数据库原理与MySQL应用-1 数据库系统的基本原理

第1章数据库系统的基本原理1.1数据库系统概述数据库原理与应用21.1.1数据库系统概念1.数据（data）

数据是数据库存储的基本对象。

数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的。如：93是数据；语义：1）某门课成绩；2）某个人体重……再如：描述学生基本信息情况：张洋同学，男，2002年3月7日生人，2021年入学计算机系。计算机中记录的描述：（张洋，男，2002/03/07，计算机系，2021）2.数据库（DataBase，简称为DB）

简单的说，数据库就是相互关联的数据集合。

严格的说，数据库是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。

学生表学号姓名性别……

如何组织和存储数据、高效地获取和维护数据？3.数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS）DBMS是数据库系统的核心部分。

常用的DBMS有MySQL、Oracle、SQLServer等。完成这项任务需要一个系统软件。DBMS主要功能1）数据定义功能DBMS提供数据定义语言(DataDefinitionLanguage,DDL)，用户通过它可以方便地在数据库中定义数据对象(如表、视图、索引)和数据的完整性约束。如：CREATETABLEfruits(f_idchar(10) NOTNULLPRIMARYKEY,s_idINT NOTNULL,f_namechar(255) NOTNULL,f_pricedecimal(8,2)CHECK(f_price>0));2）数据操纵功能DBMS提供数据操纵语言(DataManipulationLanguage,DML)，用户可以通过它对数据库的数据进行增加、删除、修改和查询等操作。如：SELECTf_id,f_nameFROMfruitsWHEREs_id=101;3）数据控制功能DBMS提供数据控制语言(DataControlLanguage,DCL)，用户可以通过它完成对用户访问数据权限的授予和撤消，即安全性控制；解决多用户对数据库的并发使用所产生的事务处理问题，即并发控制；数据库的转储、恢复功能；数据库的性能监视、分析等功能。如：GRANTSELECTONfruitsToyg001;4）数据组织、存储和管理

DBMS要分类组织、存储和管理各种数据，如用户数据、数据的存取路径等。确定以何种存取方式存储数据，以何种存取方法来提高存取效率。在数据库设计时，这些都由具体的DBMS自动实现，使用者一般不用进行设置。4.数据库系统（DataBaseSystem，简称为DBS）

数据库系统（DBS）是由数据库（DB）、数据库管理系统（DBMS）、应用系统和数据库管理员（DBA）组成的存储、管理、处理和维护数据的系统。用户用户用户应用系统应用开发工具数据库管理系统操作系统数据库数据库管理员数据库系统结构存储数据的组织、存取、管理、维护等全面管理DBS使用DB5.数据库应用系统(DataBaseApplicationSystem，简称为DBAS)

DBAS主要是指实现业务逻辑的应用程序。该系统必须为用户提供一个友好的、人性化的操作数据的图形用户界面（GUI），通过数据库语言或相应的数据访问接口，存取数据库中的数据。如图书管理应用系统、铁路订票应用系统、证券交易应用系统等。1.1.2数据库管理技术的发展阶段1.人工管理阶段特点：

数据不保存数据不具有独立性数据不共享2.文件管理系统阶段

特点：

数据的冗余和不一致数据独立性差数据孤立1）数据结构化“整体”结构化是指数据库中的数据不再仅仅针对某一个应用，而是面向整个组织或企业；不仅数据内部是结构化的，而且整体是结构化的，数据之间是具有联系的。学生基本记录

学号姓名性别年龄系家庭出身籍贯政治面貌日期学校学历

学号课程号学期成绩日期奖惩条目姓名与本人关系详细情况课程号课程名称学生人事记录学生学籍记录学生选课记录奖惩情况记录家庭成员记录课程记录学校信息系统组织中的学生数据3.数据库系统阶段特点：2）数据的共享性高、冗余度低且易扩充

数据共享可以大大减少数据冗余，节约存储空间。

数据共享能够避免数据之间的不相容性与不一致性。

数据的不一致性是指同一数据不同副本的值不一样。

由于数据面向整个系统，是有结构的数据，不仅可以被多个应用共享使用，而且容易增加新的应用，这就使得数据库系统弹性大，易于扩充。避免或杜绝数据冗余，这句话对不对？不对，只能是尽量降低数据冗余

原因：要实现多表的连接，必须在每个表中有相同的能够实现连接的列。学号姓名性别出生日期选课表学生表学号课号成绩课程表课号课程名学分要完成查询学生姓名、选修的课程名及成绩信息。3）数据独立性

