第1章--数据库系统概述

数据库原理与应用基础中国农业大学李辉第1章数据库系统概述第1章数据库系统概述数据与数据管理技术数据库系统的特点及组成数据库系统结构知识点小结第1章数据库系统概述数据库技术是计算机学科的重要分支，产生于20世纪60年代末70年代初，其主要目的是研究如何对数据资源进行有效管理和存取，提供可共享、安全、可靠的信息。数据库从概念的提出到现在，已经形成了坚实的理论基础、成熟的商业产品和广泛的应用领域，是计算机领域发展最快的技术之一。本章主要介绍数据、数据管理、数据库、数据管理技术的发展、数据库系统的基本概念和系统结构等，为后面各章的学习奠定基础。第1章数据库系统概述数据与数据管理技术数据库系统的特点及组成数据库系统结构知识点小结数据与数据管理技术数据库的基本概念1.数据与信息2.数据库3.数据库管理系统4.数据库系统数据管理技术的发展1.人工管理2.文件系统管理3.数据库系统管理数据与信息引入数据库技术的目的就是为了高效地管理及共享大量的信息，而信息与数据是分不开的。数据：定义：描述事物的符号记录，也是数据库中存储、用户操纵的基本对象。类型：数据不仅是数值，而且可以是文字、图形、动画、声音、视频等。数据是信息的符号表示。数据与信息数据的特性：数据是有“型”和“值”之分。数据的型是指数据的结构，数据的值是指数据的具体取值。数据有定性表示和定量表示之分。数据受数据类型和取值范围的约束。数据类型是针对不同的应用场合设计的数据约束。数据类型不同，则数据的表示形式、存储方式以及能进行的操作运算也是各不相同。数据具有载体和多种表现形式。数据与信息信息：定义：信息是有一定含义的，经过加工处理的，对决策有价值的数据。信息是对现实世界中存在的客观实体、现象、联系进行描述的有特定语义的数据，它是人类共享的一切知识及客观加工提炼出的各种消息的总和。数据与信息信息和数据既有联系，又有区别。在数据库领域，通常处理的是像学生记录这样的数据，它是有结构的，称之为结构化数据。正因为如此，通常对数据和信息不作严格区分。信息与数据的关系可以归纳为：数据是信息的载体，信息是数据的内涵。即数据是信息的符号表示，而信息通过数据描述，又是数据语义的解释。数据与信息数据处理：定义：又称为信息处理，是指对各种形式的数据进行收集、存储、传播和加工直至产生新信息输出的全过程。目的：一是借助计算机科学地保存和管理大量复杂的数据，以方便而充分地利用这些宝贵的信息资源；二是从大量已知的表示某些信息的原始数据出发，抽取、导出对人们有价值的、新的信息。数据与信息例如，为了统计每个班的男生和女生的人数，首先要获取所有学生的基本数据，如图1-1左表所示，通过数据处理，产生如图1-1右表所示的汇总信息，从中可以看到，1701和1703两个班的男生人数均为两人，女生人数均为一人。数据与信息数据管理：是数据处理的中心问题，是指数据的收集、整理、组织、存储、查询、维护和传送等各种操作，也是数据处理的基本环节，是数据处理必有的共性部分。数据处理和数据管理是相互联系的，数据管理中各种操作都是数据处理业务必不可少的基本环节，数据管理技术的好坏，直接影响到数据处理的效率。数据库（DataBase,DB）数据库：起源：起源于20世纪中叶，当时美军为作战指挥需要建立起了一个高级军事情报基地，把收集到的各种情报存储在计算机中，并称之为“数据库”。定义：数据库(DataBase，DB)是按照一定结构组织并长期存储在计算机内的、可共享的大量数据的集合。概括起来说，数据库具有永久存储、有组织和可共享三个基本特点。数据库概念的理解(1)数据库中的数据是按照一定的结构——数据模型来进行组织的，即数据间有一定的联系以及数据有语义解释。数据与对数据的解释是密不可分的。例如，2017，若描述一个学生的入学日期，表示2017年；若描述山的高度则表示2017米。(2)数据库的存储介质通常是硬盘，其他介质：光盘、U盘等，可大量地、长期地存储及高效地使用。