第一章数据库导论(2)

1、An Introduction to Database Systems1/80第一章 绪论(下)1.1 数据库系统概述数据库系统概述1.2 数据模型数据模型1.3 数据库系统结构数据库系统结构1.4 数据库系统的组成数据库系统的组成1.5 小结小结An Introduction to Database Systems2/80 1.2 数据模型 1.2.1 两大类数据模型两大类数据模型 1.2.2 数据模型的组成要素数据模型的组成要素 1.2.3 概念模型概念模型 1.2.4 最常用的数据模型最常用的数据模型 1.2.5 层次模型层次模型 1.2.6 网状模型网状模型 1.2.7 关系模型关系模

2、型An Introduction to Database Systems3/80 1.2.4 最常用的数据模型o非关系模型n层次模型(Hierarchical Model)n网状模型(Network Model)o关系模型(Relational Model) o面向对象模型(Object Oriented Model）o对象关系模型(Object Relational Model)An Introduction to Database Systems4/801.2.5 层次模型o层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型 o层次数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS（Information M

3、anagement System）数据库管理系统o层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系 An Introduction to Database Systems5/80一、 层次数据模型的数据结构o层次模型满足满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型1. 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点2. 根以外的其它结点有且只有一个双亲结点根以外的其它结点有且只有一个双亲结点o层次模型中的几个术语n根结点，双亲结点，兄弟结点，叶结点根结点，双亲结点，兄弟结点，叶结点An Introdu

4、ction to Database Systems6/80层次数据模型的数据结构(续) 1 根结点根结点 2 兄弟结点兄弟结点 3 叶结点叶结点 4 兄弟结点兄弟结点 5 叶结点叶结点 叶结点叶结点图图1.16 一个层次模型的示例一个层次模型的示例An Introduction to Database Systems7/80层次数据模型的数据结构(续)o层次模型的特点：n结点的双亲是唯一的结点的双亲是唯一的n只能直接处理只能直接处理一对多一对多的实体联系的实体联系n每个记录类型可以定义一个每个记录类型可以定义一个排序字段排序字段，也称为，也称为码字段码字段n任何记录值只有任何记录值只有按其路径

5、查看时，才能显出它的全部意义按其路径查看时，才能显出它的全部意义n没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在An Introduction to Database Systems8/80层次数据模型的数据结构(续)图1.17 教员学生层次数据库模型 根结点根结点记录型系的子女结点记录型系的子女结点记录型教员的双亲结点记录型教员的双亲结点叶结点叶结点叶结点叶结点字段字段An Introduction to Database Systems9/80层次数据模型的数据结构(续)图1.18 教员学生层次数据库的一个值 An Introduction t

6、o Database Systems10/80二、多对多联系在层次模型中的表示o多对多联系在层次模型中的表示n用层次模型用层次模型间接间接表示多对多联系表示多对多联系n方法方法将多对多联系将多对多联系分解分解成一对多联系成一对多联系n分解方法分解方法o冗余结点法冗余结点法o虚拟结点法虚拟结点法An Introduction to Database Systems11/80冗余结点法冗余结点法学生学生课程课程 优点优点：结构清晰，存储位置可以改变； 缺点缺点：需要额外的存储空间，有可能导致不一致性。An Introduction to Database Systems12/80虚拟结点法虚拟结点

7、法 优点优点：节省空间，避免数据不一致性； 缺点缺点：改变存储位置需要修改虚拟结点中的指针。An Introduction to Database Systems13/80三、层次模型的数据操纵与完整性约束 o层次模型的数据操纵层次模型的数据操纵n查询n插入n删除n更新 An Introduction to Database Systems14/80层次模型的数据操纵与完整性约束（续）o层次模型的完整性约束条件层次模型的完整性约束条件 n无相应的双亲结点值就不能插入子女结点值n如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除n更新操作时，应更新所有相应记录，以保证数据的一致性An Intro

