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1、第 1 章 数据库系统的基础知识11第 1 章 数据库系统的基础知识本章学习目标本章从数据库系统的基础知识入手，对数据库的基本概念、数据模型、数据库体系结构、数据库设计及 Access 2003 数据库进行介绍。通过本章的学习，读者应该掌握以下内容： 数据库系统的概念与组成 数据模型 数据库体系结构 数据库设计方法与步骤 Access 2003 数据库的特点1.1 数据库系统概述数据库技术产生于 20 世纪 60 年代末，是数据管理的最新技术，计算机科学的重要分支。在当今信息社会中，信息已成为各个行业、部门的重要财富和资源，信息系统也越来越显示出它的重要性。数据库技术是信息系统的核心和基础，它
2、的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透。从一般的小型事务处理到大型的信息系统，越来越多的新应用领域开始采用数据库技术存储与处理其信息资源。数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志。1.1.1 数据库系统的组成数据(Data)是数据库中存储的基本对象。数据的种类很多，例如文字、图形、图像和声音等都是数据。数据可定义为描述事物的符号记录。数据有多种形式，它们均可以经过数字化后储存到计算机中。在描述事物的过程中，数据与其解释是不可分的。数据库是指长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据是按一定的数据模型组织、描述和储存的，具有
3、较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并且可以被多个用户、多个应用程序共享。数据库管理系统(Database Management System，DBMS)是位于用户与操作系统(OS)之间的一层数据管理软件，是数据库系统的中心枢纽。数据库管理系统能科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据。用户对数据库进行的各种操作，如数据库的建立、使用和维护，都是在 DBMS 的统一管理和控制下进行的。第 1 章 数据库系统的基础知识22数据库管理系统的主要功能有以下几个方面：(1) 数据定义功能提供数据定义语言(DDL)，用于定义数据库中的数据对象。(2) 数据操纵功能提供数据操纵语言(DML) ，用
4、于操纵数据实现对数据库的基本操作，例如查询、插入、删除和修改等。(3) 数据库的运行管理保证数据的安全性、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) 数据库的建立和维护功能提供数据库数据输入、批量装载、数据库转储、介质故障恢复、数据库的重组织及性能监视等功能。数据库系统(Database System，DBS)是指在计算机系统中引入数据库之后组成的系统，是用来组织和存取大量数据的管理系统。数据库系统是由计算机系统(硬件和基本软件) 、数据库、数据库管理系统(及其开发工具 )、应用系统和有关人员 (数据库管理员、应用设计人员、最终用户)组成的具有高度组织性的总体。通常情况下，把
5、数据库系统简称为数据库。数据库系统组件之间的关系如图 1.1 所示。用 户 用 户 用 户 应 用 系 统 操 作 系 统 应 用 开 发 工 具 数 据 库 管 理 系 统 数 据 库 管 理 员 数 据 库 图 1.1 数据库系统组成数据库技术的核心任务是数据处理。数据处理是指对各种数据进行收集、存储、加工和传播等一系列活动的总和。数据管理则是指对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，它是数据处理的中心问题。数据管理技术的发展，与计算机硬件(主要是外部存储器)、系统软件及计算机应用的范围有着密切的联系。数据管理技术的发展经历了以下几个阶段：人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系统阶段和