(3)数据库中的数据能为众多用户所共享，能方便地为不同的应用服务。比如资讯平台。数据库概念的理解（续）(4)数据库是一个有机的数据集成体，它由多种应用的数据集成而来，故具有较少的冗余、较高的数据独立性。(5)数据库由用户数据库和系统数据库（即数据字典，对数据库结构的描述）两大部分组成。数据独立性：数据与程序间的互不依赖性。包括物理独立性和逻辑独立性。数据字典：对数据库结构的描述，是关于系统数据的数据库，通过它能有效地控制和管理用户数据库。数据库管理系统（DBMS）数据库管理系统(DatabaseManagementSystem，DBMS):定义：位于用户和操作系统之间的一层数据管理软件，是数据库和用户之间的一个接口。属性：数据库管理系统和操作系统一样都属于计算机的基础软件，也是一个大型复杂的软件系统。作用：主要作用是在数据库建立、运行和维护时对数据库进行统一的管理控制和提供数据服务。是数据库系统的一个重要组成部分对数据库管理系统的理解(1)从操作系统角度。DBMS是使用者，它建立在操作系统的基础之上，需要操作系统提供底层服务，如创建进程、读写磁盘文件、CPU和内存管理等。(2)从数据库角度。DBMS是管理者，是数据库系统的核心，是为数据库的建立、使用和维护而配置的系统软件，负责对数据库进行统一的管理和控制。(3)从用户角度。DBMS是工具或桥梁，是位于操作系统与用户之间的一层数据管理软件。用户发出的或应用程序中的各种操作数据库的命令，都要通过它来执行。(4)产业化的DBMS称为数据库产品，常用的数据库产品有Oracle、MySQL、SQLServer、DB2等。数据库管理系统的功能(1)数据定义功能。DBMS提供数据定义语言(DataDefinitionLanguage，简称DDL)，用户通过它可以方便地对数据库中的数据对象进行定义，比如数据库表结构的定义。(2)数据操纵功能。DBMS还提供数据操纵语言(DataManipulationLanguage，简称DML)，用户可以使用DML操纵以数据以实现对数据库的基本操作，如查询、插入、删除和修改等。数据库管理系统的功能（续）(3)数据库的运行管理。数据库在建立、运用和维护时由数据库管理系统统一管理、统一控制，以保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用及发生故障后的系统恢复。(4)数据库的建立和维护功能。数据库的建立是指对数据库各种数据的组织、存储、输入、转换等，包括以何种文件结构和存储方式组织数据，如何实现数据之间的联系等。数据库的维护是指通过对数据的并发控制、完整性控制和安全性保护等策略，以保证数据的安全性和完整性，并且在系统发生故障后能及时回复到正确的状态。数据库系统（DBS）数据库系统(DataBaseSystem，DBS):定义：指计算机引入数据库后的系统作用：能够有组织地、动态地存储大量的数据，提供数据处理和数据共享机制组成：一般由硬件系统、软件系统、数据库和人员组成由于数据库的建立、使用和维护等工作只能靠一个DBMS是不够的，还需要专门的专业人员协助完成简化表示：DBS=计算机系统（硬件、软件平台、人）+DBMS+DB数据库系统（DBS）数据库系统包含了数据库、DBMS、软件平台与硬件支撑环境及各类人员；DBMS在操作系统(OperatingSystem,OS)的支持下，对数据库进行管理与维护，并提供用户对数据库的操作接口。DB、DBMS、DBS之间的关系如右图所示。信息系统（IS）信息系统(lnformationSystem，IS):由计算机硬件、网络和通信设备、计算机软件、信息资源、信息用户等组成的以处理信息流为目的的人机一体化系统。以提供信息服务为主要目的数据密集型、人机交互的计算机应用系统。具有对信息进行加工处理、储存和传递，同时具有预测、控制和决策等功能。信息系统（续）信息系统的5个基本功能是输入、存储、处理、输出和控制。