第一章数据库系统概述

数据库系统概述熟练掌握：数据库相关概念；数据库的组成；三种数据模型掌握：数据库管理系统；数据库系统的发展。1.1数据库的相关概念

数据、数据库、数据库管理系统和数据库系统是与数据库技术密切相关的4个基本概念。数据

数据（data）是对客观事物的符号表示，是数据库中存储的基本对象。在计算机科学中，数据指所有能输入计算机并被计算机程序处理的符号介质的总称。图形符号、数字、字母、声音、图像、学生的档案记录等都是数据。例如，一个人的联系方式包括电话、地址、邮编、单位等，这些也都是数据。数据库

数据库（database，DB）是存储在计算机存储设备上，结构化的相关数据的集合。它不仅存放数据，而且还存放数据之间的联系。数据库中的数据按照一定的数据模型组织、描述，以文件的形式存储在存储介质上，是数据库系统操作的对象和结果，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，可以被各种用户共享。数据库管理系统

数据库管理系统（databasemanagementsystem，DBMS）是位于用户与操作系统之间的帮助用户建立、使用和管理数据库的数据管理软件，对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。用户通过DBMS访问数据库中的数据，数据库管理员也通过DBMS进行数据库的维护工作。它提供多种功能，可使多个应用程序和用户用不同的方法并发地建立、修改和询问数据库。数据库管理系统的主要功能：1、数据定义定义数据库的模式、外模式和内模式，以及它们的二级印像。2、数据操纵实现对数据库的基本操作，包括查询、插入修改、删除等。3、数据库运行管理对数据库的运行管理是DBMS运行的核心部分。DBMS通过对数据库的控制以确保数据的正确有效和数据库系统的正常运行。DBMS对数据库的控制主要通过四个方面实现：数据的安全性控制、数据的完整性控制、多用户环境下的并发控制、数据库的回复。4、数据库的建立和维护功能包括数据库的初始数据的装入，数据库的转存、恢复、重组织、系统性能监视、分析等功能。5、数据通信接口数据库管理系统的组成DBMS是由许多程序组成的一个大型软件，每个程序都有自己的功能，共同完成一个或几个工作。1、语言编译处理程序数据定义语言DDL编译程序

把用DDL编写的各级源模式编译成各级目标模式。数据操纵语言DML编译程序

将应用程序中的DML语句转换成可执行程序，实现对数据库的检索、插入和修改等基本操作。2、系统运行控制程序系统总控程序：控制和协调各程序的活动，是运行程序的核心安全性控制程序：防止未被授权的用户存取数据库中的数据。并发控制程序：协调多用户、多任务环境下各应用程序对数据库的并发操作，保证数据的一致性。完整性控制程序：检查完整性约束条件，确保进入数据库中数据的正确性、有效性和相容性。数据存取和更新程序：实施对数据库数据的检索、插入、修改和删除操作。通信控制程序：实现用户程序与DBMS间的通信3、系统建立、维护程序装配程序:完成初始数据库的数据装入。重组程序：当数据库系统性能降低时，需要重新组织数据库，重新装入数据。系统恢复程序：当数据库系统受到破坏时，将数据库系统恢复到以前某个正确的状态。4、数据字典是用来描述数据库中有关信息的数据目录，包括数据库的三级模式、数据类型、用户名和用户权限等有关数据库系统的信息。是DBMS存取数据的基本依据。

目前，广泛应用的大型网络数据库管理系统有：微软的SQLServer、IBM的DB2、ORACLE、SYBASE等。常用的桌面数据库管理系统有：VisualFoxpro、Access等。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。一般由计算机硬件、数据库集合、数据库管理系统、相关的软件及其开发工具和人员构成的。数据库管理系统是整个数据库系统的核心。

数据库系统的主要特点包括：①数据结构化②数据共享③数据独立性④统一的数据控制（安全性控制、完整性控制、并发操作控制）1.2数据管理技术的产生和发展

20世纪50年代初期，计算机开始应用于数据管理，并逐渐得到人们的认可。几十年来，数据管理技术随着计算机软件、硬件的发展而不断地发展，经历了人工管理、文件管理系统、数据库管理系统3个阶段。1.人工管理阶段

(20世纪50年代中期以前)

