数据库教学课件第1章

1、第1章 数据库系统概述 兰州大学信息科学与工程学院陈晓云兰州大学IDM实验室制作2数据库技术研究的问题是：如何科学地组织和存储数据;如何高效地获取和处理数据;如何更广泛、更安全地共享数据。兰州大学IDM实验室制作3图书管理系统，包括的主要数据项：1）图书信息：书号、书名、作者姓名、出版日期等2）作者信息：姓名、性别、住址、电话等3）出版社信息：名称、地址、社长、电话等4）读者信息：姓名、借书号、借书数量等管理工作：1）查询：查看图书、检索指定作者的图书、检索指定出版社出版的图书等。2）更新：新书登记、作者信息等应用举例：兰州大学IDM实验室制作4数据库的地位数据库技术产生于六十年代末，是数据管

2、理的最新技术，是计算机科学的重要分支数据库技术是信息系统的核心和基础，它的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志兰州大学IDM实验室制作5本章主要内容 1.1 数据库技术的基本概念1.2 数据库管理系统特点1.3 数据库的三级模式结构1.4 数据模型1.5 数据库系统组成兰州大学IDM实验室制作61.1数据库技术的基本概念 1.1.1数据和信息数据(Data)是数据库中存储的基本对象数据的定义描述事物的符号记录数据的种类文字、图形、图象、声音数据的特点数据与其语义是不可分的兰州大学IDM实验室制作7 信息（

3、Information）是关于现实世界事物的存在方式或运动状态的反映的综合。为了记载信息，人们使用各种符号和他们的组合来表示信息。 信息和数据的关系：数据是信息的载体；信息是数据的内涵，是对数据语义的解释。兰州大学IDM实验室制作81.1.2数据库数据库示例兰州大学IDM实验室制作9 数据库（Database，DB）是按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有机集合。 可以直观地理解为存放数据的仓库，只不过这个仓库是在计算机的大容量存储器上，如硬盘就是一类最常见的计算机大容量存储设备，而且数据必须按照一定的格式存放。 兰州大学IDM实验室制作10数据库的特征数据按一定的数据模型

4、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兰州大学IDM实验室制作111.1.3数据库管理系 数据库管理系统(Database Management System，DBMS)是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。 DBMS的用途 科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据兰州大学IDM实验室制作12 DBMS的主要功能数据定义功能 DBMS提供数据定义语言（Data Definition Language，DDL），用户使用该语言可以方便地对数据库中的数据对象进行定义。数据操纵功能 DBMS还提供数据操纵语言（Data Manipulation Language，简称

5、DML），用户可以使用DML操纵数据实现对数据库的基本操作，如查询、插入、删除和修改等。兰州大学IDM实验室制作13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。数据库的建立和维护功能 包括数据库初始数据的输入、转换功能，数据库的转储、恢复功能，数据库的重组织功能和性能监视、分析功能等，这些功能通常是由DBMS提供的一些实用程序完成的。兰州大学IDM实验室制作141.1.4数据库系统 数据库系统（Database System，DBS）是存储介质、处理对象和管理系统的集合，是指在计算机系

6、统中引入数据库后的系统。 一般由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、软件系统、硬件系统、数据库管理员和用户构成。 在不引起混淆的情况下常常把数据库系统简称为数据库。兰州大学IDM实验室制作15数据库系统DBOSDBMS应用开发工具应用系统用户用户用户数据库管理员数据处理数据管理兰州大学IDM实验室制作16数据库系统在计算机系统中的位置硬件应用系统应用开发工具D B M S操作系统编译系统兰州大学IDM实验室制作17数据库系统具有以下特点：信息完整和功能通用；程序与数据独立、数据抽象；支持数据的不同视图；控制数据冗余；支持数据共享；限制非授权的存取；提供多种用户界面；表示数据之间的复杂联系、

