DB01-数据库系统概述

数据库原理与应用1董成email3000@126.com联系方式：课程邮箱：

miskc10@126.com2计算机三大主要应用领域科学计算过程控制数据处理指对原始数据进行收集、整理、存储、分类、排序、检索、维护、加工、统计和传输等一系列活动的总称。70%3数据库数据的仓库，即数据存放的地方小型数据库系统：Foxpro、Access大型数据库系统：Oracle、DB2、SQLServer、Informix、Sybase数据仓库4数据库系统概述1.1信息、数据、数据处理与数据管理1.2数据库技术的产生、发展1.3数据库系统的组成1.4数据库系统的模式结构1.5数据库系统的外部体系结构1.6数据库管理系统（DBMS）1.7数据模型1.8四种数据模型1.9数据库系统的发展1.10数据库技术与其他相关技术的结合15关于现实世界事物的存在方式或运动状态反应的综合。（1）信息（Information）学号：S1姓名：赵亦性别：女年龄：17岁所在系别：计算机1.1基本术语一个学生信息：6（2）数据（Data）用于记录信息的可识别的符号，是信息的具体表现形式。S1赵亦女17岁计算机数字文字图形图象声音等数据的形式：1.1基本术语7数据与信息的联系数据是信息的符号表示或载体信息是数据的内涵，是对数据的语义解释8（3）数据处理与数据管理将数据转换成信息包括数据的管理、加工利用乃至信息输出数据处理

数据的收集、整理、组织、编码、存储、维护、检索、传输等操作数据管理

前台应用程序后台数据数据处理

数据管理

91.2数据库技术的产生、发展

人工管理阶段(20.50M)文件系统阶段(20.50L-60M)数据库系统阶段(20.60L)10人工管理阶段应用程序1应用程序2应用程序n数据集1数据集2数据集n数据不（单独）保存：数据与程序绑定在一起无专用软件管理数据：应程序自己管理（逻辑结构、物理结构）不共享：数据与程序一一对应，不能被其他程序利用无独立性：程序依赖于数据，数据的逻辑结构或物理结构变化，都会导致程序的变化。…主要用于科学计算11文件系统阶段文件系统……文件1文件2文件3应用程序1应用程序2应用程序n改进：数据以文件形式长期保存，可反复使用由文件系统管理，应用程序“按文件名访问、按记录进行存取”，程序不用考虑数据的物理存储细节。程序与数据间有一定独立性（设备独立性：存储设备变化不影响应用程序）不仅用于科学计算，也大量用于信息管理技术支持硬件：出现了磁盘、磁鼓等存取设备软件：高级程序语言、操作系统（文件系统）不足：数据共享性差，冗余度大（易造成数据不一致）数据独立性差，不具备逻辑独立性文件相互独立，不能反映现实世界事物间的内在联系12数据库系统阶段…应用程序1应用程序2应用程序n数据库数据库管理系统

DBMS数据结构化：能够反映数据间的有机联系共享性高，冗余度低：可以被多个应用共同使用。独立性高：具有物理独立性和逻辑独立性有统一的数据控制功能：具有数据安全性控制、完整性控制、并发性控制和数据恢复的功能。信息管理的规模更庞大、数据量急增技术支持硬件：出现了磁盘容量增加、存取速度提高软件：数据库管理系统1968年，IBM提出基于层次模型的信息管理系统1969年，美国数据系统语言协会提出网状数据模型1970年，IBM提出关系模型，奠定关系数据库的理论基础，发展至今131.3数据库系统的组成数据库系统（DBS）数据库计算机软件系统数据库用户计算机硬件系统图1-6数据库系统14硬件（Hardware）系统

硬件系统指存储和运行数据库系统的硬件设备。软件（Software）系统

数据库数据库（DB）是存储在计算机内、有组织的、可共享的数据集合OS数据库应用系统软件系统：15用户终端用户应用程序员数据库管理员对数据库进行存储、维护和检索操作非计算机专业人员使用应用程序操作数据库设计和编制应用程序负责设计、建立、管理和维护数据库以及协调用户对数据库要求的个人或工作团队

