数据库系统原理与应用

数据库系统原理与应用第一页，共八十四页，2022年，8月28日1一、数据库系统的几个概念

1、数据

1)描述现实世界各种信息的符号记录2)可以有多种不同的表现形式：数字、文字、图形、图像、声音等3)是信息的载体、信息的具体表现形式第二页，共八十四页，2022年，8月28日一、数据库系统的几个概念

2、信息

1)概念(1)构成客观世界的三大要素（信息、能源和材料）之一(2)信息是从数据中提取出的有用的东西2)特性(1)信息传递需要物质载体，信息的获取和传递要消耗能量(2)信息是可以感知的(3)信息可以加工：存储、压缩、传递、共享、再生、增值第三页，共八十四页，2022年，8月28日一、数据库系统的几个概念

3、数据与信息的关系1)数据是具体的，信息是抽象的2)数据不一定有用，但信息是有用的数据3)信息是各种数据所包括的意义，数据是载荷信息的物理符号4)可用不同的数据形式来表现同一数据，信息不随数据的表现形式而改变5)通常可混用(1)信息资源＝数据资源(2)信息采集＝数据采集(3)信息处理＝数据处理第四页，共八十四页，2022年，8月28日一、数据库系统的几个概念

4、数据处理（信息处理）1)利用计算机对各种形式的数据进行处理2)从大量的原始数据中抽取有价值的信息，作为行为和决策的依据3)包括以下的数据操作(1)采集(2)整理、编码(3)输入(4)存储(5)加工/计算、分类、检索(6)传输、输出第五页，共八十四页，2022年，8月28日一、数据库系统的几个概念

5、数据库1)database(DB)2)长期储存在计算机中的、有组织的、可共享的数据的集合3)特点(1)按照一定的数据模型组织(2)独立性、易扩展性(3)较小的冗余度(4)可共享第六页，共八十四页，2022年，8月28日一、数据库系统的几个概念

6、数据库管理系统1)databasemanagementsystem(DBMS)2)管理数据库的软件（数据管理软件）3)用于建立、运用和维护数据库4)位于用户和操作系统之间第七页，共八十四页，2022年，8月28日一、数据库系统的几个概念

7、数据库系统1)databasesystem(DBS)2)是计算机化的记录保持系统，其总目的是存储信息和产生所需要的信息3)＝计算机系统＋数据库4)包含☆(1)DB(2)DBMS＋OS(3)Users(4)硬件环境5)三要素(1)DB(2)DBMS(3)Users第八页，共八十四页，2022年，8月28日一、数据库系统的几个概念

8、用户1)终端用户（最终用户、EndUser）(1)非计算机专业人员(2)交互式操作1.使用终端命令2.表格语言3.菜单驱动2)应用程序员（ApplicationProgrammer）(1)负责设计和编制应用程序(2)通过应用程序存取和维护数据库(3)为终端用户准备应用程序(4)是DBA手下的工作人员第九页，共八十四页，2022年，8月28日一、数据库系统的几个概念

8、用户3)数据库管理员（DatabaseAdministrator,DBA）(1)全面负责数据库系统的管理、维护、正常使用(2)主要职责1.参与数据库设计的全过程2.决定数据库的存储与读取策略3.定义数据的安全性和完整性4.监督控制数据库的使用和运行，及时处理运行程序中出现的问题5.改进和重新构造数据库系统第十页，共八十四页，2022年，8月28日数据库系统层次结构图应用系统应用开发工具软件数据库管理系统操作系统硬件/数据库数据库用户第十一页，共八十四页，2022年，8月28日数据库系统的构成相互有关联关系的数据的集合DBDBMS管理数据库的系统软件DBA完成某一功能的应用程序1应用程序2应用程序nDBAP1DBAP2DBAPnComputerSystem第十二页，共八十四页，2022年，8月28日硬件数据库系统的构成DatabaseOSDBMS应用开发工具应用程序DBA用户用户用户应用程序员第十三页，共八十四页，2022年，8月28日人工管理阶段文件系统阶段二、数据库技术的产生应用程序1应用程序2应用程序n数据库系统阶段数据1数据2数据n文件系统物理文件1物理文件2物理文件n数据库管理系统数据库第十四页，共八十四页，2022年，8月28日数据库技术的三个阶段人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段时间－50年代中期50年代后期－60年代中期60年代后期—应用背景科学计算科学计算、管理大规模管理硬件背景无直接存取存储设备磁盘、磁鼓大容量磁盘软件背景没有操作系统有操作系统（文件系统）有DBMS处理方式批处理批处理联机实时处理批处理联机实时处理分布处理第十五页，共八十四页，2022年，8月28日数据库技术的三个阶段(续1)人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段数据保存方式数据不保存以文件的形式长期保存，但无结构以数据形式保存，有结构数据管理考虑安排数据的物理存储位置与数据文件名打交道对所有数据实行统一、集中、独立的管理数据与程序数据面向程序数据与程序脱离数据与程序脱离实现数据的共享数据的管理者人文件系统DBMS数据面向的对象某一应用程序某一应用程序现实世界第十六页，共八十四页，2022年，8月28日数据库技术的三个阶段(续2)人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段数据的共享程度无共享共享性差共享性高数据的冗余度冗余度极大冗余度大冗余度小数据的独立性不独立，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数据的结构化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数据的控制能力应用程序自己控制应用程序自己控制由DBMS提供数据的安全性、完整性、并发控制和恢复能力第十七页，共八十四页，2022年，8月28日三、数据库技术的研究领域1)数据库理论2)数据库设计3)DBMS的研制**4)数据库应用系统设计第十八页，共八十四页，2022年，8月28日四、数据库系统的发展方向

