第一章-数据库系统概述

1、计算机科学与工程系计算机科学与工程系第一章第一章 数据库系统概述数据库系统概述 数据库技术是计算机科学的一个重要分支，数据库技术是计算机科学的一个重要分支，是各种信息系统的核心和基础。借助数据库技术，是各种信息系统的核心和基础。借助数据库技术，可以方便有效地存储和管理大量、复杂的数据。可以方便有效地存储和管理大量、复杂的数据。 本章是数据库的入门，介绍有关数据、数据本章是数据库的入门，介绍有关数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统、数据模型等库、数据库管理系统、数据库系统、数据模型等基本概念。基本概念。借阅者的信息借阅者的信息书的存储信息书的存储信息借出情况借出情况归还情况归还情况等等等等一

2、个图书馆管理系统应该有哪些功能？一个图书馆管理系统应该有哪些功能？计算机科学与工程系计算机科学与工程系 1. 数据：是数据库中存储的基本对象。数据：是数据库中存储的基本对象。 从计算机的角度看，数据泛指那些可以被计算机接受并从计算机的角度看，数据泛指那些可以被计算机接受并能够被计算机处理的符号，数字、文字、能够被计算机处理的符号，数字、文字、 图形、图像、音图形、图像、音频、视频等都是数据。频、视频等都是数据。 在计算机中，为了存储和处理这些数据，就要抽出对这在计算机中，为了存储和处理这些数据，就要抽出对这些数据感兴趣的特征组成一个记录来描述。些数据感兴趣的特征组成一个记录来描述。(李明，男，

3、李明，男，20，1972，江苏，计算机系，江苏，计算机系，1990)学生档案中一个学生记录的数据学生档案中一个学生记录的数据例如：例如：李明是个大学生，李明是个大学生，1972年出生，男，江年出生，男，江苏人，苏人，1990年考入计算机系。年考入计算机系。得到下列信息：得到下列信息：计算机科学与工程系计算机科学与工程系 2. 数据库数据库(DB)：是长期储存在计算机内、有组：是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的数据集合。织的、可共享的数据集合。数据库数据库 3. 数据库管理系统数据库管理系统(DBMS)：位于用户与操作系：位于用户与操作系统之间数据管理软件。统之间数据管理软件。 主要功能：

4、数据定义、数据操纵、数据库运行主要功能：数据定义、数据操纵、数据库运行管理、数据库建立与维护等。管理、数据库建立与维护等。数据库管理系统数据库管理系统操作系统操作系统用户用户计算机科学与工程系计算机科学与工程系 4.数据库系统数据库系统(DBS)：一般由硬件、数据库、：一般由硬件、数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员和用户构成。据库管理员和用户构成。数据库数据库数据库管理系统数据库管理系统操作系统操作系统用户用户用户用户用户用户应用开发工具应用开发工具应用系统应用系统数据库管理员数据库管理员计算机科学与工程系计算机科学与工程

5、系 数据管理技术的产生和发展：数据管理技术的产生和发展： 人工管理阶段人工管理阶段文件系统阶段文件系统阶段数据库系统阶段数据库系统阶段数据库技术经历了三个阶段数据库技术经历了三个阶段 人工管理阶段人工管理阶段(50年代中期以前年代中期以前)：这一阶段计算机主：这一阶段计算机主要用于科学计算。硬件中的外存只有卡片、纸带、磁带，要用于科学计算。硬件中的外存只有卡片、纸带、磁带，没有磁盘等直接存取设备。软件只有汇编语言，没有操没有磁盘等直接存取设备。软件只有汇编语言，没有操作系统和管理数据的软件。数据处理的方式基本上是批作系统和管理数据的软件。数据处理的方式基本上是批处理。处理。 计算机科学与工程系

6、计算机科学与工程系 人工管理阶段的特点如下：人工管理阶段的特点如下： (1) 数据不保存数据不保存 因为当时计算机主要用于科学计算，对于数据保存的因为当时计算机主要用于科学计算，对于数据保存的需求尚不迫切。需求尚不迫切。应用程序应用程序1数据集数据集1应用程序应用程序2数据集数据集2数据集数据集3应用程序应用程序3 人工管理阶段人工管理阶段 (3) 数据不共享数据不共享 数据是面向程序的，一组数据只能数据是面向程序的，一组数据只能对应一个程序。多个应用程序涉及某些对应一个程序。多个应用程序涉及某些相同的数据时，也必须各自定义，因此相同的数据时，也必须各自定义，因此程序之间有大量的冗余数据。程序