7、完整性约束、数据恢复等。兰州大学IDM实验室制作181.1.5数据库技术数据库技术是一门综合性很强的学科：是研究数据库的结构、存储、设计、管理和使用的一门软件学科。在操作系统的文件系统基础上发展起来的，而且DBMS本身要在操作系统支持下才能工作。与数据结构的联系密切，不仅用到数据结构中链表、树、图等知识，而且丰富了数据结构的研究内容。程序是使用数据库系统最基本的方式，系统中大量的应用程序都是用高级语言加上数据库的操纵语言编写的。集合论、数理逻辑是关系数据库的理论基础。兰州大学IDM实验室制作191.1.6 数据管理技术的发展 数据管理技术经历三个发展阶段：人工管理阶段(40年代中-50年代中)

8、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-现在)按照数据模型，数据库技术的发展也经历了三个阶段：网状模型与层次模型、关系模型、面向对象模型。当前已建立的绝大多数数据库系统都是基于关系模型的，本书主要讲述关系模型。 兰州大学IDM实验室制作20应用程序1应用程序2应用程序n文件1文件2文件n存取方法文件系统阶段应用程序和数据间的关系兰州大学IDM实验室制作211.2数据库管理系统特点 数据库管理系统特点数据结构化 有较高的数据独立性数据冗余度小、数据共享度高避免了数据的不一致性完善的数据控制功能事务功能兰州大学IDM实验室制作221.数据结构化 数据结构化是数据库和文件系

9、统的本质区别，是按照一定的数据模型来组织和存放数据，也就是采用复杂的数据模型表示数据结构。 这种结构化的数据反映了数据之间的自然联系，是实现对数据的集中控制和减少数据冗余的前提和保证。文件系统中数据库系统相互独立的文件的记录内部是有结构的，但记录之间没有联系实现整体数据的结构化 兰州大学IDM实验室制作232.有较高的数据独立性 独立性是数据与应用程序之间不存在紧密的相互依赖关系，二者之间是一种松散的耦合，即数据的逻辑结构、存储结构和存储方法等不因应用程序的修改而修改，反之亦然。数据独立性： 数据的物理独立性数据的逻辑独立性兰州大学IDM实验室制作24物理独立性是指数据的物理结构（或存储结构）

10、的改变，如物理存储设备的更换、物理存储位置的变更、存取方法的改变等，不影响数据库的逻辑结构，不会引起应用程序的修改。逻辑独立性是指数据库总体逻辑结构的改变，如修改数据的定义、增加新的数据项及数据类型、改变数据间的联系等等，无需修改原来的应用程序。 兰州大学IDM实验室制作253.数据冗余度小、数据共享度高数据库系统从整体角度看待和描述数据，数据不再面向某个应用而是面向整个系统系统现有用户或程序可以共享数据库中的数据数据共享可以减少数据冗余，节约存储空间多用户或多程序可以在同一时刻共同使用同一数据数据库系统弹性大，易于扩充 兰州大学IDM实验室制作264.避免了数据的不一致性 不一致性是指同一数

11、据不同拷贝的值不一样。当本应相同的数据项在不同的应用中出现不同的数据值时，便出现了数据的不一致性。 数据库在理论上可以避免数据冗余，因而也可以避免数据的不一致性。即使存在某些冗余，数据库系统也提供对数据的各种控制和检查，保证在更新数据时间更新所有的副本，从而保证数据的一致性。 兰州大学IDM实验室制作275.完善的数据控制功能并发（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。数据的安全性（security）保护使每个用户只能按指定方式使用和处理指定数据，保护数据以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。数据的完整性（integrity）检查将数据

12、控制在有效的范围内，或保证数据之间满足一定的关系。数据库故障与恢复（recovery）及时发现故障，并迅速地把数据库恢复到故障以前正确状态的措施，如转储、日志、检查点等方法。 兰州大学IDM实验室制作286.事务事务（transaction）是用户定义的一个数据库序列，是一个不可分割的工作单位。它与程序是有区别的，一个程序可以包含多个事务。事务处理系统（transaction processing system, TPS）包括一个或多个存储企业状态的数据库、用以操作企业的管理事务软件，以及组成应用代码的事务本身。事务处理系统要求：高可用性；高可靠性；大吞吐量；响应时间短；安全性高。 兰州大学I