1、系统规模A、越来越大：GB---TB应用规模的不断扩大，如定票系统的国际联网并行计算新应用，如数据仓库等多媒体数据

B、越来越小硬件的发展使几乎所有信息产品均有可能包括数据管理应用扩展，如手机等第十九页，共八十四页，2022年，8月28日四、数据库系统的发展方向

2、数据模式面向对象数据模型对象－关系模型3、数据的主动特性约束触发器第二十页，共八十四页，2022年，8月28日四、数据库系统的发展方向

4、分布式数据管理数据物理分布在不同节点同构分布数据管理：存在全局数据模式，使用相同数据库管理系统异构分布数据管理：存在全局数据模式，使用不同数据库管理系统联邦数据管理：不存在全局数据模式第二十一页，共八十四页，2022年，8月28日四、数据库系统的发展方向

5、多媒体数据管理单元数据量大，变长数据处理方式不同原来：简单的算术操纵现在：复杂的算法，如图象上基于内容的检索 类型很多，―――>OODBMS的发展推动力数据流处理不同原来：全部送到Client现在：不能：原因：太大实际只需要部分内容可能希望连续播放等等。第二十二页，共八十四页，2022年，8月28日四、数据库系统的发展方向

6、数据综合分析应用数据仓库：DataWarehouse数据发掘DataMining7、Internet数据库电子商务XML8、移动数据库主要技术问题：数据同步。第二十三页，共八十四页，2022年，8月28日五、数据库系统的模式结构1)模式(1)数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述(2)仅涉及到数据类型的描述，不涉及到具体的数值(实例)(3)模式是稳定的，实例是相对变动的(4)模式反映数据的结构和关系，实例反映数据库某时刻的状态第二十四页，共八十四页，2022年，8月28日五、数据库系统的模式结构2)数据库系统的三级模式结构☆(1)外模式(用户模式)1.是数据库用户看见和使用的局部数据的逻辑结构和特性的描述2.是数据库用户的数据视图3.描述数据的局部逻辑结构4.是概念模式的子集5.有多个外模式（不同的用户有不同的外模式）6.用户通过外模式访问数据库7.与用户看待数据库方式有关的层第二十五页，共八十四页，2022年，8月28日五、数据库系统的模式结构2)数据库系统的三级模式结构☆(2)概念模式(逻辑模式)1.是数据库中全体数据的逻辑结构和特性的描述2.是所有用户的公共数据视图3.所有个别用户视图综合起来的用户共同视图4.描述数据的全局逻辑结构5.只有一个概念模式第二十六页，共八十四页，2022年，8月28日五、数据库系统的模式结构2)数据库系统的三级模式结构☆(3)内模式(存储模式)1.与实际存储数据方式有关的层2.数据的物理结构和存储结构的描述3.数据在数据库内部的表示方式4.描述数据的物理存储结构5.存储方式、索引、压缩加密6.只有一个内模式第二十七页，共八十四页，2022年，8月28日五、数据库系统的模式结构3)数据库的二级映象功能与数据独立性(1)外模式/概念模式的映象1.定义外模式与概念模式的对应关系2.概念模式改变→改变映象→外模式不变→应用程序不变→3.保证数据的逻辑独立性第二十八页，共八十四页，2022年，8月28日五、数据库系统的模式结构3)数据库的二级映象功能与数据独立性(2)概念模式/内模式的映象1.定义数据的全局逻辑结构与存储结构的对应关系2.存储结构改变→映象改变→概念模式不变→3.保证数据的物理独立性第二十九页，共八十四页，2022年，8月28日五、数据库系统的模式结构4)三级结构带来的优点(1)保证数据的独立性(2)简化了用户的使用(3)减少冗余，利于共享(4)有利于数据的安全操作第三十页，共八十四页，2022年，8月28日数据库系统的三级模式结构应用A应用B应用C应用D外模式1外模式2外模式3概念模式内模式数据库外模式/概念模式映象概念模式/内模式映象第三十一页，共八十四页，2022年，8月28日六、数据库系统的体系结构☆

