第1章 数据库基础知识

第1章数据库基础知识1.1数据库概述1.2关系数据库1.3数据库的设计1.1数据库概述1.1.1数据库、数据库管理系统与数据库系统数据库的定义数据库(Database,简称DB)是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据集合.例如下列教学信息管理系统数据库数据字典(DataDictionary):数据库定义的信息其用途是用来描述数据的。比如数据库的名称、表的定义、创建者信息，创建时间信息，用户访问权限信息等数据库的特征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2、数据库管理系统数据库管理系统（DatabaseManagementSystem，简称DBMS）是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。DBMS是数据库系统的核心DBMS的例子：Access、SQLServer、SYSBASE、ORACLE、DB2等。DBMS的功能在后面讲解3、数据库系统数据库系统（DatabaseSystem，简称DBS）是指在计算机系统中引入数据库后的系统构成。在不引起混淆的情况下常常把数据库系统简称为数据库。数据库系统的构成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（DatabaseAdministrator，简称DBA）和用户构成。数据库系统的组成应用系统用户用户用户应用开发工具数据库管理员数据库管理系统数据库操作系统1.1.2数据库技术的产生与发展数据管理技术的发展过程人工管理阶段(40年代中--50年代中)文件系统阶段(50年代末--60年代中)数据库系统阶段(60年代末—80年代)高级数据库阶段（80年代末—现在）1、人工管理阶段时期40年代中--50年代中产生的背景应用需求科学计算硬件水平无直接存取存储设备软件水平没有操作系统处理方式批处理,应用程序自己控制不独立，完全依赖于程序数据的结构化：无结构MOVAX,300HADDBX,AXMOV[2100H],BXHLT汇编语言源程序片段应用程序与数据的对应关系(人工管理)人事管理应用程序教师信息数据组学生管理应用程序学生信息数据组教务管理应用程序课程信息数据组学生部门教务部门人事部门图1-1应用程序和数据的依赖关系2、文件系统时期50年代末--60年代中产生的背景应用需求科学计算、管理硬件水平磁盘、磁鼓软件水平操作系统中有文件系统文件系统数据可长期保存，数据文件单独保存计算机外存储器有了磁鼓和磁盘等直接存取设备；软件有了操作系统和文件系统；程序通过数据文件访问数据。外存储器数据输入程序数据输入程序01090101林小辉12111980120122长春市东朝阳路10委6号1300210431-789910101090102李晓娜24101984022923黑龙江省哈尔滨市建设街5号1500860431-565465401090103王强14011984060322长春市民康路10号1300240431-987451901090104张丽丽23101984071122吉林珲春市第二高级中学1333000440-751886401090105赵海燕23011984021523黑龙江大庆市萨尔图区1633110459-637936301090101林小辉12111980120122长春市东朝阳路10委6号1300210431-789910101090102李晓娜24101984022923黑龙江省哈尔滨市建设街5号1500860431-565465401090103王强14011984060322长春市民康路10号1300240431-987451901090104张丽丽23101984071122吉林珲春市第二高级中学1333000440-751886401090105赵海燕23011984021523黑龙江大庆市萨尔图区1633110459-6379363数据文件01090101林小辉12111980120122长春市东朝阳路10委6号1300210431-789910101090102李晓娜24101984022923黑龙江省哈尔滨市建设街5号1500860431-565465401090103王强14011984060322长沙市五一路10号1300240731-487451901090104张丽丽23101984071122吉林珲春市第二高级中学1333000440-751886401090105赵海燕23011984021523黑龙江大庆市萨尔图区1633110459-6379363数据文件外存储器01090101林小辉12111980120122长春市东朝阳路10委6号1300210431-789910101090102李晓娜24101984022923黑龙江省哈尔滨市建设街5号1500860431-565465401090103王强14011984060322长春市民康路10号1300240431-987451901090104张丽丽23101984071122吉林珲春市第二高级中学1333000440-751886401090105赵海燕23011984021523黑龙江大庆市萨尔图区1633110459-6379363特点:易于长期保存数据；程序代码有所简化；数据冗余（重复）度较大；程序对数据依赖性较强；人员专业性较强。查询程序王强长沙市五一路10号1300240731-487451901090103查询程序例如：数据查询与报表文件系统阶段(续)特点数据的管理者：数据面向的对象：某一应用程序数据的共享程度：共享性差、冗余度大数据的结构化：记录内有结构,整体无结构数据的独立性：独立性差，数据的逻辑结构改变必须修改应用程序数据控制能力：应用程序自己控制应用程序与数据的对应关系(文件系统)学生部门教务部门人事部门文件系统教师数据文件学生数据文件课程数据文件人事管理应用程序学生管理应用程序教务管理应用程序图1-2应用程序和数据文件的关系3、数据库系统阶段时期60年代末以来产生的背景应用背景需要大规模数据管理硬件背景大容量磁盘软件背景有数据库管理系统应用程序与数据的对应关系(数据库系统)DBMS应用程序1应用程序2数据库…降低数据的冗余度，节省存储空间避免数据间的不一致性使系统易于扩充学生部门教务部门人事部门学校数据库数据库管理系统人事管理应用程序学生管理应用程序教务管理应用程序图1-3应用程序和数据库的关系外存储器此阶段将数据集中存储在一台计算机上，进行统一组织和管理。