6、分布式数据库系统阶段。20 世纪 50 年代中期以前，计算机主要用于科学计算。那时的计算机硬件方面，外存只有卡片、纸带及磁带，没有磁盘等可直接存取的存储设备；软件方面，只有汇编语言，没有操作系统和高级语言，更没有管理数据的软件；数据处理的方式是批处理。这些决定了当时的数据管理只能依赖人工来进行。第 1 章 数据库系统的基础知识33人工管理阶段的特点是：(1) 数据不进行保存。当时的计算机主要用于科学计算，一个程序对应一个数据。在计算某一问题时，把程序和对应的数据装入，计算完就退出，没有将数据长期保存的必要。(2) 没有专门的数据管理软件。数据需要由应用程序自己管理，因此应用程序的设计者不仅要考
7、虑数据的逻辑结构，还考虑数据的物理结构，比如存储结构、存取方法、输入输出方式等。存储结构发生变化，应用程序也要做相应的修改，程序员的负担非常重，数据的独立性也很差。(3) 数据面向应用。一组数据对应一组程序。倘若多个程序使用相同的数据，必须各自定义，不能共享。所以程序之间存在大量的数据冗余。(4) 只有程序的概念，基本上没有文件的概念。20 世纪 60 年代，计算机技术有了很大提高，计算机的应用范围不断扩大，不仅用于科学计算，还大量用于管理。这时的计算机硬件已经有了磁盘、磁鼓等直接存取的外存设备；软件则有了操作系统、高级语言，操作系统中的文件系统专门用于数据管理；处理方式不仅有批处理，还增加了
8、联机实时处理。文件系统阶段的特点如下：(1) 数据可以长期保存在磁盘上。用户可以反复对文件进行查询、修改、插入和删除等操作。(2) 文件系统提供了数据与程序之间的存取方法。应用程序和数据有了一定的独立性，数据存储结构的改变也不一定反映在程序上，大大减轻了程序员的负担。(3) 数据冗余量大。文件系统中，文件仍然是面向应用的，一个文件基本上对应于一个应用程序，不能对数据项进行共享，因此数据冗余大，存储空间浪费。由于数据可能有多个副本，对其中之一进行修改时还容易造成数据的不一致性。(4) 文件之间缺乏联系，相对孤立，仍然不能反映客观世界各个事物之间错综复杂的联系。数据库系统阶段的特点如下：这个阶段基
9、本实现了数据共享，减少了数据冗余，数据库采用特定的数据模型，具有较高的数据独立性，有统一的数据控制和管理功能。分布式数据库系统阶段的特点如下：分布式数据库在逻辑上是一个整体，是分布在不同地理位置上的数据集合，它受分布式数据库管理系统的控制和管理。(1) 分布透明性(2) 局部与集中控制相结合(3) 高可靠性和可用性(4) 高效率和灵活性1.1.2 数据库系统的特点20 世纪 60 年代末以来，计算机的应用更为广泛，用于数据管理的应用系统规模也更第 1 章 数据库系统的基础知识44为庞大，由此带来数据量的急剧膨胀；计算机磁盘技术有了很大发展，出现了大容量的磁盘；在处理方式上，联机实时处理的要求更
10、多。这些变化促使了数据管理手段的进步，数据库技术应运而生。与人工管理和文件系统相比，数据库系统的特点主要有以下几个方面：(1) 数据的结构化在文件系统中，只考虑了同一文件记录内部数据项之间的联系，而不同文件的记录之间是没有联系的，从整体上看数据是无结构的，不能反映客观世界各种事物之间的错综复杂的联系。在数据库系统中，实现了整体数据的结构化，把文件系统中简单的记录结构变成了记录和记录之间的联系所构成的结构化数据。在描述数据时，不仅要描述数据本身，还要描述数据之间的联系。(2) 数据共享性好数据库系统从整体角度看待与描述数据，使数据不再面向某个应用而是面向整个系统，这些数据可以供多个部门使用，实现
11、了数据的共享。各个部门的数据基本上没有重复的存储，数据的冗余量小。(3) 数据独立性好数据库系统有三层结构：用户(局部) 数据的逻辑结构、整体数据的逻辑结构和数据的物理结构。在这三层结构之间，数据库系统提供了两层映像功能。首先是用户数据逻辑结构和整体数据逻辑结构之间的映像，这一映像保证了数据的逻辑独立性：当数据库的整体逻辑结构发生变化时，通过修改这层映像可使局部的逻辑结构不受影响，因此不必修改应用程序。另外一级映像是整体数据逻辑结构和数据物理结构之间的映像，它保证了数据的物理独立性：当数据的存储结构发生变化时，通过修改这层映像可使数据的逻辑结构不受影响，因此应用程序同样不必修改。(4) 数据存