1)单用户数据库系统2)主从式结构的数据库系统（终端）3)分布式结构的数据库系统（网络）4)客户/服务器结构的数据库系统第三十二页，共八十四页，2022年，8月28日数据库系统的体系结构第三十三页，共八十四页，2022年，8月28日七、数据库管理系统

1、DBMS的功能（DataBaseManagementSystem）1)数据库定义功能(1)结构模式定义(2)模式映射定义2)数据操纵功能(1)检索（查询）(2)插入(3)修改(4)删除第三十四页，共八十四页，2022年，8月28日七、数据库管理系统

1、DBMS的功能3)数据库运行管理功能(1)安全性控制(2)完整性控制(3)并发控制4)数据库的建立和维护功能(1)初始数据输入(2)数据转换(3)数据恢复(4)数据重构5)数据通信功能（接口）第三十五页，共八十四页，2022年，8月28日班级课程教师学期学号姓名成绩数据格式(型)981101数据库李四98秋01张三100981101数据库李四98秋02张四90981101数据库李四98秋03张五80981101计算机李五98秋01张三89981101计算机李五98秋02张四98981101计算机李五98秋03张五72981102数据库李四99秋01王三30981102数据库李四99秋02王四90981102数据库李四99秋03王武78数据(值)981102数据库李四99秋02王四90UserDBMS(DBMS依据各种定义对数据库进行管理和使用)DBMS面向用户的功能检查用户合法性检查数据合法性按用户要求进行操作谁能访问数据更新数据有什么要求…………

用户定义的数据安全性完整性(1)User通过DDL语言定义数据格式(2)User通过DML语言操纵数据进出数据库(3)User通过DCL语言定义数据安全性(4)User通过DDL语言定义数据安全性/完整性第三十六页，共八十四页，2022年，8月28日七、数据库管理系统

2、DBMS的组成☆1)语言编译处理程序(1)数据描述语言DDL翻译程序(2)数据操作语言DML处理程序(3)终端命令解释程序(4)数据库控制命令解释程序第三十七页，共八十四页，2022年，8月28日七、数据库管理系统

2、DBMS的组成☆2)系统运行控制程序(1)系统总控程序(2)存取控制程序(3)并发控制程序(4)完整性控制程序(5)保密性控制程序(6)数据存取和更新程序(7)通信控制程序第三十八页，共八十四页，2022年，8月28日七、数据库管理系统

2、DBMS的组成☆3)数据库运行控制程序(1)数据装入程序(2)数据库重组织程序(3)数据库系统恢复程序(4)性能监督程序(5)工作日志程序第三十九页，共八十四页，2022年，8月28日七、数据库管理系统

2、DBMS的组成☆4)数据字典(1)数据库三级模式(2)数据类型(3)用户名表(4)用户权限第四十页，共八十四页，2022年，8月28日数据库系统的三要素人员终端用户应用程序员数据库管理员(DBA)系统分析员系统程序员数据库使用数据辅助数据数据字典数据库管理系统系统控制程序数据存取程序并发控制程序数据更新程序合法性检验程序完整性控制程序通信控制程序数据定义语言/DDL数据操纵语言/DML系统控制运行程序语言翻译处理程序公用程序DDL翻译程序DML处理程序终端查询语言解释程序DB控制语言解释程序定义公用程序维护公用程序模式定义程序子模式定义程序安全/保密定义程序信息格式定义程序装入程序DB重组与重构程序DB恢复程序统计分析程序信息格式维护程序运行日志维护程序转储、编辑、打印程序数据控制语言/DCL数据库管理例行程序查询处理与优化事务管理与调度完整性/安全性管理模式/数据字典管理索引及数据存取方式第四十一页，共八十四页，2022年，8月28日七、数据库管理系统

