第7章-数据库系统

实训项目简介第7章数据库系统第7章数据库系统7.1概述7.2关系数据库7.3数据库设计7.4数据库技术的应用7.1概述7.1.1数据库系统基本概念7.1.2数据管理技术的发展7.1.3数据模型7.1.4数据库系统体系结构7.1.1数据库系统基本概念四个基本概念数据库（Database）数据(Data)数据库管理系统(DBMS)数据库系统(DBS)一、数据数据(Data)的定义数据是信息的具体表现形式，是信息的载体；是描述事物的符号记录。数据的表现形式数据与其语义是不可分的数字文字图形图像声音视频等二、数据库数据库的定义数据库(Database,简称DB)是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。特点数据结构化数据共享好减少冗余，避免不一致数据独立性高数据由DBMS统一管理和控制，增强安全性。三、数据库管理系统什么是DBMS数据库管理系统（DatabaseManagementSystem，简称DBMS）是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。三、数据库管理系统（续）小型数据库管理系统dBASE/FoxBASEFoxPro/VisualFoxProAccess大型数据库管理系统OracleSQLServerDB2SybaseInformix四、数据库系统什么是数据库系统数据库系统（DatabaseSystem，简称DBS）是指在计算机系统中引入数据库后的系统。数据库系统的构成数据库（DB）数据库管理系统（DBMS）及其开发工具应用系统数据库管理员（DBA）用户四、数据库系统（续）7.1.2数据管理技术的发展数据管理指对各种数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，它是数据处理的中心问题。数据处理是指对各种数据进行收集、存储、加工和传播等活动。数据管理技术的发展人工管理阶段(40年代中--50年代中)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)一、人工管理(40年代中--50年代中)产生的背景应用需求 科学计算 硬件水平 纸带、卡片、磁带 软件水平 没有操作系统 处理方式 批处理特点数据不能长期保存应用程序管理其所涉及的数据数据不能共享数据与程序之间不具有独立性 二、文件系统(50年代末--60年代中)产生的背景应用需求 科学计算、管理 硬件水平 磁盘、磁鼓 软件水平 专门管理数据的文件系统 处理方式 联机实时处理、批处理 特点数据以文件形式可长期保存由文件系统管理数据不再属于某个程序，可以重复使用数据的独立性,共享性差，冗余度高三、数据库系统(60年代末--现在)产生的背景应用背景 大规模管理 硬件背景 大容量磁盘 软件背景 有数据库管理系统 处理方式 联机实时处理、分布处理、批处理特点数据的结构化数据独立性数据的共享性高,冗余度低由DBMS对数据进行统一管理和控制7.1.3数据模型数据模型：是对现实世界数据特征的抽象，对数据库如何组织的一种模型化表示，是数据库系统的核心和基础。数据模型应满足三方面要求：能比较真实地模拟现实世界，容易为人所理解，便于在计算机上实现。7.1.3数据模型数据模型具有三个要素：

