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1、第五章 关系数据库管理系统的组成及其标准语言5.1 5.1 关系数据库管理系统概述关系数据库管理系统概述5.2 5.2 数据构作功能数据构作功能5.3 5.3 数据操纵功能数据操纵功能5.4 5.4 数据控制功能数据控制功能5.5 5.5 数据交换功能数据交换功能5.6 5.6 关系数据库管理系统的扩充功能关系数据库管理系统的扩充功能5.7 5.7 数据服务及数据字典数据服务及数据字典5.8 5.8 关系数据库管理系统的标准语言关系数据库管理系统的标准语言SQLSQLv 本章小结本章小结5.1 关系数据库管理系统概述1 简介简介历史历史1970年提出关系模型的理论基础年提出关系模型的理论基础1
2、976年以后相继出现实验性及商品化系统，如年以后相继出现实验性及商品化系统，如System-R,Ingres等等20世纪世纪70年代末逐渐代替层次、网状模型成为主流年代末逐渐代替层次、网状模型成为主流数据库管理系统数据库管理系统5.1 关系数据库管理系统概述优点优点数据结构简单数据结构简单用户使用方便用户使用方便功能强功能强数据独立性高数据独立性高理论基础深理论基础深缺点缺点对非事务性应用及分析领域的应用尚显不足对非事务性应用及分析领域的应用尚显不足5.1 关系数据库管理系统概述成熟表现成熟表现可移植性可移植性:很多产品能同时用于多种机型和多种很多产品能同时用于多种机型和多种OS标准化：标准化
3、：SQL开发工具：开发工具：PB, APS,JSP分布式功能及分布式功能及Web功能功能开放性：与不同的数据库、不同的应用接口，能不开放性：与不同的数据库、不同的应用接口，能不断地扩充、发展，形成多种交换方式断地扩充、发展，形成多种交换方式5.1 关系数据库管理系统概述RDBMS组成组成2 关系数据库系统的组成关系数据库系统的组成基本部分基本部分扩展部分扩展部分数数据据构构作作数数据据操操纵纵数数据据控控制制数数据据交交换换数数据据服服务务、数数据据字字典典人人机机交交互互方方式式自自含含式式方方式式调调用用层层接接口口方方式式Web方方式式图图5.1 关系数据库系统的组成结构图关系数据库系统
4、的组成结构图5.1 关系数据库管理系统概述3 SQL语言语言RDBMS的标准语言：用户与系统的标准交互语的标准语言：用户与系统的标准交互语言，提供数据库管理系统的所有功能。言，提供数据库管理系统的所有功能。非过程性语言：基本结构单位就是非过程性语言：基本结构单位就是SQL语句。语句。5.2 数据构作功能1 关系数据库关系数据库由关系模式（数据结构）和数据元组（数据体）由关系模式（数据结构）和数据元组（数据体）组成组成SQL语言提供数据模式定义语句，定义数据模式语言提供数据模式定义语句，定义数据模式关系数据库一般由基表、视图及物理数据库组成关系数据库一般由基表、视图及物理数据库组成5.2 数据构
5、作功能2 基表：关系数据库的基本单位基表：关系数据库的基本单位由表结构和表元组组成由表结构和表元组组成SQL语言提供表的定义、删除及修改语句语言提供表的定义、删除及修改语句表的分类表的分类实体表：存放数据实体实体表：存放数据实体联系表：存放表间的关联数据联系表：存放表间的关联数据实体实体-联系表：既存放数据实体，也存放表间的关联数联系表：既存放数据实体，也存放表间的关联数据据5.2 数据构作功能3 视图视图由一个或多个基表导出由一个或多个基表导出视图并不实际存放在数据库中，是一种虚表视图并不实际存放在数据库中，是一种虚表对视图可以像基表一样进行查询，但对视图的更对视图可以像基表一样进行查询，但
