数据库技术与应用(SQLServer)课件.ppt

数据库技术及应用,教材及参考书目,教材： 数据库技术与应用（SQL Server） 顾兵，清华大学出版社 参考书： 1Database System Concepts，Abraham Silberschats，机械工业出版社。 2数据库系统概论，王珊、萨斯萱编，高等教育出版社。,上机软件： Microsoft SQL Server 2005,成绩计算,平时成绩：30% 平时成绩=考勤10%+作业10%+实验报告10% 期末成绩：70%,第1章 数据库系统概论,本章主要内容,重点难点,数据模型中的实体联系模型（ER模型） 关系模型与关系代数,一、基本概念,数据和信息 数据处理与数据管理 数据库（DB） 数据库管理系统（DBMS） 数据库系统（DBS）,数据与信息,数据 数据的定义 描述事物的符号记录 数据的种类 文本、图形、图像、音频、视频等 信息与数据之间存在着固有的联系：数据是信息的符号表示或称为载体；信息则是数据的内涵，是对数据语义的解释。,数据举例,例如：93是一个数据 语义1：学生某门课的成绩 语义2：某人的体重 语义3：计算机系2003级学生人数 语义4：。,数据举例,学生档案中的学生记录 （李明，男，197205，江苏南京市，计算机系，1990） 语义：学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在院系、入学时间 解释：李明是个男学生，1972年5月出生，江苏南京市人，1990年考入计算机系,数据处理与数据管理,数据处理是指从某些已知的数据出发，推导加工出一些新的数据，这些新的数据又表示了新的信息。 数据管理是指数据的收集、整理、组织、存储、维护、检索、传送等操作，这部分操作是数据处理业务的基本环节，而且是任何数据处理业务中必不可少的共有部分。 数据处理是与数据管理相联系的，数据管理技术的优劣，将直接影响数据处理的效率,数据库,DataBase，简称DB：是长期存储在计算机内、有组织的、统一管理的相互关联的数据集合。 数据库具有以下特点： 数据库可由人工或计算机建立、维护与使用。 数据库是具有逻辑关系和确定意义的数据集合。 可为各种用户共享，具有较小冗余度、数据间联系紧密而又有较高的数据独立性。 针对明确应用目标设计、建立和加载 表现了现实世界的某些方面。,数据库管理系统,Database Management System，简称为DBMS。是位于用户与操作系统（OS）之间的一层数据管理软件，它为用户或应用程序提供访问DB的方法，包括DB的建立、查询、更新及各种数据控制。,数据库管理系统主要功能, 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 数据组织、存储和管理 分类组织、存储和管理各种数据 确定组织数据的文件结构和存取方式 实现数据之间的联系 提供多种存取方法提高存取效率,数据库管理系统主要功能, 数据操纵功能 提供数据操纵语言(DML) 实现对数据库的基本操作(查询、插入、删除和修改) 数据库的事务管理和运行管理 数据库在建立、运行和维护时由DBMS统一管理和控制 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,数据库管理系统主要功能, 数据库的建立和维护功能(实用程序) 数据库初始数据装载转换 数据库转储 介质故障恢复 数据库的重组织 性能监视分析等 其它功能 DBMS与网络中其它软件系统的通信 两个DBMS系统的数据转换 异构数据库之间的互访和互操作,数据库系统,DataBase System，简称为DBS：是实现有组织地、动态地存储大量关联数据、方便多用户访问的计算机硬件、软件和数据资源组成的系统，即它是采用数据库技术的以某一应用领域为应用背景的计算机系统。 数据库系统的构成： 数据库 数据库管理系统(及其开发工具) 应用系统程序 数据库管理员和用户,数据库系统示意图,应用程序,开发工具,数据库管理系统(DBMS),操作系统,数据库管理员,数据库,用户,用户,二、数据库技术的发展,数据库技术的定义： 是由于数据管理任务的需要而产生、用于研究数据库的结构、存储、设计、管理和使用的一门软件学科。 在应用需求的推动下，在计算机硬件技术、软件技术快速发展的基础上，数据管理技术的发展经历了人工管理、文件系统、数据库系统3个阶段。,1.