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1、An Introduction to Database System,数据库原理及应用,Principles and Applications of the Database,第1章绪论 仲恺农业工程学院 计算机科学与工程学院 石玉强,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,第1章 绪论,本章导读 了解：数据库的发展过程和数据库应用系统的特点 掌握：数据、数据管理、数据库、数据模型和概念模型等专业术语的内涵 理解：数据库、数据库系统和数据库应用系统三者之间的关系,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,第1章 绪论,本章要点 数据、信息、数据库、数据库管理系统、数据库系统 数据管理技术的发展阶
2、段 数据库系统的三级模式结构、数据独立性,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,第1章 绪论,1.1 数据库系统概述 1.2 数据模型 1.3 数据库系统体系结构 1.4 数据库技术的新发展 本章小结,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.1 数据库系统概述,1.1.1 数据与信息 1.1.2 数据管理技术的产生与发展 1.1.3 数据库 1.1.4 数据库管理系统 1.1.5 数据库系统 1.1.6 数据库系统的特点 1.1.7 数据库应用系统,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.1.1 数据与信息,数据是从观察和测量中所收集到的事实，也有人说数据是描述事物的符号记录，或者说
3、数据是载荷信息的各种符号。数据本质上是对客观事物特征的一种抽象的、符号化的表示，即用一定的符号表示那些从观察或测量中所收集到的基本事实 数据经过加工处理之后，将转变为有助于实现特定目的的信息。因此又可以说信息是数据有意义的表现，或者说信息就是数据的含义。由此可见，信息实际上是经过处理后的数据 数据和信息是两个联系非常密切的概念，数据处理也称为信息处理,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.1.2 数据管理技术的产生与发展,1人工管理阶段 2文件系统阶段 3数据库系统阶段,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1人工管理阶段,图1-1人工管理阶段,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,
4、1人工管理阶段,人工管理阶段存在以下问题: （1）数据不独立保存。 （2）应用程序管理数据。 （3）数据不共享。 （4）数据不具有独立性。 （5）数据没有软件系统进行管理，程序员不仅要规定数据的逻辑结构，而且还要设计数据的物理结构，数据面向应用。,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,2文件系统阶段,在人工管理阶段最明显的缺点就是缺乏数据独立性。所以在20世纪50年代后期至60年代中期，随着计算机技术的发展，不但计算机的硬件有了磁盘等直接存储设备，而且在操作系统中也有了专门的数据管理软件，称为文件系统，数据管理进入文件系统阶段。 在文件系统阶段，程序与数据分别独立存放，数据组成数据文件，并且
5、独立命名，程序通过文件名对文件中的数据进行处理，在程序与数据之间的转换由文件管理系统来完成。即采用“应用程序文件管理系统数据文件”的存取方式。如图1-2所示。,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,2文件系统阶段,图1-2文件系统管理阶段,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,2文件系统阶段,尽管文件系统使得数据管理技术有了重要进展，数据可以长期保存，可以由专门的文件系统进行数据管理，但是仍然有很多根本性问题没有解决，如： （1）数据冗余度大、共享性差、易产生数据不一致性 在文件系统中，数据文件是用户各自建立的，为用户自己或用户组所有，即使是相同的数据也必须放在各自的文件中，因此数据共享性
6、差，冗余度大。同时由于相同数据的重复存储及各自管理，易产生数据的不一致性。 如：在表1-1 人事文件、表1-2 教学文件、表1-3 科研文件、表1-4 体检文件中都有编号、姓名、性别、职称信息，这显然造成了大量数据的冗余，并且如果该教师职称发生了变化，在人事文件中改变了其相应的职称信息，但在教学、科研等文件中没有被修改，就会产生数据的不一致性。 （2）数据独立性差 即应用程序与数据之间的依赖性很强。数据文件完全是根据具体的应用程序的要求而建立的，如果修改文件系统中文件的逻辑结构，那么必须修改应用程序。同时由于语言环境的变化，当修改应用程序时，也将引起文件数据结构的改变，因此数据与程序间仍缺乏数
7、据独立性。 例如：在表1-1 人事文件中插入一个所在单位和年龄属性，将会引起应用程序的变化。,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,2文件系统阶段,（3）用户负担重 文件系统虽然为用户提供了一种简单的、统一的存取文件的方法，但文件的处理、数据的安全性、完整性得不到可靠保证，这些必须由用户程序完成。 如：在性别信息中，性别只能是“男”或“女”，如果是其它数据则不能接受。但是，关于这个完整性的控制必须由用户程序来完成。 IF NOT （性别=“男” OR 性别=“女”） Print “性别不对，性别只能是男或者女” ENDIF （4）数据无结构 数据文件是按位置存放的，记录之间没有联系，数据是无
8、结构的。 除此之外，文件系统一般不支持多个应用程序对同一文件的并发访问，数据处理的效率较低。同时，使用方式不够灵活。每个数据文件只限于一定的应用，难于对其进行修改和扩充。,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,3数据库系统阶段,20世纪60年代后期，为了克服文件系统存在的问题，同时为了适应日益迅速增长的数据处理的需求，人们开始探索新的数据管理方法与工具。数据库技术应运而生。 数据库技术的目标主要是解决数据独立性问题，即克服程序与数据文件相互依赖，同时要解决数据冗余、数据安全性、数据完整性等问题，因此，出现了统一管理数据的专门软件系统数据库管理系统。 从文件系统发展到数据库系统是数据管理发展的
