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1、第1章 数 据 库 原 理 及 基 本 概 念,本章主要是介绍数据库的基本原理和概念，什么是数据库，什么是数据库管理系统，什么是数据库模型，以及如何设计数据库。,1.1 数据库系统,1.1.1 数据的处理 数据是描述事物的符号记录。数字、文字、图形、图像、声音等都是常见的数据表现形式。例如，20是一个数据，它可以代表一个人的年龄，或者是一个学生的选修课程数目等信息。所以数据的表现形式还不能完全表达其内容，只有经过解释，才能将其变成有意义的数据。另外数据之间是有联系，有结构的。例如学生的编号、姓名、性别等。 数据处理是指对大量的各种形式的数据进行收集、加工、传输和存储的一系列工作。其目的就是从原
2、始的大量的数据中提炼出对人们有价值的信息，帮助人们对环境进行控制和做出行动的决策。,早期的计算机主要应用于科学计算，随着生产的发展，社会的进步，计算机应用进入了数据处理的时代。在当今社会，计算机应用已经涉足到社会的各个领域，人们的日常生活和工作与计算机的关系也愈加紧密。 数据处理是计算机四大应用（科学计算、过程控制、数据处理和辅助设计）的一个重要方面。数据库技术是在文件技术的基础上发展起来的，它是数据处理的一种最新的方法。本章将从数据处理的发展过程简要地介绍数据库系统所涉及的基本概念。,数据库的一个被大家普遍接受的更为严格的定义是： 数据库是一组相互关联的数据集合，它用系统的方法将数据组织起来
3、，具有较小的数据冗余，可以供多个用户使用，具有较高的数据独立性，具有安全控制机制，能够确保数据的安全、可靠，能有效、及时地处理数据，并能保证数据的一致性与完整性。,1.1.2 数据库 在数据处理中，数据的计算比较简单，数据的管理比较复杂。数据管理就是指数据的收集、整理、组织、存储和检索等操作。数据管理是数据处理的核心。而数据库技术就是对数据进行管理的。 在日常生活中我们经常会遇到数据库，例如教师上课的课程表，学生的成绩登记等。简单来说，数据库是存放数据的地方，相当于是存放数据的仓库，并且是以结构化的方式存储，以便于查询、应用、数据更新和删除等操作。,1.1.3 数据库技术的发展 数据库技术是计
4、算机科学技术中发展最快的重要分支之一，它已经成为计算机信息系统和应用系统的重要技术支柱。数据库技术的发展大致经历了人工管理阶段、文件系统阶段和数据库系统阶段。,1人工管理阶段 在20世纪50年代中期，计算机主要用于科学计算。外存只有磁盘、卡片、磁带，没有硬盘等直接存取的存储设备；软件只有汇编语言，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。这个时期数据不保存；没有相应的软件系统负责数据的管理工作，数据由应用程序管理；数据不共享，一组数据只对应一个程序；数据不具有独立性，当其逻辑结构或物理结构发生变化后，必须对应用程序做相应的修改。,2文件系统阶段 20世纪50年代后期到60年代中期
5、，硬件方面有了磁盘、磁鼓等直接存储设备；软件上有了专门的数据管理软件，一般为文件系统；处理形式上不仅有了批处理，而且能联机实时处理。所以，数据可以长期保存；可以由文件系统管理数据，但是数据共享性仍然较差，冗余度大，数据的独立性差。,3数据库系统阶段 20世纪 60年代以来，计算机用于管理的规模越来越大，应用越来越广泛，硬件有了大容量磁盘，出现越来越多的系统软件。并且出现了统一管理数据的专门软件系统数据库系统。它采用复杂的数据模型结构；有较高的数据独立性；可以提供方便的用户接口；并能提供数据控制功能。,1.1.4 数据库系统简介 数据库系统由三部分组成：数据库（DB）、数据库管理系统（DBMS）