8、duction to Database Systems15/80四、层次数据模型的存储结构-邻接法o邻接法: 按照层次树前序遍历的顺序把所有记录值依次邻接存放，即通过物理空间的位置相邻来实现层次顺序。o按邻接法存放图1.20（b）中以根记录A1为首的层次记录实例集 图图1.20 层次数据库及其实例层次数据库及其实例 顺序存储结构顺序存储结构An Introduction to Database Systems16/80层次数据模型的存储结构-子女子女-兄弟链接兄弟链接法法每个记录设两类指针，分别指向最左边的子女（每个记录型对应一个，长子）和最近的兄弟。An Introduction to Da

9、tabase Systems17/80层次数据模型的存储结构-链接法o层次序列链接层次序列链接法法:按树的前序穿越顺序链接各记录值。An Introduction to Database Systems18/80五、层次模型的优缺点o优点优点n层次模型的层次模型的数据结构比较简单清晰数据结构比较简单清晰 n查询效率高查询效率高，性能优于关系模型，不低于网状模型，性能优于关系模型，不低于网状模型n层次数据模型提供了层次数据模型提供了良好的完整性支持良好的完整性支持o缺点缺点n多对多多对多联系表示不自然联系表示不自然n对插入和删除操作的限制多，对插入和删除操作的限制多，应用程序的编写比较复杂应用程

10、序的编写比较复杂 n查询查询子女结点必须通过双亲结点子女结点必须通过双亲结点n由于结构严密，由于结构严密，层次命令趋于程序化层次命令趋于程序化 An Introduction to Database Systems19/80 1.2 数据模型 1.2.1 两大类数据模型两大类数据模型 1.2.2 数据模型的组成要素数据模型的组成要素 1.2.3 概念模型概念模型 1.2.4 最常用的数据模型最常用的数据模型 1.2.5 层次模型层次模型 1.2.6 网状模型网状模型 1.2.7 关系模型关系模型An Introduction to Database Systems20/801.2.6 网状模型

11、o网状数据库系统采用网状数据库系统采用网状模型网状模型作为数据的组织方式作为数据的组织方式 o典型代表是典型代表是DBTG系统：系统：n亦称CODASYL系统n70年代由DBTG提出的一个系统方案n奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术o实际系统实际系统nCullinet Software Inc.公司的 IDMSnUnivac公司的 DMS1100nHoneywell公司的IDS/2nHP公司的IMAGEAn Introduction to Database Systems21/801.网状数据模型的数据结构o网状模型1. 允许一个以上的结点无双亲；允许一个以上的结点无双亲；2. 一个结点可

12、以有多于一个的双亲一个结点可以有多于一个的双亲。o表示方法(与层次数据模型相同)n实体型实体型：用记录类型描述，每个结点表示一个记录类：用记录类型描述，每个结点表示一个记录类型（实体）型（实体）n属性属性：用字段描述，每个记录类型可包含若干个字段：用字段描述，每个记录类型可包含若干个字段n联系联系：用结点之间的连线表示记录类型（实体）之间：用结点之间的连线表示记录类型（实体）之间的的一对多的父子联系一对多的父子联系An Introduction to Database Systems22/80网状数据模型的数据结构（续）o网状模型与层次模型的区别n网状模型允许多个结点网状模型允许多个结点没有双

13、亲结点没有双亲结点n网状模型允许结点有网状模型允许结点有多个双亲结点多个双亲结点n网状模型允许网状模型允许两个结点之间有多种联系两个结点之间有多种联系（复合联系）（复合联系）n网状模型可以网状模型可以更直接地去描述现实更直接地去描述现实世界世界层次模型实际上是网状模型的一个层次模型实际上是网状模型的一个特例特例An Introduction to Database Systems23/80网状数据模型的数据结构（续）v网状模型中子女结点与双亲结点的联系可以不唯一网状模型中子女结点与双亲结点的联系可以不唯一要为每个联系命名要为每个联系命名，并指出与该联系有关的双亲记录和，并指出与该联系有关的双亲

14、记录和子女记录子女记录 R1与与R3之间的之间的联系联系L1R2与与R3之间的之间的联系联系L2 An Introduction to Database Systems24/80网状数据模型的数据结构（续）网状模型的例子 An Introduction to Database Systems25/80网状数据模型的数据结构（续）多对多联系在网状模型中的表示n用网状模型用网状模型间接间接表示多对多联系表示多对多联系n方法：将多对多联系方法：将多对多联系直接直接分解成一对多联系分解成一对多联系An Introduction to Database Systems26/80网状数据模型的数据结构（续