人工管理阶段,时期 20世纪40年代中-50年代中 特点 数据的管理者：用户（程序员），数据不保存在计算机内 数据面向的对象：某一应用程序 数据控制能力：应用程序自己控制 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 ,应用程序与数据的对应关系系(人工管理阶段),2.文件系统阶段,时期： 20世纪60年代 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 数据的结构化：记录内有结构,整体无结构,应用程序与数据的对应关系(文件系统阶段),3.数据库阶段,时间： 20世纪60年代末以来 特点： 数据结构化，即采用数据模型以表示复杂的数据结构 数据共享性高、冗余度低、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,整体数据的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 数据库中实现的是数据的真正结构化 数据的结构用数据模型描述，无需程序定义和解释 数据可以变长 数据的最小存取单位是数据项,数据的共享性高，冗余度低，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存储在磁盘上的数据库中数据是相互独立的。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。,数据由DBMS统一管理和控制, DBMS提供的数据控制功能 (1)数据的安全性（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（Integrity）检查 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 对多用户的并发操作加以控制和协调，防止相互干扰而得到错误的结果。 (4)数据库恢复（Recovery） 将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。,应用程序与数据的对应关系(数据库阶段),三、数据模型,数据模型的有关概念 实体-联系模型 关系模型,1.关于模型的基本概念,模型（Model）：是对现实世界某个对象特征的模拟与抽象。 数据模型（Data Model）：是对现实世界数据特征的抽象。 数据库系统均基于某种数据模型。 数据模型是数据库系统的核心与基础。,数据模型的分类,根据数据模型的不同应用目的，可划分为两类： (1)概念数据模型 它是按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计。 (2) 逻辑模型和物理模型 逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面向对象模型等，按计算机系统的观点对数据建模，用于DBMS实现。 物理模型是对数据最底层的抽象，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。,客观对象的抽象过程-两步抽象 现实世界中的客观对象抽象为概念模型； 把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型。,2.概念模型的表示方法,概念模型是对信息世界建模。 概念模型常用的表示方法：实体-联系方法（Entity-Raletionship Approach）简称E-R模型。 E-R模型是用E-R图来描述现实世界的概念模型。,E-R图基本成份,矩形框：用于表示实体类型（考虑问题的对象）。 菱形框：用于表示联系类型（实体间联系）。 椭圆形框：用于表示实体类型和联系类型的属性。 惟一标识实体的属性：加下划线。,概念设计中的数据描述,概念描述：根据用户的需求设计数据库的概念结构，与具体的DBMS无关。 实体（entity）：客观存在，可以相互区别的事物。 实体集（entity set）：性质相同的同类实体的集合。 属性（attribute）：实体每一个特性称为属性。每个属性有一个值域。 实体标识符（identifier）：能惟一标识实体的属性或属性集，称为实体标识符。也称关键码（key），或简称为键。,数据联系的描述,联系（relationship）是实体之间的相互关系。与一个联系有关的实体集个数，称为联系的元数。 联系可用实体所组成的元组表示： （e1,e2,en）,当n=2,称为二元联系。,二元联系中实体关系（1）,一对一联系：如果实体集E1中每个实体至多和实体集E2中的一个实体有联系，反之亦然，那么实体集E1和E2的联系称为“一对一联系”，记为“1:1”。