9、一个重大转变，它将过去在文件系统中的以程序设计为核心，数据服从程序设计的数据管理模式改变为以数据库设计为核心，应用程序设计退居次位的数据管理模式。如图1-3所示。,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,3数据库系统阶段,图1-3 数据库系统管理阶段,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.1.3 数据库,数据库是指在计算机的存储设备上合理存放的相互关联的有结构的数据集合。 这个定义具有如下含义： （1） 数据库首先是指在计算机的存储设备上存放的，属于计算机领域的一个术语。 （2） 数据库是一个数据集合。 （3）这个数据集合是有结构的，这一点也是和文件系统相比最大的特点之一。 （4）这个数
10、据集合是相关联的数据集合。 （5） 这个数据集合是合理存放的。到底如何合理存放？这是数据库技术研究的关键问题之一，在规范化理论和数据库设计时专门讨论。,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.1.4 数据库管理系统,数据库管理系统（DBMS）是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。主要功能是建立和维护数据库，接受和完成用户访问数据库的各种请求。 1数据库管理系统的主要功能 （1）数据库定义功能 （2）数据库管理功能 （3）数据库的建立和维护功能 （4）数据组织、存储和管理功能 （5）通信功能,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,2数据库管理系统应该满足的要求,（1）容易使用 （2）
11、数据处理速度快、能力强 （3）具有可发展性 （4）具有物理数据独立性和逻辑数据独立性 （5）确保数据的完整性 （6）具有良好的数据保密性和安全性 （7）兼容性好 （8）和谐性,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,2数据库管理系统应该满足的要求,（9）逻辑数据结构简单 （10）强有力的用户语言,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,3数据库管理系统的组成,（1）语言 （2）数据库运行程序 （3）数据库维护程序 图1-4 给出了一个典型的DBMS程序模块组成图。,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,3数据库管理系统的组成,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.1.5 数据库系统,数
12、据库系统（DBS）是实现有组织地、动态地存储大量相关的结构化数据，方便用户使用数据库的计算机软件、硬件资源组成的系统。 数据库系统一般由硬件、软件、数据库、用户四部分组成。 1.硬件 2.软件 3.数据库 4.用户,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.1.6 数据库系统的特点,数据库系统是一个比较复杂的系统，包括计算机的软件、硬件环境以及数据库、数据库管理系统、数据库管理员等相互独立而又相互联系的若干部分组成。所以，很难用简练语言概括其全部特点，但是用数据库系统管理数据应该具有以下基本特点：,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.1.6 数据库系统的特点,1数据结构化 2数据冗余
13、度小、共享性高、避免了数据的不一致性 3具有较高的数据独立性 4数据由DBMS统一管理和控制,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.1.7 数据库应用系统,数据库应用系统是数据库系统及其应用程序的组成。即在数据库系统环境下建立起来的为某种应用服务的软、硬件的集合。我们也经常称这种软件为应用软件。 数据库、数据库系统、数据库管理系统和数据库应用系统（DBAS）之间的关系如图1-5所示。 图1-5 DB、DBMS、DBS、DBAS关系,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.2 数据模型,1.2.1 数据模型概述 1.2.2 数据模型基本要素 1.2.3 概念模型 1.2.4 常用数据模
14、型,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.2.1 数据模型概述,在数据库技术中数据模型是指现实世界数据和信息的模拟和抽象。 用计算机模拟现实世界人们的各种事务管理活动，一般需要经历三个阶段，一是人们必须对现实世界的事物进行分析、抽象成概念模型；二是将概念模型转换为便于计算机进行处理的数据模型；三是将数据模型转换为计算机能实现的存储模型。这一过程如图1-6所示。,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.2.1 数据模型概述,图1-6现实世界到计算机世界的抽象过程,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.2.1 数据模型概述,在从现实世界到计算机世界的抽象过程中，必须具备如下要求：
15、真实性。 易理解性。 易实现性。 数据模型的种类很多，目前被广泛使用的数据模型分为两类：一类是独立于计算机系统的数据模型，完全不涉及信息在计算机中的表示，这类模型称为概念数据模型，简称概念模型。概念模型是一种面向客观世界，面向用户的模型，主要用于数据库设计。例如E-R模型、扩充的E-R模型等属于概念模型；,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.2.1 数据模型概述,另一类是直接面向数据库的逻辑结构，称为逻辑数据模型，又称为结构数据模型。它是一种与数据库管理系统相关的模型，主要用于DBMS的实现，如层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型均属这类数据模型。 逻辑数据模型我们常常简称数据模
16、型，它有严格的定义。 数据库专家E.F. Codd认为：一个基本数据模型是一组向用户提供的规则，这些规则规定数据结构如何组织以及允许进行何种操作。通常，一个数据库的数据模型应包含数据结构、数据操作和数据完整性约束三个部分。,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.2.2 数据模型基本要素,数据模型具有数据结构、数据操作和完整性约束条件三个基本要素。认识或描述一种数据模型也要从它的基本要素开始。 （1）数据结构。数据结构是指对实体模型和实体间联系的表达和实现。数据结构规定了如何描述数据的类型、内容、性质和数据之间的相互关系。它是数据模型最基本的组成部分，规定了数据模型的静态特性。在数据库系统中通常按照数据结构的类型来命名数据模型，例如采用层次型数据结构、网状型数据结构、关系型数据结构的数据模型分别称为层次模型、网状模型和关系模型。,仲恺农业工程学院,计算机科学与工程学院,1.2.2 数据模型基本要素,（2）数据操作。数据操作是指一组用于指定数据结构的任何有效实例执行的操作或推导规则。数据库中主要的操作有查询和更新
