第1章数据库系统概述

数据库原理及应用2020年1月21日星期二第1章数据库系统概述本章要点数据库的基本概念数据库技术的发展数据库系统的组成与结构数据模型的概念与分类数据库原理及应用2020年1月21日星期二1.1基本概念数据库技术涉及到许多基本概念，主要包括：数据、数据处理、数据库、数据库管理系统以及数据库系统等。1.1.1数据数据是指是人们用来反映客观世界而记录下来的可以鉴别的数字、字母或符号，可以存储在某一种媒体上被识别。所以数据的概念包括两个方面含义：一是描述事物特性的数据内容，也就是我们常说的信息，二是存储在某一种媒体上的数据形式，即符号。例如某人的出生日期是1977年4月21日，当然也可以将该形式改写为04/21/77，但其含义并没有改变。现在数据已经有了更广泛的含义，除了数字、字母、文字和其他特殊字符组成的文本形式的数据，图形、图像、动画、影像、声音（包括语音、音乐）等多媒体数据也已成为了计算机的处理对象。数据库原理及应用2020年1月21日星期二1.1.2数据库数据库是指长期存储在计算机内的，有组织的，可共享的、可以表现为多种形式的数据集合。数据库中的数据具有如下特点：（1）按一定的数据模型组织、描述和存储；（2）具有较小的冗余度；（3）具有较高的数据独立性和易扩展性；（4）可为各种用户共享。数据库原理及应用2020年1月21日星期二1.1.3数据库管理系统数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，简称DBMS）是计算机系统软件，正如使用高级语言需要解释/编译程序的支持一样，使用数据库语言也需要一个特定的支持软件，这就是数据库管理系统。数据库管理系统的主要任务是科学地有效地组织和存储数据、高效地获取和管理数据，接受和完成用户提出的访问数据的各种请求。数据库管理系统的主要功能包括以下几个方面：（1）数据定义功能（2）数据操纵功能（3）数据库运行控制功能（4）数据库的建立和维护功能数据库原理及应用2020年1月21日星期二1.1.4数据库系统数据库系统(DataBaseSystem,DBS)是指拥有数据库技术支持的计算机系统，一般由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员和用户构成。数据库系统可以实现有组织地、动态地存储大量相关数据，提供数据处理和信息资源共享服务。与文件系统相比，数据库系统具有以下特点：（1）数据的结构化。（2）最小的冗余度。（3）数据的共享。（4）数据与程序独立。（5）数据的安全性和完整性。数据库原理及应用2020年1月21日星期二1.2数据库技术的发展数据库管理技术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。1.2.1人工管理阶段20世纪50年代以前，计算机主要用于数值计算。这一时期的数据，数据量小，无结构，由用户直接管理，且数据间缺乏逻辑组织，由于是面向应用程序的，数据缺乏独立性，应用程序与其处理的数据结合成一个整体。程序与数据的关系如下图所示：程序1数据1程序2数据2图1-1人工管理阶段程序与数据的关系数据库原理及应用2020年1月21日星期二（1）硬件：外存只有纸带、卡片、磁带，并没有磁盘等直接存取的存储设备。（2）软件：实际上，当时还未形成软件的整体概念，这一时期，没有操作系统，没有管理数据的软件。（3）特点：①数据不保存。②应用程序管理数据。应用程序承担设计数据的逻辑结构和物理结构任务。③数据不能共享。一组数据只能对应一个程序。④数据不具有独立性。数据的逻辑或物理结构改变，应用程序随之改变。数据库原理及应用2020年1月21日星期二1.2.2文件系统阶段在20世纪50年代后期到60年代中期，文件系统阶段程序与数据的关系如图所示。图1-2文件系统阶段程序与数据的关系（1）硬件：磁盘、磁鼓等直接存取存储设备。（2）软件：操作系统中有了专门的数据管理软件--文件系统。程序1程序3程序2文件3文件2文件1文件管理系统数据库原理及应用2020年1月21日星期二（3）特点：①数据可以长期保存。②由文件系统进行数据管理。数据按文件名访问，按记录进行存取，可以对文件进行修改、插入和删除操作。③数据共享性差，冗余度大。