,E1,E2,二元联系中实体关系（2）,一对多联系：如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意个（零个或多个）实体间有联系，而E2中每个实体至多和E1中一个实体有联系，那么称E1对E2的联系是“一对多联系”，记为“1:N”。,二元联系中实体关系（3）,多对多联系：如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联系，反之亦然，那么称E1和E2的联系是“多对多联系”，记为“M:N”。,实体间联系示例,多元联系,两个以上实体型之间一对多联系,多元联系,两个以上实体型间的多对多联系, 实例 供应商、项目、零件三个实体型 一个供应商可以供给多个项目多种零件 每个项目可以使用多个供应商供应的零件 每种零件可由不同供应商供给,单个实体内的联系,同一实体集内各实体之间也可以存在一对一、一对多、多对多的联系。,ER模型的设计实例,工程管理：根据需要向供应商订购零件，工程项目需要供应商提供零件 分析过程： 实体类型：零件PART，工程项目PROJECT，零件供应商SUPPLIER。 确定联系类型：PROJECT和PART之间是M:N联系，PART和SUPPLIER之间也是M:N联系，分别命名为P_P和P_S. 确定实体类型和联系类型的属性。 把实体类型和联系类型组合成ER图。 确定实体类型的键。,确定属性、键及组合E-R图,用E-R图表示某个工厂物资管理的概念模型 实体： 仓库：仓库号、面积、电话号码 零件：零件号、名称、规格、单价、描述 供应商：供应商号、姓名、地址、电话号码、帐号 项目：项目号、预算、开工日期 职工：职工号、姓名、年龄、职称 说明： (1)一个仓库可以存放多种零件，一种零件可以存放在多个仓库中。用库存量来表示某种零件在某个仓库中的数量。 (2)一个仓库有多个职工当仓库保管员，一个职工只能在一个仓库工作。 (3)职工之间具有领导-被领导关系。 (4)一个供应商可以供给多个项目多种零件,每个项目可以使用多个供应商供应的零件,每种零件可由不同供应商供给。,3.常用的逻辑数据模型,目前数据库中常用的逻辑数据模型有； 层次模型(Hierarchical Model) 网状模型(Network Model) 关系模型(Relational Model) 面向对象模型(Object Oriented Model),关系模型,近三十年来，关系数据库产品占有主导地位。 关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式。 关系模型成为目前最重要的数据模型。 当前，数据库领域的研究也是以关系方法为基础。,关系模型的数据结构,关系模型由一组关系组成。 每个关系的数据结构是一张规范的二维表。,关系模型中的术语,关系(Relation)：即所说的规范的二维表。 元组(Tuple)：表中的一行（一条记录）。 属性(Attribute)：表中的一列。 主关键字(Key)：可惟一标识一个元组的属性组。 域(Domain)：属性的取值范围。 分量：元组中的一个属性值。 关系模式(Relation Schema)：对关系的描述。可表示为： 关系名(属性1,属性2,属性3,),例1 定义如下关系模型 学生、系，系与学生之间的一对多联系： 学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级） 系(系号，系名，办公地点) 例2 定义如下关系模型 系、系主任，系与系主任间的一对一联系 系(系号，系名，办公地点) 系主任(系号，姓名),例3定义如下关系模型 学生、课程、学生与课程之间的多对多联系： 学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级） 课程（课程号，课程名，学分） 选修（学号，课程号，成绩）,关系必须是规范化的，满足一定的规范条件 最基本的规范条件：关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项,不允许表中还有表 下图中工资和扣除是可分的数据项,不符合关系模型要求,术语对比,四、关系模型与关系数据库,采用关系模型作为数据的组织方式的数据库系统称为关系数据库。 关系数据库目前仍是数据库应用中的主流技术。,1.关系的数学定义,域（Domain）：一组具有相同数据类型的值的集合。 