数据结构：包括应用所涉及的对象、对象具有的特征和对象间的联系。是对数据库静态特征的描述。数据操作：是一组对数据结构的任何实例执行的操作集合，如查询、插入、删除、修改，反映了数据的动态特性。数据约束：是对数据静态特征和动态特性的限定，定义了相容的数据库状态的集合及可允许的状态变化，保证了数据库中数据的正确、有效和安全。7.1.3数据模型层次模型层次模型用树型结构表示实体及实体之间的关系，树中每个节点表示一个记录类型，树状结构表示实体之间的关系。层次模型由满足如下条件的结点组成：根结点：是唯一的一个无双亲结点。其它结点：有且仅有一个双亲结点。7.1.3数据模型层次模型代表1968，IBM公司的IMS系统。优缺点结构清晰，容易理解；结点间联系简单，记录之间的联系通过指针来实现，查询效率较高。只能表示一对多的联系尽管有许多辅助手段实现多对多的联系，但比较复杂，不易掌握7.1.3数据模型网状模型满足如下条件的结点组成：允许一个以上的结点无双亲结点；一个结点可以有多个双亲结点。7.1.3数据模型网状模型特征：是一种用图状结构来组织数据的数据模型。图中的每个结点代表一种记录类型。优缺点在网状模型中，结点间的联系更具有任意性，更能表示事物之间的复杂联系，更适合于描述客观世界。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7.1.3数据模型关系模型关系模型是一种用二维表格结构表示数据及数据之间联系的数据模型。关系模型以关系代数为基础，实体间通过公共属性实现联系，与数据的物理结构无关。目前，关系模型是数据库设计中最常用的模型。7.1.4数据库系统体系结构数据库系统内部的体系结构从逻辑上分为三级：模式模式也称逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是面向全体用户的基本数据视图。外模式外模式也称子模式或用户模式，是数据库用户可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。内模式内模式是数据物理结构和存储结构的描述，是数据在数据库内部的表示。7.1.4数据库系统体系结构应用1应用2应用n外模式1…外模式m…外模式/模式映象模式模式/内模式映象内模式数据库用户级概念级物理级数据库的三级模式结构图两级映像外模式/模式映像当模式被改变时，可以由DBA改变各个外模式/模式映像，以保证外模式不发生变化，从而使根据外模式编写的应用程序也无需变化，这样就保证了数据与程序的逻辑独立性。模式/内模式映像当数据的物理存储(即内模式)变化了，也可以由DBA来修改模式/内模式的映像，使得模式能够保持不变，外模式也不会变化，当然，应用程序也无需变动，从而保证了数据库中数据与程序的物理独立性。7.1.4数据库系统体系结构数据独立性逻辑独立性指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，用户程序也可以不变。物理独立性指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中数据是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。数据独立性是由DBMS的二级映像功能来保证的。7.1.4数据库系统体系结构7.2关系数据库7.2.1关系数据结构基本概念7.2.2关系操作7.2.3关系完整性7.2.4关系数据库语言7.2.1关系数据结构基本概念关系模型是一种用二维表格结构表示数据及数据之间联系的数据模型。一张二维表代表一个关系。课程号课程名学时C401001数据结构70C401002操作系统80C402001计算机原理60课程关系C

元组1元组2元组3关系关系模式名（属性名1，属性名2，…，属性名n）属性关系模式域课程（课程号，课程名，学时）候选码如果一组属性集能唯一地标识一个关系中的元组而又不含有多余的属性，则称该属性集为该关系的候选码。主码用户选定的那个候选码。特点唯一性最小性学号姓名…班级200401001张华…200401200401002李建平…200401200401003王丽丽…200401…………学生关系S7.2.1关系数据结构基本概念7.2.1关系数据结构基本概念关系模型的特点数据结构单一采用集合运算数据完全独立数学理论支持7.2.2关系操作关系操作查询选择、投影、连接、除、并、交、差、笛卡尔积其中选择、投影、并、差、笛卡尔积是五种基本操作。其他操作可以用基本操作来定义和导出。数据更新插入、删除、修改7.2.3关系完整性关系模型中三类完整性约束：实体完整性实体完整性是指关系的主码不能为空值参照完整性参照完整性是指参照关系的外码取值不能超出被参照关系的主码取值。外码取值必需满足两种情况之一：被参照关系中某元组主码的值要么取空值用户定义的完整性根据应用环境的要求和实际的需要对某一具体应用所涉及的数据提出约束性条件例学生关系性别的取值必须满足为‘男’或‘女’外码外码（ForeignKey）设F是基本关系R的一个或一组属性，但不是关系R的码。如果F与基本关系S的主码Ks相对应，则称F是基本关系R的外码。基本关系R称为参照关系，基本关系S称为被参照关系。实例学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄）专业（专业号，专业名）7.2.4关系数据库语言SQL(StructuredQueryLanguage)结构化查询语言，是一种数据库查询和程序设计语言，用于存取数据以及查询、更新和管理关系数据库系统。SQL语言能够强大，简单易学，是一种被广泛采用的关系数据库语言。7.2.4关系数据库语言SQL语言的发展ChamberlinSEQUELSQL大型数据库

