数据库系统概述补充知识

数据库系统概述补充知识数据库系统概论-绪论1第1页，共84页，2023年，2月20日，星期六第一节数据库系统概述一、基本概念1、数据(Data):描述事物的符号记录称为数据。

（王彤，9098135，女，1980，江苏，计算机系，1998）2、数据库(DataBase)：这个词起源于20世纪50年代，当时美国为了战争的需要，把各种情报集中在一起，存储在计算机里，成为InformationBase或DataBase。指长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。第2页，共84页，2023年，2月20日，星期六3、数据库管理系统(DBMS)：是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。主要功能：（1）数据定义功能(DDL—数据定义语言)（2）数据操纵功能(DML—数据操纵语言)（3）数据库的运行管理（4）数据库的建立和维护功能第3页，共84页，2023年，2月20日，星期六数据库系统概述—基本概念4、数据库系统(DBS)：指在计算机系统中引入数据库后的系统，一般由数据库、数据库管理系统、应用系统、数据库管理员和用户构成。

数据库系统图应用系统用户用户应用开发工具数据库管理系统操作系统数据库数据库管理员第4页，共84页，2023年，2月20日，星期六二、数据库技术的产生和发展1、人工管理阶段2、文件管理阶段3、数据库系统阶段第5页，共84页，2023年，2月20日，星期六数据库阶段数据库应用程序1应用程序2应用程序n数据库管理系统DBMS第6页，共84页，2023年，2月20日，星期六第二节数据模型定义:是现实世界数据特征的抽象。分类：据模型应用的不同目的，模型分为两类：概念模型和数据模型。数据模型应满足的条件：能比较真实的模拟现实世界容易为人所理解便于在计算机上实现第7页，共84页，2023年，2月20日，星期六逻辑数据和物理数据数据的描述形式物理描述是指数据在存储设备上的存储方式，物理数据是实际存储在存储设备上的数据物理联系，物理结构、物理文件、物理记录等术语，都是描述物理数据的细节逻辑描述是指程序员或用户用来操作的数据形式，是抽象的概念逻辑联系、逻辑结构、逻辑文件、逻辑记录等术语，都是用户观点的数据描述第8页，共84页，2023年，2月20日，星期六逻辑数据和物理数据逻辑数据与物理数据之间的关系用户看到的数据结构和数据与存储器中的数据结构和数据可能完全不同应用数据管理软件把逻辑数据转换成物理数据，或把物理数据转换成逻辑数据第9页，共84页，2023年，2月20日，星期六概念模型、数据模型概念模型：也称信息模型，是按用户的观点来对数据和信息建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，是用户和数据库设计人员交流的语言，主要用于数据库设计。数据模型：是按计算机的观点对数据建模，是现实世界数据特征的抽象。主要包括层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型。主要用于DBMS的实现。第10页，共84页，2023年，2月20日，星期六一、概念模型的基本概念概念模型：是现实世界到机器世界的中间层次。信息世界中的基本概念：实体(Entity)：客观存在并相互区别的事物。属性(Attribute)：实体所具有的某一特征。码(Key)：唯一标识实体的属性集。域(Domain)：属性的取值范围为该属性的域。实体型(EntityType)：用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体，称为实体型。实体集(EntitySet)：同型实体的集合。联系(Relationship)第11页，共84页，2023年，2月20日，星期六二、概念模型的表示方法(1)概念模型的表示方法:最著名的方法是1976年由P.P.Chen提出的实体-联系方法(E-R方法)。实体型：用矩形表示，框内写明实体名。属性：用椭圆表示，并用无向边和相应实体相连。例:联系：用菱形表示，框内写明联系名，并用无向边和有关实体相连，边旁标明联系的类型。例:学号学生学习学生课程第12页，共84页，2023年，2月20日，星期六概念模型的表示方法(2)两个实体之间的联系类型：一对一：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个实体与之联系，反之亦然。一对多：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体(n≥0)与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有1个实体与之联系。多对多：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体(n≥0)与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体(m≥0)与之联系。第13页，共84页，2023年，2月20日，星期六E1E2乘客座位实体集E1实体集E2图1.8一对一联系