15、）例如：一个学生可以选修若干门课程，某一课程可以被多个学生选修，学生与课程之间是多对多联系 o引进一个学生选课的联结记录，由3个数据项组成：学号，课程号，成绩，表示某个学生选修某一门课程及其成绩 图1.24 学生/选课/课程的网状数据模型 An Introduction to Database Systems27/80三、网状数据模型的存储结构o关键n实现记录之间的联系实现记录之间的联系o常用方法n单向链接单向链接n双向链接双向链接n环状链接环状链接n向首链接向首链接An Introduction to Database Systems28/80网状数据模型的存储结构（续）图1.25 学生/选

16、课/课程的网状数据库实例 学生记录学生记录课程记录课程记录选课记录选课记录An Introduction to Database Systems29/80四、网状数据模型的优缺点o优点n能够能够更为直接更为直接地描述现实世界，如一个结点可以有地描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲多个双亲n具有具有良好的性能良好的性能，存取，存取效率效率较高较高o缺点n结构比较结构比较复杂复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握n操作复杂操作复杂：DDL、DML语言复杂，用户不容易使用语言复杂，用户

17、不容易使用An Introduction to Database Systems30/80 1.2 数据模型 1.2.1 两大类数据模型两大类数据模型 1.2.2 数据模型的组成要素数据模型的组成要素 1.2.3 概念模型概念模型 1.2.4 最常用的数据模型最常用的数据模型 1.2.5 层次模型层次模型 1.2.6 网状模型网状模型 1.2.7 关系模型关系模型An Introduction to Database Systems31/801.2.7 关系模型o关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式 o1970年美国IBM公司San Jose研究室的研究员E.F.Codd首次提出了数据

18、库系统的关系模型 o计算机厂商新推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型 nOraclenDB2nSybase, SQL Server, InfomixAn Introduction to Database Systems32/80一、关系数据模型的数据结构 o在在用户观点用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。它由行和列组成。学 号姓 名年 龄性 别系 名年 级2005004王小明19女社会学20052005006黄大鹏20男商品学20052005008张文斌18女法律2005学生登记表学生登记表属性属性元组元组An Intr

19、oduction to Database Systems33/80关系数据模型的数据结构（续）o关系（关系（Relation）一个关系对应通常说的一张表o元组（元组（Tuple）表中的一行即为一个元组o属性（属性（Attribute） 表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名An Introduction to Database Systems34/80关系数据模型的数据结构（续）o主码（主码（Key）表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。o域（域（Domain）属性的取值范围。o分量分量元组中的一个属性值。o关系模式关系模式对关系的描述关系名（属性1，属性2，属性n）学生（

20、学号，姓名，年龄，性别，系，年级）An Introduction to Database Systems35/80关系数据模型的数据结构（续）例1： 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）学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）系系 ( (系号，系名，办公地点系号，系名，办公地点) )例2： 系、系主任、系与系主任间的一对一联系例3：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）学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）课程（课程号，课程名，学分）课程（课程号，课程名，学分）选修（学号，课程号，成绩）选修（学号，课程

21、号，成绩）An Introduction to Database Systems36/80关系数据模型的数据结构（续）o关系必须是规范化的，满足一定的规范条件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。 职工号姓名职 称工 资扣 除实 发基 本津 贴职务房 租水 电86051陈 平讲 师13051200501601122283图图1.27 一个工资表一个工资表(表中有表表中有表)实例实例 An Introduction to Database Systems37/80关系数据模型的数据结构（续）关系术语一般表格的术语关系

22、名表名关系模式表头（表格的描述）关系（一张）二维表元组记录或行属性列属性名列名属性值列值分量一条记录中的一个列值非规范关系表中有表（大表中嵌有小表）表表1.2 术语对比术语对比 An Introduction to Database Systems38/80二、关系数据模型的操纵与完整性约束o数据操作是数据操作是集合操作集合操作，操作对象和操作结果都是关系，操作对象和操作结果都是关系n查询n插入n删除n更新o数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合即若干元组的集合.o存取路径对用户隐蔽，用户只要指出存取路径对用户隐蔽，用户