1.3数据库系统的组成

16①参与数据库和应用系统的设计；②参与决定数据库的存储结构和存取策略；③负责定义数据的安全性和完整性约束条件；④负责监控数据库的使用和运行；⑤数据库的改进和重组重构。（提高运行性能）数据库管理员(DBA,DatabaseAdministrator)职责171.3数据库系统的组成数据库系统（DBS）数据库计算机软件系统数据库用户计算机硬件系统图1-6数据库系统用户1用户2用户n…应用系统应用开发工具DBMS操作系统OS数据库文件数据库管理员软件系统应用程序员终端用户181.3数据库系统的组成DBMS数据库文件数据库应用系统(DBAS)DataBaseApplicationSystem数据库系统(DBS)DataBaseSystem191.4数据库系统的模式结构型值模式实例201.4数据库系统的模式结构 数据库中的数据是按一定的数据模型（结构）组织起来的，而数据模型有“型（type）”和“值(value)”的概念。 型：对某一类数据的结构和属性的说明； 值：型的一个具体赋值。学号姓名性别年龄出生日期系别S001101

张立男201990-02-09计算机型值211.4数据库系统的模式结构 模式（schema）是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅涉及型的描述，而不涉及具体的值。 模式的一个具体值称为模式的一个实例（instance）。同一模式可以有多个实例。

模式相对稳定不变。模式实例学号姓名性别年龄出生日期系别S001101

张立男201990-02-09计算机221.4数据库系统的模式结构1.4.1数据库系统的三级模式结构

1975年，美国国家标准学会（ANSI）所属“标准计划和要求委员会”把数据库系统内部的体系结构从逻辑上分为三级：从用户的角度看，分别对应：外模式模式内模式用户级模式概念级模式物理级模式23外模式模式内模式数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述数据库用户能看到并允许使用的那部分局部数据的逻辑结构和特征的描述它是对数据库存储结构的描述，是数据在数据库内部的表示方式可有多个只有一个241.4.2数据库系统的二级映象与数据独立性DBMS在三级模式之间提供了二级映象功能，保证了数据库系统中的数据能够具有较高的逻辑独立性与物理独立性。 数据库系统的三级模式结构应用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保证了数据与程序间的逻辑独立性确保了数据的物理独立性25数据库系统的三级模式与二级映象的优点保证数据的独立性：物理独立性、逻辑独立性。简化用户接口：按外模式编写应用程序，不需了解内部存储结构，方便使用。有利于数据安全保密：在外模式下只能对限定的数据操作，保证其他数据的安全。261.5数据库系统的外部体系结构（用户角度）单用户结构的数据库系统主从式结构的数据库系统分布式结构的数据库系统客户/服务器结构的数据库系统浏览器/服务器结构的数据库系统应用程序DBMS数据外部体系结构27单用户结构（桌面系统）应用程序DBMS数据数据存储层应用层用户界面层特点：—应用程序、数据库装在一台计算机上；—单个用户独占使用；—

共享性差；一台计算机使用，不能共享数据28主从式结构主机终端（输入、输出）数据存储层应用层用户界面层应用程序DBMS数据优点：—结构简单；—

数据共享性好；缺点：—

对主机性能要求较高—终端用户数存在限制；大型主机带多个终端；主机处理，终端输出29客户—服务器结构(C/S,Client/Server)数据存储层应用层用户界面层应用程序DBMS数据ServerClient特点：—网络环境下提高系统的性能、吞吐量和负载能力；

—客户机与服务器可处于不同平台；

—客户端要求高，修改维护（分发）困难。30浏览器—服务器结构DBMS数据ServerClient应用程序IEIEIE数据服务器应用服务器特点：—客户端要求低；维护容易。31分布式结构特点：—物理分散、逻辑相关、节点互联、区域自治；

