第1章-数据库系统概论-137p课件

数据库系统概论AnIntroductiontoDatabaseSystemJuly237/21/20231数据库技术应用十分广泛教学管理系统图书馆管理系统工厂、商场、酒店、医院、社区管理系统各类网站、Web应用等等。7/21/20232第一章绪论1.1数据库系统概述1.2数据模型1.3数据库系统结构1.4数据库系统的组成1.5小结7/21/202331.1

数据库系统概述

1.1.1四个基本概念

1.1.2数据管理技术的产生与发展

7/21/202341.1.1四个基本概念数据(Data)数据库(Database)数据库管理系统(DBMS)数据库系统(DBS)7/21/20235一、数据数据(Data)是数据库中存储的基本对象数据的定义描述事物的符号（P4第4行）数据的形式数字、文字、图形、图象、声音等数据的特点数据与其语义是不可分的，语义是数据的含义。7/21/20236数据举例学生档案中的学生记录（李明，男，1972，江苏，计算机系，1990）数据的语义学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在系别、入学时间7/21/20237二、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、可共享的数据集合。（P4倒数第7行）数据库的特点数据库数据具有永久存储、有组织和可共享三个特点。7/21/20238三、数据库管理系统（P5）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库的管理软件。DBMS的用途科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据7/21/20239DBMS的主要功能数据定义功能

提供数据定义语言(DDL)

定义数据库、数据库中的数据对象数据操纵功能:提供数据操纵语言(DML)

操纵数据实现对数据库的基本操作

(查询、插入、删除和修改)7/21/202310DBMS的主要功能数据库的运行管理（数据控制功能）

保证数据的安全性保证数据的完整性 并发控制 故障恢复数据库维护功能(实用程序)

数据库数据批量装载 数据库转储 介质故障恢复 数据库的重组织 性能监视等7/21/202311四、数据库系统(P5)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构成。数据库系统的构成由数据库、数据库管理系统、应用开发工具、应用系统、数据库管理员和用户构成。（参看教材page_6图1.1）7/21/202312应用系统开发工具数据库管理系统操作系统数据库用户用户用户数据库管理员7/21/202313硬件操作系统DBMS应用开发工具应用系统7/21/2023141.1数据库系统概述

1.1.1四个基本概念

1.1.2数据管理技术的产生与发展7/21/2023151.1.2数据管理技术的产生和发展(P6)什么是数据管理对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，是数据处理的中心问题数据管理技术的发展过程人工管理阶段(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)7/21/202316一、人工管理（P7）时期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 无直接存取存储设备 软件水平 没有操作系统 处理方式 批处理 7/21/202317人工管理(续)特点数据不保存数据不共享数据不具有独立性7/21/202318应用程序与数据的对应关系(人工管理)

应用程序１数据集１应用程序２数据集２应用程序ｎ数据集n...…...…7/21/202319二、文件系统时期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 有文件系统 处理方式 联机实时处理、批处理

7/21/202320文件系统(续)特点数据可以长期保存有文件系统管理数据数据的共享性差数据独立性差7/21/202321应用程序与数据的对应关系(文件系统)应用程序１文件１应用程序２文件2应用程序ｎ文件n存取方法...…...…7/21/202322三、数据库系统时期60年代末以来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 7/21/202323应用程序与数据的对应关系(数据库系统)DBMS应用程序1应用程序2数据库…7/21/202324数据库系统(续)特点数据结构化 数据的共享性高 数据的独立性高数据DBMS统一管理和控制7/21/202325数据结构化整体数据的结构化是数据库的主要特征之一。数据库中实现的是数据的真正结构化数据的结构用数据模型描述，无需程序定义和解释。数据可以变长。数据的最小存取单位是数据项。7/21/202326数据的高共享性的好处降低数据的冗余度，节省存储空间避免数据间的不一致性使系统易于扩充7/21/202327数据独立性物理独立性指应用程序与数据存储方式是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。逻辑独立性指应用程序与数据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。7/21/202328DBMS对数据的控制功能数据的安全性（Security）保护使每个用户只能按指定方式使用和处理指定数据，保护数据以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。数据的完整性（Integrity）控制将数据控制在有效的范围内，或保证数据之间满足一定的关系。7/21/202329DBMS对数据的控制功能并发（Concurrency）控制对多用户的并发操作加以控制和协调，防止相互干扰而得到错误的结果。数据库恢复（Recovery）将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。7/21/202330第一章绪论1.1数据库系统概述1.2数据模型1.3数据库系统结构1.4数据库系统的组成1.5小结7/21/202331

