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1、第一章 数据库系统概论 本章目的在于使读者对数据库系统的基本知识能有一种较为全面的理解，为此后的学习和工作打下基本。本章重点简介了有关数据库构造和数据库系统组织的基本知识和基本概念，以及常用的三种类型的数据库系统的特点。重点简介关系数据库的有关知识。1.1 数据管理技术发展史 随着生产力的不断发展，社会的不断进步，人类对信息的依赖限度也在不断地增长。数据作为体现信息的一种量化符号，正在成为人们解决信息时重要的操作对象。所谓数据解决就是对数据的收集、整顿、存储、分类、排序、检索、维护、加工、记录和传播等一系列工作所有过程的概述。数据解决的目的就是使我们可以从浩瀚的信息数据海洋中，提取出有用的数据
2、信息，作为我们工作、生活等各方面的决策根据。数据管理则是指对数据的组织、编码、分类、存储、检索和维护，它是数据解决的一种重要内容中心。数据解决工作由来以久，早在1880年美国进行人口普查记录时，就已采用穿孔卡片来存储人口普查数据，并采用机械设备来完毕对这些普查数据所进行的解决工作。电子计算机的浮现以及其后其硬件、软件的迅速发展，加之数据库理论和技术的发展，为数据管理进入一种革命性阶段提供有力的支持。根据数据和应用程序互相依赖关系、数据共享以及数据的操作方式，数据管理的发展可以分为三个具有代表性的阶段，即人工管理阶段、文献管理阶段和数据库管理阶段。【1】人工管理阶段 这一阶段发生于六十年代此前，
3、由于当时计算机硬件和软件发展才刚刚起步，数据管理中所有工作，都必须要由应用程序员自己设计程序完毕去完毕。由于需要与计算机硬件以及各外部存储设备和输入输出设备直接打交道，程序员们常常需要编制大量反复的数据管理基本程序。数据的逻辑组织与它的物理组织基本上是相似的，因此当数据的逻辑组织、物理组织或存储设备发生变化时，进行数据管理工作的许多应用程序就必须要进行重新编制。这样就给数据管理的维护工作带来许多困难。并且由于一组数据常常只相应于一种应用程序，因此很难实现多种不同应用程序间的数据资源共享。存在着大量反复数据，信息资源挥霍严重。【2】文献管理阶段 这一阶段发生于六十年代，由于当时计算机硬件的发展，
4、以及系统软件特别是文献系统的浮现和发展，人们开始运用文献系统来协助完毕数据管理工作，具体讲就是：数据以多种组织构造（如顺序文献组织、索引文献文献组织和直接存取文献组织等）的文献形式保存在外部存储设备上，顾客通过文献系统而无需直接与外部设备打交道，以此来完毕数据的修改、插入、删除、检索等管理操作；使用这种管理方式，不仅减轻进行数据管理的应用程序工作量，更重要地是，当数据的物理组织或存储设备发生变化时，数据的逻辑组织可以不受任何影响，从而保证了基于数据逻辑组织所编制的应用程序也可以不受硬件设备变化的影响。这样就使得程序和数据之间具有了一定的互相独立性。 但由于数据文献的逻辑构造完全是根据应用程序的
5、具体规定而设计，它的管理与维护完全是由应用程序自身来完毕，因此数据文献的逻辑构造与应用程序密切有关，当数据的逻辑构造需要修改时，应用程序也就不可避免地需要进行修改；同样当应用程序需要进行变动时，常常又会规定数据的逻辑构造进行相应的变动。在这种状况下，数据管理中的维护工作量也是较大的。更重要的是由于采用文献的形式来进行数据管理工作，常常需要将一种完整的、互相关联的数据集合，人为地分割成若干互相独立的文献，以便通过基于文献系统的编程来实现来对它们的管理操作。这样做同样会导致数据的过多冗余和增长数据维护工作的复杂性。例如人事部门、教务部门和医务部门对学生数据信息的管理，这三个部门中有许多数据是相似的