—结构灵活、经济性和可扩充性好、可靠性高、响应快；

—系统开销大、存取结构复杂、安全性和保密性解决困难。网络节点

局部应用是分布在计算机网络上的多个逻辑相关的数据库的集合32

DBS1.6数据库管理系统（DBMS）DBMS是对数据进行管理的大型系统软件，是数据库系统的核心组成部分。DBMS1.数据定义功能2.数据操纵功能3.数据库运行管理功能4.数据库的建立和维护功能5.数据通信接口6.数据组织、存储和管理数据库用户2应用程序331.6数据库管理系统（DBMS）数据定义功能定义数据的模式、外模式和内模式三级模式结构定义模式/内模式和外模式/模式二级映象定义有关的约束条件数据定义的实现交互界面：DDL：数据定义语言（DataDefineLanguage）

createtablestudent(sidvarchar(50),snamevarchar(50))34数据操纵功能数据库的基本操作：检索（查询）、更新（包括增加、修改、删除）等。数据操纵的实现交互界面：DML：数据操纵语言（DataManipulationLanguage）

update学生表set年龄=22where学号='S1'35数据库运行管理功能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和数据库的恢复。数据库的建立和维护功能数据库的建立包括数据库的初始数据的装入与数据转换等。数据库的维护包括数据库的转储、恢复、重组织与重构造、系统性能监视与分析等。36数据通信接口 提供与其他软件系统通信的功能。 （1）用户程序与DBMS

（2）DBMS与DBMS

（3）DBMS与文件数据组织、存储和管理负责对数据库中的各种数据：数据字典、用户数据、存取路径的组织、存储和管理。提高利用率和增删改查的效率等。37应用程序数据库DBMS数据请求处理结果低层指令结果DBMS的工作方式DBMS存取数据的过程示意图1.6.3DBMS的数据存取的过程

应用程序系统缓冲区DBMS操作系统数据库381.7数据模型数据模型是数据库的框架，描述了数据及其联系的组织方式、表达方式和存取路径。数据模型是数据库系统的核心和基础计算机不能直接处理现实世界中的事物及其联系。数据库解决的问题：数据库是模拟现实世界中某应用环境所涉及的数据的集合。不仅反映数据本身的内容，而且反映数据之间的联系。这种模拟是通过数据模型来实现的。现实世界数据模型计算机39逻辑模型（或称数据模型）逻辑模型是属于计算机世界中的模型，用于DBMS实现逻辑模型主要包括层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型等概念模型它是按用户的观点对数据和信息建模用来描述某个特定组织所关心的信息结构，不涉及具体的计算机系统概念模型属于信息世界中的模型设计者与用户之间交流的工具（E-R）根据模型应用的目的不同：物理模型物理模型描述数据在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法逻辑模型到物理模型由DBMS自动完成。40实际问题概念模型逻辑模型物理模型41数据逻辑模型 数据(逻辑)模型的组成要素数据结构数据操作数据的完整性约束层次结构网状结构关系结构查询增加删除修改更新正确有效相容一组完整性规则的集合。42四种逻辑模型数据库领域中常用的数据模型：层次模型(HierarchicalModel)、网状模型(NetworkModel)、关系模型(RelationalModel)面向对象的数据模型(Object-OrientedModel)非关系模型43四种逻辑模型(1).层次模型层次模型的数据结构用树形结构表示各类实体及实体间的联系。

