第一章 数据库系统基础

院系：经济管理系教研室：信管教师：《数据库原理及应用》课程教案课程名称数据库原理及应用课程学分3课程属性必修课（∨）专业选修课（）校定公共选修课（）课程总学时48学时其中：讲课：32学时实验：16学时先修课程信息技术基础授课专业、班级经管系工商、信管、经济学、会计、工程造价各专业主要教材教材名称出版社作者出版时间VisualFoxPro程序设计教程（第二版）北京邮电大学出版社刘卫国2006教材名称出版社作者出版时间数据库系统概论（第三版）高等教育出版社王珊，萨师煊2006教学目的及要求教学目标：本章主要介绍数据库原理部分，通过课程学习，要求学生能够达到以下目标：1.掌握数据库系统基本概念2.了解数据库系统的产生与发展状况3.掌握关系数据模型的概念等熟练掌握关系数据模型和关系数据库的设计方法。重点难点：本章主要讲述数据库原理部分，其中关系数据库作为目前数据库的主流，它的相关概念和关系运算以及关系数据库的设计是本章的重点和难点部分。解决方法：对关系数据库的概念和关系运算以及关系数据库的设计部分，讲解要以具体实例为主，通过具体的二维表来介绍相关概念和它的具体运算过程。使学生有直观的感受，从而掌握住关系的概念和运算，为以后的学习打下基础。教学方法和手段：先演示实例一，让学生在课程开始建立总体感性认识。教学方法：任务驱动和启发式结合。手段：多媒体教学、实例演示、板书讲授学时：6学时注：表中（）选项请打“∨”第一章数据库系统概述[教学目的与要求]通过课程学习，要求学生了解数据库系统的产生与发展状况，掌握数据库系统基本概念，了解数据模型，熟练掌握关系数据模型和关系数据库的设计方法。[教学内容]数据库系统产生和发展状况，计算机数据管理管理方法的四个阶段；数据库和数据库系统的基本概念；数据库管理系统和应用系统；三种数据模型层次模型、网状模型和关系模型的概念，关系模型中的相关概念；关系数据库的设计方法。[教学重点与难点]关系数据库的概念和关系运算；关系数据库的设计方法。现在数据库已是每一项业务的基础。数据库被应用于维护商业内部记录，在万维网上为顾客和客户显示数据，以及支持很多其它商业处理。数据库同样出现在很多科学研究的核心中，天文学家、地理学家以及其他很多科学家搜集的数据也是用数据库表示的。数据库也用在企业、行政部门。因此，数据库技术已成为当今计算机信息系统的核心技术，是计算机技术和应用发展的基础。经过40多年的发展，它已形成了较为完整的理论体系和实用技术。本章主要介绍数据库技术的发展和数据库系统涉及的最基本、最重要的概念，包括数据管理技术的发展、数据模型、关系数据库、数据库设计。1.1数据管理技术的发展随着计算机硬件和软件的发展，计算机数据管理方法至今大致经历了四个阶段：人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系统阶段和高级数据库阶段。1.1.1人工管理阶段在人工管理阶段（20世纪50年代中期以前），计算机主要用于科学计算，其他工作还没有展开。外部存储器只有磁带、卡片和纸带等，还没有磁盘等字节存取存储设备。软件只有汇编语言，没有操作系统和管理数据的软件，尚无数据管理方面的软件。数据处理的方式基本上是批处理。这个阶段数据管理的特点如下：⑴数据不保存因为该阶段计算机主要应用于科学计算，对于数据保存的需求尚不迫切，只是在计算某一课题时将数据输入，完成后得到结果，因此无需保存数据。⑵系统没有专用的软件对数据进行管理数据需要由应用程序自己管理，没有相应的软件系统负责数据的管理工作。⑶数据不共享数据是面向程序的，一组数据只能对应一个程序。多个应用程序涉及某些相同的数据时，也必须各自定义，因此程序之间有大量的冗余数据。⑷数据不具有独立性程序依赖于数据，如果数据的类型、格式、或输入输出方式等逻辑结构或物理结构发生变化，必须对应用程序做出相应的修改。在人工管理阶段，程序与数据之间的关系可用图1-1表示。1.1.2文件系统阶段从20世纪50年代后期到60年代中期，计算机不仅用于科学计算，还大量应用于信息管理。