集合。 数据库中的数据按一定的数据

3、模型组织、描述和储存，具有较小的冗余度，较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。,3数据库管理系统（DataBase Management System，简称DBMS）,数据库管理系统指位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。 数据库在建立、运用和维护时由数据库管理系统统一管理、统一控制。 数据库管理系统使用户能方便地定义数据和操纵数据，并能够保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用及发生故障后的系统恢复。,4数据库系统（DataBase System，简称DBS）,数据库系统指在计算机系统中引入数据库后构成的系统。 一般由数据库，数据库管理系统（及其开发工具），应用系统，数

4、据库管理员（DataBase Administrator，简称DBA）和用户五部分构成。,1.1.2 数据管理的进展,数据管理是指如何对数据分类、组织、编码、储存、检索和维护，是数据处理的中心问题。 1人工管理阶段 2文件系统阶段 3数据库系统阶段,1人工管理阶段,在20世纪50年代中期以前 计算机主要用于科学计算 硬件状况是，外存只有纸带、卡片、磁带，没有磁盘等直接存取的存储设备。 软件状况是，没有操作系统，没有管理数据的软件；数据处理方式是批处理。,2文件系统阶段,20世纪50年代后期到60年代中期 计算机不仅用于科学计算，而且还大量用于管理。 硬件上已有了磁盘、磁鼓等直接存取的存储设备。

5、 软件方面，操作系统中已经有了专门的数据管理软件，一般称为文件系统；处理方式上不仅有了文件批处理，而且能够联机实时处理。,3数据库系统阶段,20世纪60年代后期以来 计算机用于管理的规模更为庞大，应用越来越广泛，数据量急剧增长 硬件价格不断下降，软件价格不断上升 在处理方式上，更多的要求联机实时处理，并开始提出和考虑分布式处理 60年代末出现了第一代数据库层次数据库、网状数据库 70年代出现了第二代数据库关系数据库,1.1.3 数据库技术的研究领域,数据库管理系统软件的研制 数据库设计 数据库理论,1.2 数据模型,数据模型就是对现实世界的模拟。 根据应用的不同目的，可以分为,1.2 数据模型

6、,1.2.1 数据模型的三要素 1.2.2 概念模型 1.2.3 三种主要的数据模型,1.2.1 数据模型的三要素,1数据结构 数据结构用于描述系统的静态特性，是所研究的对象类型的集合。数据模型按其数据结构的不同可以分为层次模型、网状模型和关系模型。 2数据操作 数据操作用于描述系统的动态特性，是指对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合。 3完整性约束 数据的完整性约束是一组完整性规则的集合。,1.2.2 概念模型,概念模型是现实世界到机器世界的一个中间层次。 现实世界的事物反映到人的脑子中，人们把这些事物抽象为一种既不依赖于具体的计算机系统又不为某一DBMS支持的概念模型，然后再把概念

7、模型转换为计算机上某一DBMS支持的数据模型。,1概念模型的主要概念,实体：客观存在并相互区别的事物及其事物之间的联系。 属性：实体所具有的某一特性。 码：惟一标识实体的属性集。 域：属性的取值范围。 实体型：用实体名及其属性名集合来抽象和刻画的同类实体。,1概念模型的主要概念,实体集：同型实体的集合称为实体集。例如：全体学生就是一个实体集。 联系：实体与实体之间以及实体与组成它的各属性间的关系。 现实世界中的联系大体有三种类型：一对一的联系（1:1），一对多的联系（1:n），多对多的联系（m:n）。,2概念模型的表示方法,概念模型的表示方法很多，最常用的是实体联系方法（Entity-Rela

8、tionship Approach）。 该方法用E-R图来描述现实世界的概念模型。E-R图提供了表示实体型、属性和联系的方法。,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,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）。 若实体之间的联系也有属性，则也要用无向边将属性与相应联系连接起来。,1.2.3 三种主要的数据模型,1层次模型 2网状模型 3关系模型,1层次模型,层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型，它用树形结构表示各类实体以及实体间的联系。 层次模

9、型数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS（Information Management Systems）数据库管理系统，这是一个曾经广泛使用的数据库管理系统。,在数据库中，对满足以下两个条件的数据模型称为层次模型： （1）有且仅有一个结点无双亲，这个结点称为“根结点”； （2）其它结点有且仅有一个双亲，但可以有多个后继。 若用图形来表示，层次模型像是一棵倒立的树。结点层次（Level）从根开始定义，根为第一层，根的孩子称为第二层，根称为其孩子的双亲，同一双亲的孩子称为兄弟。,2网状模型,网状模型数据库的典型代表是DBTG系统，也称CODASYL系统。 这是20世纪70年代数据系统语言研究会C

10、ODASYL(Conference On Data Systems Language)下属的数据库任务组(Data Base Task Group，简称DBTG)提出的一个系统方案。 若用图形表示，网状模型像是一个网络。,在数据库中，对满足以下两个条件的数据模型称为网状模型： （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，也可以有多个后继。,3关系模型,美国IBM公司的研究员EFCodd于1970年发表了题为“大型共享系统的关系数据库的关系模型”的论文，文中首次提出了数据库系统的关系模型。,3关系模型,（1）关系模型的数据结构 也称逻辑结构。是一张二维表，它由行和列组成