根结点无父结点根以外的其他结点有且仅有一个父结点；父子结点之间的联系是一对多（1:n）的联系。行政机构、产品结构根结点、叶结点父结点（双亲结点）、子结点、兄弟结点院系办公室办公人员教师学生44层次模型的数据操纵与数据完整性约束进行增加操作时，如果没有相应的父结点值就不能增加子结点值。进行删除操作时，如果删除父结点值，则相应的子结点值也被同时删除。修改操作时，修改所有相应的记录。层次模型的优缺点结构简单，层次分明查询效率高提供良好的数据完整性支持不能直接表示多对多联系增加和删除数据限制太多查询子结点必须通过父结点优点缺点45(2)网状模型网状模型的数据结构网状模型是采用有向图结构表示记录型与记录型之间联系的数据模型。每个结点表示一个记录型，每个记录型可包含若干个字段，记录型描述的是实体。结点间的带箭头的连线（或有向边）表示记录型间的1：n的父子联系。网状模型的特点：有一个以上的结点没有父结点。允许结点有多个父结点。允许两个结点之间有多种联系（复合联系）

n:m学生<->课程。46网状模型的数据操纵与完整性约束增加数据时，允许增加尚未确定双亲结点值的子女结点值。删除数据时，允许只删除双亲结点值。修改数据时，只需更新指定记录即可。网状模型的优缺点可表示实体间的多种复杂联系具有良好的性能和存储效率数据结构复杂数据定义语言、数据操纵语言复杂用户需要了解系统结构的细节优点缺点47(3)

关系模型关系模型的数据结构及有关概念关系模型的数据结构是一张规范化的二维表，由表名、表头、表体构成。SNO学号SN姓名SEX性别AGE年龄DEPT系别S1赵亦女17计算机S2钱尔男18信息S3孙珊女20信息S4李思男21自动化S5周武男19计算机S6吴丽女20自动化学生信息表表名表头表体48关系模型的数据操纵与完整性约束关系模型中的数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合。关系模型把对数据的存取路径隐蔽起来，用户只要指出“做什么”，而不必详细说明“怎么做”，从而大大地提高了数据的独立性，提高了用户操作效率。关系模型的优缺点有严格的数学理论根据用关系描述实体、实体间的联系，结构简单具有更高的数据独立性、更好的安全保密性。优点查询效率不如非关系模型缺点49(4)

面向对象模型对象和对象标识对象是现实世界中实体的模型化。每个对象由对象标识来识别，对象标识独立于对象的内容和存储位置，是一种逻辑标识符，通常由系统产生，它在整个系统范围内是惟一的。两个对象即使内部状态值和方法都相同，如标识符不同，仍认为是两个相等而不同的对象。每个对象都包含一组属性和一组方法。

对象属性方法对象属性方法……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。50面向对象模型的优缺点能完整地描述现实世界的数据结构具有丰富的表达能力优点模型相对比较复杂缺点涉及的知识比较多因此，面向对象数据库尚未达到关系数据库的普及程度！51数据库系统的发展阶段关系数据模型格式化数据模型（层次数据模型和网状数据模型）

面向对象的数据模型支持三级模式的体系结构；用存取路径来表示数据之间的联系；独立的数据定义语言；格式很难修改导航的数据操纵语言。按照存取路径访问。概念单一，实体以及实体之间的联系都用关系来表示；以关系代数为基础，形式化基础好；数据独立性强，数据的物理存取路径对用户隐蔽；关系数据库语言是非过程化的，大大降低了用户编程的难度。支持面向对象的数据模型；保持或继承第二代数据库系统的优点；具有开放性。支持当前的技术标准第一代第二代第三代52概念模型--实体联系模型（E-R模型）E-R图的基本成分：学生学号选修（a）实体（c）属性（b）联系是广泛应用于数据库设计工作中的一种概念模型，利用E-R图表示实体及其之间的联系。53实体表示形式：课程课程号课程名学分学号姓名性别年龄出生日期系别S001101

张立男201990-02-09计算机学生学号姓名性别年龄系别出生日期54实体间的联系供应商供应零件pm订单n联系的表示形式：联系的种类：

1对1：系主任->系

1对多：系->学生多对多：课程->学生55联系也可以具有属性（联系也是一种实体型）零件编号供应商供应