6、，如姓名、年龄、性别等，由于是各部门均是根据自己的规定，建立各自的数据文献和应用程序，这样不仅导致了大量的相似数据反复存储，并且在修改时，常常需要同步修改三个文献中的数据项，如修改学生年龄，此外若需要增长一种描述学生的数据项，如通讯地址，那么所有的应用程序就必须都要进行相应的修改。除此之外，采用文献系统来协助进行数据管理工作，在数据的安全和保密等方面，也难以采用有效的措施加以控制。【3】数据库管理阶段 1在不断改善和完善文献系统的过程中，从六十年代后期开始，人们逐渐研究和发展了以数据的统一管理和数据共享为重要特性的数据库系统。即在数据在统一控制之下，为尽量多的应用和顾客服务，数据库中的数据组织
7、构造与数据库的应用程序互相间有较大的相对独立性等。与以往前数据管理措施和技术相比，运用数据库系统来进行数据管理工作具有如下三个明显特点：（1）从整体角度组织数据 数据库系统与文献系统的最大差别就在于前者在描述数据时，不仅仅是对数据自身进行描述，并且对数据之间的互相联系也进行了描述。因此在组织数据时是从一种相对较高的整体角度进行的，而不是仅仅局限于个别的数据管理应用场合。如前面提到的人事部门、教务部门和医务部门对学生数据的管理工作，在运用数据库系统来进行管理时，若从整体考虑，其数据的组织构造如图1.1所示。图1.1 学生信息数据组织构造 采用这种数据组织不仅可以有效地解决了文献系统的数据组织中所
8、存在的数据冗余以及数据一致性维护的问题。更重要的是它可以使人们从更高的全局角度出发，合理地组织数据，从而有助于更大范畴内的数据资源的共享，提高信息的使用效率。（2）数据可为多种应用服务 正由于数据库中的数据是从整体角度进行组织的，因此，数据库中所存储的数据往往就不仅局限于只为一二个应用提供服务，而是在更大范畴内为仅也许多的应用提供服务，如图1.1所示的一种数据库中所存储的数据，就至少可觉得三个部门的应用提供服务。而事实上如图1.1所示的数据组织构造仅仅只是一种学校数据管理数据库中的一小部分。与此同步由于数据库系统是以多级（层）组织模式对数据进行组织的，各级（层）模式之间的映射是由数据库系统自己
9、完毕的，这就使得数据与程序之间可以具有较高的物理和逻辑相对独立性。正是这一点，给数据库中的数据为多种应用提供服务奠定了基本。事实上数据库的规模越大，所可以提供的应用服务就可以越多，也就越能体现出数据库在数据管理中的优势。固然这只是相对而言，随着数据库中数据规模的扩大，数据库应用系统的制作和维护的工作也在迅速增长。（3）有一种数据库系统的管理软件 任何数据库系统都涉及一种管理软件，即数据库系统的管理软件，一般又称为数据库管理系统，它负责统一管理数据库系统中所有数据资源，是数据库系统与顾客应用之间的接口，通过它，顾客可以不必要理解过多的计算机硬件、软件和数据库自身许多专业知识，更不用去理解数据库系
10、统是如何完毕数据管理工作的具体细节，如文献如何打开、关闭、读、写等等，就可以通过编写某些较为简朴数据库应用程序，很以便地完毕在较高档别逻辑组织基本上的数据管理工作。除此之外，数据库管理系统还负责完毕在对数据库进行并发访问时，保证数据一致性的并发控制工作；保证数据安全性的访问控制工作；以及在数据库系统浮现故障时，提供保证数据一致性和完整性的恢复机制等诸多数据库系统自身的多种管理控制工作。因此这里也可以看出，数据库管理系统功能的强弱及其各项性能指标的好坏，是衡量数据库系统质量的一种极其重要的因素。 运用数据库系统进行数据管理工作，不仅可以保证数据的物理组织构造和存储设备与数据库应用程序之间保持互相
11、独立性；同步也可以保证数据的逻辑组织构造与数据库应用程序之间保持最大也许的互相独立性，即当数据的逻辑组织构造发生变化时，数据库应用程序的变动被限制在最小的范畴内。由此可大大地减少数据库应用程序的开发与维护的工作量。 在数据库管理阶段，根据数据库系统自身所支持的数据模型的特点及所采用的相应数据库系统技术，可以觉得数据库管理到目前为止已发展经历了三代，即层次网状模型代、关系模型代和面向对象模型代。 （1）层次网状模型代:流行于六十至七十年代，在这一代中的数据库系统所支持的数据模型均是层次模型或网状模型。世界上第一种数据库系统是于1964年由美国通用电气公司开发成功的IDS（Integrated D