12、储粒度小在文件系统中，数据存储的最小单位是记录；而在数据库系统中，数据存储的粒度可以小到记录中的一个数据项。因此数据库中数据存取的方式非常灵活，便于对数据的管理。(5) 数据管理系统对数据进行统一的管理和控制DBMS 不仅具有基本的数据管理功能，还具有如下的控制功能： 保证数据的完整性数据的完整性指数据的正确性、有效性和相容性，要求数据在一定的取值范围内或相互之间满足一定的关系。例如，规定考试的成绩在 0 分到 100 分之间，血型只能是 A 型、B 型、AB 型、 O 型中的一种等。 保证数据的安全性让每个用户只能按指定的权限访问数据，防止不合法地使用数据，造成数据的破坏和丢失。比如学生对于
13、课程的成绩只能进行查询，不能修改。 并发控制对多用户的并发操作加以协调和控制，防止多个进程同时存取、修改数据库中的数据时发生冲突、造成错误。比如在学生选课系统中，某门课只剩下最后一个名额，但有两个学生在两台选课终端上同时发出了选这门课的请求，必须采取某种措施，确保两名学生不第 1 章 数据库系统的基础知识55能同时拥有这最后的一个名额。 数据库的恢复当数据库系统出现硬件或软件故障时，DBMS 具有把数据库恢复到最近某个时刻的正确状态上来的能力。(6) 为用户提供了友好的接口用户可以使用交互式的命令语言，如 SQL(Structured Query Language，结构化查询语言)，对数据库进
14、行操作；也可以把普通的高级语言( 如 C+语言等)和 SQL 结合起来，从而把对数据库的访问和对数据的处理有机地结合在一起。1.1.3 高级数据库阶段1. 分布式数据库系统20 世纪 70 年代后期之前，数据库系统多数是集中式的。分布式数据库系统是数据库技术和计算机网络技术相结合的产物，在 80 年代中期已有商品化产品问世。分布式数据库是一个逻辑上统一、地域上分布的数据集合，是计算机网络环境中各个结点局部数据库的逻辑集合，同时受分布式数据库管理系统的控制和管理。分布式数据库在逻辑上像一个集中式数据库系统，实际上数据存储在处于不同地点的计算机网络的各个结点上。每个结点都有自己的局部数据库管理系统
15、，使每个节点有很高的独立性。用户可以由分布式数据库管理系统(网络数据库管理系统) ，通过网络通信相互传输数据。分布式数据库系统有高度透明性，每台计算机上的用户并不需要了解他所访问的数据究竟在什么地方，就像在使用集中式数据库一样。其主要优点有：(1) 局部自主网络上每个结点的数据库系统都具有独立处理本地事物的能力(大量的) ，而且各局部结点之间也能够互相访问、有效地配合处理更复杂的事物。因此，分布式数据库系统特别适合各个部门的地理位置分散的组织机构。例如，银行业务、飞机订票和企业管理等。(2) 可靠性和可用性分布式系统比集中式系统有更高的可靠性，在个别结点或个别通信链路发生故障的情况下可以继续工
16、作。一个局部系统发生故障不至于导致整个系统停顿或破坏，只要有一个结点上的数据备份可用，数据就是可用的。(3) 效率和灵活性分布式系统分散了工作负荷，缓解了单机容量的压力。数据可以存储在临近的常用结点，如果本结点的数据子集包含了要查询的全部内容，显然会比集中式数据库在全集上查找节省时间。系统易于实现扩展。例如，一个单位要增加新的机构，分布式数据库系统能够在对现有系统影响较小的情况下实现扩充。因此，扩大系统规模比集中式系统更加方便、经济和灵活。第 1 章 数据库系统的基础知识662. 数据库的发展方向目前，数据库技术的发展方向主要有两个：一是改造和扩充关系数据库，以适应新的应用要求；二是改用新的数据库模型。目前，这两个方面都取得了很大发展，主要出现了下列新的数据库技术。(1) 并行数据库技术并行数据库技术包括对数据库的分区管理和并行查询。它通过将一个数据库任务分割成多个子任务的方法由多个处理机协同完成这个任务，从而极大地提高了事务处理能力，并且通过数据分区可以实现数据的并行 I/