实体间的联系一对一联系第14页，共84页，2023年，2月20日，星期六实体间的联系一对多联系E1E2工人车间实体集E1实体集E2图1.9一对多联系第15页，共84页，2023年，2月20日，星期六

实体间的联系多对多联系E1E2课程学生实体集E1实体集E2图1.10多对多联系第16页，共84页，2023年，2月20日，星期六概念模型的表示方法(3)两个实体型之间联系的表示方法

11m

1nn

1:11:nm:n班级任职班长班级学生包括学生课程选修第17页，共84页，2023年，2月20日，星期六概念模型的表示方法(4)两个以上实体型之间也存在着一对一、一对多、多对多联系。表示方法：

1mmnnp供应商零件供应项目课程讲授教师参考书第18页，共84页，2023年，2月20日，星期六概念模型的表示方法(5)同一实体集内的各实体之间也可存在一对一、一对多、多对多的联系。表示方法：

1n11职工领导职工婚姻第19页，共84页，2023年，2月20日，星期六概念模型的表示方法(6)仓库仓库号面积电话号零件零件号名称规格单价描述供应商供应商号姓名地址电话号码账号职工号职工姓名年龄职称项目项目号预算开工日期第20页，共84页，2023年，2月20日，星期六概念模型的表示方法(7)实体及其联系图1n

mm1nnpn供应商项目供应量供应库存量零件仓库存放职工工作领导第21页，共84页，2023年，2月20日，星期六概念模型的表示方法(8)完整E-R图

1nmm1nnpn职工号姓名年龄职称供应商项目零件仓库职工供应量库存量供应存放工作领导仓库号面积电话号零件号名称规格单价描述项目号预算开工日期供应商号姓名地址电话号码账号第22页，共84页，2023年，2月20日，星期六三、数据模型的组成要素数据结构：是所研究的对象类型的集合。是对系统静态特性的描述。数据操作：是指对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作的集合。是对系统动态特性的描述。数据的约束条件：是一组完整性规则的集合。第23页，共84页，2023年，2月20日，星期六举例（学校系的教课模型）系

教研室

课程教师数据模型系教研室课程教师数据模型的一个值系号系名系主任名室号室名室主任名课程号课程名学时数任课教师姓名年龄职称办公室研究方向3计算机张强301结构王明302应用李红303软件刘伟C001网络36赵辉C002通信原理54李红C003数据库52王岩张英30讲师303网络周华44教授303密码第24页，共84页，2023年，2月20日，星期六四、最常用的数据模型层次摸型网状模型关系模型第25页，共84页，2023年，2月20日，星期六层次模型的数据结构定义：满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型。（一对多联系）有且只有一个结点没有双亲结点，称为根结点。根以外的其他结点有且只有一个双亲结点。在层次模型中，每个结点表示一个记录类型，记录之间的联系用结点之间的连线(有向边)表示。第26页，共84页，2023年，2月20日，星期六多对多联系在层次模型中的表示冗余结点法：两个实体的多对多联系通过增设两个冗余结点将其转换成两个一对多联系。优点是结构清晰，允许结点改变存储位置。缺点是需要额外占用存储空间，有潜在的不一致性m11nmmS-C学号姓名成绩课程号课程名课程号课程名学号姓名成绩学号姓名成绩课程号课程名第27页，共84页，2023年，2月20日，星期六多对多联系在层次模型中的表示虚拟结点法：将冗余结点转换为虚拟结点，虚拟结点是一个指引元，指向所替代的结点。优点是减少对存储空间的浪费,避免产生潜在的不一致性。缺点是结点改变存储位置可能引起虚拟结点中指针的修改。课程号课程名学号姓名成绩v.sv.c第28页，共84页，2023年，2月20日，星期六层次模型的数据操纵与完整性约束进行插入操作时，没有相应的双亲结点值就不能插入子女结点的值。进行删除操作时，如删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除。进行修改操作时，应修改所有相应记录。第29页，共84页，2023年，2月20日，星期六层次模型的存储结构邻接法：按照层次树前序穿越的顺序把所有记录值依次邻接的存放，通过物理空间的位置来体现层次关系。链接法：用指引元来反映数据之间的层次关系。孩子—兄弟链接法层次序列链接法第30页，共84页，2023年，2月20日，星期六层次模型的特点层次模型的优点：层次数据模型本身比较简单。对实体间的联系固定。提供了良好的完整性支持。层次模型的缺点：只能表示1：N的联系。对插入和删除操作的限制较多。查询子女结点必须通过双亲结点。由于结构严密，层次命令趋于程序化。第31页，共84页，2023年，2月20日，星期六网状模型的数据结构网状模型：典型代表DBTG系统。满足下面两个条件的基本层次联系集合称为网状模型：允许一个以上的结点无双亲；一个结点可以由多于一个的双亲。使维S-SCC-SC用护工人设备学号姓名系别课程号课程名分数学号课程号成绩第32页，共84页，2023年，2月20日，星期六网状数据模型的数据结构

