大学计算机基础_第9章 数据库技术基础

电气与信息工程学院计算机系2020年1月第9章数据库技术基础二级大纲之——数据库基础数据库的基本概念：数据库，数据库管理系统，数据库系统。数据模型，实体联系模型及E-R图，从E-R图导出关系数据模型。关系代数运算，包括集合运算及选择、投影、连接运算，数据库规范化理论。数据库设计方法和步骤：需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计的相关策略。本章重点内容数据库的基本概念概念模型的表示方法数据模型的分类数据库的体系结构关系代数运算数据库设计方法及管理第9章数据库技术基础9.1数据库系统的基本概念9.2数据模型9.3关系运算9.4数据库设计与管理9.1数据库系统的基本概念9.1.1数据库基本概念9.1.2数据库系统的发展9.1.3数据库系统的基本特点9.1.4数据库系统的内部结构体系9.1.1数据库的基本概念数据的定义：数据(Data)是数据库中存储的基本对象，是描述事物的符号记录。数据的种类：文本、图形、图像、音频、视频、学生的档案记录、货物的运输情况等数据的特点：数据有一定的结构，有型与值之分。例如：整型、实型、字符型等。而数据的值给出了符合定型的值，如整型值15。数据的基本概念数据举例数据具有一定的含义。例如：93是一个数据，可有如下多种含义：含义1：学生某门课的成绩含义2：某人的体重含义3：某班的学生人数……9.1.1数据库的基本概念什么是数据库数据库的定义——数据库(Database,简称DB)是长期储存在计算机内、有组织、可共享的大量数据的集合。数据库的基本特征数据按一定的数据模型组织、描述和储存可为各种用户共享冗余度较小数据独立性较高易扩展9.1.1数据库的基本概念什么是数据库管理系统DBMS——是帮助用户建立、使用和管理数据库的软件。如：VisualFoxPro、Access等就是一种DBMS。DBMS的特点位于用户与操作系统之间的数据管理软件。负责数据库中数据的获取、组织、存储、操纵、维护、控制、保护和运行管理等。是数据库的核心部分。9.1.1数据库的基本概念什么是数据库系统（DBS）——是存储、管理、处理和维护数据的软件系统数据库系统的组成数据库（数据）数据库管理系统（软件）数据库管理员（人员）硬件平台（硬件）软件平台（软件）9.1.1数据库的基本概念硬件OS用户数据库管理员数据库DBMS数据库应用系统9.1.2数据库系统的发展人工管理阶段（20世纪50年代中期以前）特点：没有数据管理方面的软件，数据不具备共享性、独立性文件系统阶段（20世纪50年代后期至60年代中期）特点：提供了简单的数据共享与数据管理能力，无法提供完整统一的数据管理和数据共享能力。数据库系统阶段（20世纪60年代以来）特点：有专门的数据库管理软件，数据具备共享性和独立性。数据库系统的发展分为三阶段9.1.3数据库系统的基本特点数据具有高集成性、高共享性和低冗余性数据具有较高的独立性可为用户提供方便的数据使用接口具有统一的数据管理与控制功能数据库系统具有以下基本特点9.1.4数据库系统的内部结构体系数据库的体系结构分为三级模式（子模式）：是用户所能见到的数据模式。内模式（物理模式）：给出数据库物理存储结构与物理存取方法。外模式（逻辑模式）：是数据库系统中全局数据逻辑结构的描述。9.2数据模型9.2.1数据模型的基本概述9.2.1数据模型的基本概述9.2.2E-R模型9.2.3几种主要的数据模型9.2.1数据模型的基本概述——在数据库中，数据模型就是用来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息的工具。数据模型应满足三个要求能比较真实地模拟现实世界容易为人所理解便于在计算机上实现什么是数据模型？9.2.1数据模型的基本概述概念模型（也称信息模型）：是按用户的观点对数据和信息建模，用于数据库设计。面向用户。