23、只要指出“干什么干什么”，不必，不必详细说明详细说明“怎么干怎么干”.An Introduction to Database Systems39/80关系数据模型的操纵与完整性约束（续）o关系的完整性约束条件 n实体完整性n参照完整性n用户定义的完整性An Introduction to Database Systems40/80三、关系数据模型的存储结构o实体及实体间的联系都用表来表示o表以文件形式存储n有的DBMS一个表对应一个操作系统文件n有的DBMS自己设计文件结构An Introduction to Database Systems41/80四、关系数据模型的优缺点o优点优点n建立在

24、建立在严格的数学概念严格的数学概念的基础上的基础上n概念单一概念单一o实体和各类联系都用关系来表示o对数据的检索结果也是关系n关系模型的存取路径对用户透明关系模型的存取路径对用户透明o具有更高的数据独立性，更好的安全保密性o简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作o缺点缺点n存取路径对用户透明导致查询效率往往不如非关系数据模型n为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化，增加了开发DBMS的难度An Introduction to Database Systems42/80第一章 绪论1.1 数据库系统概述数据库系统概述1.2 数据模型数据模型1.3 数据库系统结构数据库系统结构1.4 数据库系

25、统的组成数据库系统的组成1.5 小结小结An Introduction to Database Systems43/801.3 数据库系统结构o从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构 。 o从数据库最终用户角度看（数据库系统外部的体系结构）,数据库系统的结构分为:n单用户结构n主从式结构n分布式结构n客户服务器(C/S)n浏览器应用服务器数据库服务器多层结构等(B/S)An Introduction to Database Systems44/80数据库系统结构（续）1.3.1 数据库系统模式的概念数据库系统模式的概念 1.3.2 数据库系统的三级模

26、式结构数据库系统的三级模式结构 1.3.3 数据库的二级映像功能与数据独立性数据库的二级映像功能与数据独立性 An Introduction to Database Systems45/801.3.1 数据库系统模式的概念o“型” 和“值” 的概念n型(Type)对某一类数据的结构和属性的说明n值(Value)是型的一个具体赋值例如学生记录型： （学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）一个记录值： （900201，李明，男，计算机，22，江苏）An Introduction to Database Systems46/80数据库系统模式的概念（续）o模式（模式（Schema）n数据库逻辑结构和特

27、征的描述n是型的描述n反映的是数据的结构及其联系n模式是相对稳定的o实例（实例（Instance）n模式的一个具体值n反映数据库某一时刻的状态n同一个模式可以有很多实例n实例随数据库中的数据的更新而变动An Introduction to Database Systems47/80数据库系统模式的概念 （续）例如：在学生选课数据库模式中，包含学生记录、课程记录和学生选课记录n 2003年的一个学生数据库实例，包含：2003年学校中所有学生的记录学校开设的所有课程的记录所有学生选课的记录 n2002年度学生数据库模式对应的实例与 2003年度学生数据库模式对应的实例是不同的 An Introdu

28、ction to Database Systems48/80数据库系统结构（续）1.3.1 数据库系统模式的概念数据库系统模式的概念 1.3.2 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构 1.3.3 数据库的二级映像功能与数据独立性数据库的二级映像功能与数据独立性 An Introduction to Database Systems49/801.3.2 数据库系统的三级模式结构o模式（Schema） o外模式（External Schema）o内模式（Internal Schema） An Introduction to Database Systems50/80数据库系统的三级模式

29、结构（续）图1.28 数据库系统的三级模式结构 An Introduction to Database Systems51/80一、模式（Schema）o模式（也称逻辑模式）n数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述n所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求o一个数据库只有一个模式o模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层n与数据的物理存储细节和硬件环境无关n与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关An Introduction to Database Systems52/80模式（续）o模式的定义n数据的逻辑结构(数据项的名字、类型、取值范围等)n数据之间的联系n数据有关的安全性、

30、完整性要求An Introduction to Database Systems53/80二、外模式（External Schema）o外模式(也称子模式或用户模式）n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n数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据逻辑表示。o外模式的地位：介于模式与应用之间o模式与外模式的关系：一对多外模式通常是模式的子集一个数据库可以有多个外模式，反映了不同用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同。An Introduction to Database Sys