a）一个文件对应一个应用程序。b）不同的应用程序具有部分相同的数据时，也必须建立各自的文件而不能共享相同的数据。④数据独立性差。（4）在数据文件中常涉及下列术语：①数据项：描述事物性质的最小单位。②记录：若干数据项的集合，一个记录表达一个具体事物。③文件：若干记录的集合。数据库原理及应用2020年1月21日星期二1.2.3数据库系统阶段20世纪60年代后期至今，数据库系统阶段程序与数据的关系如下图所示：图1-3数据库系统阶段程序与数据的关系（1）硬件：大容量磁盘，价格下降。（2）软件：价格上升，编制、维护系统软件及应用程序的成本相对增加，因此出现了统一管理数据的专门软件--数据库管理系统。应用1应用3应用2数据库管理系统数据库数据库原理及应用2020年1月21日星期二（3）特点①数据结构化。数据库系统与文件系统是有根本区别的。对于文件系统来讲，相互独立的文件的记录内部是有结构的，而数据库系统主要实现整体数据的结构化。②数据的共享性高，冗余度低，易扩充。a）数据可以被多个用户、多个应用共享使用。b）数据共享可以大大减少数据冗余、节约存储空间。c）数据共享还能够避免数据之间的不相容性与不一致性，所谓的不一致性是指同一数据的不同拷贝值不一样。③数据独立性高。数据独立性主要从物理独立性和逻辑独立性两个方面体现。从物理独立性角度讲，用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库是相互独立的。从逻辑独立性角度讲用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的，即数据的逻辑结构改变了，用户程序也可以不变。数据库原理及应用2020年1月21日星期二（4）数据由DBMS统一管理和控制。DBMS提供以下几个方面的数据控制功能：①数据库的安全性（security）保护。保护数据以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。②数据的完整性检查（integrity）。数据的完整性指数据的正确性和一致性。完整性检查是指将数据控制在有效的范围内，或保证数据之间满足一定的关系。③并发（concurrency）控制。当多个用户的并发进程同时存取、修改数据库时，可能会发生相互干扰而得到错误的结果或使得数据库的完整性遭到破坏，因此必须对多用户的并发操作加以控制和协调。④数据库恢复（recovery）。当计算机系统遭遇硬件故障、软件故障、操作员误操作或恶意破坏时，可能导致数据错误或全部、部分丢失，此时要求数据库具有恢复功能。所谓的数据库恢复是指DBMS将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态，即完整性状态。数据库原理及应用2020年1月21日星期二1.3数据库系统的组成与结构1.3.1数据库系统的组成数据库系统是指引进数据库技术后的计算机系统。数据库系统一般由支持数据库运行的软硬件、数据库、数据库管理系统、数据库管理员和用户等部分组成的，如下图所示。图1-4数据库系统的组成数据库应用系统数据库管理系统操作系统硬件数据库管理员用户数据库原理及应用2020年1月21日星期二（1）硬件与软件（2）数据库管理系统(DBMS）（3）数据库系统(DBS)（4）数据库管理员(DataBaseAdministrator，DBA)（5）用户数据库原理及应用2020年1月21日星期二1.3.2数据库系统结构1.3.2.1模式的概念模式（Schema)是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅涉及到型的描述，不涉及到具体的值。其中型是数据模型中对某一类数据结构和属性的说明，而值是型的一个具体赋值。模式具有如下特点：（1）模式的一个具体描述称为模式的一个实例。（2）模式是相对稳定的，而实例是相对变动的。（3）模式反映的是数据的结构及其联系，而实例反映的是数据库某一时刻的状态。数据库原理及应用2020年1月21日星期二1.3.2.2数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由外模式、模式、内模式三级构成。