1.2数据模型

1.2.1两类数据模型

1.2.3概念模型

1.2.5逻辑模型和物理模型7/21/2023321.2.1两类数据模型（P12）数据模型是现实世界数据特征的抽象

由于计算机不可能直接处理现实世界中的具体事物，所以人们必须事先把具体事物转换成计算机能够处理的数据，也就是利用数学模型这个工具来抽象、表示和处理。数据模型就是现实世界数据的模拟和抽象7/21/2023331.2.1两类数据模型(续)数据模型分成两类(1)概念模型也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模。用于数据库设计(2)逻辑模型和物理模型

其中逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型等。逻辑模型和物理模型它是按计算机系统的观点对数据建模，用于DBMS的实现。7/21/2023341.2.1两类数据模型(续)客观事物的抽象过程两步抽象现实世界中的客观对象抽象为概念模型；把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型（逻辑模型和物理模型）。

概念模型是现实世界到机器世界的一个中间层次。7/21/202335现实世界概念模型DBMS支持的数据模型认识抽象信息世界机器世界7/21/202336

1.2数据模型

1.2.1两类数据模型

1.2.3概念模型

1.2.5逻辑模型和物理模型7/21/2023371.2.3概念模型（P14）1.基本概念2.两个实体（集）之间的联系3.两个以上实体（集）之间的联系4.单个实体（集）内的联系5.概念模型的一种表示方法：实体－联系方法6.一个实例7/21/2023381.概念模型的基本概念(1)实体（Entity）客观存在并可相互区别的事物称为实体。可以是具体的人、事、物或抽象的概念。(2)属性（Attribute）实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。

(3)码（Key）也叫候选码或键唯一标识实体的属性组称为码。

7/21/202339信息世界中的基本概念(续)(4)域（Domain）属性的取值范围称为该属性的域。*(5)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(6)实体集（EntitySet）同型实体的集合称为实体集7/21/202340信息世界中的基本概念(续)(7)联系（Relationship）

现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体内部的联系和实体之间的联系实体集间联系两个实体之间一对一联系（1:1）两个以上实体之间一对多联系（1:n）一个实体内部多对多联系（m:n）

7/21/2023412.两个实体间的联系

一对一联系如果对于实体集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，则称实体集A与实体集B具有一对一联系。记为1:1。

7/21/202342班级与班长之间的联系：一个班级只有一个班长一个班长只在一个班中任职还有：班级与班主任之间的联系系与系主任之间的联系等实例7/21/2023432.两个实体间的联系(续)一对多联系如果对于实体集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中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对多联系。记为1:n7/21/202344实例班级与学生之间的联系：一个班级中有若干名学生，每个学生只在一个班级中学习还有：班级与辅导员之间的联系系与教师之间的联系系与班级之间的联系系与专业之间的联系等7/21/2023452.两个实体间的联系(续)多对多联系（m:n）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，则称实体集A与实体B具有多对多联系。记为m:n7/21/202346实例课程与学生之间的联系：一门课程同时有若干个学生选修一个学生可以同时选修多门课程还有：课程与教师之间的联系图书与学生之间的联系宾馆客房与客人之间的联系等7/21/2023473.两个以上实体间的联系多个实体集间的一对多联系若实体集E1，E2，...，En存在联系，对于实体集Ej（j=1，2，...，i-1，i+1，...，n）中的给定实体，最多只和Ei中的一个实体相联系，反之，对于实体集Ei中的每一个实体，实体集Ej中有m个实体（m≥0）与之联系，则我们说Ei与E1，E2，...，Ei-1，Ei+1，...，En之间的联系是一对多的。7/21/2023483.两个以上实体间的联系(续)实例