逻辑模型：是按计算机系统的观点对数据建模，用于DBMS实现。主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面向对象模型等。物理模型：描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法。数据模型分为三类9.2.1数据模型的基本概述数据结构（静态特征）——对实体类型和实体间联系的表达和实现数据操作（动态行为）——主要进行检索和更新（包括插入、修改和删除）两大类操作完整性约束（约束条件）——是一组完整性规则的集合。数据模型的组成（三要素）9.2.2E-R模型实体（对象）：是客观存在并且可以相互区别的现实世界中事物。如：学生、汽车属性：指实体的特性。如：学生的学号、姓名等。每个属性有一个值域，值域的类型可以是整型、实型或字符型实体型：实体名及其属性名的集合，称为实体型。如：学生（学号、姓名、性别、年龄）实体集：性质相同的同类实体的集合。如：某班的全体学生。常见的几个概念9.2.2E-R模型码（或键）：能唯一标识实体集中每个实体的属性或属性集。如：学生实体中的学号联系：实体间的关系。实体集的关系有一对一、一对多、多对多的联系。如图所示。常见的几个概念9.2.2E-R模型数据的概念模型表示方法有很多种，其中最为著名的是E-R模型。实体—联系模型（Entity-RelationshipModel，简称E-R模型）E-R图中各图形框的含义如下：什么是E-R模型？实体型实体型间的联系实体的属性9.2.2E-R模型E-R模型法应用举例表示学生信息的E－R图如下：9.2.3几种主要的数据模型层次模型（树型结构。一对多）网状模型（图结构。多对多）关系模型（线性表结构。一对一）数据的逻辑模型（主要有三种）9.2.3几种主要的数据模型层次模型示意图网状模型示意图9.2.3几种主要的数据模型一个二维表就是一个关系模型。表9.1工人事档案表编号姓名性别年龄出生年份籍贯政治面貌职称职务101王明男311972江苏中级102李天友男361967重庆党员高级主任103周晓女321971重庆︰︰︰︰︰︰︰︰︰888刘洁女281975辽宁党员高级科长关系模型采用二维表来表示关系模型中常用的术语关系：一个关系对应一张二维表元组：数据表中的一行属性：数据表中的一列称为属性域：数据表中属性的取值范围。如：成绩0～100分量：元组中的一个属性值.如：姓名：李明关系模式：对关系的表示，一般表示为：关系名（属性1，属性2，属性3…属性n）如：学生成绩表（学号，姓名，成绩1，成绩2）9.2.3几种主要的数据模型检索操作是数据库中最主要的操作完成从数据库中查询数据操作更新操作包括数据插入、修改和删除三种常见操作关系模型的数据操作9.2.3几种主要的数据模型在关系模型中，实体以及实体间的联系均用数据表表示在数据库的物理组织中，数据表以文件形式存在关系模型的存储结构9.2.3几种主要的数据模型9.3关系运算9.3.1关系代数9.3.2集合运算9.3.3关系运算9.3.1关系代数——关系数据库系统的特点之一：是建立在数据理论的基础之上，有很多数据理论可以表示关系模型的数据操作，其中最为著名的是关系代数与关系演算关系代数用关系的运算来实现查询要求关系演算用谓词来实现查询要求关系代数的概念9.3.1关系代数分为插入、删除、修改和查询4种查询操作又可以分为选择、投影、连接、除、并、交、差、笛卡尔积等运算选择、投影、并、差、笛卡尔积是5种基本操作关系模型的基本运算9.3.1关系代数集合运算将关系看成元组的集合从行的角度来进行的关系运算不仅涉及行，还涉及列按运算符的不同关系代数运算分为二类9.3.2集合运算集合运算：包括并、交、差、笛卡尔积设关系表R和关系表S具有相同的列，并且相应的列取值来自同一个域。设t是关系表的一个元组，t∈R表示t是R的一个元组设R和S都是具有3个属性列的关系表，如下表：RSABCABC1211231221311311321322312312322323129.3.2集合运算关系表R和关系表S的并（Union）可以表示为：R∪S={t|t∈R或t∈S}运算结果是所有属于R或属于S的元组的集合。