计算机科学导论-基于计算思维的思想与方法（第4版） 课件【ch10】数据库技术

计算机科学导论基于计算思维的思想与方法数据库技术第十章新工科建设之路·计算机类系列教材01数据库技术概述——抽象(I)数据库技术概述——抽象(I)01一、数据与信息信息(Information)是对客观事物的反映，泛指那些通过各种方式传播的、可被感受的声音、文字、图形、图像、符号等所表征的某一特定事物的消息、情报或知识。信息必须具有以下属性。(1)事实性；(2)时效性；(3)传输性；(4)共享性；(5)层次性；(6)不完全性。1.信息数据库技术概述——抽象(I)01一、数据与信息数据(Data)是承载信息的媒体，是描述事物状态特征的符号，是信息定量分析的基本单位。数据具有如下基本特征：(1)数据具有“型(Type)”和“值(Value)”之分(2)数据具有数据类型和取值范围约束条件(3)数据可以通过观察、测量和考核等手段获得2.数据数据库技术概述——抽象(I)01一、数据与信息3.数据与信息的关系数据与信息两者之间既有相互依存关系，也有相互替代关系。主要表现为：数据反映信息，信息则依靠数据来表达；数据是使用各种物理符号和它们有意义的组合来表示信息，它是信息的一种量化表示；数据是信息的具体表现形式，而信息是数据有意义的表现。在通常简单描述时，信息代表数据，数据代表信息。数据库技术概述——抽象(I)01一、数据与信息4.数据处理我们把对数据的收集、存储、整理、分类、排序、检索、统计、加工和传播等系列活动的总和称为数据处理(DataProcessing)。其中“加工”包括计算、排序、归并、制表、模拟、预测等操作。由此可见，数据处理是指将数据转换成信息的过程。数据库技术概述——抽象(I)01一、数据与信息5.数据管理我们把对数据的分类、组织、编码、存储、检索、传递和维护称为数据管理(DataManagement)，它是数据处理的中心问题。数据量越大、数据结构越复杂，其管理的难度也越大，要求数据管理的技术也就越高。数据管理及其组织是数据库技术的基础，数据库技术本质上就是数据管理技术。数据库技术概述——抽象(I)01一、数据与信息6.信息系统信息系统可分为以下三类。(1)数据处理系统(2)管理信息系统(3)决策支持系统数据库技术概述——抽象(I)01二、数据库数据库是对数据信息管理的抽象。由此定义：数据库是为满足对数据管理和应用的需要，按照一定数据模型的组织形式存储在计算机中、能为多个用户所共享的、与应用程序彼此独立的、相互关联的数据集合。1.数据库的定义数据库技术概述——抽象(I)01二、数据库数据是数据库中存储的基本对象，一个适用的、高效的数据库，应该具有以下特点。(1)数据的共享性；(2)数据的独立性；(3)数据的完整性；(4)减少数据冗余；(5)便于使用和维护。2.数据库的特点数据库技术概述——抽象(I)01二、数据库3.数据库管理数据库管理是一个按照数据库方式存储、维护并向应用系统提供数据支持的复杂系统。如果将它比作图书管理，则更能确切理解，如图10-2所示。数据库技术概述——抽象(I)01三、数据库管理系统1.DBMS的基本功能DBMS是为用户提供数据的定义功能、操纵功能、查询功能，以及数据库的建立、修改、添加、删除等管理和通信功能，并且具有维护数据库和对数据库完整性控制的能力；同时提供了直接利用的功能，用户只要向数据库发出查询、检索、统计等操作命令，就能获得所需结果，而不需要了解数据的应用与数据的存放位置和存储结构。数据库技术概述——抽象(I)01三、数据库管理系统2.DBMS的层次结构DBMS是一个庞大而复杂的软件系统，构造方法是按其功能划分为多个程序模块，各模块之间相互联系，共同完成复杂的数据库管理。以关系型数据库为例，DBMS可分为应用层、语言处理层、数据存取层和数据存储层，如图10-3所示。数据库技术概述——抽象(I)01四、数据库系统1.数据库系统的基本组成数据库系统就是引入数据库技术后的计算机系统，是由有组织地、动态地存储有密切联系的数据结合，并对其进行统一管理的计算机软件和为数据库提供物理支撑的硬件所组成的系统。