Ｒ1

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R1

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R4

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第33页，共84页，2023年，2月20日，星期六网状数据模型的数据结构(续）学生宿舍学生教研室系教师第34页，共84页，2023年，2月20日，星期六网状数据模型的数据结构(续）父母人子女树种植砍伐养育赡养第35页，共84页，2023年，2月20日，星期六网状模型的操纵、完整性、存储结构网状数据模型的操纵与完整性约束支持记录码的概念保证一个联系中双亲记录和子女记录之间是一对多的联系可以支持双亲记录和子女记录之间的某些约束条件网状数据模型的存储结构:链接法第36页，共84页，2023年，2月20日，星期六网状数据模型的数据结构(续）多对多联系在网状模型中的表示用网状模型间接表示多对多联系方法将多对多联系直接分解成一对多联系第37页，共84页，2023年，2月20日，星期六网状数据模型的特点网状数据模型的优点：能够更为直接的描述现实世界具有良好的性能，存取效率较高网状数据模型的缺点：结构比较复杂。不利于最终用户使用其DDL、DML语言复杂，用户不宜使用第38页，共84页，2023年，2月20日，星期六层次模型和网状模型的区别网状模型中子女结点与双亲结点的联系不唯一，因此需要为每个联系命名。网状模型允许复合链，即两个结点之间有两种以上的联系。第39页，共84页，2023年，2月20日，星期六典型的网状数据库系统DBTG系统，亦称CODASYL系统由DBTG提出的一个系统方案奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术70年代推出实际系统CullinetSoftwareInc.公司的IDMSUnivac公司的DMS1100Honeywell公司的IDS/2HP公司的IMAGE第40页，共84页，2023年，2月20日，星期六关系模型的数据结构关系模型：1970年IBM研究员E.F,Codd提出.是建立在严格的数学概念的基础上的。在用户观点下，其逻辑结构为一张二维表。学号姓名年龄性别系名年级95004王小明19男社科系9595006张大鹏20男计算机9595008李小宇18女管理系95………………第41页，共84页，2023年，2月20日，星期六关系模型的数据结构关系模型的基本概念关系(Relation)：一个关系对应一张二维表元组(Tuple)：二维表中的一行属性(Attribute)：二维表中的一列主码(Key)：能够唯一标识元组的属性组域(Domain)：属性的取值范围分量：元组中的一个属性值关系模式：关系名(属性1，属性2，…，属性n)注：关系的每一个分量必须是一不可分的数据项第42页，共84页，2023年，2月20日，星期六关系数据模型的数据结构(续）例学生、课程、学生与课程之间的多对多联系：