13、DM实验室制作291.3数据库的三级模式结构 1.3.1数据库管理系统中数据的抽象级别1概念模式概念模式简称为模式（Schema）或逻辑模式（Logical Schema）是对数据库的数据的整体逻辑结构和特征的描述。使用DDL进行定义。内容包括对数据库的记录型、数据型、数据项的型、记录间的联系等，以及数据的安全性定义、数据应满足的完整性条件和数据寻址方式的说明。模式的一个具体值称为模式的一个实例（Instance），同一个模式可以有很多实例。 概念模式是数据库系统模式结构的中间层，既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序、与所使用的应用开发工具及高级程序设计语言无关。 兰州大学

14、IDM实验室制作302物理模式 物理模式也称为内模式（Internal Schema）或存储模式（Access Schema），内模式是数据库在物理存储方面的描述，是数据在数据库内部的表示方式，一个数据库只有一个内模式。 他定义所有的内部记录类型、索引和文件的组织方式，以及数据控制方面的细节。 例如，记录的存储方式是顺序存储、还是链接存储；索引按照什么方式组织的，是按照B+树索引，还是hash索引；数据是否压缩存储，是否加密等。兰州大学IDM实验室制作313外模式 外模式（External Schema）也称为子模式（Subschema）或用户模式（User Schema），是用户与数据库系统

15、的接口，它是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是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，是用户用到的那部分数据的描述。 外模式由若干个外部记录类型组成，用户使用数据操纵语言DML（Data Manipulation Language）对数据库进行操作，实际上是对外模式的外部记录进行操作。 兰州大学IDM实验室制作321.3.2两层映像及数据独立性 数据库系统的三级模式是对数据的三个抽象级别，把数据的具体组织留给DBMS管理，使用户能够逻辑地抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的具体表示方式与存储方式。 为了能够在内部实现这三个抽象层次的联系和转换，数

16、据库管理系统在这三个模式之间提供了两层映像。 兰州大学IDM实验室制作33图1-3 三级模式结构与两层映射 兰州大学IDM实验室制作341、外模式/模式映像 外模式/模式之间的映像，定义并保证了外模式与数据模式之间的关系。 数据库系统中的外模式与模式之间的映像不仅建立了用户数据库与逻辑数据库之间的对应关系，使得用户能够按子模式进行程序设计，同时也保证了数据的逻辑独立性。兰州大学IDM实验室制作352、模式/内模式映像 模式/内模式之间的映像，定义并保证了数据的逻辑模式与内模式之间的对应关系。 当数据库的存储结构改变时，DBA可以通过修改模式/内模式之间的映像使数据模式不变化。 模式/内模式的映

17、像技术不仅使用户或程序能够按数据的逻辑结构使用数据，还提供了内模式变化而程序不变的方法，从而保证了数据的物理独立性。 兰州大学IDM实验室制作36三级结构的优点（1）保证数据的独立性。将模式和内模式分开，保证了数据的物理独立性；将外模式和模式分开，保证了数据的逻辑独立性。（2）简化了用户接口。按照外模式编写应用程序或敲入命令，而不需了解数据库内部的存储结构，方便用户使用系统。（3）有利于数据共享。在不同的外模式下可有多个用户共享系统中数据，减少了数据冗余。（4）利于数据的安全保密。在外模式下根据要求进行操作，不能对限定的数据操作，保证了其他数据的安全。 兰州大学IDM实验室制作371.4 数据