6、和数据库应用系统（DBAS），三部分之间的关系如图1-1所示。,图1-1 数据库系统的组成,1. 数据库（DataBase） 数据库是用来存储数据的，它是按一定结构存储在计算机中相互关联的数据的集合。例如，可以将描述学生的姓名、年龄、性别、家庭住址、E-mail信箱等相关信息存储在一个数据库中；为了加强对图书馆的图书管理，可以对每一本图书进行分类编号，然后将描述图书的编号、书名，作者、出版社、定价等相关信息存储在一个数据库中等。 数据库中有两类数据，一类是用户数据，如“学生表”中每个学生的信息；一类是系统数据，如“学生表”中的结构，系统数据又称为是数据字典。,2. 数据库管理系统DBMS（Da
7、taBase Management System） 数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的一类通用的软件系统，它由一组计算机程序组成。数据库管理系统能够对数据库进行有效的管理，这其中包括存储管理、安全性管理、完整性管理等，可以对数据库进行包括定义、查询、更新以及各种控制等操作。数据库管理系统是指在数据库系统中对数据进行管理的系统软件，它是数据库系统的核心组成部分，用户能够方便快捷地建立、维护、查询、存取和处理数据库中数据。例如Microsoft Access 2007就是关系型桌面数据库管理系统。,3. 数据库应用系统DBAS（Database Application Systems） 数据
8、库应用系统是指数据库应用程序系统，它是针对某一个实际应用管理对象而进行设计开发的一个面向用户的软件系统。它是建立在DBMS基础之上，具有较好的人机交互操作性和友好的用户界面。如学生管理系统、图书馆管理系统、民航售票系统等等都是数据库应用系统。,数据库应用系统涉及系统开发人员、数据库管理员和用户。 （1）开发人员主要负责对应用系统的开发设计编程，并进行调试和安装。 （2）控制和管理数据库的人员称作数据库管理员DBA(DataBase Administrator)。DBA负责整个数据库系统的建立、管理、维护以及所有使用系统人员的协调工作等等。 （3）用户是应用程序的使用者，他通过应用程序的用户接口
9、使用数据库。,1.2 数据库管理系统,1.2.1 数据库管理系统的基本功能 一般来说，一个数据库管理系统应具备以下功能： 1 数据库定义功能 它能定义数据的存储结构与数据间的关系，更进一步地定义数据的完整性。 2 数据库操作功能 实现对数据库数据的基本操作，包括数据的增加、删除、修改、数据库的备份等。 3 数据库查询功能 为用户提供各种灵活的方式，来查询数据库内的数据。,4 数据库控制功能 必须负责数据库的安全性控制、完整性控制、多用户环境下的存取控制等。 5 数据库通信功能 提供分布式数据库或网络操作功能，以便与网络上的其他应用软件进行关联。 而数据库管理员拥有完整的管理权限来进行管理。,1
10、.2.2 数据库管理系统的层次结构 数据库管理系统可以被划分为若干层次，这样有助于它的设计和维护。如图1-2所示是一个关系数据库管理系统（RDBMS）的层次结构示例。它按照处理对象的不同，按照最高级到最低级的次序来划分，具有普遍性。图中包括了与关系数据库管理系统密切相关的应用层和操作系统。,操作系统,数据库,图1-2 RDBMS的层次结构,最上层是应用层，位于DBMS核心之外。它处理的对象是各种各样的数据库应用，可以用开发工具开发或者用宿主语言编写。应用程序利用DBMS提供的接口来完成事务处理和查询处理。 第2层是语言翻译处理层。它处理的对象是数据库语言，如SQL。其功能是对数据库语言的各类语
11、句进行语法分析、视图转换、授权检查、完整性检查和查询优化等。通过对下层基本模块的调用，生成可执行代码。这些代码的运行即可完成数据库语句的功能要求。向上提供的接口是单记录操作。,第3层是数据存取层。该层处理的对象是单个元组。完成扫描（如表扫描）、排序、查找、插入、删除和封锁等基本操作，完成存取路径维护，并发控制和事务管理、安全控制等工作。向上提供的接口是单记录操作。 第4层是数据存储层。该层处理的对象是数据页和系统缓冲区。执行文件的逻辑打开、关闭，读写数据页，完成缓冲区管理，内外存交换和外存的数据管理等功能。,操作系统是DBMS的基础，它处理的对象是数据文件的物理块，执行物理文件的读写操作，保证