数据库系统的组成如图10-4所示。数据库技术概述——抽象(I)01四、数据库系统2.数据库系统的体系结构内模式、概念模式和外模式，三级体系结构之间的关系如图10-6所示。02数据模型——抽象(II)数据模型——抽象(II)021.数据模型的定义用数学结构或标记(如专门的符号、图形等)和术语对现实世界中事物的特征、联系和行为进行抽象与模拟的模型被称为数据模型(DataModel)。因此，数据模型是组织数据的方式，是用于描述数据、数据之间的关系、数据语义和数据约束的概念工具的集合。换句话说，数据模型是一种对客观事物抽象化的表现形式，是用来描述数据的一组概念和定义。一、数据模型概念数据模型——抽象(II)022.数据抽象过程人们把客观存在的事物以数据的形式存储到计算机中，经历了对现实世界中事物特性的认识、概念化到计算机数据库的具体表示的逐级抽象过程，并分为三个世界：现实世界→信息世界→数据世界，数据抽象过程与三个世界的联系如图10-7所示。一、数据模型概念数据模型——抽象(II)023.数据模型的分类在数据库技术中，根据数据抽象的不同级别，将数据模型分为三个层次：概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型，通常简称为概念模型、逻辑模型和物理模型，

表示数据处理的3个阶段。数据抽象与数据模型的对应关系如图10-8所示。一、数据模型概念数据模型——抽象(II)02二、概念数据模型E-R方法是使用图解的方法描述数据库的概念模型，因而也称为E-R模型或E-R图，通常用实体、实体属性、实体型、实体集、实体联系五个要素来描述。1.E-R模型要素数据模型——抽象(II)02二、概念数据模型E-R模型一般用图形方式来表示，E-R图提供了表示实体、属性和联系的图形表示法。在描述概念模型时，往往需要选择多个实体，并做出每种实体的E-R图及其实体之间的联系。作E-R图时应先确定实体集与联系集，将各实体联系起来，然后再分别为每个实体加上实体属性。2.E-R模型的表示数据模型——抽象(II)02三、关系数据模型1.关系模型结构关系模型实际上是一个由“二维表框架”组成的集合，每个二维表又可称为关系，所以关系模型是“关系框架”的集合。二维表的结构如图10-11所示。数据模型——抽象(II)02三、关系数据模型2.关系模型约束关系模型约束是对关系数据提出的约束条件，是关系模型的一个重要组成部分。关系模型中有4类完整性约束：域完整性、实体完整性、参照完整性和用户定义完整性。数据模型——抽象(II)02三、关系数据模型3.关系数据操作关系数据操作建立在关系的基础上，并且与关系数据约束紧密相连，是施加于数据模型中数据的运算及其规则，用于描述系统的动态特性，反映事物的行为特征。关系数据操作包括数据查询、数据更新和数据修改。数据模型——抽象(II)02四、关系数据模式1.关系数据模式定义[定义10-1]对关系的结构及其特征的抽象描述称为关系数据模式，简称为关系模式。一个关系的完整模式可表示为R(U，D，DOM，F)，这是一个五元组的关系模式。其中，R为关系模式名；U为组成关系的属性名集合；D为U中属性数据域集合；DOM为属性到域的映射集合；F为属性间数据依赖关系集合，用来限定组成该关系的各元组必须满足的完整性约束条件，体现关系的元组语义(各属性值之间的“关联性”)。数据模型——抽象(II)02四、关系数据模式2.关系数据模式导航图关系之间的M：1(或1：1)联系或一一个关系内部的M：1(或1：1)联系通过有向连线表示，并含有主键和外键依赖的数据模式图被称为关系数据模式导航图或模式图(SchemaDiagram)。关系数据模式导航图可以清晰地描述一个关系数据库中各关系模式之间的有机联系。数据模型——抽象(II)02四、关系数据模式3.关系数据查询语言关系数据库抽象层次上的关系查询语言可以分为三类：关系代数语言、关系演算语言、具有关系代数和关系演算双重特点的语言，如图10-17所示。