18、模型 1.4.1数据模型的组成要素数据模型通常由数据结构、数据操作、完整性约束三部分组成。数据结构是刻画一个数据模型性质最重要的方面。因此在数据库系统中，人们通常按其数据结构的类型来命名数据模型。数据结构是对系统静态特性的描述。数据操作是指对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则。数据的约束条件是一组完整性规则的集合。完整性规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则，用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。兰州大学IDM实验室制作38最常用数据模型层次模型网状模型关系模型面向对象模型统称为非关系模型 非关系模型中

19、数据结构的单位是基本层次联系。 兰州大学IDM实验室制作391.4.2关系模型 关系模型（relational model）用二维表表示数据和数据之间的联系。每个表有多个列，每列有惟一的列名。 关系模型是基于记录模型的一种。基于记录模型的名称的由来是由于它用一些固定格式的记录来描述数据库结构。关系数据模型是使用最广泛的数据类型。当今大量的数据库系统都是基于这种关系模型的。在第3章中详细介绍。兰州大学IDM实验室制作40关系数据库示例兰州大学IDM实验室制作411.4.3层次模型与网状模型层次模型和网状模型统称非关系模型。关系模型的数据库系统在70年代开始出现，之后发展迅速，并逐步取代了非关系模

20、型数据系统的统治地位。ABCDEF层次模型有向树的示意图学生课程学生与课程的网状模型兰州大学IDM实验室制作42现实世界层次关系的更多非层次关系层次模型很不直接网状模型兰州大学IDM实验室制作43 1.层次模型 层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型，层次数据库系统采用层次模型作为数据的组织方式。 层次模型用树型结构来表示各类实体以及实体间的联系。 层次数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS（Information Management System）数据库管理系统。 兰州大学IDM实验室制作44优点层次数据模型简单，对具有一对多的层次关系的部门描述自然、直观，容易理解性能优于关系模型，不

21、低于网状模型层次数据模型提供了良好的完整性支持缺点多对多联系表示不自然对插入和删除操作的限制多查询子女结点必须通过双亲结点层次命令趋于程序化兰州大学IDM实验室制作45 2.网状模型 用有向图结构来组织数据的数据模型称为网状模型。这种有向图结构也称为网状结构。网状数据库系统采用网状模型作为数据的组织方式。 网状数据模型的典型代表是DBTG系统，是20世纪70年代数据系统语言研究会CODASYL下属的数据库任务组DBTG（Data Base Task Group）提出的一个系统方案。后来不少的系统都采用DBTG模型或者简化的DBTG模型。 兰州大学IDM实验室制作46优点能够更为直接地描述现实世

22、界，如一个结点可以有多个双亲具有良好的性能，存取效率较高缺点结构比较复杂，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DDL、DML语言复杂，用户不容易使用兰州大学IDM实验室制作471.4.4面向对象数据模型面向对象的概念最早出现在程序设计语言中，随后迅速渗透到计算机领域的每一个分支，现已使用在数据库技术中。 面向对象数据库是面向对象技术与数据库技术相结合的产物，以满足一些新的应用需要，例如面向对象的程序设计环境（CASE）、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、地理信息系统（GIS）、多媒体应用以及其它非商用领域中的应用。面向对象数据库系统支持的数据模型称为面

23、向对象数据模型，它包括以下几个方面：对象、类、类层次、继承等。兰州大学IDM实验室制作481.对象（Object）面向对象模型中最基本的概念是对象和类。对象是现实世界中实体的模型化。一切概念上的实体都可以称作对象，如一个数字、一个人、一本书等。对象是由一组数据结构和在这组数据结构上的操作的程序代码封装起来的基本单位。对象之间的接口由一组消息定义。 兰州大学IDM实验室制作492.对象标识OID（Object IDentifier）面向对象数据库中的每个对象都有一个惟一不变的标识称为对象标识。对象通常与实际领域的实体对应。在现实世界中，实体中的属性值可能随着时间的推移会发生改变，但是每个实体的标

