软件技术基础教程 教学课件 ppt 作者 徐士良 孙甲松 第04章

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1、第4章 数据管理技术,4.1 数据管理技术的发展 4.2 数据描述与数据模型 4.3 数据库体系结构 4.4 关系代数 4.5 关系模式的规范化 4.6 数据库设计 4.7 关系数据库语言,4.1 数据管理技术的发展,4.1.1 数据管理技术发展的三个阶段 1人工管理阶段 2文件系统管理阶段,3数据库管理阶段 数据的数据库管理具有以下三个主要特点。 数据是结构化的，是面向系统的。 数据具有独立性。 保证了数据的完整性、安全性和并发性。,4.1.2 数据库管理系统 为了实现数据的共享，保证数据的独立性、完整性和安全性，需要有一组软件来管理数据库中的数据，处理用户对数据库的访问，这组软件就是数据库

2、管理系统（DBMS）。,数据库管理系统具有以下功能。 定义数据库。 管理数据库。 建立和维护数据库。,数据库管理系统中的主要程序模块可以划分成以下三大部分。 1语言处理部分 数据描述语言解释程序 数据操纵语言处理程序 终端询问解释程序 数据库控制命令解释程序,2系统运行控制程序 系统运行控制程序又分为以下几个模块。 系统总控程序 访问控制程序 并发控制程序, 保密控制程序 数据完整性控制程序 数据访问程序 通信控制程序,3系统建立与维护程序 数据装入程序 工作日志程序 性能监督程序 系统恢复程序 重新组织程序,4.2 数据描述与数据模型,4.2.1 数据描述 1信息 现实生活中反映客观事物的信

3、息是各种各样的，在计算机中都是以二进制数据的形式表示的。,信息世界中所涉及到的几个基本概念。 （1）属性 属性是指事物在某一方面的特性。 （2）实体 若干属性的属性值的集合称实体。,（3）实体型 表征某一类实体的属性的集合。 （4）实体集 同一类型实体的集合。,2数据 数据世界中的对象是数据。 现实世界中的客观事物及其联系在数据世界中是用数据模型来描述的。 （1）数据项（字段） 数据项（field）相应于观念世界中的属性。,（2）记录 记录（record）是每一个实体所对应的数据。 （3）记录型 记录型（record type）相应于观念世界中的实体型。 （4）文件 文件（file）相应于观念

4、世界中的实体集。,（5）关键字 关键字（key）是能够惟一标识一个记录的字段集。 描述信息是为了更好地处理信息，计算机所处理的信息形式是数据。 因此，为了用计算机来处理信息，首先必须将现实世界中的客观事物转换为信息，然后将这些信息数据化。,3实体间的联系 客观事物之间的联系包括两个方面：一是实体内部的联系，二是实体与实体之间的联系 。 （1）一对一（1：1）的联系 （2）一对多（1：n）的联系 （3）多对多（m：n）的联系,由上述叙述可以看出，一对一的联系是最简单的一种实体联系，它是一对多的联系的一种特殊情况。 一对多的联系是比较常见的一种实体联系，它又是多对多的联系的一种特殊情况。,4.2.

5、2 数据模型 1层次模型 在层次模型中，实体之间的联系是用树结构来表示的，其中实体集（记录型）是树中的结点，而树中各结点之间的连线表示它们之间的关系。,建立数据的层次模型需要满足下列两个条件： 有一个数据记录没有“父亲”，这个记录即是根结点。 其他数据记录有且只有一个“父亲”。,2网状模型 网状数据模型是以记录型为结点的网状结构，它的特点是： 可以有一个以上的结点无“父亲”。 至少有一个结点有多于一个的“父亲”。 网状模型可以描述数据之间的复杂关系。 用网状模型设计出来的数据库称为网状数据库。,3关系模型 关系模型是与格式化模型完全不同的数据模型，它与层次模型、网状模型有着本质的区别。 关系模