课程、教师与参考书三个实体如果一门课程可以有若干个教师讲授，使用若干本参考书，每一个教师只讲授一门课程，每一本参考书只供一门课程使用课程与教师、参考书之间的联系是一对多的多个实体型间的一对一联系多个实体型间的多对多联系7/21/202349多个实体型间的多对多联系供应商、项目、零件三个实体如果一个供应商可以供应多个项目和多种零件，每个项目、每种零件可以由多个供应商提供。供应商、项目、零件之间的联系是多对多的7/21/2023504.同一实体集内实体间的联系一对多联系实例

职工实体集内部具有领导与被领导的联系某一职工（干部）“领导”若干名职工一个职工仅被另外一个职工直接领导这是一对多的联系一对一联系多对多联系7/21/2023515.概念模型的一种表示方法：实体－联系方法概念模型的表示方法很多实体－联系方法(E-R方法)用E-R图来描述现实世界的概念模型E-R方法也称为E-R模型7/21/202352E-R图实体集用矩形表示，矩形框内写明实体名。学生教师7/21/202353E-R图(续)属性用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来学生学号年龄性别姓名7/21/202354E-R图(续)联系联系本身：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n）联系的属性：联系本身也是一种实体，也可以有属性。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来

7/21/202355联系的表示方法实体1联系名实体2111:1联系实体1联系名实体2mnm:n联系实体1联系名实体21n1:n联系7/21/202356联系的表示方法(续)实体1联系名mn同一实体型内部的m:n联系实体1联系名实体21m多个实体型间的1:n联系实体3n7/21/202357联系的表示方法示例班级班级-班长班长111:1联系课程选修学生mnm:n联系班级组成学生1n1:n联系7/21/202358联系的表示方法示例(续)职工领导1n同一实体型内部的1:n联系课程讲授教师1m多个实体型间的1:n联系参考书n7/21/202359联系属性的表示方法课程选修学生mn成绩7/21/2023606.实例E-R图E-R图实例：

P17-P19

某工厂物资管理E-R图7/21/202361供应商仓库职工零件项目供应领导存放库存量供应量所属11NNPMNM某工厂物资管理的概念模型N7/21/202362课堂练习（P38第12题）学校有若干个系，每个系有若干个班级和教研室，每个教研室有若干个老师，每个班级有若干个学生，每个学生选修若干课程，每门课程可由若干个学生选修，每门课程可由若干教师讲解，每个教师最多教一门课。请用E-R图画出该学校的概念模型。7/21/202363系班级教研室老师学生课程所属所属所属所属选修讲解NNNNNN1111M17/21/202364课堂练习（P38第13题）某工厂生产若干个产品，每个产品由不同的零件组成，有的零件可用在不同的产品上，这些零件由不同的原材料组成，不同的零件所用的原材料可以相同。这些零件按所属的不同产品分别放在仓库中，原材料按类别放在若干个仓库中。请用E-R图画出该工厂产品、零件、原材料和仓库的概念模型。7/21/202365产品零件原材料仓库组成制作存放存放NM1NMMNN7/21/202366销售单的样式

日期：Ｘ单据号：Ｘ收款人：Ｘ客户：Ｘ金额：Ｘ交款：Ｘ找零：Ｘ

商品编码名称数量单价

00671香皂3

5.00

00034洗发水

2

15.00

00023毛巾1

5.56

00234拖鞋2

4.00……表头部分明细部分7/21/202367相同类型单据还有采购单、采购订货单入库单、出库单销售订货单医生开的处方单等等

7/21/202368销售单概念模型的表示方法单据头明细日期单据号金额收款人客户商品商品编码商品名称型号规格数量NM单价单价7/21/202369练习假设某招待所业务规定，每个账单对应一个顾客，账单的账单编号是惟一的，账单中包含一个顾客姓名、账单日期和顾客每日的消费明细，账单的格式如下图所示。消费账单账单日期：2008-12-11编号：000120顾客姓名：李升金额：280.00元