数据独立性是指数据与程序的独立。

把数据的定义从程序中分离出来，加上存取数据的方法又由DBMS负责提供，从而简化了应用程序的编制，大大减少了应用程序的维护和修改。

包括数据的物理独立性和逻辑独立性。4）数据由DBMS统一管理和控制

（1）数据的完整性检查

数据的完整性指数据的正确性、有效性和相容性。

完整性检查将数据控制在有效的范围内，并保证数据之间满足一定的关系。

如：学生各科成绩的值要求只能取0~100间的值；学生退学后，在学生表中删除该记录的同时，还需要将其它存放该学生信息的表中记录一起删除，比如选课表中课程成绩记录。

（2）并发控制

当多个用户的并发进程同时存取、修改数据库时，可能会发生相互干扰而得到错误的结果或使得数据库的完整性遭到破坏，因此必须对多用户的并发操作加以控制和协调。

（2）数据的安全性保护

数据的安全性是指保护数据以防止不合法使用造成的数据泄密和破坏。

每个用户只能按规定对某些数据以某些方式进行使用和处理。

如：在教务系统中，学生只能查看成绩，而教师能录入、修改和查看。

（4）数据库的恢复

计算机系统的硬件故障、软件故障、操作员的失误以及故意破坏也会影响数据库中数据的正确性，甚至造成数据库部分或全部数据的丢失。DBMS提供了数据的备份与恢复功能，可将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。“911”事件案例

人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段背景应用背景硬件背景软件背景处理方式科学计算科学计算、数据管理大规模数据管理无直接存取存储设备磁盘、磁鼓大容量磁盘、磁盘阵列没有操作系统有文件系统有数据库管理系统批处理联机实时处理、批处理联机实时处理、批处理、分布式处理数据管理技术3个阶段的特点及其比较

人工管理阶段

文件系统阶段

数据库系统阶段

特点

数据的管理者数据面向的对象数据的共享程度数据的独立性数据的结构化数据控制能力用户（程序员）文件系统数据库管理系统某一应用程序某一应用现实世界（一个部门、企业、跨国组织等）无共享，冗余度极大共享性差，冗余度大共享性高，冗余度小不独立，完全依赖于程序独立性差具有高度的物理独立性和一定的逻辑独立性无结构记录内有结构、整体无结构整体结构化，用数据模型描述应用程序自已控制应用程序自已控制由DBMS提供数据安全性、完整性、并发控制和恢复能力1.1.3数据库系统的组成1.硬件1）数据库管理员（DBA）参与数据库的设计定义数据的安全性要求和完整性约束条件日常维护，备份数据库和确保系统正常运行数据库的改进和重组、重构2.软件（DBMS）3.数据库（DB）4.人员2）数据库用户最终用户系统分析员和数据库设计人员应用程序员1.2数据库体系结构数据库原理与应用251.2.1数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成。用户1用户2用户3外模式1外模式n模式内模式物理数据库外模式模式内模式外模式/模式映射模式/内模式映射……用户1用户2用户3外模式1外模式n模式内模式物理数据库

模式也称为概念模式或逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。一个数据库只有一个模式。……

外模式又称为子模式或用户模式，是数据库用户能够看到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。一个数据库可以有多个外模式。

内模式又称为存储模式或物理模式，是数据物理结构和存储方式的描述，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。1.2.2数据库系统的二级映射与数据独立性数据库系统三级模式间通过两级映射进行相互转换，形成一个统一的整体。用户1用户2用户3外模式1外模式n模式内模式物理数据库外模式模式内模式外模式/模式映射模式/内模式映射…实现逻辑独立性。逻辑独立性是指用户的应用程序与逻辑结构是相互独立的。实现物理独立性。物理独立性是指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中的数据是独立的。1.3数据模型数据库原理与应用29

数据模型是对现实世界的数据进行抽象。1.3.1数据抽象的过程用户需求1用户需求2用户需求n……概念模型逻辑模型内部模型设计转换映射映射视图1视图2视图n……外部模型信息→数据1.概念模型

1）概念模型的特点（1）概念模型表达了数据库的整体逻辑结构，它是企业管理人员对整个企业组织的全面概述。（2）概念模型是从用户需求的观点出发，对数据建模。（3）概念模型独立于硬件和软件。（4）概念模型是数据库设计人员与用户之间进行交流的工具。

2）概念模型的基本概念（1）实体（Entity）：客观存在并可相互区别的事物称为实体。（2）属性（Atrribute）：实体所具有的某一特性称为属性。（3）码（Key）：能唯一标识实体的最小属性集，又称为键或关键字。（4）联系（Relation）：两个或多个实体间的关联。联系类型：一对一（1:1如学校和校长）、