6、型是用表格数据来表示实体本身及其相互之间的联系的，它是建立在数学理论基础上的。,关系模型较之格式化模型有以下几方面的优点。 （1）数据结构比较简单 （2）具有很高的数据独立性 （3）可以直接处理多对多的联系,4.3 数据库体系结构,数据库系统的层次结构如图4.10所示。,数据库管理系统（DBMS）是整个数据库系统的核心，它对数据库中的数据进行管理，还在用户的个别应用与整体数据库之间起接口作用。 数据库管理员DBA负责整个数据库系统的建立、维护和协调工作。,在数据库中，数据模型可以分为三个层次：外层、概念和内层；分别称为外模型、概念模型和内模型。 图4.11所示的表示用户访问数据库中数据时的主要

7、步骤。,4.4 关系代数,4.4.1 关系代数运算 将关系（即二维表）看成是元组的集合，这些运算主要是从二维表的行的方向来进行的；后者主要是从二维表的列的方向来进行运算的。 两者统称为关系代数。,1并运算（union） 例4.1 设关系R和关系S分别如图4.12（a）和（b）所示，则关系RS如图4.12（c）所示。,2差运算（difference） 例4.2 设关系R和关系S分别如图4.13（a）和（b）所示，则关系R S如图4.13（c）所示。,3交运算（intersection） 例4.3 设关系R和关系S分别如图4.14（a）和（b）所示，则关系RS如图4.14（c）所示。,4笛卡尔积

8、（Cartesian product） 例4.4 设关系R和关系S分别如图4.15（a）和（b）所示，则其笛卡尔积RS如图4.15（c）所示。,5选择运算（selection） 例4.5 设关系R如图4.16所示。,6投影运算（projection） 投影运算是在给定关系的某些域上进行的运算。 例4.6 设关系R如图4.18所示。 运算结果如图4.19所示。,7联接运算（join） 联接运算是对两个关系进行的运算，其意义是从两个关系的笛卡尔积中选出满足给定属性间一定条件的那些元组。 例4.7 设关系R和S如图4.20所示。,8自然联接运算 （Natural join） 自然联接运算是对两个具有

9、公共属性的关系所进行的运算。 例如，对如图4.20所示的两个关系R和S做自然联接R|S的结果如图4.22所示。,例4.8 设有一个关系R如图4.23所示。 最后结果如图4.24所示。,4.4.2 关系模型的查询优化 关系模型的主要特点是数据结构简单、数据的独立性高，用户在数据描述中，可以仅采用“关系”这个单一的结构，而完全不涉及数据的物理结构。,查询优化要解决的核心问题是选择最佳存取路径和操作顺序。 而关系模型的各种查询语言就基本操作而言，都可以转换为关系代数表达式，因此，关系代数表达式的优化是查询优化的基本课题。 下面列出一些优化的基本策略。,（1）尽早执行选择运算 （2）为联接运算做适当的

10、预处理 （3）把选择运算和投影运算同时进行 （4）把选择与笛卡尔积结合起来运算 （5）把投影运算与其后的其他运算同时进行 （6）尽量利用公共子表达式,4.4.3 关系代数的等价变换 所谓关系代数表达式的等价，是指用相同的关系代替两个表达式中相应的关系后其运算结果是一样的。,4.5 关系模式的规范化,图4.27所示的是某合同管理系统中的一个关系。,1第一范式（1NF） 将图4.27中的关系表分解为“用户信息”和“产品信息”两个关系，分别如图4.28和图4.29所示。,2第二范式（2NF） 将图4.29中所示的产品信息关系分解为如图4.30和图4.31所示的两个关系。,3第三范式（3NF） 进一步

11、将图4.28所示的用户信息关系表分解为如图4.32和图4.33所示的两个关系表，形成第三范式。,4.6 数据库设计,数据库设计是指在已有数据库管理系统的基础上建立数据库的过程。 数据库的设计过程要经历三个大的阶段，即可行性分析与研究阶段、系统设计阶段、设计实施与系统运行阶段。,可行性分析与研究阶段是整个设计过程的前期工作。 在这个阶段中，主要是对已有的计算机系统（包括数据库管理系统）和实际应用两方面做尽可能详细的调查，对数据库设计中的问题，建成以后的性能、效益以及为此所需要的投资等进行分析和研究，从而作出可行性报告。,系统设计阶段主要包括概念设计、逻辑结构设计和物理结构设计三个步骤。 设计实施