数据库字段名类型宽度小数位说明F_BM字符型2省市编码F_MC字符型12省市名称字段名类型宽度小数位说明F_BM字符型2省市编码F_MC字符型12省市名称4、高级数据库阶段（1）分布式数据库系统（20世纪80年代）分布式数据库是一个数据集合，这些数据在逻辑上属于同一个系统，但物理上却分散在计算机网络的若干站点上.分布式数据库系统主要有以下3个特点：①数据库的数据物理上分布在各个场地，但逻辑上是一个整体。②各个场地既可以执行局部应用（访问本地DB），又可以执行全局应用（访问异地DB）。③各地的计算机由数据通信网络相联系。本地计算机单独不能胜任的处理任务，可以通过通信网络取得其他DB和计算机的支持。（2）对象数据库系统（20世纪90年代）对象数据库系统是面向对象的程序设计技术与数据库技术结合的产物。对象数据库系统主要有以下两个特点：①对象数据库模型能完整地描述现实世界的数据结构，能表达数据间嵌套、递归的联系。②具有面向对象技术的封装性（把数据与操作定义在一起）和继承性（继承数据结构和操作）的特点，提高了软件的可重用性。随着当前网络技术的蓬勃发展，数据库在网络上的应用已经成为政府部门实现信息化建设，商业企业拓展业务的重要手段。网络数据库系统基于计算机网络来管理网络中不同节点中的数据的数据库系统。网络数据库系统三层结构即指：数据层：指存放数据库的数据层；中间层：指管理中间件的，并负责处理客户端权限的服务层。用户层：指客户端使用层，通过与中间层进行交换所需数据及权限认定的最底层。（3）网络数据库系统（21世纪）1.1.3数据库系统的组成与结构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。由五部分组成：硬件系统、数据库集合、数据库管理系统及其相关软件、数据库管理员和用户。数据库管理系统DBMS在层次结构中的位置如图所示。数据库应用系统数据库管理系统操作系统硬件专业用户数据库管理员最终用户DBMS在层次结构中的位置1、硬件系统1）联机直接存取设备：足够大的内存、足够大容量的磁盘；2）较高的通道能力以支持对外存的频繁访问；3）足够数量的脱机存储介质，如硬盘、磁带，存放数据库备份。2．数据库集合包括若于个设计合理、满足应用需要的数据库。数据库由DBMS通过操作系统读写。3．系统软件：1）操作系统；2）数据库管理系统(DBMS)：数据库系统的核心组成部分；3）应用程序开发应用系统，其他程序设计语言及工具软件。数据库系统的组成DBMS的主要功能（补充）数据定义功能:提供数据定义语言(DDL)定义数据库中的数据对象数据操纵功能:提供数据操纵语言(DML)操纵数据实现对数据库的基本操作(查询、插入、删除和修改)数据库和数据库系统数据库：是数据的汇集，它以一定的组织形式存于存储介质上。DBMS：是管理数据库的系统软件，它实现数据库系统的各种功能。是数据库系统的核心。DBA：负责数据库的规划、设计、协调、维护和管理等工作。应用程序：指以数据库为基础的应用程序。相关人员数据库用应系统DBMSOS硬件DBMS的主要功能数据库的运行管理保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用发生故障后的系统恢复数据库的建立和维护功能(实用程序)数据库数据批量装载数据库转储介质故障恢复数据库的重组织性能监视等4．数据库管理员对于较大规模的数据库系统必须有专人全面负责建立、维护和管理数据库系统。承担此任务的人员称为数据库管理员DBA(DatabaseAdministrator)。数据库管理员的职责包括：定义并存储数据库的内容，监督和控制数据库的使用，负责数据库的日常维护，必要时重新组织和改进数据库。5．用户数据库系统的用户分为两类：1）最终用户，主要对数据库进行联机查询或通过数据库应用系统提供的界面来使用数据库。2）专业用户，即应用程序员。他们负责设计应用系统的程序，为最终用户开发适用的数据库应用系统。2、数据库系统的结构数据库系统的三级模式结构通常DBMS把数据库从逻辑上分为三级，即外模式或子模式、模式和内模式，它们分别反映了看待数据库的三个角度。三级模式结构如图1.7所示应用1应用2应用n……外模式1……外模式m子模式/模式映象模式模式/内模式映象内模式数据库模式模式（Schema）是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，又称概念模式或概念视图、视图。视图可理解为一组记录的值，用户或程序员看到和使用的数据库的内容。模式处于三级结构的中间层，它是整个数据库实际存储的抽象表示，也是对现实世界的一个抽象，是现实世界某应用环境（企业或单位）的所有信息内容集合的表示，也是所有个别用户视图综合起来的结果，所以又称用户共同视图。它表示了数据库的整体数据。由多个“概念记录”组成，包含数据库的所有信息，也称“概念数据库”、“DBA视图”。DBMS提供模式描述语言（模式DDL）来定义模式。外模式又称子模式或用户模式或外视图，是三级结构的最外层，个别用户只对整个数据库的一部分感兴趣，所以外视图是个别用户看到和使用的数据库内容，因此也常把外视图称为用户数据库。它由多种外记录值构成，这些记录值是概念视图的某一部分的抽象表示。即个别用户看到和使用的数据库内容，也称“用户DB”。由多个“外记录值”组成，是概念视图的某一部分的抽象表示。从逻辑关系上看，外模式包含于概念模式。DBMS提供子模式描述语言（子模式DDL）来定义子模式。3.内模式又称存储模式或内视图，是三级结构中的最内