R∪S的结果下所示：并运算9.3.2集合运算关系表R和关系表S的差（Except）可以表示为：R-S={t|tR并且tS}运算结果是所有属于R，不属于S的元组的集合。R–S的结果如下所示:差运算9.3.2集合运算关系表R和关系表S的交可以表示为：R∩S={t|t∈R并且t∈S}运算结果是所有属于R并且属于S的元组的集合。R∩S的结果如下所示：交运算9.3.2集合运算关系R和关系S的并、差、交运算要求列数相同，并且对应的列来自同一个域。笛卡尔积运算不要求关系R和S的列数相同，列的取值也没有关联。设R为m1列m2行元组的关系表，S为n1列n2行元组的关系表，则关系R和S的笛卡尔积可以表示为：R×S={trts|tr∈R并且ts∈S}其中trts表示一个元组。笛卡尔积运算9.3.2集合运算运算结果是一个m1+n1列，m2×n2行的关系表，其中前m1列来源于R，后n1列来源于S。设关系R和关系S分别如图（a）、（b）所示，则R×S的结果如（c）所示：笛卡尔积运算9.3.3关系运算关系运算:主要包括选择、投影、连接和除法四种运算设学生关系Student，图书借阅关系Lending的关系模型如表9.5所示9.3.3关系运算选择（Selection）运算是从关系的行角度出发，表示从指定关系中选择符合条件的元组。选择运算表示为：其中，F表示选择条件，它是一个逻辑表达式，值为“真”或“假”。(){|()''}FRttRFt并且真选择运算9.3.3关系运算【例9.2】查询“石油学院”有哪些学生。运算结果【例9.3】查询全校20岁以下的学生运算结果选择运算举例9.3.3关系运算投影运算：是从关系中选择部分列组成新的关系。投影运算表示为：其中，A为关系R的属性列。运算结果为从关系R中选择属性（或属性组）A，并去掉重复元组。(){[]|}ARtAtR投影运算9.3.3关系运算【例9.4】查询全校共有哪些学院招有学生？运算结果：投影运算举例9.3.3关系运算连接运算：是从两个关系的笛卡尔积中选择满足条件的元组。连接运算表示为：其中，是比较运算符，常用‘=’、‘’、‘’、‘≤’、‘≥’等来表示。运算结果为从关系R和关系S的笛卡尔积中选择这样的元组：关系R中属性列A与关系S中属性列B存在关系rsrs{|[][]}ABRStttRtStAtB并且并且连接运算9.3.3关系运算【例9.5】查询每个学生的借书记录运算结果：连接运算举例9.4数据库设计与管理9.4.1数据库设计概述9.4.2数据库设计的需求分析9.4.3数据库概念结构设计9.4.4数据库的逻辑结构设计9.4.5数据库的物理设计9.4.6数据库管理9.4.1数据库设计概述数据库设计的特点三分技术，七分管理，十二分基础数据十二分基础数据则强调了数据的收集、整理、组织和不断更新是数据库建设中的重要环节数据设计和处理设计相结合通常情况下，数据库设计有两种方法。面向数据：以信息需求为主，兼顾处理需求。面向过程：以处理需求为主，兼顾信息需求。9.4.1数据库设计概述数据库的生命周期可分为需求分析阶段、概念设计阶段、逻辑设计阶段、物理设计阶段、编码阶段、测试阶段、运行阶段、进一步修改阶段。数据库的设计步骤可分为需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理设计、数据库实施、数据库运行和维护等阶段数据库设计步骤9.4.2数据库设计的需求分析需求分析的任务获得用户的真实需求用数据流图来描述未来系统的业务和数据处理流程，对数据流图中的数据需要用数据字典详细描述需求分析的方法：通常采用结构分析方法和面向对象的方法。数据字典进行详细的数据收集和数据分析所获得的主要结果9.4.3数据库概念结构设计概念结构设计目的对需求分析阶段的数据流图和数据字典进行抽象、归纳、整理，分析数据内在