3、DBMS的工作过程第四十二页，共八十四页，2022年，8月28日DBMS的工作过程(读取记录)数据库系统缓冲区应用程序程序工作区DBMSOS概念模式物理模式外模式读记录检查权限读取逻辑记录读取物理记录读取物理记录读数据送数据读记录送记录OK!第四十三页，共八十四页，2022年，8月28日七、数据库管理系统

4、DBMS的实现方法1)N方案：DBMS与应用程序融合2)2N方案：DBMS与用户进程一一对应3)M＋N方案：多个DBMS进程与多个用户进程对应4)N＋1方案：一个DBMS进程与所有用户进程对应第四十四页，共八十四页，2022年，8月28日DBMS的实现方法OSU1U2文件DBAP1AP2AP3DBMSDBMSDBMSAP1AP2AP3DBMSDBMSDBMSAP1AP2AP3服务进程池DBMSDBMSAP1AP2AP3DBMS

N方案

2N方案

N+M方案

N+1方案第四十五页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

1、什么是数据模型计算机无法直接处理现实事物需要将现实事物转化为计算机可以理解的数据，这需要一个工具。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中的数据和信息。通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟。第四十六页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

2、对数据模型的要求1)较真实地模拟现实世界2)容易理解（人的角度）

＝＝>信息模型，数据库概念模型

3)易于实现（计算机的角度）

＝＝>狭义的数据模型，数据库逻辑模型

第四十七页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

3、数据模型的三要素1)数据结构(1)描述系统的静态特性(2)所研究的对象类型的集合(3)不同的数据结构决定不同的数据模型有层次结构、网状结构、关系结构数据结构是刻画一个数据模型性质最重要的方面。因此与数据结构类型相对应的数据模型有层次模型、网状模型、关系模型。第四十八页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

3、数据模型的三要素2)数据操作(1)描述系统的动态特性(2)对数据库中的各种对象的实例允许执行的操作和操作规则的集合(3)操作分类1.检索2.插入3.修改4.删除(4)定义操作1.含义2.符号3.规则第四十九页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

3、数据模型的三要素3)数据的约束条件(1)一组完整性规则的集合(2)保证数据的正确、有效和相容第五十页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型在将现实世界中的具体事物抽象、组织为某一DBMS支持的农奴制模型，人们常首先将现实世界抽象为信息世界，然后将信息世界转换成机器世界。即得到信息世界内的一种信息结构，这种不信赖于具体的计算机系统，是一概念级的模型。是信息世界的建模，是第一层抽象。

是用户与数据库设计人员之间进行交流的语言。因此具有较强的语义表达能力，且应简单、清晰、易于被理解。第五十一页，共八十四页，2022年，8月28日数据抽象现实世界信息世界计算机世界概念化形式化用户计算机第五十二页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型(1)信息世界中的基本概念1.实体(1)客观存在并相互区别的事物(2)例子1.具体：人、事、物2.抽象概念：学生、选课3.联系：师生关系第五十三页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型(1)信息世界中的基本概念2.实体集(1)性质相同的同类实体的集合(2)实体整体(3)例子1.所有的学生2.所有的演出第五十四页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型(1)信息世界中的基本概念3.属性(1)实体所具有的某一特性(2)用若干个属性来描述实体(3)包含1.属性的型：学生（姓名，系别……）2.属性的值：学生（张三，计算机系……）第五十五页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型(1)信息世界中的基本概念4.实体型(1)用若干个属性型所组成的集合表征一个实体类型(2)用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体(3)例如：学生（学号、姓名、系别……）第五十六页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型(1)信息世界中的基本概念5.码(1)唯一标识实体的属性集(2)实体键、关键字（段）(3)把某个实体个体与其他实体个体区分来开第五十七页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型（教材第六章）(2)概念模型的表示方法1.实体－联系方法（E-R图）（Entity-RelationshipModel）1976年，由提出Ｅ-Ｒ模型2.表示(1)实体型：矩形＋实体名(2)属性：椭圆形，无向边与实体连接(3)联系：菱形＋联系名，无向边与实体连接，边上标注联系类型3.实例☆第五十八页，共八十四页，2022年，8月28日基本Ｅ-Ｒ图要点例：学生选修课程用矩形表示实体集，在框内写上实体名用椭圆表示实体的属性用无向边把实体与其属性连接起来用菱形表示实体间的联系将参与联系的实体用线段连接并标上联系类型学号系另姓名学生课程选修mn先修课主讲教师课程名成绩第五十九页，共八十四页，2022年，8月28日E-R图实例职工号姓名性别年龄职称书号书名简介价格课程名学分课程号专业系班编号成绩学员学号姓名性别年龄教师参考书讲授课程mn1选修mn领导1n学生组成班级n1实体集联系属性第六十页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