24、识始终保持不变。相应地，对象的部分属性、对象的方法会随着时间的推移发生变化，但对象标识不会改变。兰州大学IDM实验室制作503.封装封装是对象的外部接口与内部实现之间实行隔离的一种抽象，外部与对象的通信只能通过消息，这是面向对象模型的主要特征之一。封装将对象的实现与对象应用互相隔离，允许对操作的实现算法和数据结构进行修改，而不影响接口，有利于提高数据独立性。兰州大学IDM实验室制作514.类和类层次在面向对象数据库中相似对象的集合称为类。每一个对象称为它所在类的一个实例。一个类中的所有对象共享一个定义，它们的区别仅在于属性的取值不同。面向对象数据库模式是类的集合，一组类可以形成一个类层次。一个

25、面向对象数据库模式可能有多个类层次。在一个类层次，一个类继承其所有超类的全部属性、方法和消息。 兰州大学IDM实验室制作525.继承 有两种常用的继承：单继承与多继承。 若一个子类只能继承一个父类的特性称为单继承； 若一个子类能继承多个父类的特性称为多继承。 例如，在学校中实际上还有“在职研究生”，他们既是老师又是学生，在职研究生继承了教职工和学生两个父类的所有属性、方法和消息。 兰州大学IDM实验室制作53 继承性有两个优点： 第一，它是建模的有力工具，提供了对现实世界简明而精确的描述。 第二，它提供了信息重用机制。 面向对象数据模型比网络、层次、关系数据模型具有更加丰富的表达能力。但模型相

26、对复杂，实现起来较困难。兰州大学IDM实验室制作541.5 数据库系统组成 数据库系统组成数据库数据库管理系统数据管理应用程序用户兰州大学IDM实验室制作551.5.1 数据库 数据库是依照某种数据模型组织起来并存放在存储器中的数据集合，1.1.2节介绍了数据库的概念。1.5.2 数据库管理系统 数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，用户对数据库数据的任何操作，包括数据库定义、数据查询、数据维护、数据库运行控制等都是在DBMS管理下进行的，应用程序只有通过DBMS才能和数据库打交道。1.1.3节对DBMS进行了介绍。兰州大学IDM实验室制作561.5.3 数据管理 数据管理

27、是数据库技术的核心，1.1.6节介绍了数据管理技术的发展，第12章将介绍数据自动化管理和分布式数据管理。1.5.4 应用程序 应用程序（Application）是指为了完成某项或某几项特定任务而被开发运行于操作系统之上的计算机程序。它运行在用户模式，它可以和用户进行交互，具有可视的用户界面。 数据库应用程序是一个允许用户插入、修改、删除并报告数据库中的数据的计算机程序。兰州大学IDM实验室制作571.5.5 用户 数据库系统从建设到运行维护，期间涉及大量的人员，大致可以分为三大类：开发人员、管理人员与应用人员。1.数据库管理员 对系统进行集中控制的人称为数据库管理员（Database Admi

28、nistrator，记为DBA）。 DBA必须熟悉企业全部数据的性质和用途，并对用户的需求有充分的了解；DBA必须兼有系统分析员和运筹学专家的品质和知识，对系统性能非常熟悉。 DBA一般需要参与数据库系统的设计、规划。兰州大学IDM实验室制作58DBA的主要职责有：模式定义。DBA根据需求创建数据库的概念模式。存储结构和存取方法的定义，即定义内模式。模式和物理组织的修改。根据需求或用户的要求修改数据库的概念模式和内模式。数据访问授权。根据需求授权给不同的用户以不同的方式使用数据库。授权信息保存在一个特殊的系统结构中，一旦系统中有访问数据的要求，数据库系统就去查阅这些信息。完整性约束的说明。根据需求编写完整性规则，以监督数据库的运行。日常维护。兰州大学IDM实验室制作59数据库管理员的日常维护活动有：定期备份数据库，或者在磁带上或在远程服务器上，以防止像洪水一样的灾难发生时数据丢失；确保正常运转时所需的空余磁盘空间，并且在需要时升级磁盘空间；监视数据库的运行，并确保数据库的性能不因一些用户提交了