第1章 数据库系统概论

教学辅助课件VisualFoxPro数据库原理与应用第1章

数据库基本知识

本章要点数据库管理技术发展的三个阶段数据库系统的组成数据库管理系统的功能思考题

1.1.1数据处理的发展伴随着计算机技术的不断发展，数据处理及时地应用了这一先进的技术手段，使数据处理的效率和深度大大提高，也促使数据处理和数据管理的技术得到了很大的发展，其发展过程大致经历了人工管理、文件管理、数据库管理及分布式数据库管理等四个阶段。1.1数据库管理技术的发展

1.1.2数据处理的发展伴随着计算机技术的不断发展，数据处理及时地应用了这一先进的技术手段，使数据处理的效率和深度大大提高，也促使数据处理和数据管理的技术得到了很大的发展，其发展过程大致经历了人工管理、文件管理、数据库管理及分布式数据库管理等四个阶段。

1.1.2数据处理数据处理就是将数据转换为信息的过程。数据处理的内容主要包括：数据的收集、整理、存储、加工、分类、维护、排序、检索和传输等一系列活动的总和。数据处理的目的是从大量的数据中，根据数据自身的规律和及其相互联系，通过分析、归纳、推理等科学方法，利用计算机技术、数据库技术等技术手段，提取有效的信息资源，为进一步分析、管理、决策提供依据。数据处理也称信息处理。例如，学生各门成绩为原始数据，经过计算得出平均成绩和总成绩等信息，计算处理的过程就是数据处理。要点

1．人工管理阶段早期的计算机主要用于科学计算，计算处理的数据量很小，基本上不存在数据管理的问题。从50年代初开始，开始将计算机应用于数据处理。当时的计算机没有专门管理数据的软件，也没有像磁盘这样可随机存取的外部存储设备，对数据的管理没有一定的格式，数据依附于处理它的应用程序，使数据和应用程序一一对应，互为依赖。由于数据与应用程序的对应、依赖关系，应用程序中的数据无法被其他程序利用，程序与程序之间存在着大量重复数据，称为数据冗余；同时，由于数据是对应某一应用程序的，使得数据的独立性很差，如果数据的类型、结构、存取方式或输入输出方式发生变化，处理它的程序必须相应改变，数据结构性差，而且数据不能长期保存。在人工管理阶段，应用程序与数据之间的关系所示。

应用程序1应用程序2应用程序n数据组1数据组2数据组n……

如图1-1

2．文件管理阶段从50年代后期开始至60年代末为文件管理阶段，应用程序通过专门管理数据的软件即文件系统管理来使用数据。由于计算机存储技术的发展和操作系统的出现，同时计算机硬件也已经具有可直接存取的磁盘、磁带及磁鼓等外部存储设备，软件则出现了高级语言和操作系统，而操作系统的一项主要功能是文件管理，因此，数据处理应用程序利用操作系统的文件管理功能，将相关数据按一定的规则构成文件，通过文件系统对文件中的数据进行存取、管理，实现数据的文件管理方式。文件管理阶段中，文件系统为程序与数据之间提供了一个公共接口，使应用程序采用统一的存取方法来存取、操作数据，程序与数据之间不再是直接的对应关系，因而程序和数据有了一定的独立性。但文件系统只是简单地存放数据，数据的存取在很大程序上仍依赖于应用程序，不同程序难于共享同一数据文件，数据独立性较差。此外，由于文件系统没有一个相应的模型约束数据的存储，因而仍有较高的数据冗余，这又极易造成数据的不一致性。

在文件管理阶段，应用程序与数据之间的关系如图1-2所示。

操作系统应用程序n应用程序2数据组2数据组n应用程序1数据组1如图1-2

3．数据库管理阶段数据库管理阶段是60年代末在文件管理基础上发展起来的。随着计算机系统性价比的持续提高，软件技术的不断发展，人们克服了文件系统的不足，开发了一类新的数据管理软件——数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS），运用数据库技术进行数据管理，将数据管理技术推向了数据库管理阶段。数据库技术使数据有了统一的结构，对所有的数据实行统一、集中、独立的管理，以实现数据的共享，保证数据的完整性和安全性，提高了数据管理效率。数据库也是以文件方式存储数据的，但它是数据的一种高级组织形式。在应用程序和数据库之间，由数据库管理软件DBMS把所有应用程序中使用的相关数据汇集起来，按统一的数据模型，以记录为单位存储在数据库中，为各个应用程序提供方便、快捷的查询、使用。