12、与系统运行阶段是对系统的正确性进行验证和总调试，并且正式启动系统运行的阶段。,4.6.1 数据库设计的过程 1需求分析 需求分析是整个数据库设计过程中最重要的一步，它是全部设计工作的基础。,（1）了解组织机构。 （2）了解具体的业务现状，即了解各部门的业务活动情况。 （3）了解外部要求。 （4）了解长远规划中的应用范围和要求。,2概念结构设计 可以把概念模型设计看成是逻辑设计的开始。 概念模型有以下几个主要特点： 能充分反映实际应用中的实体及其相互之间的联系，是现实世界的一个真实模型。, 由于概念模型独立于具体的计算机系统和具体的数据库管理系统，因此，便于用户理解，有利于用户积极参与设计工作。

13、 概念模型容易修改。 便于向各种模型转换。,概念结构设计要借助于某种方便又直观的描述工具，E-R（实体-联系，Entity-Relationship）图是设计概念模型的有力工具。 在E-R图中，用三种图框分别表示实体、属性和实体之间的联系，其规定如下：, 用矩形框表示实体，框内标明实体名； 用椭圆状框表示实体的属性，框内标明属性名； 用菱形框表示实体间的联系，框内标明联系名； 实体与其属性之间以无向边联接，菱形框与相关实体之间也用无向边联接，并在无向边旁标明联系的类型。,利用E-R图可以很方便地进行概念结构设计。 概念结构设计是对实体的抽象过程，这个过程一般分三步来完成： （1）建立分E-R图

14、 （2）设计初步E-R图 （3）设计基本E-R图,3逻辑结构设计 为了建立用户所要求的数据库，必须把概念结构转换为某个具体的数据库管理系统所支持的数据模型，这就是逻辑结构设计所要完成的任务。,数据库的逻辑设计可以分两步来进行： 将概念模型转换成一般的数据模型。 将一般的数据模型转换为特定的数据库管理系统所支持的数据模型。,把概念模型转换成关系数据模型就是把E-R图转换成一组关系模式，它需要完成以下几项工作： 确定整个数据库由哪些关系模式组成，即确定由哪些“表”组成。 确定每个关系模式由哪些属性组成，即确定每个“表”中的字段。 确定每个关系模式中的关键字属性。,4物理结构设计 物理结构设计的任务

15、就是为逻辑结构设计阶段所得到的逻辑数据模型选择一个最适合应用环境的物理结构。 （1）物理结构设计的准备工作 要充分了解和掌握所用的数据库管理系统的性能和特点 。 要十分熟悉存放数据的外存设备的特性。 要了解并熟悉应用要求。,（2）物理结构设计的内容 确定数据的存储结构 选择存取路径 确定数据存放的位置 确定存储分配,4.6.2 数据字典 1数据字典的作用 数据字典是数据库的信息系统，是由关于数据库中数据描述的信息组成的库，也称之为描述数据库。,数据字典主要有以下几方面的作用： （1）对数据进行标准化管理 （2）使收集的信息文本化 （3）为数据库设计和系统分析提供了有力的工具 （4）为数据库管理

16、系统对数据库的存取控制和管理提供条件 （5）为数据库的维护和扩充提供依据,一般来说，数据字典主要有以下几方面的描述与说明： 描述数据库系统的所有对象。 描述数据库中各种对象之间的联系。 记录所有对象在不同场合和不同视图中的名称对照。 描述模式、子模式和物理模式，包括这些模式的修改情况记录。,4.6.3 数据库保护 1安全性 数据库的安全性是指对数据库的非法进入进行防范。,（1）用户标识和鉴定 （2）存取控制 2完整性 数据库完整性是指数据正确性和相容性。,3并发控制 并发控制就是数据库管理系统对并发操作按正确方式进行调度，以避免造成数据的不一致性，使一个用户事务的执行不受其他事务的干扰。 4恢复 把数据库从错误状态恢复到某一正确状态的功能称为恢复。,4.7 关系数据库语言,4.7.1 关系数据库语言概述 关系数据库语言