第1章 数据库基本知识

数据库原理与应用数据库原理与应用主讲：黄文玲ling_hw@126.com

课前导入教学基本要求1.掌握数据库的基本概念及数据规范化理论。2.掌握数据库的基本操作语言。3.掌握数据库的设计的基本方法和步骤。4掌握一种数据库管理系统的使用方法和技术。5.了解和掌握数据库管理技术和方法。6.了解数据库技术的发展动向。7.能开发小型的数据库应用系统。课前导入教材刘淳，方俊，数据库原理与应用-Oracle版，，中国水利水电出版社，2008.09实验指导书刘绪崇，文龙，张自辉，Oracle10g数据库系统教程与上机指导，清华大学出版社，2007.09课前导入考核方式成绩=平时成绩50%+期末成绩50%平时成绩：上课出勤、课堂表现、平时作业、实验报告等第1章数据库基本知识1.1信息、数据与数据处理了解1.2数据库系统掌握1.3数据模型掌握1.4关系数据库与关系代数理解1.1

数据库技术概述1.1.1信息、数据与数据处理1.1.2数据处理的发展1.1.3数据库技术的发展1.1.1信息、数据与数据处理数据数据的定义描述事物的符号称为数据。数据的形式（类型）文字、图形、图像、声音等。1.1.1信息、数据与数据处理举例：学生档案中的学生记录（李明，男，1972，江苏，计算机系，1990）数据的解释语义：学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在系别、入学时间