7、之间有大量的冗余数据。 (2) 数据不具有独立性数据不具有独立性 程序依赖于数据，如果数据的类型、格式、或输入输程序依赖于数据，如果数据的类型、格式、或输入输出方式等发生变化，必须对应用程序做出相应的修改。出方式等发生变化，必须对应用程序做出相应的修改。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 文件系统阶段文件系统阶段(50年代后期至年代后期至60年代中期年代中期)：这一阶段，：这一阶段，计算机不仅用于科学计算，还大量用于信息管理；大量的计算机不仅用于科学计算，还大量用于信息管理；大量的数据存储、检索和维护成为紧迫的需求；硬件有了磁盘、数据存储、检索和维护成为紧迫的需求；硬件有了磁盘、磁鼓等直接存

8、储设备；在软件方面，出现了高级语言和操磁鼓等直接存储设备；在软件方面，出现了高级语言和操作系统。计算机开始以作系统。计算机开始以“文件文件”的方式介入数据处理。的方式介入数据处理。 文件管理阶段的特点如下：文件管理阶段的特点如下： (1) 数据长期保存数据长期保存 数据以文件形式保存和处理。数据以文件形式保存和处理。 (2) 程序与数据间有一定独立性程序与数据间有一定独立性 由文件系统进行数据管理，一个文件可被多个应用程由文件系统进行数据管理，一个文件可被多个应用程序使用，一个应用程序也可使用多个数据文件。序使用，一个应用程序也可使用多个数据文件。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 问题：数

9、据冗余大，同样的数据会在不同文件中出现。问题：数据冗余大，同样的数据会在不同文件中出现。数据独立性差；如果存储文件的结构发生变化，就不得不数据独立性差；如果存储文件的结构发生变化，就不得不修改程序，程序和数据之间的独立性仍然较差。修改程序，程序和数据之间的独立性仍然较差。 文件文件n应用程序应用程序1应用程序应用程序2应用程序应用程序n文件文件1文件文件2文 件 系文 件 系 统统文件系统阶段文件系统阶段计算机科学与工程系计算机科学与工程系 数据库系统阶段数据库系统阶段(60年代末开始年代末开始)：计算机应用于管理的：计算机应用于管理的规模加大，数据量增加，为解决多用户、多个应用程序共规模加大

10、，数据量增加，为解决多用户、多个应用程序共享数据的需求，出现了统一管理数据的专门软件系统，即享数据的需求，出现了统一管理数据的专门软件系统，即数据库管理系统。数据库管理系统。 数据库管理阶段的特点如下：数据库管理阶段的特点如下： (1) 数据结构化：按照某种数据模型，将各种数据组数据结构化：按照某种数据模型，将各种数据组织到一个结构化的数据库中，整个组织的数据不是一盘散织到一个结构化的数据库中，整个组织的数据不是一盘散沙，数据之间是有联系的。沙，数据之间是有联系的。 (2) 数据间共享性高：数据不再面向某个应用程序而数据间共享性高：数据不再面向某个应用程序而是面向整个系统，所有用户可同时存取库

11、中的数据。是面向整个系统，所有用户可同时存取库中的数据。 (3) 数据间独立性强：数据与程序之间相互独立。数据间独立性强：数据与程序之间相互独立。 (4) 数据管理：由数据管理：由DBMS统一管理和控制统一管理和控制 。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 例如：要建立学生成绩管理系统，系统包含学生例如：要建立学生成绩管理系统，系统包含学生(学号、学号、姓名、性别、系别、年龄姓名、性别、系别、年龄)、课程、课程(课程号、课程名课程号、课程名)、成绩、成绩(学号、课程号、成绩学号、课程号、成绩)等数据，分别对应三个文件。采用文等数据，分别对应三个文件。采用文件处理方式，因为不同文件记录之间无联

12、系，要想查找某个件处理方式，因为不同文件记录之间无联系，要想查找某个学生的学号、姓名、所选课程的名称和成绩，必须编写程序学生的学号、姓名、所选课程的名称和成绩，必须编写程序来实现。而数据库系统不仅描述数据本身，还描述数据之间来实现。而数据库系统不仅描述数据本身，还描述数据之间的联系，上述查询可以非常容易地联机查到。的联系，上述查询可以非常容易地联机查到。应用程序应用程序1应用程序应用程序2 数数 据据 库库管理系统管理系统数据库系统阶段数据库系统阶段数据库数据库DBMSDB计算机科学与工程系计算机科学与工程系 数据与数据之间存在着一定联系，数据模型就是对数数据与数据之间存在着一定联系，数据模型