数据库系统与文件系统的区别是：数据库中数据的存储是按同一结构进行的，不同的应用程序都可直接操作使用这些数据，应用程序与数据间保持高度的独立性；数据库系统提供一套有效的管理手段，保持数据的完整性、一致性和安全性，使数据具有充分的共享性；数据库系统还为用户管理、控制数据的操作，提供了功能强大的操作命令，使用户直接使用命令或将命令嵌入应用程序中，简单方便地实现数据库的管理、控制操作

在数据库管理阶段，应用程序与数据之间的关系如图1-3所示。

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数据库管理系统数据库应用程序2应用程序1应用程序n如图1-31.2数据库系统

1.2.1数据库系统的组成数据库应用系统简称为数据库系统（DataBaseSystem，DBS），是一个计算机应用系统。它由计算机硬件、数据库管理系统、数据库、应用程序和用户等部分组成。应用程序硬件语言编译DBMSOS

1.2.1信息、数据与数据处理

1数据与信息

人们通常使用各种各样的物理符号来表示客观事物的特性和特征，这些符号及其组合就是数据。数据的概念包括两个方面，即数据内容和数据形式。数据内容是指所描述客观事物的具体特性，也就是通常所说数据的“值”；数据形式则是指数据内容存储在媒体上的具体形式，也就是通常所说数据的“类型”。数据主要有数字、文字、声音、图形和图像等多种形式。信息是指数据经过加工处理后所获取的有用知识。信息是以某种数据形式表现的。数据和信息是两个相互联系、但又相互区别的概念；数据是信息的具体表现形式，信息是数据有意义的表现。

1．计算机硬件计算机硬件（Hardware）是数据库系统赖以存在的物质基础，是存储数据库及运行数据库管理系统DBMS的硬件资源，主要包括主机、存储设备、I/O通道等。大型数据库系统一般都建立在计算机网络环境下。为使数据库系统获得较满意的运行效果，应对计算机的CPU、内存、磁盘、I/O通道等技术性能指标，采用较高的配置。

2．数据库管理系统数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS）是指负责数据库存取、维护、管理的系统软件。DBMS提供对数据库中数据资源进行统一管理和控制的功能，将用户应用程序与数据库数据相互隔离。它是数据库系统的核心，其功能的强弱是衡量数据库系统性能优劣的主要指标。

DBMS必须运行在相应的系统平台上，在操作系统和相关的系统软件支持下，才能有效地运行。

3．数据库数据库(DataBase，DB)是指数据库系统中以一定组织方式将相关数据组织在一起，存储在外部存储设备上所形成的、能为多个用户共享的、与应用程序相互独立的相关数据集合。数据库中的数据也是以文件的形式存储在存储介质上的，它是数据库系统操作的对象和结果。数据库中的数据具有集中性和共享性。所谓集中性是指把数据库看成性质不同的数据文件的集合，其中的数据冗余很小。所谓共享性是指多个不同用户使用不同语言，为了不同应用目的可同时存取数据库中的数据。数据库中的数据由DBMS进行统一管理和控制，用户对数据库进行的各种数据操作都是通过DBMS实现的。

4．应用程序应用程序（Application）是在DBMS的基础上，由用户根据应用的实际需要所开发的、处理特定业务的应用程序。应用程序的操作范围通常仅是数据库的一个子集，也即用户所需的那部分数据。

5．数据库用户用户（User）是指管理、开发、使用数据库系统的所有人员，通常包括数据库管理员、应用程序员和终端用户。数据库管理员（DataBaseAdministrator，DBA）负责管理、监督、维护数据库系统的正常运行；应用程序员（ApplicationProgrammer）负责分析、设计、开发、维护数据库系统中运行的各类应用程序；终端用户（End-User）是在DBMS与应用程序支持下，操作使用数据库系统的普通使用者。不同规模的数据库系统，用户的人员配置可以根据实际情况有所不同，大多数用户都属于终端用户，在小型数据库系统中，特别是在微机上运行的数据库系统中，通常DBA就由终端用户担任。