6、对视图的更新受限新受限视图可以提高数据的独立性，简化用户操作视图可以提高数据的独立性，简化用户操作SQL语言提供视图的定义、删除语句语言提供视图的定义、删除语句5.2 数据构作功能4 物理数据库物理数据库建立在物理磁盘或文件之上的数据存储体建立在物理磁盘或文件之上的数据存储体在定义基表时由系统自动完成在定义基表时由系统自动完成SQL语言提供索引定义与删除语句语言提供索引定义与删除语句5.3数据操纵功能v查询功能查询功能v增、删、改功能增、删、改功能v其它功能其它功能赋值功能赋值功能计算功能计算功能简单的数学运算简单的数学运算统计功能统计功能分类功能分类功能输入输入/输出功能输出功能5.4数据控
7、制功能v包括数据约束条件的设置、检查及处理包括数据约束条件的设置、检查及处理v静态控制：对数据模式的语义控制静态控制：对数据模式的语义控制安全性控制安全性控制如学生可以查看自己的成绩但不可以修改如学生可以查看自己的成绩但不可以修改完整性控制完整性控制如属性的取值范围限制如属性的取值范围限制属性之间的联系约束属性之间的联系约束v动态控制动态控制并发控制并发控制故障恢复故障恢复事务：基本动态操纵单位事务：基本动态操纵单位5.4数据控制功能1 安全性控制安全性控制安全性控制就是保证对数据进行正确访问，防止安全性控制就是保证对数据进行正确访问，防止非法用户使用数据库造成数据泄露或破坏非法用户使用数据库
8、造成数据泄露或破坏安全数据库安全数据库/可信数据库可信数据库v可信计算基：可信计算基：P685.4数据控制功能安全性控制方式安全性控制方式主体、客体与主客体分离主体、客体与主客体分离身份标识与鉴别身份标识与鉴别自主访问控制自主访问控制强制访问控制：强制访问控制：强制性安全控制方式，主要用于网络强制性安全控制方式，主要用于网络审计审计访问监控器访问监控器隐蔽通道隐蔽通道5.4数据控制功能数据库的安全标准数据库的安全标准TCSEC标准：标准：P71DC1C2B1B2B3A我国国家标准我国国家标准:1999年颁布年颁布5.4数据控制功能2 完整性控制完整性控制完整性控制是指维护数据库中数据的正确性、
9、相完整性控制是指维护数据库中数据的正确性、相容性、一致性。容性、一致性。完整性控制的功能完整性控制的功能设置功能设置功能检查功能检查功能处理功能处理功能5.4数据控制功能完整性规则的分类完整性规则的分类实体完整性规则实体完整性规则u约束主关键字不能为空值，也不能取相同的值约束主关键字不能为空值，也不能取相同的值参照完整性规则参照完整性规则u约束外关键字的取值，可以为空值也可以为相关关系中存在约束外关键字的取值，可以为空值也可以为相关关系中存在的值的值用户自定义完整性规则用户自定义完整性规则u域约束域约束u表约束表约束u断言断言5.4数据控制功能触发器触发器触发事件触发事件u完整性约束条件完整性
10、约束条件结果动作结果动作u完整性检查完整性检查触发事件触发事件结果动作结果动作触发触发5.4数据控制功能3 事务处理事务处理例例:设某银行有设某银行有A，B两个账户，它们分别存有两个账户，它们分别存有20000元与元与10000元人民币，现要从元人民币，现要从A账户转账户转5000元到元到B账户，此应用的操作可描述如下：账户，此应用的操作可描述如下： 事务事务T1 Read(A) A：=A-5000 Write(A) Read(B) B=B+5000 Write(B)5.4数据控制功能事务的定义事务的定义 事务是数据库应用程序的基本逻辑工作单位，其事务是数据库应用程序的基本逻辑工作单位，其包括
11、若干个数据库操作，构成了一个操作序列，包括若干个数据库操作，构成了一个操作序列，它们要么全做，要么全不做，是一个不可分割的它们要么全做，要么全不做，是一个不可分割的基本工作单位。基本工作单位。5.4数据控制功能事务的性质事务的性质原子性原子性u事务是不可分割的工作单位事务是不可分割的工作单位一致性一致性u事务提交后，数据库从一个一致性状态转换到另一个一致性事务提交后，数据库从一个一致性状态转换到另一个一致性状态状态隔离性隔离性u事务提交前，它对数据库产生的结果不能被其它事务引用事务提交前，它对数据库产生的结果不能被其它事务引用持久性持久性u事务提交后，它对数据库产生的影响是持久有效的事务提交后