例： 整数 实数 介于某个取值范围的整数 长度指定长度的字符串集合 男，女 ,笛卡尔积（Cartesian Product）： 给定一组域D1，D2，D3，Dn，则这些域的笛卡尔积为：D1D2D3Dn=(d1,d2,d3,dn)|diDj,i=1,2,n 所有域的所有取值的一个组合 不能重复 例： D1=导师集合Supervisor=张清玫，刘逸 D2=专业集合Speciality=计算机专业，信息专业 D3=研究生集合Postgraduate=李勇，刘层，王敏,笛卡尔积, 笛卡尔积的表示方法 笛卡尔积可表示为一个二维表 表中的每行对应一个元组，表中的每列对应一个域, 元组（Tuple） 笛卡尔积中每一个元素（d1，d2，dn）叫作一个n元组（n-tuple）或简称元组(Tuple) (张清玫，计算机专业，李勇)、(张清玫，计算机专业，刘晨)等都是元组 分量（Component） 笛卡尔积元素（d1，d2，dn）中的每一个值di叫作一个分量 张清玫、计算机专业、李勇、刘晨等都是分量, 基数（Cardinal number） 若Di（i1，2，n）为有限集，其基数为mi（i1，2，n），则D1D2Dn的基数M为：,思考,关于学生选课，给出3个域： D1：STUDENT=0105,0206,0312 D2：COURSE=COM,MAT,ENG D3：TEACHER=WU,LIU,ZHANG 说出D1,D2,D3这3个域的笛卡尔积的部分内容； 说出上述笛卡尔积的基数。,关系（Relation）结构,定义：D1D2Dn的子集称为在域D1、D2 、， Dn上的关系，表示为： R(D1,D2 , Dn) 其中：R：关系名； n：关系的目或度(Degree)。 因为关系是笛卡尔积的子集（这一部分元组是有实际意义的），因此关系也是一个二维表。,SAP关系,2.关系代数,关系代数是一种抽象的查询语言，它通过关系的运算来表达查询。 关系代数的运算分为： 传统的集合运算：并、交、差和笛卡尔积 专门的关系运算：选择、投影、连接和除,关系运算符,辅助运算符,传统的集合运算,并（Union） R和S 具有相同的目n（即两个关系都有n个属性） 相应的属性取自同一个域 RS 仍为n目关系，由属于R或属于S的元组组成 RS =ttR tS,差（Difference） R和S 具有相同的目n 相应的属性取自同一个域 R - S 仍为n目关系，由属于R而不属于S的所有元组组成 R -S =ttR tS,交（Intersection） R和S 具有相同的目n 相应的属性取自同一个域 RS 仍为n目关系，由既属于R又属于S的元组组成 RS = ttR tS RS = R (R-S）,笛卡尔积（Cartesian Product） R: n目关系，k1个元组 S: m目关系，k2个元组 RS 列：（n+m）列元组的集合 元组的前n列是关系R的一个元组 后m列是关系S的一个元组 行：k1k2个元组,选择、投影、连接、除 学生-课程数据库: 学生关系Student、课程关系Course和选修关系SC,专门的关系运算,1. 选择（Selection）,1) 选择又称为限制（Restriction） 2) 选择运算符的含义 在关系R中选择满足给定条件的诸元组，记作： F(R) F：选择条件，是一个逻辑表达式，基本形式为： X1Y1 其中表示比较运算符，可是=、=、=等； X1、Y1等是属性名，或为常量；属性名也可以用它的序号来代替。,3) 选择运算是从关系R中选取使逻辑表达式F为真的元组，是从行的角度进行的运算,2. 投影（Projection）,1）投影运算符的含义 从R中选择出若干属性列组成新的关系 ai,aj(R) ai,aj为R中的属性列 2）投影操作主要是从列的角度进行运算 但投影之后不仅取消了原关系中的某些列，而且还可能取消某些元组（避免重复行）,3. 连接（Join）,1）连接也称为连接 2）连接运算的含义 从两个关系的笛卡尔积中选取属性间满足一定条件的元组，记作 A和B：分别为R和S上度数相等且可比的属性组 ：比较运算符 连接运算从R和S的广义笛卡尔积RS中选取（R关系）在A属性组上的值与（S关系）在B属性组上值满足比较关系的元组,3）两类常用连接运算 等值连接（equijoin） 什么是等值连接 为“”的连接运算称为等值连接 等值连接的含义 从关系R与S的广义笛卡尔积中选取A、B属性值相等的那些元组，即等值连接为：,自然连接（Natural join） 自然连接是一种特殊的等值连接 两个关系中进行比较的分量必须是相同的属性组 在结果中把重复的属性列去掉 自然连接的含义 R和S具有相同的属性组B,4）一般的连接操作是从行的角度进行运算。 