12、ata Store），它就是基于网状模型的数据库系统。IBM公司于六十年代末推出了第一种商品化的层次数据库系统IMS（Information Management Sytem）,它们的浮现与应用为数据库技术的发展奠定了基本。 （2）关系模型代:流行于七十至八十年代，在这一代中的数据库系统所支持的数据的数据模型均是关系模型。以关系（表）形式组织数据。1970年Codd提出了关系数据模型，由于其具有严格的数学基本，抽象级别较高，且简朴清晰，便于理解应用。到了七十年代末，浮现了不少关系数据库系统，其中具有代表性应首推IBM公司推出的SQL/DS和DB2两个商品化关系数据库系统。进行八十年代后来，关系
13、数据库系统已成为数据库系统发展的主流，几乎所有新推出的数据库系统产品都是关系型的，它们中不仅有用于大型机和小型机数据库产品，并且有可用于微机的数据库产品。市场上开始浮现关系数据库的系列产品，这其中发行量较大且在国内用得较多的有Oracle、Sybase、Sysbase、Informix、FoxPro等。随着微机和计算机网络的广泛普及和应用，分布式数据库系统在八十年代后期，开始得到很大发展。其理论和技术日趋成熟。目前几乎所有分布式数据库系统均是关系型的，并且几乎所有重要关系数据库系统均已被扩大为分布式数据库系统。 （3）面向对象代:开始九十年代，在这一代中的数据库系统支持面向对象的数据模型。它是
14、数据库技术与面向对象程序设计措施相结合的产物。作为新一代数据库系统，目前已有了某些商品化系统。但其具体应用尚不多。1.2 数据库系统 本节重要简介有关数据库构造和数据库系统组织的某些基本知识和概念，使读者对数据库系统的内涵有一种较为清晰的结识。1.2.1 数据库系统概念 由于数据库系统是一种由许多基本概念、技术措施和其应用对象所构成的复杂的有机整体。很难用一两句话将其描述清晰。但为了使读者对它有一种总体的理解，一方面这里我们试着给出一种有关数据库系统的定义，即数据库系统中的数据库是一种已被规格化和构造化且互相关联的数据集合，这些数据中不存在有害的或无意义的冗余；数据的组织与存储构造与使用这些数
15、据的程序互相独立；数据库中的数据可同步为多种应用服务；数据库中的数据定义、输入、修改和检索等所有操作均是按一种公用的且可控的方式进行。根据这一数据库定义以及实际应用的具体数据库系统的状况，我们可以觉得一种数据库系统事实上是由三部分内容构成，它们是数据库、多种应用和数据库管理系统。这三部分之间的互相关系如图1.2所示。（1)数据库：互相关联的且具有最小冗余的数据在其中按照一定物理组织构造寄存，并且从顾客和数据库管理系统角度来看，这些数据又是按一定逻辑构造组织的。这种物理组织构造和逻辑组织构造在最大限度上与顾客所编制的应用程序互相独立。(2)多种应用：数据库中的数据，在数据库管理系统的控制与管理之
16、下，可以同步为多种不同内容的应用提供服务，即可觉得多种不同目的顾客服务，各顾客所操作使用的数据可以是互相交叉的。顾客的操作方式既可以按以数据输入/输出和数据维护为主的数据流量较大的批解决方式进行；也可以按以查询为主的数据流量较小的联机解决方式进行，必要时还可以通过编程来完毕对数据库中数据的多种操作。(3)数据库管理系统：它一方面负责对数据库中的数据进行管理和维护；一方面为顾客操作数据库中的数据提供一种公用的操作措施，接受顾客的操作命令，协助完毕有关的对数据库的操作并保障数据库的安全。 根据对数据库的定义以及数据库系统基本构成及作用的描述，我们觉得一种的数据库系统应当具有的如下五个基本特点：【1】由于数据库系统是从整体角度考虑数据的组织，因此它必须有能力描述可以反映客观事物及其互相联系的复杂数据模型，使用