SybaseINFORMIXSQLServerOracleDB2INGRES----------------小型数据库

FoxProAccess7.2.4关系数据库语言SQL标准的进展过程

标准大致页数发布日期SQL/861986.10SQL/89(FIPS127-1)120页1989年SQL/92622页1992年SQL991700页1999年SQL20032003年7.2.4关系数据库语言SQL语言的特点1．非过程化只要提出做什么，而不必指明如何做，对于存取路径的选择和语句的操作过程均由系统自动完成。2．功能一体化SQL集数据定义语言DDL,数据操纵语言DML，数据控制语言DCL以及附件语言元素于一体，语言风格统一。使得各类用户只需要学习一种语言形式即可完成多种平台的数据请求。3．一种语法两种使用方式人机交互方式与嵌入主语言方式。7.2.4关系数据库语言SQL语言的特点4．面向集合操作SQL语言的操作对象可以是记录集。SQL语句可以接受记录集作为输入，返回记录集作为输出，也可以将一条SQL语句的结果作为另一条SQL语句的输入。5.语法简洁、易学易用7.2.4关系数据库语言SQL的核心动词SQL功能极强，完成核心功能只用了9个动词。7.2.4关系数据库语言SQL的简单实例一个学生—课程数据库，包括三个表：

学生表：S(Sno,Sname,Ssex,Sdept)

课程表：C(Cno,Cname,Ccredit)

学生选课表：SC(Sno,Cno,Grade)7.2.4关系数据库语言数据定义1.创建表：例如，创建选课表SCCREATETABLESC(SnoCHAR(9)，

CnoCHAR(4)，

GradeSMALLINT，

PRIMARYKEY(Sno，Cno))7.2.4关系数据库语言数据定义2.修改表：例如，为表S增加Sage列

ALTERTABLESADD

SageINT；3.删除表：DROPTABLE

S7.2.4关系数据库语言数据操纵1.插入：由VALUES子句定义。例如，在学生表S中插入一个学生信息。设这个学生的信息如下：学号：01021003，姓名：王力，性别：男，年龄：20，所在系：计算机系(CS)。写出SQL语句如下：INSERTINTOS

VALUES(‘01021003’,‘王力’,‘男’,20,‘CS’)；数据操纵2.删除：由WHERE子句定义删除元组需要满足的条件。例如，将学号为01021001的学生信息从学生表S中删除。写出SQL语句如下：

DELETE

FROMS

WHERESno=’01021001’；7.2.4关系数据库语言数据操纵3.选择例如，查询学号为01021001的学生的基本信息。写出SQL语句如下：

SELECT*

FROMS

WHERESno=’01021001’；

说明：“*”在此表示选择所有的属性。7.2.4关系数据库语言数据操纵3.选择例如，查询学号为01021001的学生所选修的课程名。写出SQL语句如下：

SELECTCname

FROMSC,C

WHERESC.Sno=’01021001’ANDSC.Cno=C.Cno；7.2.4关系数据库语言7.3数据库设计需求分析概念结构设计逻辑结构设计物理结构设计数据库实施数据库运行和维护7.3数据库设计数据库设计数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造（设计）优化的数据库逻辑模式和物理结构，并据此建立数据库及其应用系统；能够有效地存储和管理数据，满足各种用户的应用需求，包括信息管理要求和数据操作要求。7.3数据库设计关系数据库的设计步骤需求分析概念结构设计逻辑结构设计物理结构设计数据库实施运行与维护7.3数据库设计—需求分析1、需求分析任务对组织的工作现状和用户需求进行调查分析。明确用户的信息需求和系统功能。提出拟建系统的逻辑方案。充分考虑今后可能的扩充和改变。重点调查的重点是“数据”和“处理”，获得用户对数据库的要求信息要求处理要求安全性与完整性要求7.3数据库设计—需求分析1、需求分析难点确定用户最终需求用户缺少计算机知识设计人员缺少用户的专业知识解决方法设计人员必须不断深入地与用户进行交流7.3数据库设计—概念结构设计2、概念结构设计将需求分析阶段得到的用户需求抽象为反映现实世界信息需求的数据库概念结构。概念模型计算机现实世界信息信息世界概念化抽象DBMS支持的数据模型形式化转换7.3数据库设计—概念结构设计概念结构设计的特点能真实、充分地反映现实世界易于理解易于更改易于向关系、网状、层次等各种数据模型转换描述概念模型的工具E-R模型(实体-关系模型)7.3数据库设计—概念结构设计E-R模型：用矩形表示实体型；用椭圆表示属性；用菱形表示联系，并标示出联系的类型。课程学生选修学号姓名年龄性别系别课程号学分课程名成绩mn7.3数据库设计—逻辑结构设计3.逻辑结构设计逻辑结构设计任务把概念结构设计阶段的E-R图转换成与具体的DBMS产品所支持的数据模型相一致的逻辑结构。逻辑结构设计的步骤①将概念结构转化为一般的关系、网状、层次模型②将转换来的关系、网状、层次模型向特定DBMS支持下的数据模型转换③对数据模型进行优化