11、。通常在关系模型中将表称为关系。 （2）关系模型的数据操纵与完整性约束 关系模型的数据操纵主要包括查询、插入、删除和更新数据。 关系的完整性约束条件包括三大类：实体完整性、参照完整性和用户定义的完整性。,3关系模型,（3）关系模型的存储结构 关系模型的存储结构是文件。 （4）关系模型的优缺点 优点：它是建立在严格的数学概念的基础上的。 结构简单、清晰，用户易懂易用。 具有更高的数据独立性，更好的安全保密性。 缺点：由于存取路径对用户透明，查询效率往往不如非关系数据模型。,1.3 数据库系统的结构,1.3.1 数据库系统的模式结构 1.3.2 数据库系统的体系结构 1.3.3 数据库管理系统,1

12、.3.1 数据库系统的模式结构,从数据库管理系统角度看待数据库结构可以发现数据库系统采用三级模式结构。 从数据库最终用户角度看，数据库系统的结构分为单用户结构、主从式结构、分布式结构和客户机/服务器结构。,（1）外模式,外模式也称子模式或用户模式，它是对数据库用户（包括应用程序员和最终用户）看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。一个数据库可以有多个外模式。,（2）模式,模式也称逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公用数据视图。一个数据库只有一个模式。,（3）内模式,内模式也称存储模式，它是对数据物理和存

13、储结构的描述，是数据在数据库内部的表示方式。一个数据库只有一个内模式。,2数据库的二级映象与数据独立性,数据库系统在这三级模式之间提供了两层映象：外模式/模式映象和模式/内模式映象。正是这两层映象保证了数据库系统的数据能够具有较高的逻辑独立性和物理独立性。,模式描述的是数据的全局逻辑结构，外模式描述的是数据的局部逻辑结构。对应于同一个模式可以有任意多个外模式。对于每一个外模式，数据库系统都有一个外模式模式映象，它定义了该外模式与模式之间的对应关系。当模式改变时（例如，增加新的数据类型、新的数据项、新的关系等），由数据库管理员对各个外模式模式的映象作相应改变，可以使外模式保持不变，从而使得应用程

14、序不必修改，保证了数据的逻辑独立性。,数据库中只有一个模式，也只有一个内模式，所以模式内模式映象是惟一的，它定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。当数据库的存储结构改变时（例如，采用了更先进的存储结构），由数据库管理员对模式内模式映象作相应改变，可以使模式保持不变，从而保证了数据的物理独立性。,1.3.2 数据库系统的体系结构,单用户结构 主从式结构 分布式结构 客户机服务器结构,1单用户结构,单用户结构是一种早期的最简单的结构。在这种结构中，整个数据库系统（包括应用程序、DBMS、数据）都装在一台计算机上，由一个用户独占，不同机器之间不能共享数据。,2主从式结构,主从式结构是指一个

15、主机带有多个终端的多用户结构。在这种结构中，数据库系统（包括应用程序、DBMS、数据）都集中存放在主机上，所有处理任务都由主机来完成，各个用户通过主机的终端并发地存取数据库，共享数据资源。,3分布式结构,分布式结构是指数据库中的数据在逻辑上是一个整体，但物理地分布在计算机网络的不同结点上。网络中的每个结点都可以独立处理本地数据库中的数据，执行局部应用；同时也可以存取和处理多个异地数据库中的数据，执行全局应用。,4客户机服务器结构,在客户机服务器结构中，客户端的用户请求被传送到数据库服务器，数据库服务器进行处理后，只将结果返回给用户（而不是整个数据），从而显著减少了网络上的数据传输量，提高了系统

16、的性能、吞吐量和负载能力。另一方面，客户机服务器结构的数据库往往更加开放。客户与服务器一般都能在多种不同的硬件和软件平台上运行，可以使用不同厂商的数据库应用开发工具，应用程序具有更强的可移植性，同时也可以减少软件维护开销。,1.3.3 数据库管理系统,DBMS的功能： 数据定义 数据操纵 数据库运行管理 数据组织、存储和管理 数据库的建立和维护 数据通信接口,（1）数据定义功能,数据定义包括定义构成数据库结构外模式、模式和内模式，定义各个外模式与模式之间的映射，定义模式与内模式之间的映射，定义有关的约束条件等。例如，为保证数据库中数据具有正确语义而定义的完整性规则，为保证数据库安全而定义的用户口令和存取权限等。,（2）数据操纵功能,数据操纵包括对数据库中数据的检索、插入、修改和删除等基本操作。,（3）数据库运行管理功能,对数据库的运行进行管理是DBMS运行时的核心部分，包括对数据库进行并发控制、安全性检查、完整性约束条件的检查和执行、数据库的内部维护（如索引、数据字典的