消费日期项目金额（元）2008-12-10房租150.002008-12-10餐费50.002008-12-10电话费20.002008-12-11餐费60.00如果根据上述业务规则，设计一个关系模式：R(账单编号,账单日期,顾客姓名,消费日期,项目,金额）。7/21/202370如果根据上述业务规则，设计一个关系模式：R(账单编号,账单日期,顾客姓名,消费日期,项目,金额）。试回答下列问题：（1）根据上述规定，写出关系模式R的基本函数依赖；（2）找出关系模式R的候选码；（3）试问关系模式R最高属于第几范式？为什么？（4）如果R不属于3NF，请将R分解成3NF模式集。7/21/202371

1.2.5常用逻辑模型层次模型（HierarchicalModel）网状模型(NetworkModel)关系模型(RelationalModel)面向对象模型(ObjectOrientedModel）对象关系模型(ObjectRelationalModel）7/21/2023721.层次数据模型的数据结构层次模型

满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型。1.有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点2.根以外的其它结点有且只有一个双亲结点层次模型中的几个术语根结点，双亲结点，兄弟结点，叶结点7/21/202373层次数据模型的数据结构(续）

Ｒ1

根结点

Ｒ2

兄弟结点

Ｒ3

叶结点

Ｒ4

兄弟结点

Ｒ5

叶结点

叶结点7/21/202374D02计算机R01计科R02电信R03信管S02文S23刘S56张E21王E17冯E45孟E11陈E33张系教研室学生教师教师7/21/2023756.典型的层次数据库系统IMS数据库管理系统第一个大型商用DBMS1968年推出IBM公司研制7/21/2023762.网状数据模型的数据结构网状模型满足下面两个条件的基本层次联系的集合为网状模型。1.允许一个以上的结点无双亲；2.一个结点可以有多于一个的双亲。7/21/202377网状数据模型的数据结构

Ｒ1

Ｒ2

R3L1L2

R1

R2

L3

L1L2

R3

L4

R4

R5

7/21/202378学号姓名系别学号课程号成绩课程号课程名学分学生课程选课7/21/202379S1C1S1C2S1C3S1S3C2C27/21/2023806.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IMAGE7/21/2023815.层次、网状模型的缺点缺点结构比较复杂，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，不便于管理DDL、DML语言复杂，用户不容易使用7/21/2023821.2.5关系模型1.关系数据模型的数据结构2.关系数据模型的操作与完整性约束3.关系数据模型的存储结构4.关系数据模型的优缺点7/21/202383关系模型最重要的一种数据模型。也是目前主要采用的数据模型1970年由美国IBM公司SanJose研究室的研究员E.F.Codd提出本课程的重点7/21/2023841.关系数据模型的数据结构在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。7/21/202385关系模型的基本概念关系（Relation）一个关系对应通常说的一张表。元组（Tuple）表中的一行即为一个元组。属性（Attribute）表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名。7/21/202386关系模型的基本概念码（Key）表中唯一确定一个元组的最小属性组。超码表中唯一确定一个元组的属性组。主码如果关系有多个码，则，可以选择其中的一个为关系的主码（primarykey）。7/21/202387关系模型的基本概念域（Domain）属性的取值范围。分量元组中的一个属性值。关系模式对关系的描述关系名（属性1，属性2，…，属性n）学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级）7/21/2023881.关系数据模型的数据结构(续）实体及实体间的联系都是用关系来表示。7/21/202389关系数据模型的数据结构(续）例1学生、系、系与学生之间的一对多联系：学生（学号，姓名，年龄，性别，年级，系号）系

(系号，系名，办公地点，系主任)7/21/2023901.关系数据模型的数据结构(续）例2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）7/21/2023911.关系数据模型的数据结构(续）例3系、系主任、系与系主任之间的一对一联系：系（系号，系名，电话，地址）系主任（主任号，主任名，系号）或者：系（系号，系名，电话，地址，主任号）系主任（主任号，主任名）7/21/2023921.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。职工号姓名基本工资，津贴房租，水电实发022陈平1305，1200160，1122233