学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）课程（课程号，课程名，学分）选修（学号，课程号，成绩）第43页，共84页，2023年，2月20日，星期六关系数据模型的数据结构(续）关系必须是规范化的，满足一定的规范条件最基本的规范条件：关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项。第44页，共84页，2023年，2月20日，星期六关系模型的操纵、完整性、存储结构关系数据模型的操纵与完整性约束操作主要包括查询、插入删除和修改数据。完整性约束条件包括实体完整性、参照完整性和用户定义完整性。关系模型的存储结构：实体及实体间的联系都用表来表示。表以文件形式存储。第45页，共84页，2023年，2月20日，星期六关系模型的数据操纵查询、插入、删除、更新数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”，不必详细说明“怎么干”第46页，共84页，2023年，2月20日，星期六关系模型的特点关系模型的优点：关系模型是建立在严格数学概念的基础上的；关系模型的概念单一；关系模型的存取路径对用户透明，具有更高的数据独立性和安全保密性，简化了工作。关系模型的缺点：查询效率不如非关系模型，必须进行优化。第47页，共84页，2023年，2月20日，星期六数据库系统的特点数据库系统阶段的特点：数据结构化数据的共享性高,冗余度低,易扩充数据独立性高数据由DBMS统一管理和控制数据的安全性(Security)保护数据的完整性(Integrity)检查并发控制(Concurrency)数据库恢复(Recovery)第48页，共84页，2023年，2月20日，星期六第三节数据库系统结构一、数据库系统模式的概念型：指对某一类数据的结构和属性的说明。值：型的一个具体赋值模式(Schema):是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述,仅涉及到型。实例(Instance)：模式的一个具体值。模式反映的是数据的结构及其联系，实例反映的是数据库某一时刻的状态。第49页，共84页，2023年，2月20日，星期六

数据库的三级体系结构特点它是数据的三个抽象级别它把数据的具体组织留给DBMS去做用户只要抽象的处理数据不必关心数据在计算机中的表示和存储减轻了用户使用系统的负担DBMS在这三级结构之间提供了两个层次的映象外模式/模式模式/内模式第50页，共84页，2023年，2月20日，星期六数据库的三级体系结构数据库内模式模式外模式B外模式A主语言+DDL模式/内模式映象主语言+DDL主语言+DDL主语言+DDL主语言+DDL外模式/模式映象A外模式/模式映象B由数据库管理员建立和维护数据库管理系统DBMSOS图1.23数据库系统的体系结构第51页，共84页，2023年，2月20日，星期六

外模式/模式映像内模式/模式映像应用A应用B应用C应用E外模式1外模式2外模式3模式内模式数据库应用D第52页，共84页，2023年，2月20日，星期六二、数据库系统的三级模式结构(1)数据库系统的三级模式结构：指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成。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，是所有用户的公共数据视图。一个数据库只有一个模式。外模式：也称子模式或用户模式，是数据库用户能够看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，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。第53页，共84页，2023年，2月20日，星期六数据库系统的三级模式结构(2)内模式：也称存储模式，是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。一个数据库只有一个内模式。第54页，共84页，2023年，2月20日，星期六数据库的二级映像功能与数据独立性

外模式/模式映像：定义某一个外模式和模式之间的对应关系，这些映象通常包含在各自的外模式中。当模式改变时，外模式/模式映象要作相应的改变，以保证外模式保持不变，保证了数据与程序的逻辑独立性。映象的定义通常包含在各自的外模式中。第55页，共84页，2023年，2月20日，星期六模式/内模式映像：是唯一的，定义数据逻辑结构和存储结构之间的对应关系。例如说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的。当数据的存储结构改变了，模式/内模式映象也要作相应的变化，保持模式不变。保证了数据与程序的物理独立性。。第56页，共84页，2023年，2月20日，星期六数据库系统的三级模式结构(3)模式独立与数据库的其他层次；内模式独立于外模式，也独立于具体的存储设备；外模式定义在逻辑模式之上，独立于存储模式和存储设备。特定应用程序依赖于特定的外模式，与数据库的模式和存储结构独立。第57页，共84页，2023年，2月20日，星期六三、用户访问数据的过程应用程序A对应的外模式DBMS数据字典数据库操作系统OS6模式内模式324DB系统缓冲区应用程序A程序工作区返回状态10187运行日志9115DB系统缓冲区由DBMS在程序A运行时为数据库开辟的，用于数据的传输和格式的转换图1.24用户访问数据的过程第58页，共84页，2023年，2月20日，星期六