计算机主要用于科学与工程计算。由于当时没有必要的软件、硬件环境的支持，用户只能直接在裸机上操作，采用批处理方式处理数据。人工管理阶段具有如下特点：（1）数据不保存。（2）应用程序管理数据。（3）数据不能共享。（4）数据不具有独立性。

应用程序与数据之间是一一对应的关系，如图所示。

2.文件管理系统阶段

（20世纪50年代中期到20世纪60年代中期）

在文件管理方式下，人们将程序存储到程序文件中，将处理的数据存储到数据文件中。文件管理方式最大的优点是数据与程序的分离，大大提高了数据处理的效率，但在使用过程中仍存在以下缺点：（1）数据共享性差。在文件管理系统中，文件仍然是面向应用的，当不同的应用程序具有部分相同的数据时，也必须建立各自的文件，而不能共享数据，因此数据的共享性差、冗余度高，浪费存储空间。（2）数据的独立性差。在文件管理系统中，一旦数据的结构改变，就必须修改应用程序；反之，一旦应用程序的结构改变，也必然引起数据结构的改变。在文件管理系统阶段，应用程序与数据文件之间的对应关系如图所示。3.数据库管理系统阶段

（20世纪60年代后期）

这个阶段中程序和数据的联系通过数据库管理系统（DBMS）来实现。数据库管理系统阶段具有以下特点：（1）数据的共享性高、冗余度低。数据库管理系统从整体角度对待和描述数据，数据不再面向特定的某个或多个应用，而是面向整个应用系统。数据冗余明显减少，实现了数据共享。

（2）数据独立性高。在这一管理方式下，应用程序不再只与一个孤立的数据文件相对应，而是通过数据库管理系统实现逻辑文件与物理数据之间的映射，这样应用程序对数据的管理和访问不但灵活方便，而且应用程序与数据之间完全独立。（3）数据由数据库管理系统统一管理和控制。数据库的共享是并发（concurrency）的共享，即多个用户可以同时存取数据库中的数据，甚至可以同时存取数据库中同一个数据，而这些都由数据库管理系统统一管理与控制，从而简化了应用程序。在数据库管理系统阶段，应用程序与数据之间的对应关系如图所示。1.3数据库系统的结构1.数据库系统的组成

数据库系统一般由数据库、硬件、软件、数据库管理员和用户5部分组成。1）数据库

数据库是一个结构化的数据集合。在一个数据库系统中，可以根据需要创建多个数据库，并且数据库中的数据通常可以被多个用户所共享。2）软件（1）DBMS，它是为数据库的建立、使用和维护配置的软件。（2）支持DBMS运行的操作系统。（3）具有与数据库接口的高级语言及其编译系统，便于开发应用程序。（4）以DBMS为核心的应用开发工具，它们为数据库系统的开发和应用提供了良好的环境。（5）为特定应用环境开发的数据库应用程序。3）硬件

任何一个计算机系统都需要有中央处理器、存储器和输入/输出设备等硬件。一个数据库系统需要有足够快的处理器来处理这些数据，以便快速响应用户的数据处理和数据检索请求，同时还需要有足够容量的内存与外存来存储大量的数据。4）数据库管理员

数据库管理员是对整个数据库系统进行全面维护和管理的专门人员，他们在数据库系统的开发、维护和应用中起着重要的作用。5）用户

用户也称最终用户，他们可以通过应用系统的用户接口使用数据库。1.4数据库系统的三级模式结构

数据库领域公认的标准结构是美国国家标准协会（AmericanNationalStandardInstitute，ANSI）的数据库管理系统研究小组于1978年提出的标准化的建议，将数据库结构划分为3个模式：概念模式、外模式和内模式，又称为数据库的三级模式结构，使不同级别的用户对数据库形成不同的视图。所谓视图，是指观察、认识和理解数据库的范围、角度和方法，是数据库在用户“眼中”的反映，很显然，不同层次的用户所“看到”的数据库是不相同的。1）概念模式

介于内模式和外模式之间的中间层次概念模式对应于概念级。它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），由若干个概念记录类型组成。

概念模式不仅要描述概念记录类型，还要描述记录间的联系、操作、数据的完整性以及安全性等要求。定义模式时不仅要定义数据的逻辑结构（如数据记录由哪些数据项构成，数据项的名字、类型、长度和取值范围等），而且还要定义与数据有关的安全性、完整性要求以及定义这些数据之间的联系。2）外模式最接近用户，也就是用户所看到的数据视图