7/21/2023932.关系模型的操作和完整性约束条件查询、插入、删除、修改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”7/21/2023942.关系模型的完整性约束条件实体完整性约束参照完整性约束用户定义的完整性约束7/21/2023953.关系数据模型的存储结构有的DBMS一个表对应一个操作系统文件有的DBMS从操作系统获得若干大的文件，自己设计表、索引等存储结构7/21/2023964.关系模型的优缺点优点建立在严格的数学概念的基础上概念单一。数据结构简单、清晰，用户易懂易用实体和各类联系都用关系来表示。对数据的操作结果也是关系。关系模型的存取路径对用户透明(隐蔽)具有更高的数据独立性，更好的安全保密性简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作7/21/202397关系模型的优缺点（续）缺点存取路径对用户透明(隐蔽)导致查询效率不高为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化增加了开发数据库管理系统的难度7/21/202398第一章绪论1.1数据库系统概述1.2数据模型1.3数据库系统结构1.4数据库系统的组成1.5小结7/21/2023991.3数据库系统结构1.3.1数据库系统模式的概念1.3.2数据库系统的三级模式结构1.3.3数据库的二级映象功能与数据独立性7/21/20231001.3.1数据库系统模式的概念“型”和“值”的概念型（Type）对某一类数据的逻辑结构和属性的说明值（Value）是型的一个具体赋值例如：学生记录记录型：（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）该记录型的一个记录值：（900201，李明，男，计算机，22，江苏）7/21/2023101数据库系统模式的概念（续）模式（Schema）数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述是型的描述反映的是数据的结构及其联系模式是相对稳定的模式的一个实例（Instance）模式的一个具体值反映数据库某一时刻的状态同一个模式可以有很多实例实例随数据库中的数据的更新而变动7/21/20231021.3数据库系统结构1.3.1数据库系统模式的概念1.3.2数据库系统的三级模式结构1.3.3数据库的二级映象功能与数据独立性7/21/20231031.3.2数据库系统的三级模式结构7/21/20231041．模式（Schema）P32模式（也称逻辑模式）数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求一个数据库只有一个模式模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层与数据的物理存储细节和硬件环境无关与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关模式的定义数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）数据之间的联系数据有关的安全性、完整性要求7/21/20231052.外模式（ExternalSchema）外模式（也称子模式或用户模式）数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述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7/21/2023106外模式（续）外模式的地位：介于模式与应用之间模式与外模式的关系：一对多外模式通常是模式的子集一个数据库可以有多个外模式。反映了不同的用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同外模式与应用的关系：一对多同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用，但一个应用程序只能使用一个外模式。7/21/2023107外模式（续）外模式的用途保证数据库安全性的一个有力措施。每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据7/21/20231083．内模式（InternalSchema）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记录的存储方式（顺序存储，按照B树结构存储，按hash方法存储）索引的组织方式数据是否压缩存储数据是否加密数据存储记录结构的规定一个数据库只有一个内模式7/21/20231091.3数据库系统结构1.3.1数据库系统模式的概念1.3.2数据库系统的三级模式结构1.3.3数据库的二级映象功能与数据独立性7/21/20231101.3.3三级模式与二级映象（P33）三级模式是对数据的三个抽象级别二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换7/21/2023111数据库系统的三级模式结构7/21/20231121．外模式／模式映象定义外模式与模式之间的对应关系每一个外模式都对应一个外模式／模式映象映象定义通常包含在各自外模式的描述中7/21/2023113外模式／模式映象的用途保证数据的逻辑独立性当模式改变时，(数据库管理员修改有关的外模式／模式映象，)可以使外模式保持不变应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。7/21/20231142．模式／内模式映象模式／内模式映象定义了数据全局逻辑结构与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数据库中模式／内模式映象是唯一的该映象定义通常包含在模式描述中7/21/2023115模式／内模式映象的用途保证数据的物理独立性数据库的内模式（例如选用了另一种存储结构）改变，可以使模式保持不变应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。7/21/2023116第一章绪论1.1数据库系统概述1.2数据模型1.3数据库系统结构1.4数据库系统的组成1.5小结7/21/2023117硬件平台软件人员1.4数据库系统的组成7/21