大量的数据存储、检索和维护成为紧迫的需求。在硬件方面，有了磁盘、磁鼓等直接存储设备；在软件方面，出现了高级语言和操作系统，且操作系统中有了专门管理数据的软件，一般称之为文件系统；在处理方式方面，不仅有批处理，也有联机实时处理。用文件系统管理数据的特点如下：⑴数据以文件形式可长期保存下来由于计算机大量用于数据处理，数据需要长期保存在辅存上，以便用户可随时对文件进行查询、修改和增删等处理。⑵文件系统可对数据的存取进行管理有专门的软件即文件系统进行数据管理，文件系统把数据组织成相互独立的数据文件，利用“按名访问，按记录存取”的管理技术，对文件进行修改、插入和删除的操作。因此，程序员只与文件名打交道，不必明确数据的物理存储，大大减轻了程序员的负担。⑶文件组织多样化有顺序文件、链接文件、索引文件等，因而对文件的记录可顺序访问，也可随机访问，更便于存储和查找数据。但文件之间相互独立、缺乏联系。数据之间的联系要通过程序去构造。⑷程序与数据之间有一定独立性由专门的软件即文件系统进行数据管理，程序和数据之间由软件提供的存取方法进行转换，数据存储发生变化不一定影响程序的运行，既可大大节省维护的工作量，又可减轻程序员的负担。与人工管理阶段相比，文件系统阶段对数据的管理有了很大的进步，但一些根本性问题仍没有彻底解决，主要表现在以下三方面：⑴数据冗余度大⑵数据独立性差⑶数据一致性差由于相同数据的重复存储、各自管理，在进行更新操作时，容易造成数据的不一致性。在文件系统阶段，程序与数据之间的关系可用图1-2表示。1.1.3数据库系统阶段20世纪60年代后期，计算机硬件、软件有了进一步的发展。计算机应用于管理的规模更加庞大，数据量急剧增加；硬件方面出现了大容量磁盘，使计算机联机存取大量数据成为可能；硬件价格下降，而软件价格上升，使开发和维护系统软件的成本增加。文件系统的数据管理方法已无法适应开发应用系统的需要。为解决多用户、多个应用程序共享数据的需求，出现了统一管理数据的专门软件系统，即数据库管理系统。用数据库系统来管理数据比文件系统具有明显的优点，从文件系统到数据库系统，标志着数据管理技术的飞跃。数据库系统管理数据的特点如下：⑴数据结构化数据结构化是数据库与文件系统的根本区别。有了数据库管理系统后，数据库中的任何数据都不属于任何应用。数据是公共的，结构是全面的。它是在对整个组织的各种应用（包括将来可能的应用）进行全局考虑后建立起来的总的数据结构。它是按照某种数据模型，将全组织的各种数据组织到一个结构化的数据库中，整个组织的数据不是一盘散沙，可表示出数据之间的有机关联。【例1.2】要建立学生成绩管理系统，系统包含学生（学号、姓名、性别、系别、年龄）、课程（课程号、课程名）、成绩（学号、课程号、成绩）等数据，分别对应三个文件。若采用文件处理方式，因为文件系统只表示记录内部的联系，而不涉及不同文件记录之间的联系，要想查找某个学生的学号、姓名、所选课程的名称和成绩，必须编写一段不很简单的程序来实现。而采用数据库方式，数据库系统不仅描述数据本身，还描述数据之间的联系，上述查询可以非常容易地联机查到。⑵数据共享性高、冗余少，易扩充数据库系统从全局角度看待和描述数据，数据不再面向某个应用程序而是面向整个系统，因此数据可以被多个用户、多个应用共享使用。这样便减少了不必要的数据冗余，节约存储空间，同时也避免了数据之间的不相容性与不一致性。由于数据面向整个系统，是有结构的数据，不仅可被多个应用共享使用，而且容易增加新的应用，这就使得数据库系统弹性大，易于扩充，可以适应各种用户的要求。⑶数据独立性高数据的独立性是指数据的逻辑独立性和数据的物理独立性。数据的逻辑独立性是指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的，即当数据的总体逻辑结构改变时，数据的局部逻辑结构不变，由于应用程序是依据数据的局部逻辑结构编写的，所以应用程序不必须修改，从而保证了数据与程序间的逻辑独立性。例如，在原有的记录类型之间增加新的联系，或在某些记录类型中增加新的数据项，均可确保数据的逻辑独立性。