13、就是对数据间联系和约束条件的全局性描述。据间联系和约束条件的全局性描述。 两大类数据模型：两大类数据模型： 概念模型。它是按用户的观点来对数据和信息建模，概念模型。它是按用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计。主要用于数据库设计。 逻辑模型和物理模型。逻辑模型和物理模型。 .逻辑模型主要包括层次、网状、关系、面向对象模型，逻辑模型主要包括层次、网状、关系、面向对象模型，是按计算机系统的观点对数据建模；是按计算机系统的观点对数据建模； .物理模型是描述数据在系统内部的表示方式和存取方物理模型是描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，是面向计算机系统的。法，是面向计算机系统的。 例如：学

14、生是某个专业某个班的，有相关记录描述。例如：学生是某个专业某个班的，有相关记录描述。学生上计算机课，与老师之间又有相关记录描述。两组数学生上计算机课，与老师之间又有相关记录描述。两组数据之间是有联系的。且每个学生的学号是唯一的据之间是有联系的。且每个学生的学号是唯一的.计算机科学与工程系计算机科学与工程系 从现实世界到概念模型的转换是由数据库设计人员完成从现实世界到概念模型的转换是由数据库设计人员完成的，从概念模型到逻辑模型的转换可以由数据库设计人员完的，从概念模型到逻辑模型的转换可以由数据库设计人员完成，也可以用数据库设计工具协助设计人员完成，从逻辑模成，也可以用数据库设计工具协助设计人员完

15、成，从逻辑模型到物理模型的转换一般是由型到物理模型的转换一般是由DBMS完成的。完成的。 现实世界现实世界(客观存在的事物及其相互间联系）客观存在的事物及其相互间联系）信息世界信息世界(人们对客观事物的反映通过符号记录下来人们对客观事物的反映通过符号记录下来)计算机世界计算机世界(将信息世界的数据描述成计算机处理的数将信息世界的数据描述成计算机处理的数据形式。据形式。)现实世现实世界界认认识识抽抽象象概念模型概念模型物理模型物理模型将现实世界抽将现实世界抽象为信息世界象为信息世界将信息世界转换将信息世界转换为计算机世界为计算机世界逻辑模型逻辑模型计算机科学与工程系计算机科学与工程系 数据模型的

16、组成，包含三方面的内容：数据模型的组成，包含三方面的内容： 数据结构数据结构 通常按照其结构类型通常按照其结构类型(层次结构、网状结构和关系结构层次结构、网状结构和关系结构)来命名数据模型。来命名数据模型。 数据操作数据操作 如数据的检索、插入、删除和修改等。如数据的检索、插入、删除和修改等。 数据约束条件数据约束条件 如在学生数据库中，学生的年龄不得超过如在学生数据库中，学生的年龄不得超过40岁。岁。 常用的数据模型：常用的数据模型： 层次模型层次模型 网状模型网状模型 关系模型关系模型 面向对象模型面向对象模型计算机科学与工程系计算机科学与工程系 通过从属关系结构表示数据间的联系，主要特征

17、：通过从属关系结构表示数据间的联系，主要特征： (1) 有且只有一个结点没有双亲结点，该结点称为根结点。有且只有一个结点没有双亲结点，该结点称为根结点。 (2) 根以外的其他结点有且只有一个双亲结点。根以外的其他结点有且只有一个双亲结点。 每一个结点表示一个记录类型，结点之间的连线表示记录每一个结点表示一个记录类型，结点之间的连线表示记录类型间的联系。这种父子之间的联系这使得该模型只能处理一类型间的联系。这种父子之间的联系这使得该模型只能处理一对多的联系。对多的联系。教师学生层次数据库模型 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 层次模型是网状模型的一个特例，网状模型是层次模型层次模型是网状模型

18、的一个特例，网状模型是层次模型的扩展，表示多个从属关系的层次结构，其主要特征：的扩展，表示多个从属关系的层次结构，其主要特征： (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) 一个结点可以有多于一个的双亲。一个结点可以有多于一个的双亲。 每一个结点表示一个记录类型，结点之间的连线表示记每一个结点表示一个记录类型，结点之间的连线表示记录类型间的联系。该模型可实现一对多和多对多的联系。录类型间的联系。该模型可实现一对多和多对多的联系。学生/选课/课程的网状数据模型 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 现在主流数据库大都是基于关系模型的数据库系统。现在主流数据库大都是基于关系