31、tems54/80外模式（续）o外模式的用途n保证保证数据库安全性数据库安全性的一个有力措施的一个有力措施n每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据o外模式与应用的关系：一对多同一外模式也可以为某一用户的同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统多个应用系统所使用所使用但一个应用程序只能使用一个外模式但一个应用程序只能使用一个外模式An Introduction to Database Systems55/80三、内模式（Internal Schema）o内模式（也称存储模式）n是数据是数据物理结构和存储方式物理结构和存储方式的描述的描述n是数据在

32、数据库内部的表示方式是数据在数据库内部的表示方式o记录的存储方式（记录的存储方式（顺序存储，按照顺序存储，按照B树结构存储，树结构存储， 按按hash方法存储方法存储）o索引的组织方式索引的组织方式o数据是否压缩存储数据是否压缩存储o数据是否加密数据是否加密o数据存储记录结构的规定数据存储记录结构的规定o一个数据库只有一个内模式An Introduction to Database Systems56/80内模式举例o例如学生记录，如果按堆堆存储，则插入一条新记录总是放在学生记录存储的最后最后，如右图所示An Introduction to Database Systems57/80内模式举例

33、o如果按学号升序存储，则插入一条记录就要找到它应在的位置插入，如图1.29（b）所示o如果按照学生年龄聚簇存放，假如新插入的S3是16岁，则应插入的位置如图1.29（c）所示 图1.29 记录不同的存储方式示意图An Introduction to Database Systems58/80数据库系统结构（续）1.3.1 数据库系统模式的概念数据库系统模式的概念 1.3.2 数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构 1.3.3 数据库的二级映像功能与数据独立性数据库的二级映像功能与数据独立性 An Introduction to Database Systems59/801.3.3 数

34、据库的二级映像功能与数据独立性o三级模式是对数据的三个抽象级别o二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换n外模式模式映像n模式内模式映像 An Introduction to Database Systems60/80一、外模式/模式映象o模式模式：描述的是数据的全局逻辑结构o外模式外模式：描述的是数据的局部逻辑结构 n同一个模式可以有任意多个外模式 n每一个外模式，数据库系统都有一个外模式模式映象，定义外模式与模式之间的对应关系n映象定义通常包含在各自外模式的描述中o保证数据的逻辑独立性n当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式/模式映象，使外模式保持不变n应用程序是依据数据的

35、外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。An Introduction to Database Systems61/80二、模式/内模式映象o模式/内模式映象定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。n例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的o数据库中模式/内模式映象是唯一的, 该映象定义通常包含在模式描述中；o保证数据的物理独立性n当数据库的存储结构改变了(例如选用了另一种存储结构)，数据库管理员修改模式/内模式映象，使模式保持不变n应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。An Introduction t

36、o Database Systems62/80小结(1)o数据库模式n即全局逻辑结构是数据库的中心与关键 n独立于数据库的其他层次 n设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式o数据库的内模式n依赖于它的全局逻辑结构n独立于数据库的用户视图，即外模式n独立于具体的存储设备 n将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储策略进行组织，以达到较好的时间与空间效率 An Introduction to Database Systems63/80小结(2)o数据库的外模式n面向具体的应用程序n定义在逻辑模式之上n独立于存储模式和存储设备n当应用需求发生较大变化，相应外模式不能满足其视

37、图要求时，该外模式就得做相应改动 n设计外模式时应充分考虑到应用的扩充性 An Introduction to Database Systems64/80第一章 绪论1.1 数据库系统概述数据库系统概述1.2 数据模型数据模型1.3 数据库系统结构数据库系统结构1.4 数据库系统的组成数据库系统的组成1.5 小结小结An Introduction to Database Systems65/801.4 数据库系统的组成o数据库o数据库管理系统（及其开发工具）o应用系统o数据库管理员An Introduction to Database Systems66/80数据库系统的组成（续）o硬件平台及数据库 o软件 o人员 An Introduction to Database Systems67/80一、硬件平台及数据库o数据库系统对硬件资源的要求 (1) 足够大的内存n操作系统nDBMS的核心模块n数据缓冲区n应用程序 (2) 足够大的外存n