12、，它对数据库产生的影响是持久有效的5.4数据控制功能事务活动事务活动事务开始事务开始事务执行事务执行提交提交回滚回滚Set TransactionRead/Write正常结束正常结束Commit非正常结束非正常结束Rollback图图5.2 事务活动过程图事务活动过程图5.4数据控制功能4 并发控制并发控制串行执行：以事务为单位，多个事务按顺序依次串行执行：以事务为单位，多个事务按顺序依次执行执行并发执行：多个事务按照一定的并行调度策略执并发执行：多个事务按照一定的并行调度策略执行行5.4数据控制功能并发执行引发的问题并发执行引发的问题丢失修改丢失修改不可重复读不可重复读脏读脏读5.4数据控制
13、功能调度的可串行化调度的可串行化 多个事务的并发执行是正确的，当且仅当其结果多个事务的并发执行是正确的，当且仅当其结果与按某一次序串行地执行它们时的结果相同。与按某一次序串行地执行它们时的结果相同。封锁封锁 就是事务就是事务T在对数据进行操作之前，先向系统申在对数据进行操作之前，先向系统申请对其进行加锁，此时不允许其它事务更新该数请对其进行加锁，此时不允许其它事务更新该数据，直到事务据，直到事务T释放该数据上的锁。释放该数据上的锁。 5.4数据控制功能封锁的类型封锁的类型排它锁（又称写锁，简称排它锁（又称写锁，简称X锁锁） 若事务若事务T对数据对象对数据对象A加上加上X锁，则其它事务不能在锁，
14、则其它事务不能在 A 上加任何类型的锁，此时，只允许事务上加任何类型的锁，此时，只允许事务T读取和修读取和修改改 A，直到，直到T释放释放A上的锁。上的锁。5.4数据控制功能共享锁（又称读锁，简称共享锁（又称读锁，简称S锁）锁）若事务若事务T对数据对象对数据对象A加上加上S锁，则其它事务也可锁，则其它事务也可A上加上加S锁，但不能加锁，但不能加X锁，事务锁，事务T和其它事务只和其它事务只能读取能读取A，但不能修改，但不能修改A。5.4数据控制功能更新锁（简称更新锁（简称U锁）锁） 若事务若事务T对数据对象对数据对象A更新，一般是读后修改，在读更新，一般是读后修改，在读数据时，加上数据时，加上U
15、锁，此时允许其它事务也可在锁，此时允许其它事务也可在A上加上加S锁，但不能加锁，但不能加X锁与锁与U锁，修改数据时，将锁，修改数据时，将U锁升锁升级为级为X锁。锁。5.4数据控制功能锁相容矩阵锁相容矩阵 T2T2T1 S U XT1 S U XS Y Y N S Y Y N U Y N NU Y N NX N N NX N N NNL Y Y YNL Y Y Y5.4数据控制功能死锁死锁 事务事务T1已经封锁已经封锁A，而又想申请封锁，而又想申请封锁B，而此时，而此时事务事务T2已经封锁已经封锁B，而又想申请封锁，而又想申请封锁A，这样，这样，T1等待等待T2释放释放B，而，而T2等待等待T1
16、释放释放A，使得，使得T1、T2均无法继续执行下去，这种情况称为死锁。均无法继续执行下去，这种情况称为死锁。5.4数据控制功能预防死锁预防死锁 一次封锁法：要求每个事务必须一次将所有要使一次封锁法：要求每个事务必须一次将所有要使用的数据全部封锁，否则，不能执行。用的数据全部封锁，否则，不能执行。 缺点：降低了系统的并发度。缺点：降低了系统的并发度。顺序封锁法：预先对数据对象规定一个封锁次序，顺序封锁法：预先对数据对象规定一个封锁次序，所有事务都按这个次序实行封锁。所有事务都按这个次序实行封锁。 缺点：排列封锁次序困难。缺点：排列封锁次序困难。5.4数据控制功能判断并解除死锁判断并解除死锁 超时