1.3数据库系统体系结构为了有效地组织、管理数据，提高数据库的逻辑独立性和物理独立性，人们为数据库设计了一个严谨的体系结构，包括3个模式（外模式、模式和内模式）和2个映射（外模式-模式映射和模式-内模式映射）。美国ANSI/X3/SPARC的数据库管理系统研究小组于1975年、1978年提出了标准化的建议，将数据库结构分为3级：面向用户或应用程序员的用户级；面向建立和维护数据库人员的概念级；面向系统程序员的物理级。用户级对应外模式，概念级对应模式，物理级对应内模式，使不同级别的用户对数据库形成不同的视图。所谓视图，就是指观察、认识和理解数据的范围、角度和方法，简而言之，视图就是数据库在用户“眼中”的反映，很显然，不同层次（级别）用户所“看到”的数据库是不相同的。数据库系统的体系结构如图1-4所示。

1．模式模式又称概念模式或逻辑模式，对应于概念级。它是由数据库设计者综合所有用户的数据，按照统一的观点构造的全局逻辑结构，是对数据库中全部数据的逻辑结构和特征的总体描述，是所有用户的公共数据视图（全局视图）。它是由数据库系统提供的数据模式描述语言（DataDescriptionlanguage，模式DDL）来描述、定义的，体现、反映了数据库系统的整体观。

2．外模式外模式又称子模式，对应于用户级。它是某个或某几个用户所看到的数据库的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。外模式是从模式导出的一个子集，包含模式中允许特定用户使用的那部分数据。用户可以通过外模式描述语言（外模式DLL）来描述、定义对应于用户的数据记录（外模式），也可以利用数据操纵语言（DataManipulationLanguage，DML）对这些数据记录进行。外模式反映了数据库的用户观。

3．内模式内模式又称存储模式，对应于物理级。它是数据库中全体数据的内部表示或底层描述，是数据库最低一级的逻辑描述，它描述了数据在存储介质上的存储方式和物理结构，对应着实际存储在外存储介质上的数据库。内模式由内模式描述语言（内模式DLL）来描述、定义，它是数据库的存储观。在一个数据库系统中，只有惟一的数据库，因而作为定义、描述数据库存储结构的内模式和定义、描述数据库逻辑结构的模式，也是惟一的，但建立在数据库系统之上的应用则是非常广泛、多样的，所以对应的外模式不是惟一的，也不可能惟一。

4．三级模式间的映射数据库系统的三级模式是数据在三个级别（层次）上的抽象，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物理表示和存储。实际上，对于一个数据库系统而言，只有物理级数据库是客观存在的，它是进行数据库操作的基础，概念级数据库中不过是物理数据库的一种逻辑的、抽象的描述（即模式），用户级数据库则是用户与数据库的接口，它是概念级数据库的一个子集（外模式）。用户应用程序根据外模式进行数据操作，通过外模式－模式映射，定义和建立某个外模式与模式间的对应关系，将外模式与模式联系起来，当模式发生改变时，只要改变其映射，就可以使外模式保持不变，对应的应用程序也可保持不变；另一方面，通过模式－内模式映射，定义建立数据的逻辑结构（模式）与存储结构（内模式）间的对应关系，当数据的存储结构发生变化时，只需改变模式－内模式映射，就能保持模式不变，因此应用程序也可以保持不变。

1.4数据库管理系统的功能作为数据库系统核心软件的数据库管理系统DBMS，通过三级模式间的映射转换，为用户实现了数据库的建立、使用、维护操作，因此，DBMS必须具备相应的功能。它主要包括如下功能：

1．数据库定义（描述）功能

2．数据库操纵功能

3．数据库管理功能

4．通信功能

1．数据库定义（描述）功能

DBMS为数据库的建立提供了数据定义（描述）语言（DDL）。用户使用DDL定义数据库的子模式（外模式）、模式和内模式，以定义和刻画数据库的逻辑结构，正确描述数据之间的联系，DBMS根据这些数据定义，从物理记录导出全局逻辑记录，再从全局逻辑记录导出应用程序所需的数据记录。

2．数据库操纵功能

DBMS提供数据操纵语言（DML）实现对数据库检索、插入、修改、删除等基本操作。DML通常分为两类：一类是嵌入主语言中的，如嵌入C、COBOL等词组语言中，这类DML一般本身不能独立使用，称之为宿主型语言；另一类是交互式命令语言，