一个完整的信息系统应包括控制与自动化系统、辅助决策系统、数据库（含知识库）系统以及与外界交换信息的接口等，它是一个综合、动态的管理系统。分类：从信息系统的发展和系统特点来看，可大致分为数据处理系统、管理信息系统、决策支持系统、虚拟现实系统、专家或智能系统等类型。数据库系统是信息系统的重要基石。数据与数据管理技术数据库的基本概念1.数据与信息2.数据库3.数据库管理系统4.数据库系统数据管理技术的发展1.人工管理2.文件系统管理3.数据库系统管理数据管理技术的发展目前，在计算机的各类应用中，用于数据处理的约占80%。数据处理是指对数据进行收集、管理、加工、传播等一系列工作。其中，数据管理是研究如何对数据分类、组织、编码、存储、检索和维护的一门技术，其优劣直接影响数据处理的效率，因此它是数据处理的核心。数据库理论技术是应数据管理的需求而产生的，而数据管理又是随着计算机技术的发展而完善的。数据管理技术经历了人工管理、文件系统管理、数据库系统管理阶段，随着新技术的发展，其研究与应用已迈向高级数据库系统阶段。人工管理阶段是计算机数据管理的初级阶段时期：20世纪50年代中之前产生背景：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：批处理人工管理阶段（续）特点：数据的管理者：应用程序，数据不保存数据面向的对象：某一应用程序数据的共享程度：无共享、冗余度极大数据的独立性：不独立，完全依赖于程序数据的结构化：无结构数据控制能力：应用程序自己控制人工管理阶段（续）程序和数据之间的关系：文件系统管理阶段时期：20世纪50年代末--60年代中产生背景：应用需求：科学计算、数据管理硬件水平：磁盘、磁鼓软件水平：有文件系统处理方式：联机实时处理、批处理文件系统管理阶段（续）特点：•数据的管理者：文件系统，数据可长期保存•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：应用程序自己控制文件系统管理阶段（续）程序和数据之间的关系：数据库系统管理阶段时期：20世纪60年代末以来产生背景：应用背景：大规模管理硬件背景：大容量磁盘、磁盘阵列软件背景：有数据库管理系统处理方式：联机实时处理，分布处理，批处理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阶段（续）程序和数据之间的关系：数据库管理系统（DBMS）操纵数据库中的数据，对数据库进行统一控制数据管理3个阶段的比较数据管理3个阶段的比较（续）第1章数据库系统概述数据与数据管理技术数据库系统的特点及组成数据库系统结构知识点小结数据库系统的特点数据结构化数据的共享性高，冗余度低且易扩充数据独立性高数据由DBMS统一管理和控制数据结构化数据的整体结构化是数据库的主要特征之一整体结构化不再仅仅针对某一个应用，而是面向全组织不仅数据内部结构化，整体是结构化的，数据之间具有联系数据记录可以变长数据的最小存取单位是数据项数据的结构用数据模型描述，无需应用程序定义数据的共享性高，冗余度低且易扩充数据库系统从整体角度看待和描述数据数据面向整个系统，可以被多个用户、多个应用共享使用。数据共享的好处减少数据冗余，节约存储空间避免数据之间的不相容性与不一致性使系统易于扩充数据独立性高物理独立性指用户的应用程序与数据库中数据的物理存储是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。逻辑独立性指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，用户程序也可以不变。数据独立性由数据库管理系统的二级映像功能来保证数据由DBMS统一管理和控制数据由DBMS统一管理和控制，用户和应用程序通过DBMS访问和使用数据库。数据库的共享是并发的共享，即多个用户可以同时存