19、模型的数据库系统。关系模型用二维表表示事物间的联系，它由行和列组成。关系模型用二维表表示事物间的联系，它由行和列组成。 例如：下表就是关系模型结构。表中每一行可看成独例如：下表就是关系模型结构。表中每一行可看成独立的记录，它们共同构成了学生关系的全部内容。立的记录，它们共同构成了学生关系的全部内容。 学生关系数据模型学生关系数据模型 学号学号姓名姓名性别性别出生年月出生年月籍贯籍贯050101张三秋张三秋男男1986-6-9广东广东0580102王五王五男男1986-8-8江苏江苏050103李玉李玉女女1985-9-12湖南湖南050104黄国度黄国度男男1986-8-13广东广东计算机科学

20、与工程系计算机科学与工程系 面向对象概念与数据库技术的结合，由于该模型相对面向对象概念与数据库技术的结合，由于该模型相对比较复杂，因此尚未达到关系模型的普及程度。比较复杂，因此尚未达到关系模型的普及程度。 综合上述，数据模型是数据库系统设计的核心，它规综合上述，数据模型是数据库系统设计的核心，它规范了数据库中数据的组织形式，表示了数据及数据间的联范了数据库中数据的组织形式，表示了数据及数据间的联系，数据模型的好坏直接影响数据库的性能。系，数据模型的好坏直接影响数据库的性能。 层次模型和网状模型属早期模型，已逐渐淡出市场，层次模型和网状模型属早期模型，已逐渐淡出市场，目前流行的数据库软件大多使用

21、关系模型。面向对象模型目前流行的数据库软件大多使用关系模型。面向对象模型则是未来的一个发展方向。则是未来的一个发展方向。计算机科学与工程系计算机科学与工程系数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成 。教师编号教师编号姓名姓名性别性别职务职务教研室编号教研室编号 模式：也称逻辑模式。介于内模式与外模式之间，是对模式：也称逻辑模式。介于内模式与外模式之间，是对数据库中全部数据的逻辑结构和特征的总体描述。一个数据数据库中全部数据的逻辑结构和特征的总体描述。一个数据库中只有一个逻辑模式。库中只有一个逻辑模式。 例如：例如：教师教师教研室编号教研室编号教研室名

22、称教研室名称系编号系编号教研室教研室系编号系编号系名称系名称系主任系主任学院编号学院编号系系学院编号学院编号学院名称学院名称院长姓名院长姓名电话电话地址地址学院学院学院教师数据库学院教师数据库计算机科学与工程系计算机科学与工程系 外模式外模式(用户模式、子模式用户模式、子模式)：对应于用户级，是某个或某：对应于用户级，是某个或某几个用户所看到的数据库的数据视图，一个逻辑模型可以产几个用户所看到的数据库的数据视图，一个逻辑模型可以产生若干个外模式。生若干个外模式。教师编号教师编号姓名姓名性别性别职务职务教研室编号教研室编号例如：例如：教师教师教研室编号教研室编号教研室名称教研室名称系编号系编号教

23、研室教研室系编号系编号系名称系名称系主任系主任学院编号学院编号系系学院编号学院编号学院名称学院名称院长姓名院长姓名电话电话地址地址学院学院教研室名称教研室名称系名称系名称系主任系主任外模式外模式1 1外模式外模式2 2姓名姓名性别性别系名称系名称学院名称学院名称多种模式多种模式逻辑模式逻辑模式计算机科学与工程系计算机科学与工程系 内模式内模式(存储模式、物理模式存储模式、物理模式)：是数据库中全体数据的内：是数据库中全体数据的内部表示，描述了数据的存储方式和物理结构。一个数据库中部表示，描述了数据的存储方式和物理结构。一个数据库中只有一个内模式。只有一个内模式。 内模式是针对计算机的，用户可不

24、必关心。内模式是针对计算机的，用户可不必关心。外模式外模式模式模式内模式内模式最终用户看到的数据最终用户看到的数据数据库中的基本表数据库中的基本表数据库数据库通过建立视图或通过建立视图或对表的操作对表的操作通过通过DBMSDBMS实现表在实现表在数据库中的存储数据库中的存储计算机科学与工程系计算机科学与工程系 为实现三个层次间的转换与联系，数据库系统在三个模为实现三个层次间的转换与联系，数据库系统在三个模式间提供了两级映射：式间提供了两级映射：内模式内模式逻辑模式逻辑模式外模式外模式1外模式外模式3外模式外模式2应用应用E应用应用D应用应用C应用应用B应用应用A数据库数据库外模式外模式/ 逻辑模式映像逻辑模式映像逻辑模式逻辑模式/ 内模式映像内模式映像说明：逻辑模式与外模说明：逻辑模式与外模式是一对多的关系；式是一对多的关系； 逻辑模式与内模式是一逻辑模式与内模式是一对一的关系。对一的关系。计算机科学与工程系计算机科学