7.3数据库设计—逻辑结构设计逻辑结构设计时的3个步骤7.3数据库设计—物理结构设计4、物理结构设计数据库在物理设备上的存储结构与存取方法称为数据库的物理结构，它依赖于选定的数据库管理系统。为一个给定的逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构的过程，就是数据库的物理设计。物理结构设计依赖于给定的硬件环境和数据库产品。数据库物理设计的步骤①确定数据库的物理结构，在关系数据库中主要指存取方法和存储结构，系统配置②对物理结构进行评价，评价的重点是时间和空间效率。如果评价结果满足原设计要求，则可进入到物理实施阶段，否则，就需要重新设计或修改物理结构，有时甚至要返回逻辑设计阶段修改数据模型。7.3数据库设计—物理结构设计数据库物理结构设计确定数据库的物理结构评价数据库的物理结构逻辑结构设计数据库实施物理模型逻辑模型7.3数据库设计—物理结构设计7.3数据库设计—数据库实施5、数据库实施根据逻辑设计和物理设计的结果，在选用的DBMS上建立起数据库。具体有以下三项工作：建立数据库结构。载入实验数据并测试应用程序。载入全部实际数据并试运行应用程序。7.3数据库设计—数据库实施数据库试运行在原有系统的数据有一小部分已输入数据库后，就可以开始对数据库系统进行联合调试，称为数据库的试运行

数据库试运行主要工作包括：1）功能测试实际运行数据库应用程序，执行对数据库的各种操作，测试应用程序的功能是否满足设计要求如果不满足，对应用程序部分则要修改、调整，直到达到设计要求2）性能测试测量系统的性能指标，分析是否达到设计目标如果测试的结果与设计目标不符，则要返回物理设计阶段，重新调整物理结构，修改系统参数，某些情况下甚至要返回逻辑设计阶段，修改逻辑结构

7.3数据库设计—数据库运行和维护6、数据库的运行和维护数据库试运行合格后，数据库即可投入正式运行。数据库投入运行标志着开发任务的基本完成和维护工作的开始。在数据库运行阶段，对数据库经常性的维护工作主要是由DBA完成的，包括：数据库的备份和恢复数据库的安全性、完整性控制数据库性能的监督、分析和改进数据库的重组织和重构造7.4数据库系统的应用7.4.1管理信息系统7.4.2数据挖掘系统7.4.3空间数据库7.4.4多媒体数据库7.4.1管理信息系统管理信息系统（ManagementInformationSystem，简称MIS）是一个以人为主导，利用计算机硬件、软件、网络通信设备以及其他办公设备，进行信息的收集、传输、加工、储存、更新和维护，为企事业单位的运行、管理、分析和决策等职能提供信息支持的综合性计算机应用系统，是管理人员实现其目标的有效工具。7.4.1管理信息系统一个完整的MIS应包括：辅助决策系统（DSS）工业控制系统（CCS）办公自动化系统（OA）数据库、模型库、方法库、知识库与上级机关及外界交换信息的接口。从MIS的功能和服务对象，可分为：国家经济信息系统企业管理信息系统事务型管理信息系统行政机关办公型管理信息系统专业型管理信息系统等。7.4.2数据挖掘系统数据挖掘的概念概念数据挖掘是从存放在数据库、数据仓库或其他信息