一对多（1：n如学校和学生）、

多对多（m：n如学生和课程）

3）概念模型的表示方法※※※概念模型较常用的表示方法是实体-联系模型（E-R模型）用户需求1用户需求2用户需求n……概念模型逻辑模型内部模型设计转换映射映射视图1视图2视图n……外部模型采用实体-联系模型（E-R模型）（1）实体采用矩形框表示，框内为实体名。E-R模型组成（2）属性采用椭圆表示，圆内为属性名，并用无向线与其相应实体连接。（3）码采用在相应属性下画实线的方式表示。（4）联系采用菱形框表示，框内为联系名，两侧标明联系的类型，例如1：1、1：n、m：n。【例1-2】画出商店销售管理系统的E-R模型。商店销售管理系统包括员工、订单、商品、部门4个实体，员工包括员工号、姓名、工资3个属性，订单包括订单号、客户号、销售日期、总金额4个属性，商品包括商品号、商品名称、商品类型代码、单价、库存量、未到货商品数量6个属性，部门包括部门号、部门名称2个属性。各实体间存在的联系为：一个部门拥有多名员工，一个员工只属于一个部门；一个员工可开出多个订单，一个订单只能由一个员工开出；一个订单可订购多类商品，一类商品可有多个订单。2.逻辑模型1）逻辑模型表达了数据库的整体逻辑结构，但它是设计人员对整个企业组织数据库的全面概述。2）逻辑模型是从数据库实现的观点出发，对数据建模。3）逻辑模型硬件独立，但软件依赖。4）逻辑模型是数据库设计人员与应用程序员之间进行交流的工具逻辑模型有层次模型、网状模型和关系模型3种。3.外部模型外部模型特点：1）外部模型是逻辑模型的一个逻辑子集。2）硬件独立，软件依赖。3）外部模型反映了用户使用数据库的观点。从整个系统考察，外部模型最主要的特点。1）简化了用户的观点。2）有助于数据库的安全性保护。3）外部模型是对概念模型的支持。4．内部模型内部模型又称为物理模型，是数据库最底层的抽象，它描述数据在磁盘上存储方式、存取设备和存取方法。随着计算机软、硬件性能的大幅度提高，并且目前占有绝对优势的关系模型以逻辑级为目标，因而可以不必考虑内部级的设计细节，由系统自动实现。1.数据模型的组成要素数据结构

数据结构是描述数据库的组成对象以及对象之间的联系。

在数据库系统中，人们通常按照其数据结构的类型来命名数据模型。常见的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型。

数据结构是所描述的对象类型的集合，是对系统静态特性的描述。1.3.2常用的数据模型数据操作

数据操作是指对数据表中记录的值允许执行的操作集合，包括操作及有关的操作规则。

数据库主要有查询和更新(插入、删除、修改)两大类操作。数据模型必须定义这些操作的确切含义、操作符号、操作规则及实现操作的语言。

数据操作是对系统动态特性的描述。数据的完整性约束条件

数据的完整性约束条件是一组完整性规则。

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。2.关系模型用户需求1用户需求2用户需求n……概念模型逻辑模型内部模型设计转换映射映射视图1视图2视图n……外部模型采用E-R模型层次模型网状模型关系模型学号姓名性别1040101钱江雨男1040102王清馨女1050101李晨男1050102赵一翰男1）关系（Relation）：一个关系就是一张规范的二维表。学号姓名性别成绩英语数学语文1040101钱江雨男9080851040102王清馨女7991821050101李晨男7395651050102赵一翰男868576学号姓名性别1040101钱江雨男1040102王清馨女1050101李晨男1050102赵一翰男2）元组(Tuple)：表中的一行即为一个元组。3）属性(Attribute)：表中的一列即为一个属性，每个属性都有属性名4）键(Key)：也称为关键码或关键字。表中的某个属性或者属性的组合，能唯一的确定一个元组，那么这个属性或者属性的组合就称为码，一个关系中可以有多个码。5）关系模式：关系名（属性1，属性2，属性3，…，属性n）学生关系3.关系模型的操作与完整性约束关系模型的操作主要包括查询、插入、删除和更新数据。关系的完整性约束条件包括三大类：

实体完整性、参照完整性和用户定义完整性。1.4非关系型数据库NOSQL**数据库原理与应用451.4.1NoSQL概述Web2.0兴起，传统的关系数据库暴露的难以克服的问题：（1）对数据库高并发读写的需求。（2）对海量数据的高效率存储和访问的需求。（3）对数据库的高可扩展性和高可用性的需求。关系数据库在越来越多的应用场景下已经显得不那么合适了，为了解决这类问题，非关系数据库应运而生。1.4.2NoSQL相关理论1.CAP理论Consistency（一致性）：意味着系统在执行了某些操作后仍处在一个一致的状态，这点在分布式系统中尤其明显。Availability（可用性）：指对数据的所有操作都应有成功的返回Partitiontolerance（分区容忍性）：在网络发生故障的时候。在网络连接上，一些结点出现故障，使得原本连通的网络变成了一