数据的物理独立性是指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中数据是相互独立的，即当数据的存储结构改变时，数据的逻辑结构不变，从而应用程序也不必改变。例如，改变存储设备和增加新的存储设备，或改变数据的存储组织方式，均可确保数据的物理独立性。⑷有统一的数据控制功能数据库为多个用户和应用程序所共享，对数据的存取往往是并发的，即多个用户可以同时存取数据库中的数据，甚至可以同时存取数据库中的同一个数据，为确保数据库数据的正确有效和数据库系统的有效运行，数据库管理系统提供下述四方面的数据控制功能。①数据的安全性（security）控制数据的安全性是指保护数据以防止不合法使用数据造成数据的泄露和破坏，保证数据的安全和机密。使每个用户只能按规定，对某些数据以某些方式进行使用和处理。例如，系统提供口令检查或其他手段来验证用户身份，防止非法用户使用系统；也可以对数据的存取权限进行限制，只有通过检查后才能执行相应的操作。②数据的完整性(integrity)控制数据的完整性是指系统通过设置一些完整性规则以确保数据的正确性、有效性和相容性。完整性控制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。有效性是指数据是否在其定义的有效范围，如月份只能用1-12之间的正整数表示；正确性是指数据的合法性，如年龄属于数值型数据，只能含0,1,…9，不能含字母或特殊符号；相容性是指表示同一事实的两个数据应相同，否则就不相容，如一个人不能有两个性别。③并发（concurrency）控制多用户同时存取或修改数据库时，可能会发生相互干扰而提供给用户不正确的数据，并使数据库的完整性受到破坏，因此必须对多用户的并发操作加以控制和协调。④数据恢复（recovery）计算机系统出现各种故障是很正常的，数据库中的数据被破坏、被丢失也是可能的。当数据库被破坏或数据不可靠时，系统有能力将数据库从错误状态恢复到最近某一时刻的正确状态。数据库系统阶段，程序与数据之间的关系可用图1-3表示。从文件系统管理发展到数据库系统管理是信息处理领域的一个重大变化。在文件系统阶段，人们关注的是系统功能的设计，因此程序设计处于主导地位，数据服从于程序设计；而在数据库系统阶段，数据的结构设计成为信息系统首先关心的问题。数据库技术经历了以上三个阶段的发展，已有了比较成熟的数据库技术，但随着计算机软硬件的发展，数据库技术仍需不断向前发展。1.1.4高级数据库阶段20世纪70年代，层次、网状、关系等三大数据库系统奠定了数据库技术的概念、原理和方法。从20世纪80年代以来，数据库技术在商业领域的巨大成功刺激了其他领域对数据库技术需求的迅速增长。这些新的领域为数据库应用开辟了新的天地，另一方面在应用中提出的一些新的数据管理的需求也直接推动了数据库技术的研究和发展，尤其是面向对数据库系统。另外，数据库技术不断与其它计算机分支结合，向高一级的数据库技术发展。新型的数据库技术有1）分布式数据库系统2）面向对象数据库系统3）多媒体数据库系统4）数据仓库1.2数据库的基本概念在介绍数据库的基本概念之前，先介绍一些数据库最常用的术语和基本概念。1.2.1数据(Data)数字、文字、声音、图形、图像等。用数据描述的现实世界中的对象可以是实在的事物，如描述一个学生的情况可用学号、姓名、性别、年龄、系别、入学时间等，则可以这样描述：（0801002、张明、男、22、经济管理系、2008）这里的学生记录就是数据。对于这条记录，了解其含义的将得到如下信息：赵文是个大学生，男，今年22岁，2003年考入计算机系；而不了解含义的人则无法理解其含义。可见，数据的形式本身还不能完全表达其内容，需要经过语义解释。因此数据和关于数据的解释是不可分的，数据的解释是对数据含义的说明，数据的含义成为数据的语义，数据与其语义是不可分的。1.2.2数据库(DataBase，简称DB)数据库是长期存储在计算机内有组织的共享的数据的集合。数据库中的数据按一定的数据模型