自然连接还需要取消重复列，所以是同时从行和列的角度进行运算。,例5关系R和关系S 如下所示：,4. 除（Division）,给定关系R (X，Y) 和S (Y，Z)，其中X，Y，Z为属性组。 R中的Y与S中的Y可以有不同的属性名，但必须出自相同的域集。 R与S的除运算得到一个新的关系P(X)， P是R中满足下列条件的元组在X 属性列上的投影： 元组在X上分量值x的象集Yx包含S在Y上投影的集合，记作：,除操作是同时从行和列角度进行运算,例6设关系R、S分别为下图的(a)和(b)，RS的结果为图(c),分析, 在关系R中，A可以取四个值a1，a2，a3，a4 a1的象集为(b1，c2)，(b2，c3)，(b2，c1) a2的象集为(b3，c7)，(b2，c3) a3的象集为(b4，c6) a4的象集为(b6，c6) S在(B，C)上的投影为 (b1，c2)，(b2，c1)，(b2，c3) 只有a1的象集包含了S在(B，C)属性组上的投影 所以RS =a1,关系R、S如下表所示，R(Al,A2(13(S)的结果为_。 A.d B. c，d C.c，d，8 D. (a,b)，(b，a)，(c，d)，(d，f),综合举例,以学生-课程数据库为例 例7 查询至少选修1号课程和3号课程的学生号码 首先建立一个临时关系K： 然后求：,例8 查询选修了2号课程的学生的学号。,例9 查询至少选修了一门其直接先行课为5号课程的的学生姓名,例10 查询选修了全部课程的学生号码和姓名。,关系代数运算的应用举例,设教学数据库中的4个基本关系如下： 教师关系 T(T#,Tname,Title) 课程关系 C(C#,Cname,T#) 学生关系 S(S#,Sname,Age,Sex) 选课关系 SC(S#,C#,Score),运算举例,学习课程号为C2课程的学生学号与成绩 学习课程号为C2课程的学生学号与姓名 至少选修Liu老师所授课程中一门课程的学生学号与姓名 选修课程号为C2或C4的学生学号 至少选修课程号为C2和C4的学生学号 不学C2课程的学生姓名与年龄 学习全部课程的学生姓名 所学课程中包含学生S3所学课程的学生学号,教师关系 T(T#,Tname,Title) 课程关系 C(C#,Cname,T#) 学生关系 S(S#,Sname,Age,Sex) 选课关系 SC(S#,C#,Score),Answer,S#.Score(C# = C2 (SC) ) S#.Sname(C# = C2 (S SC) ) S#.Sname(Tname = Liu (S SC C T) ) S#.(C# = C2 C# = C4 (SC) ) 1(1=42=C2 5=C4 (SC SC) ) Sname,age(S)- Sname,age(C# = C2 (S SC) ) Sname(S (S#,C# (SC) C# (C) S#,C# (SC) C# (S# = S3 (SC),五、数据库体系结构,数据库系统的三级模式结构 数据库的二级映像功能与数据独立性,数据库系统的三级模式结构,模式（Schema） 外模式（External Schema） 内模式（Internal Schema）,数据库系统的三级模式结构,一、模式（Schema）,模式（也称逻辑模式） 数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述 所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求 一个数据库只有一个模式 模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层 与数据的物理存储细节和硬件环境无关 与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关,模式定义 数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等） 数据之间的联系 数据有关的安全性、完整性要求,二、外模式（External Schema）,外模式（也称子模式或用户模式） 数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述 数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示,外模式的