17、法：事务的等待超过了规定的时限超时法：事务的等待超过了规定的时限 等待图法：检测等待图中是否有回路存在。等待图法：检测等待图中是否有回路存在。事务事务T1事务事务T2事务事务T3图图5.7 等待图等待图5.4数据控制功能5 故障恢复故障恢复数据库故障分类数据库故障分类小型故障小型故障中型故障中型故障大型故障大型故障5.4数据控制功能故障恢复技术故障恢复技术数据转储数据转储u静态转储与动态转储静态转储与动态转储u海量转储与增量转储海量转储与增量转储日志：系统建立的一个文件，记录数据更改情况日志：系统建立的一个文件，记录数据更改情况u事务开始标记事务开始标记u事务结束标记事务结束标记u事务的所有更
18、新操作事务的所有更新操作u日志按照事务的执行次序记录日志按照事务的执行次序记录u先写日志后修改数据库先写日志后修改数据库5.4数据控制功能事务撤销与重做：事务撤销与重做：P84u事务撤销操作：事务执行时产生故障，进行恢复，首先撤销事务撤销操作：事务执行时产生故障，进行恢复，首先撤销该事物，使事物恢复到开始处。该事物，使事物恢复到开始处。u事务重做操作：事物已执行完成，数据库遭到破坏，数据需事务重做操作：事物已执行完成，数据库遭到破坏，数据需要重做要重做5.4数据控制功能恢复策略恢复策略小型故障的恢复小型故障的恢复u撤销发生故障的事务撤销发生故障的事务中型故障的恢复中型故障的恢复u撤销发生故障时
19、尚未完成的事务撤销发生故障时尚未完成的事务u重做发生故障时已完成的事务重做发生故障时已完成的事务大型故障的恢复大型故障的恢复u装入后备副本装入后备副本u检查日志文件，将备份之后所有执行完成的事务重做检查日志文件，将备份之后所有执行完成的事务重做u检查日志文件，将未完成的事务撤销检查日志文件，将未完成的事务撤销5.5 数据交换功能v什么是数据交换？什么是数据交换？v数据交换需要有接口数据交换需要有接口v通过接口扩充到数据处理领域通过接口扩充到数据处理领域5.5 数据交换功能1 概述概述数据交换模型数据交换模型数据主体数据主体数据客体数据客体SQL语句语句执行结果代码执行结果代码数据值数据值图图5
20、.8 数据交换模型图数据交换模型图5.5 数据交换功能数据交换的五种方式数据交换的五种方式人机交互方式：应用环境为单机集中式，主体为人人机交互方式：应用环境为单机集中式，主体为人嵌入式方式：主体为应用程序嵌入式方式：主体为应用程序自含式方式自含式方式调用接口层方式：在网络、多机分布式应用环境中，调用接口层方式：在网络、多机分布式应用环境中，C/S结构方式结构方式Web方式：互联网，多机分布式环境，方式：互联网，多机分布式环境，B/S结构结构5.5 数据交换功能2 数据交换的管理数据交换的管理会话管理：建立会话环境会话管理：建立会话环境连接管理：建立主客体间的物理连接连接管理：建立主客体间的物理
21、连接游标管理游标管理诊断管理诊断管理动态动态SQL5.5 数据交换功能3 数据交换的流程数据交换的流程数据交换准备：数据交换准备：使用会话管理设置数据交换的各项环境参数使用会话管理设置数据交换的各项环境参数包括设置数据库的数据模式，设置会话授权标示符，字符集，局部时区包括设置数据库的数据模式，设置会话授权标示符，字符集，局部时区数据连接：数据连接：建立两个数据体间的连接。包括连接通路的建立，建立两个数据体间的连接。包括连接通路的建立，内存区域的分配等。内存区域的分配等。数据交换数据交换断开连接：断开连接：断开连接的通路，取回分配的内存区域断开连接的通路，取回分配的内存区域5.6 关系数据库系统
22、的扩充功能v数据接口数据接口人机交互方式下没有接口；人机交互方式下没有接口；嵌入式和自含式都是数据库和应用程序的交换，嵌入式和自含式都是数据库和应用程序的交换，其接口主要解决集合量和标量的转换问题；其接口主要解决集合量和标量的转换问题；调用接口层方式下，高级语言变量和调用接口层方式下，高级语言变量和SQL变量之变量之间的接口，通过动态间的接口，通过动态SQL来实现；来实现；5.6 关系数据库系统的扩充功能网络环境下，主要是网络上两个节点之间的连接网络环境下，主要是网络上两个节点之间的连接问题；涉及到环境接口，例如两个节点之间的时问题；涉及到环境接口，例如两个节点之间的时间的一致性、语言的一致性