用户访问数据的过程应用程序A通过DBMS读取数据库中记录的全过程用户在应用程序A中安排一条读记录的DML语句该语句给出涉及的外模式中记录类型名及键值执行该语句时，立即启动DBMS，并把读记录的命令传给DBMSDBMS检查读操作的合法性对读命令加以分析从DD中调出与程序A对应的外模式检查该操作是否合法，决定是否执行读命令第59页，共84页，2023年，2月20日，星期六

用户访问数据的过程决定执行A的命令，DBMS对概念模式操作调出相应的概念模式执行外模式/模式映象功能把外模式的外部记录格式映象成概念模式的概念记录格式决定概念模式应读哪些记录DBMS对内模式操作调出相应的内模式执行模式/内模式的映象功能，把概念记录格式映象成内模式的内部记录格式确定应读入哪些物理记录以及相应的地址信息第60页，共84页，2023年，2月20日，星期六用户访问数据的过程DBMS向操作系统OS发出从指定地址读取物理记录的命令OS执行读命令按指定地址从数据库中把记录读入OS的系统缓冲区随即读入数据库的系统缓冲区并在操作结束后向DBMS作出回答DBMS收到OS读操作结束的回答后，将读入缓冲区中的数据转换成概念模式记录、外部记录第61页，共84页，2023年，2月20日，星期六用户访问数据的过程DBMS把导出的外部记录从系统缓冲区送到应用程序A的变量中DBMS向运行日志数据库写入读一条记录的信息，以备以后查阅数据库的使用情况DBMS将读记录操作的成功与否信息返回给应用程序A第62页，共84页，2023年，2月20日，星期六第四节DBS的全局结构DBS必须在操作系统OS基础上工作DBS的某些功能是由计算机系统的OS提供的，OS提供了DBS的最基本的服务第63页，共84页，2023年，2月20日，星期六索引数据文件统计数据数据字典事务管理器应用程序目标代码嵌入式DML预编译器DML编译器DDL编译器查询运行核心程序应用界面应用程序查询数据库模式初级用户应用程序员专业用户DBA数据库管理系统查询处理器存储管理器用户缓冲区管理器文件管理器磁盘存储器授权和完整性管理器图DBS全局结构第64页，共84页，2023年，2月20日，星期六