外模式又称子模式，对应于用户级，是对用户用到的那部分数据的描述。它是某个或某几个用户所看到的数据库的数据视图，与某一应用有关的数据的逻辑表示。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。

一个数据库可以有多个外模式。如果不同的用户在应用需求、数据的方式、对数据保密的要求等方面存在差异，则他们的外模式描述就是不同的。外模式是概念模式的子集，也称子模式或用户模式。3）内模式最接近物理存储，也就是数据的物理存储方式

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。

在一个数据库系统中，只有唯一的数据库。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概念模式，也是唯一的。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唯一的，也不可能是唯一的。

因此，概念模式描述的是数据的全局逻辑结构，外模式涉及的是数据的局部逻辑结构，即用户可以直接接触到的数据的逻辑结构，而内模式更多的是由数据库系统内部实现。三级模式结构的优点：保证了数据的独立性；将内模式和概念模式分开，保证了数据的物理独立性；将外模式和概念模式分开，保证了数据的逻辑独立性。简化了用户接口；按照外模式编写应用程序或输入命令，而不需要了解数据库内部的存储结构，方便用户使用系统。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的数据，减少了数据冗余。利于数据的安全保密。在外模式下根据要求进行操作，只能对限定的数据进行操作，保证了其他数据的安全。2、三级模式间的映射

数据库的三级模式是数据库在3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，物理级数据库是客观存在的，它是进行数据库操作的基础，概念级数据库不过是物理级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）。因此，为了实现三个抽象层次的联系和转换，数据库系统在这三级模式中提供了映射机制，即：外模式/概念模式映射概念模式/内模式映射

用户应用程序根据外模式进行数据操作，通过外模式/概念模式映射，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，通过概念模式/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。

数据库是数据的集合，它不仅要反映数据本身的内容，而且要反映数据之间的联系。由于计算机不可能直接处理现实世界中的具体事物，人们必须事先把具体事物转换成计算机能够处理的数据，这种具有联系性的相关数据总是按照一定的组织关系排列，从而构成一定的结构，对这种结构的描述就是数据模型。在数据库中用数据模型这个工具来抽象、表示和处理现实世界的模拟。数据模型包括数据库数据的结构部分、数据库数据的操作部分和数据库数据的约束条件。1.5数据模型数据模型所描述的内容包括三个部分：数据结构、数据操作、数据约束。

1）数据结构:数据模型中的数据结构主要描述数据的类型、内容、性质以及数据间的联系等。数据结构是数据模型的基础，数据操作和约束都建立在数据结构上。不同的数据结构具有不同的操作和约束。

2）数据操作:数据模型中数据操作主要描述在相应的数据结构上的操作类型和操作方式。

3）数据约束：数据模型中的数据约束主要描述数据结构内数据间的语法、词义联系、他们之间的制约和依存关系，以及数据动态变化的规则，以保证数据的正确、有效和相容。

不同的数据模型实际上是提供给用户模型化数据和信息的不同工具。根据模型应用的不同目的，可将模型划分为两类，它们分属于两个不同的层次。

第一层模型是概念层模型，习惯称为概念模型，它是按照用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库的设计。

另一层模型是组织层数据模型，简称数据模型，它是按照计算机系统的观点对数据建模，主要用于数据库的实现，分为关系数据库、层次数据库和网状数据库，其中，关系数据库是目前最重要的一种数据库。20世纪80年代以来，计算机厂商推出的数据库管理系统大多采用关系数据库系统。

为了把现实中的具体事物抽象、组织为某一DBMS支持的数据模型，人们首先将现实世界抽象为信息世界，然后将信息世界转换为机器世界。也就是说，首先把现实世界中的客观对象抽象为某一信息结构，即用概念模型描述数据，然后再把概念模型转换为计算机上某一DBMS支持的数据模型，这一过程如图所示。1.概念模型1）概念模型中的名词术语（1）实体。客观存在并且相互区别的事物称为实体。实体可以是实际的事物，例如，一名学生、一位教师；实体也可以是抽象的事件，例如，一场比赛、一次选课。（2）实体集。具有相同类型及相同性质（或属性）的实体集合称为实体集。例如，某所学校的所有学生的集合是学生实体集，所有教师也是实体集。（3）实体的属性。描述实体的特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画，例如，学生实体可以由学号、姓名、性别、年龄、院系等属性描述。（4）属性值。将属性的具体取值称为属性值。（5）域。属性值的取值范围称为改属性的域。2）实体之间的联系联系：就是实体与实体之间的联系。（1）一对一的联系（1∶1）。班长和班级之间是一对一的联系，一个班级只能有一名正班长，而每一名班长只能在一个班级任职。（2）一对多的联系（1∶n）。系和学生之间具有一对多联系，一个系有若干名学生，而每一名学生只能在一个系中学习。（3）多对多的联系（m∶n）。学生和课程之间具有多对多的联系，一名学生可以选修多门课程，而每一门课程又可以被多名学生选修。3）实体联系图：E-R图