03关系数据库——理论关系数据库——理论03一、关系代数运算1.传统的集合运算传统的集合运算就是将一个二元关系看成元组的集合运算，包括并、差、交、广义笛卡尔积4种运算，并且要求参加运算的关系必须是相容的关系。4种运算的文氏图如图10-8所示。关系数据库——理论03一、关系代数运算2.专门的关系运算(1)选择运算，又称为限制(Restriction)运算，是指从关系中选取满足给定条件的元组构成一个新关系。(2)投影运算是指从一个关系中选取所需的列构成一个新的关系，具体说，就是对一个关系做垂直分解，消去关系中的某些列，删除重复元组，并重新排列次序。关系数据库——理论03一、关系代数运算2.专门的关系运算(3)由于广义笛卡尔积会产生大量的无效元组，为了能实现关系的有效合并，元组之间应按照一定的条件进行组合，这就是连接运算。连接运算是把两个关系中的元组按条件连接起来，形成一个新的关系。连接运算是笛卡尔积、选择和投影操作的组合。(4)除运算，也称为商(Quotient)运算，是基于选择、投影、连接的、从关系的行方向和列方向进行的运算。关系数据库——理论03二、关系数据查询优化1.问题的提出如何有效地执行笛卡尔积操作，才能使耗费较小的时间和空间呢?如何选择合适的代数表达式及如何执行笛卡尔积操作呢?关系数据库——理论03二、关系数据查询优化2.问题解决方案事实上，还可以写出多种等价的关系代数表达式，但仅对这三种表达式进行分析就足以说明，对于同一个问题，因不同的表达式采用不同的查询策略所存在的效率差别。3.涉及的基本问题关系数据查询优化涉及的基本问题有关系代数表达式的等价变换、查询优化策略、查询优化算法等。有兴趣的读者可查阅数据库原理教材。04构建数据库应用系统——设计构建数据库应用系统——设计04一、数据库应用系统设计要求1.良好的共享性建立数据库的目的是实现数据资源的共享。不仅要为现有的用户提供共享，还要为开发新的应用留有余地，使数据库应用系统具有良好的扩展性。2.数据冗余最小数据的重复采集和存储将降低数据库的效率，要求数据冗余最小。这样的公用数据必须统一规划，以减小冗余。构建数据库应用系统——设计04一、数据库应用系统设计要求3.数据的一致性要求数据的一致性是数据库重要的设计指标，否则会产生错误。引起不一致性的根源往往是数据冗余。若数据在数据库中只存储一次，则不可能发生不一致性。4.实施统一的管理控制数据库对数据进行集中统一有效的管理控制，是保证数据库正常运行的根本保证。构建数据库应用系统——设计04一、数据库应用系统设计要求5.数据独立数据独立就是数据说明和使用数据的程序分离，即数据说明或应用程序对数据的修改不引起对方的修改。6.减少应用程序开发与维护的代价设计的数据库必须具有良好的易操作性、可移植性、可维护性等，这是在数据库建设中必须充分考虑的问题。构建数据库应用系统——设计04一、数据库应用系统设计要求7.安全、保密和完整性要求数据库系统的建立必须保障数据信息的安全性、完整性和一致性，既要防止不正确操作导致数据信息错误，更要避免因为受到外界因素影响而破坏数据库。8.良好的用户界面和易于操作性在设计时，除了设计好例行程序进行常规的数据处理，还要允许用户对数据库执行某些功能而根本不需要编写任何程序，努力实现操作的简单化与便捷化。构建数据库应用系统——设计04二、数据库应用系统设计过程数据库应用系统以数据库为基础，数据库应用系统的设计以数据库为核心。这里以教学信息管理(简称JXGL)为例介绍数据库的设计过程，其设计流程如图10-28所示。构建数据库应用系统——设计04二、数据库应用系统设计过程1.需求分析需求分析是对组织的工作现状和用户需求进行调查、分析，明确用户的信息需求和系统功能，提出拟建系统的逻辑方案。这里的重点是对建立数据库的必要性及可行性进行分析和研究，确定数据库在整个数据库应用系统中的地位，确定出各数据库之间的关系。构建数据库应用系统——设计04二、数据库应用系统设计过程2.概念结构设计概念结构设计的目标是将需求分析阶段得到的用户需求抽象为反映现实世界信息需求的数据库概念结构(概念模式)