23、，通过会话管理来实间的一致性、语言的一致性，通过会话管理来实现；现；互联网环境下，半结构化的互联网环境下，半结构化的XML与结构严格的数与结构严格的数据库之间的接口，通过据库之间的接口，通过XML数据库或数据库或Web数据库数据库来实现接口。来实现接口。5.6 关系数据库系统的扩充功能v数据扩充数据扩充将数据库的功能通过数据接口扩充到数据处理领将数据库的功能通过数据接口扩充到数据处理领域。域。数据扩充的五种方式：数据扩充的五种方式：人机交互方式人机交互方式嵌入式方式嵌入式方式自含式方式自含式方式调用层接口方式调用层接口方式Web方式方式5.7 数据服务及数据字典v操作服务：操作服务：P91v数
24、据字典：数据字典：提供有关数据库系统内部元数据服务提供有关数据库系统内部元数据服务数据结构数据数据结构数据数据控制数据数据控制数据数据交换数据数据交换数据数据操纵数据数据操纵数据5.8 关系数据库系统的标准语言SQL1 SQL概述概述历史历史1974年由年由Boyce和和Chamberlin提出提出1986年被美国国家标准化组织年被美国国家标准化组织ANSI批准成为国家标批准成为国家标准准1987年成为国际标准年成为国际标准5.8 关系数据库系统的标准语言SQL发展阶段发展阶段第一阶段（第一阶段（1974-1989）,SQL89第二阶段（第二阶段（1990-1992）,SQL92第三阶段（第三
25、阶段（1993-1999）,SQL99 (SQL-3)第四阶段（第四阶段（2000-2003）,SQL035.8 关系数据库系统的标准语言SQL特点特点一体化一体化集集DDL，DML，DCL于一体于一体单一的结构单一的结构-关系，带来了数据操作符的统一关系，带来了数据操作符的统一高度非过程化高度非过程化用户只需提出用户只需提出“做什么做什么”，无须告诉，无须告诉“怎么做怎么做”，不必了解，不必了解存取路径存取路径面向集合的操作方式面向集合的操作方式操作对象与操作结果都是集合操作对象与操作结果都是集合语言简洁，易学易用语言简洁，易学易用5.8 关系数据库系统的标准语言SQL2 SQL的功能的功能
26、SQL的数据定义功能的数据定义功能SQL的数据操纵功能的数据操纵功能SQL的数据控制功能的数据控制功能SQL的数据交换功能的数据交换功能操作服务功能及数据字典操作服务功能及数据字典SQL的扩展功能的扩展功能 本章小结本章小结v关系数据库系统的组成RDBMS组成组成基本部分基本部分扩展部分扩展部分数数据据构构作作数数据据操操纵纵数数据据控控制制数数据据交交换换数数据据服服务务、数数据据字字典典人人机机交交互互方方式式自自含含式式方方式式调调用用层层接接口口方方式式Web方方式式 本章小结本章小结v数据构作功能数据构作功能视图、基表、物理数据库视图、基表、物理数据库v数据操纵数据操纵查询、增、删、
27、改、计算、统计查询、增、删、改、计算、统计v数据控制数据控制安全性控制安全性控制完整性控制完整性控制并发控制并发控制故障恢复故障恢复 本章小结本章小结v数据交换管理数据交换管理会话会话连接连接游标游标诊断诊断动态动态SQLv数据接口数据接口身份标识与鉴别v每个主体必须有一个标识自己身份的标识符，每个主体必须有一个标识自己身份的标识符，以便和其它主体区分开来以便和其它主体区分开来v常用方法常用方法用户名和口令用户名和口令计算过程与函数计算过程与函数其它身份鉴别技术其它身份鉴别技术v身份标识与鉴别是最简单最基本的安全控制身份标识与鉴别是最简单最基本的安全控制方式方式自主访问控制v存取矩阵模型存取矩