一、DBS的全局结构DBS全局结构（上图）数据库用户DBADBA是控制整个数据整体结构的人，负责三级结构的建立和修改DBA和DBMS的界面是数据库模式专业用户数据库设计中的上层人士，如系统分析员专业用户和DBMS的界面是数据库查询应用程序员是使用宿主语言和DML语言编程的应用程序员他们和DBMS的界面是应用程序第65页，共84页，2023年，2月20日，星期六DBS的全局结构初级用户使用应用程序的非计算机人员初级用户和DBMS的界面是应用程序的运行界面DBMS查询处理器DML编译器优化DML语句，并转换为“查询运行核心程序”能执行的低层指令嵌入型DML预编译器把嵌入在宿主语言中的DML语句预处理成规范的过程调用形式第66页，共84页，2023年，2月20日，星期六DBS的全局结构DDL编译器编译或解释DDL语句，并置入数据字典DD中查询运行核心程序执行由DML编译器产生的低层指令DBMS存储管理器它提供存储在数据库中的低层数据和应用程序、查询之间的界面授权和完整性管理器测试应用程序是否满足完整性约束检查用户访问数据是否合法第67页，共84页，2023年，2月20日，星期六DBS的全局结构事务管理器事务—DBS的逻辑工作单位，由对DB的操作序列组成用于确保一致性状态保证事务的正确执行文件管理器负责磁盘空间的合理分配管理物理文件的存储结构和存取方式缓冲区管理器为应用程序开辟数据库系统缓冲区负责把数据通过缓冲区送入内存确定进入高速缓冲存储器的数据第68页，共84页，2023年，2月20日，星期六DBS的全局结构磁盘存储器数据文件用来存储数据库中的数据数据字典DD存储三级结构的描述索引是为了提高查询速度而设置的逻辑排序手段统计数据存储运行时统计分析数据第69页，共84页，2023年，2月20日，星期六二、DBS结构分类集中式DBS定义运行在单个计算机系统中，并与其它计算机没有联系的DBS称为集中式DBS特点只有一台计算机有若干台设备控制器控制着磁盘、打印机和磁带等设备计算机和设备控制器通过系统总线与共享的内存相连计算机和设备控制器能够并发执行第70页，共84页，2023年，2月20日，星期六DBS结构分类CPU磁盘控制器打印机控制器磁带机控制器磁盘打印机磁带机内存控制器内存系统总线图1.26集中式计算机系统第71页，共84页，2023年，2月20日，星期六DBS结构分类客户机/服务器DBS（C/SDBS）把DBMS功能和应用分开网络中某个（些）结点上的计算机专门用于执行DBMS功能，称为数据库服务器，简称服务器其他结点上的计算机安装DBMS的外围应用开发工具，用户的应用系统，称为客户机第72页，共84页，2023年，2月20日，星期六功能的分布一些功能放在前端（即客户机）上执行，实现前端处理和用户界面另一些功能放在后端（即服务器）上执行，完成事务处理和数据访问控制第73页，共84页，2023年，2月20日，星期六DBS结构分类客户机客户机客户机客户机服务器网络图1.27C/S系统的一般结构…第74页，共84页，2023年，2月20日，星期六DBS结构分类SQL用户界面格式界面报表输出图形界面SQL核心程序（存取控制、查询优化、并发控制、恢复等）界面（SQL+API）图1.28C/SDBS的前、后端功能后端前端第75页，共84页，2023年，2月20日，星期六客户／服务器结构的优点客户端的用户请求被传送到数据库服务器，数据库服务器进行处理后，只将结果返回给用户，从而显著减少了数据传输量数据库更加开放客户与服务器一般都能在多种不同的硬件和软件平台上运行可以使用不同厂商的数据库应用开发工具第76页，共84页，2023年，2月20日，星期六客户／服务器结构的缺点“胖客户”问题：系统安装复杂，工作量大。应用维护困难，难于保密，造成安全性差。相同的应用程序要重复安装在每一台客户机上，从系统总体来看，大大浪费了系统资源。系统规模达到数百数千台客户机，它们的硬件配置、操作系统又常常不同，要为每一个客户机安装应用程序和相应的工具模块，其安装维护代价便不可接受了。第77页，共84页，2023年，2月20日，星期六3、浏览器/应用服务器/数据库服务器结构客户端：浏览器软件、用户界面浏览器的界面统一，广大用户容易掌握大大减少了培训时间与费用。服务器端分为两部分：Web服务器、应用服务器数据库服务器等大大减少了系统开发和维护代价能够支持数万甚至更多的用户第78页，共84页，2023年，2月20日，星期六DBS结构分类分布式DBS（distributedDBS）定义用通信网络连接起来的场地（或结点）的集合每一个场地可以拥有集中式DBS特点其数据具有“分布性”数据分别存储在不同场地，而不是在同一场地其数据具有“逻辑整体性”虽然数据分布在各个场地，但是在逻辑上是一个整体，用户使用起来如同一个集中式