实体联系方法简单、实用，通常使用它的工具---E-R图来描述现实世界的信息结构，并将所描述的结果称为E-R模型。E-R模型可以转换为DBMS所支持的数据模型。E-R图有4个要素：（1）矩形：表示实体，矩形框内标注实体名称（2）椭圆：表示实体和联系所具有的属性，椭圆内标注属性的名称。（3）菱形框：表示实体之间的联系，菱形框内标注联系的名称。（4）连线：用来连接实体与实体所具有的属性、联系与联系所具有的属性，以及实体与联系。

下面用E-R图来表示学校教师授课情况的概念模型，如图所示，教师属性有系部、姓名；课目属性有编号、名称；学生属性有学号、姓名、年龄及班级。

2.数据模型

概念模型是人们对现实世界事物之间各种联系的一种抽象表示，它只描述了实体的存在及其联系，而不能指出如何实现各种联系。数据库系统为了能很好地支持概念模型，必须要采用具体的数据组织结构，这就是组织层数据模型，亦称数据模型。数据模型是概念模型的数据化。任何一个数据库管理系统都是基于某种数据模型的。数据模型主要用于数据库管理系统（DBMS）的实现。

目前常用的数据模型有3种：层次模型、网状模型和关系模型。与之相对应，数据库也分为3种基本类型：层次数据库、网状数据库和关系数据库。1）层次模型

层次模型是用树形结构来表示实体与实体之间的联系的。层次模型适合描述现实世界原本具有层次关系的系统，例如，企业、学校、机关及家族等。在这种模型中，记录类型为结点，由根结点、父结点和子结点构成。

层次模型像一棵倒置的树，根结点在上，层次最高，子结点在下，逐层排列。其主要特征是：有且只有一个无双亲的根结点；根结点以外的子结点，向上仅有一个父结点，向下可以有若干个子结点，表示的是一个父结点对应于多个子结点，而一个子结点是只能对应于一个父结点的一对多的联系。

层次模型只能直接表示一对多（包括一对一）联系，而无法直接表示实体间的多对多联系，但却简单、直观、处理方便、算法规范，如图所示。

2）网状模型

网状模型用网状结构表示实体与实体之间的联系。网状模型允许结点有多于一个的父结点，也可以有一个以上的结点没有父结点，适合用于表示多对多的联系。

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，呈现一种交叉关系的网络结构。其主要特征是：允许有一个以上的结点无双亲结点，至少有一个结点有多于一个的双亲结点。

网状模型在概念上、结构上都比较复杂，实现的算法也难以规范化，但这种数据模型可以表示较为复杂的数据结构，如图所示。

3）关系模型

是通过二维表来表示实体以及实体之间的联系。在这种模型中，一个二维表就是一个关系，二维表不仅能够描述实体本身，而且还能反映实体之间的联系。但并不是所有的二维表都是关系模型，只有具有下列特点的二维表才是关系模型：（1）表格中的每一列都是不可再分的基本数据项。（2）每列的名字不同，同一列的数据类型相同。（3）行的顺序无关紧要。（4）列的顺序无关紧要。（5）关系中不允许有完全相同的两行存在。通常将关系模型称为关系或表，将关系中的行称为元组（或记录）。将关系中的列称为属性,(或字段）。关系模型的基本术语

在关系模型中，无论是实体还是实体之间的联系均由关系（表）来表示。1.关系与表

关系（relation）是满足一定条件的二维表，用来表示概念世界中的实体和实体之间的联系，二维表名就是关系名。但并非任何一个二维表都是一个关系，确定二维表是一个关系应具有以下几个特征：（1）表中没有组合的列，也就是说每一列都是不可再分