12、DBMS对数据逻辑上读写真实地映射到物理文件上。操作系统提供的存取原语和基本的存取方法通常作为和DBMS存储层的接口。 这种DBMS层次结构划分的思想具有普遍性。但具体的系统在划分细节上是多种多样的，可以根据DBMS实现的环境和系统的规模灵活处理。,1.3 数据库模型,目前，数据库领域中最常用的数据模型有四种，层次模型，网状模型，关系模型和面向对象模型。,1.3.1 数据模型的基本概念 1信息、数据和实体 信息是对客观事物或抽象概念的描述。数据是表示信息的，是对客观事物或抽象概念的符号化的描述。客观存在并可相互区别的事物称为实体。如一名学生、一本书、一个工程等。,2实体间的联系 现实世界中的事
13、物彼此之间是有关联的，任何一个实体都不是孤立存在的。也就是说，实体与实体之间是存在一定联系的，实体与实体之间的联系是比较复杂的，但抽象化后，可将实体与实体之间的联系分为三类： （1） 一对一关系。如果有两个实体的集合A和B，A中每一个实体最多与B中的一个实体有联系,反过来，B中每一个实体最多与A中的一个实体有联系，则称实体集A和B之间是“一对一关系”。 这是最简单的实体与实体之间的联系。现实世界中我们常会遇见。如实体集“学生班”和“班长”之间、“工程项目”和“项目负责人”之间就是“一对一关系”。,（2）一对多关系。如果有两个实体的集合A和B，A中每一个实体与B中的一个或多个实体有联系, 反过来
14、，B中每一个实体最多与A中的一个实体有联系，则称实体集A和B之间是“一对多关系”。 例如，实体集“工程项目”和“工程参加者”之间、“学生班”和“学生”之间就是“一对多关系”。 （3）多对多关系。如果有两个实体的集合A和B，A中每一个实体与B中的一个或多个实体有联系, 反过来，B中每一个实体与A中的一个或多个实体有联系，则称实体集A和B之间是“多对多关系”。,例如，实体集“图书”和“借书人”之间、“学生”和“教师”之间就是“多对多关系”。 实际上，“一对一关系”是“一对多关系”的特例，“一对多关系”是“多对多关系”的特例。三者之间的关系如图1-3所示。,图1-3 各种实体之间关系的包含关系,1.
15、3.2 非关系模型数据库系统 层次模型和网状模型统称为非关系模型。 1969年，美国的IBM公司研制了基于层次模型的数据库管理系统IMS（Information Management System）。其特点是：数据按层次模型组织。如图1-4所示。 20世纪60年代末70年代初，美国数据系统语言协商会CODASYL（Conference On Data System Language）下属的数据库任务组DBTG（Data Base Task Group）提出了若干报告，对网状数据库中的许多概念、方法和技术都进行了详细的说明。DBTG的方法是网状数据库的典型代表，奠定了网状数据库的基础。其特点是：
16、数据按网状模型组织。如图1-5所示。,图1-4 层次模型数据结构,图1-5 网状模型数据结构,非关系型数据库系统在20世纪60年代末至20世纪80年代初非常流行，在数据库系统产品中占据了主导地位，现在已逐渐被关系模型的数据库系统所代替，但是在美国等一些国家里，由于早期开发的应用系统都是基于层次数据库或网状数据库系统的，因此目前仍有不少的层次数据库或网状数据库在使用。,1层次模型 层次模型是数据库系统最早的一种模型，它的数据结构是一种树型结构，这种树型结构由结点和有向连线组成，如图1-1所示。层次模型中每个结点为一个记录型，每个记录可以有多个数据项组成，描述一个实体的类型；结点之间的有向连线表示记录之间的联系。根据结点所在的层次，上层结点称为下层结点的双亲结点；下层结点称为上层结点的子女结点；没有双亲结点的结点称为根结点；没有子女结点的结点称为叶结点。记录与记录之间存在着一对一的关系和一对多的关系，如图1-6所示。,图1-6 层次模型中记录与记录之间的联系,需要注意的是，层次模型树型结构的特点是，每棵树有且仅有一个根结点；除根结点以外，层次模型中的每