28、阵模型审计v主要对主体访问客体做即时的记录主要对主体访问客体做即时的记录v记录内容记录内容访问时间访问时间访问类型访问类型访问客体名访问客体名是否成功是否成功串行执行事务事务T1事务事务T2READ (A=100)A=A*2WRITE(A=200)READ (A=200)A=A+50WRITE(A=250)事务事务T1事务事务T2READ (A=150)A=A*2WRITE(A=300)READ (A=100)A=A+50WRITE(A=150)图图5.3 串行执行示意图串行执行示意图丢失更新事务事务T1事务事务T2读出读出C，C=500 C=C+100 C=600读出读出C，C=500 C=
29、C+200 C=700图图5.4 丢失更新示意图丢失更新示意图不可重复读事务事务T1事务事务T2 读出读出A=50 读出读出B=100 求和求和=150 读出读出B=100 B=B*2 WRITE（B） 读出读出A=50 读出读出B=200 求和求和=250图图5.5 不可重复读示意图不可重复读示意图读脏数据事务事务T1事务事务T2 读出 C=100 C=C*2 WRITE (C) 读出 C=200 ROLLBACK C恢复为100图图5.6 脏读示意图脏读示意图数据库故障分类v小型故障小型故障事务内部故障事务内部故障事务内部执行时所产生的逻辑错误与系统错误事务内部执行时所产生的逻辑错误与系统
30、错误如数据溢出、死锁、事务执行失败如数据溢出、死锁、事务执行失败小型故障只影响发生故障的这一事务小型故障只影响发生故障的这一事务数据库故障分类v中型故障中型故障系统故障系统故障如系统硬件故障、操作系统或如系统硬件故障、操作系统或DBMS所造成的故障。所造成的故障。系统停止工作，内存被破坏，事物非正常结束系统停止工作，内存被破坏，事物非正常结束外部影响外部影响如突然断电如突然断电影响正在运行的所有事务，但不会破坏数据库影响正在运行的所有事务，但不会破坏数据库数据库故障分类v大型故障大型故障磁盘故障：磁头表面受损，磁头损坏等。磁盘故障：磁头表面受损，磁头损坏等。计算机病毒：破坏主机，破坏磁盘文件。
31、计算机病毒：破坏主机，破坏磁盘文件。黑客入侵：主机、磁盘数据及内存的严重损黑客入侵：主机、磁盘数据及内存的严重损坏。坏。此类故障会破坏物理数据库此类故障会破坏物理数据库907580成绩成绩01S0202S0101S01课程号课程号学号学号男男女女男男性别性别192221年龄年龄D01李红李红S02D02王伟王伟S03D01张军张军S01系号系号姓名姓名学号学号907580成绩成绩01S0202S0101S01课程号课程号学号学号男男女女男男性别性别192221年龄年龄D01李红李红S02D02王伟王伟S03D01张军张军S01系号系号姓名姓名学号学号主客体分离v主体：数据库中的数据访问者。主体
32、：数据库中的数据访问者。如用户、如用户、DBA、程序、进程、程序、进程v客体：数据库中的数据及其载体客体：数据库中的数据及其载体v主客体分离：主客体分离：有关实体只可被标识为一种类型有关实体只可被标识为一种类型主体子集主体子集客体子集客体子集访问访问参照完整性参照完整性助教助教讲师讲师教授教授职称职称253546年龄年龄D01李红李红A002D02王丽王丽A003D01张亮张亮A001系号系号姓名姓名工号工号系号系号系名系名地址地址D01船海船海D041D02电信电信B042游标管理v一种方法，将数据客一种方法，将数据客 体中的集合量转换成应体中的集合量转换成应用程序中的标量。用程序中的标量。P88定义游标定义游标打开游标打开游标推进游标推进游标关闭游标关闭游标诊断管理v诊断区域诊断区域存放诊断值的内存区域，包括执行完成信息和异存放诊断值的内存区域，包括执行完成信息和异常条件信息常条件信息v诊断操作诊断操作将诊断值自动放入一个全局变量中，程序可以从将诊断值自动放入一个全局变量中，程序可以从全局变量读取。全局变量读取。动态SQLvSql语句中包含不能预先确定的参数；语句中包含不能预先确定的参数；v描述符区描述符区动态SQL