4、对象的抽象过程2)第二级抽象：数据模型(1)实体模型→数据模型(2)实体集→文件(3)实体→记录(4)实体型→记录型(5)属性→数据项、字段第六十一页，共八十四页，2022年，8月28日数据模型定义数据模型是数据库系统中用于提供信息表示和操作手段的形式构架应用概念数据模型结构数据模型现实世界信息世界计算机世界第六十二页，共八十四页，2022年，8月28日对象的抽象过程第一级抽象现实世界信息世界概念模型机器世界数据模型第二级抽象事物个体 实体 记录事物总体 实体集 文件特征 属性 字段事物间联系 实体模型 数据模型认识抽象转换第六十三页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

5、数据模型的分类1)层次数据模型☆(1)代表系统1.IBM的IMS(2)数据结构1.树型结构（一对多关系）(1)只有一个根结点：无双亲(2)其他结点有且只有一个双亲2.多对多关系的表示(1)转换成一对多关系3.非树形结构的表示(1)先转换成树形结构第六十四页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

5、数据模型的分类1)层次数据模型☆(3)操纵与完整性约束1.不能插入无双亲的子结点2.子结点和双亲结点一起删除3.更新操作要保证数据的一致性(4)存储结构1.邻接法2.链接法第六十五页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

5、数据模型的分类1)层次数据模型☆(5)优点1.数据模型简单2.若实体间的关系固定，性能优于关系模型3.良好的完整性支持第六十六页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

5、数据模型的分类1)层次数据模型☆(6)缺点1.描述现实世界的非层次性很笨拙2.插入和删除操作限制较多3.必须通过双亲才能找到子结点4.由于结构严密，层次命令趋于程序化第六十七页，共八十四页，2022年，8月28日层次数据模型第六十八页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

5、数据模型的分类2)网状数据模型(1)代表系统1.CODASYL的DBTG(2)数据结构：网状结构☆1.允许多个结点无双亲2.允许结点有多个双亲3.允许结点间有多个联系（复合联系）第六十九页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

5、数据模型的分类2)网状数据模型(3)操纵与完整性约束1.允许插入无双亲的子结点2.允许只删除双亲结点3.更新操作较简单(4)存储结构1.链接法第七十页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

5、数据模型的分类2)网状数据模型(5)优点1.能够直接描述现实世界2.存取效率较高(6)缺点1.数据描述语言极其复杂2.数据独立性差第七十一页，共八十四页，2022年，8月28日网状数据模型第七十二页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

5、数据模型的分类3)关系数据模型(1)代表系统1.Oracle2.Sybase3.VFP4.Access5.xBASE6.xSQL7.rmix第七十三页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

5、数据模型的分类3)关系数据模型(2)数据结构1.关系模型2.规范的二维表(3)概念☆1.关系：整个二维表2.关系名：表格名称3.元组：行数据（记录）4.属性名：列名称（字段名）5.属性：列数据（字段）第七十四页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

5、数据模型的分类3)关系数据模型(2)数据结构1.关系模型2.规范的二维表(3)概念☆6.主码：唯一确定元组的属性组（关键字）7.域：属性的取值范围8.分量：元组中的一个属性值9.关系模式：关系名（属性……）如：学生（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）第七十五页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

5、数据模型的分类3)关系数据模型(4)操纵与完整性约束1.操纵：查询、更新（插入、修改、删除）2.完整性：实体完整性、参照完整性、用户定义完整性3.操作的对象与结果都是关系4.数据独立性高（隐蔽存取路径）第七十六页，共八十四页，2022年，8月28日八、数据模型

5、数据模型的分类3)关系数据模型(5)存