图1-5数据库系统的三级模式结构物理数据库外模式/模式映射模式/内模式映射外模式（用户级数据库）模式（概念级数据库）内模式（物理级数据库）操作系统DBMS应用程序1应用程序2应用程序2外模式1外模式2模式内模式数据库原理及应用2020年1月21日星期二（1）模式模式（Schema)也称逻辑模式或概念模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图，是数据库系统模式结构的中间层。一个数据库只有一个模式。模式是数据项值的框架。数据库系统模式通常还包含有访问控制、保密定义、完整性检查等方面的内容。（2）外模式外模式也称为子模式或用户模式，它是数据和用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据和用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。外模式一般是模式的子集。一个模式可以有多个外模式。一个应用程序只能使用一个外模式。外模式是保证数据库安全性的一个有力措施。（3）内模式内模式也称存储模式，是数据库在物理存储器上具体实现的描述，是数据在数据库内部的表示方法，也是数据物理结构和存储方式的描述。一个数据库只有一个内模式。数据库原理及应用2020年1月21日星期二1.3.2.3数据库的二级映像功能与数据独立性（1）外模式/模式映像对于每一个外模式，数据库管理系统都有一个外模式/模式映像，它定义了外模式与模式之间的对应关系。当模式改变时，由数据库管理员对各个外模式/模式映射做相应的改变，这里的映射是把用户数据库与概念数据库联系起来，从而使外模式保持不便，这就保证了数据库的逻辑独立性。（2）模式/内模式的映像数据库只有一个模式，也只有一个内模式，所以模式/内模式的映射是唯一的，这种映射把概念数据库与物理数据库联系起来，定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。当数据库的存储结构改变了，由数据库管理员对模式/内模式的映射做相应的改变，可以使模式保持不便，从而应用程序也不必改变。这就保证了数据与程序的物理独立性。数据库原理及应用2020年1月21日星期二1.4数据模型模型是现实世界特征的模拟和抽象，数据模型（DataModel）是现实世界数据特征的抽象。1.4.1数据模型的概念数据模型通常由数据结构、数据操作和数据的约束条件三部分组成。（1）数据结构数据结构是所研究的对象类型的集合，这些对象组成数据库，它们包括两类：一类是与数据类型、内容、性质有关的对象，另一类是与数据之间联系有关的对象。按照数据结构类型的不同，又可以将数据模型划分为层次模型、网状模型和关系模型。数据库原理及应用2020年1月21日星期二（2）数据操作数据操作指对数据库中各种对象实例的操作。（3）数据的约束条件数据的约束条件是一组完整性规则的集合。数据模型应反映和规定本数据模型必须遵守的基本的通用的完整性约束条件。数据的完整性约束是指在给定的数据模型中，数据及其数据关联所遵守的一组规则。用以保证数据库中数据的正确性、一致性。数据库原理及应用2020年1月21日星期二1.4.2概念模型1.4.2.1概念模型的名词术语（1）实体（Entity）：客观存在并可相互区别的事物称为实体。实体既可以是实际的事物，也可以是抽象的概念或联系。（2）属性（Attribute）：属性就是实体所具有的特性，一个实体可以由若干个属性描述。（3）域（Domain）：属性的取值范围称为该属性的域。（4）实体型（EntityType）：用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体。如：教师（教师编号，教师姓名，性别，出生年份，工作年限，工资）。数据库原理及应用2020年1月21日星期二（5）实体集（EntitySet）：具有相同属性的实体的集合称为实体集。（6）键（Key）：键是能够惟一地标识出一个实体集中每一个实体的属性或属性组合，键也被称为关键字或码。（7）联系（Relationship）：联系分为两种：一种是实体内部各属性之间的联系，另一种是实体之间的联系。1.4.2.2实体之间的联系（1）一对一联系：如果对于实体