解释：李明是个大学生，1972年出生，江苏人，1990年考入计算机系语法：数据中字段的属性称为语法，例如姓名是4个汉字字符，性别是1个汉字字符等。1.1.1信息、数据与数据处理信息信息的定义信息是数据经过加工处理后所获得的有用知识。信息的特点信息是构成一定含义的一组数据。信息与数据的关系数据是信息的符号表示或称为载体；信息是数据处理的结果、是数据的内涵、是对数据的语义解释。数据处理信息存储1.1.1信息、数据与数据处理数据处理数据处理就是将数据转换为信息的过程。包括：数据的收集、整理、存储、加工、分类、维护、排序、检索和传输等。电子计算使大规模的数据处理成为可能。1.1.2数据处理的发展人工管理阶段(40年代中--50年代中)文件管理阶段(50年代末--60年代中)数据库管理阶段(60年代末—70年代中)分布式数据库管理阶段（70年代后期-至今）1.1.2数据处理的发展人工管理阶段(40年代中--50年代中)数据不保存应用程序管理数据数据不共享数据不具有独立性数据处理方式是批处理应用程序1应用程序2数据组n数据组2数据组1应用程序n…………1.1.2数据处理的发展文件管理阶段(50年代末--60年代中)数据可长期保存由文件系统管理数据数据共享性差，冗余度大数据独立性差应用程序1应用程序2数据组n数据组2数据组1应用程序n…………文件系统1.1.2数据处理的发展文件系统的缺陷数据冗余数据不一致数据联系弱职工工资文件职工档案文件职工保健文件职工工资文件职工档案文件职工保健文件000000(a)文件系统中的文件(b)数据库系统中的文件1.1.2数据处理的发展文件系统中的数据文件姓名职称五官心电图……李明讲师正常正常刘军教授正常正常姓名职称基本工资岗位津贴……李明讲师9001500刘军教授12001800姓名职称毕业院校入职时间……李明讲师北京大学2004.7刘军教授清华大学1998.71.1.2数据处理的发展数据库系统中的数据文件职工号毕业院校入职时间……3000243北京大学2004.73000245清华大学1998.7职工号五官心电图……3000243正常正常3000245正常正常职工号姓名职称……3000243李明讲师3000245刘军教授职工号基本工资岗位工资……300024390015003000245120018001.1.2数据处理的发展数据库管理阶段(60年代末—70年代中)高度的物理独立性和一定的逻辑独立性减少了数据冗余数据共享性高由DBMS统一管理和控制应用程序1应用程序2应用程序n……数据库管理系统数据库1.1.2数据处理的发展数据处理进入数据库管理阶段的标志：20世纪60年代末的三件大事：IMS系统、DBTG报告、E.F.Gold的文章。IMS系统：层次数据库系统，原先为满足阿波罗计划的数据库要求，IBM与北美洛氏（Rockwell）一起开发。数据库系统的第一个商用产品。DBTG报告：对数据库和数据操作的环境建立了标准的规范（基于网状模型）。E.F.Gold：1970年，在美国计算机学会通信杂志（CACM）发表“ARelationModelofDateforLargeSharedDataBanks”，第一次提出关系模型的文章，奠定了关系数据库的理论基础。1.1.2数据处理的发展分布式数据库管理阶段(70年代-至今)位于不同地点的众多计算机分别负责自己的局部数据库，通过网络互相连接，共同组成一个完整的、全局的大型数据库。多数处理在本地完成降低了数据传输代价提高了系统的可靠性便于系统扩充1.1.2数据处理的发展集中式数据库1.1.2数据处理的发展分布式数据库1.2.1数据库系统的组成数据库系统（DataBaseSystem,DBS）狭义地讲是由数据库、数据库管理系统和用户构成；广义地讲是由计算机硬件、操作系统、数据库管理系统以及在它支持下建立起来的数据库、应用程序、用户组成的一个整体。1.2.1数据库系统的组成数据库系统的组成(狭义)用户1用户n…….数据库管理系统DBMS数据库(存储数据)1.2.1数据库系统的组成操作系统应用程序DBMS硬件数据库人写入使用设计管理数据库系统的组成(广义)1.2.1数据库系统的组成数据库（DB）定义数据库，顾名思义就是数据存放的地方，是需要长期储存在计算机内、有组织的、可共享的数据集合。特征数据按一定的数据模型组织、描述和储存可为各种用户共享冗余度较小数据独立性较高易扩展1.2.1数据库系统的组成数据库管理系统（DBMS）定义位于用户与操作系统之间的，用于管理数据的计算机软件。用途科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据功能（Page9）数据定义（DDL）数据操纵（DML）数据库的运行管理功能数据组织、存储和管理数据库的建立和维护1.2.1数据库系统的组成数据库管理系统在计算机系统中的位置1.2.1数据库系统的组成数据库用户指管理、开发、使用数据库系统的所有人员。通常包括数据库管理员、应用程序员和终端用户。数据库管理员(DataBaseAdministrator,DBA)负责管理、监督、维护数据库系统的正常运行。应用程序员负责分析、设计、开发、维护数据库系统运行中的各类应用程序。终端用户操作、使用数据库系统者。用户一般通过应用程序与数据库进行交互。1.2.2数据库系统体系结构数据库系统的体系结构（内部结构）为了提高数据库的独立性，美国ANSI/X3/SPARC数据库管理系统研究小组于1975年、1978年提出了数据库的三级模式结构：外模式：亦称子模式或用户模式，是单个数据库用户看到的数据视图。模式：亦称逻辑模式或概念模式，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。内模式：亦称存储模式，用来描述数据的物理结构和存储方式。1.2.2数据库系统体系结构应用A应用B外模式1应用C应用D应用E外模式3外模式2模式内模式数据库模式/内模式映射外模式/模式映射（逻辑独立性）（物理独立性）1.2.2数据库系统体系结构两级映象（射）外模式-模式映射定义外模式与模式之间的对应关系。模式-内模式映射对应模式与内模式之间的对应关系。

两级映射保证了数据库系统的物理独立性和逻辑独立性。1.2.2数据库系统体系结构两级数据的独立性逻辑独立性当数据库的模式发生改变(如增加新的数据项)，只需要改变外模式-模式映射，可以使外模式保持不变。由于应用程序是根据外模式编写的，外模式保持不变，则应用程序也保持不变，从而保证了数据和应用程序的逻辑独立性。物理独立性当数据库的存储结构发生改变(如硬件设备改变)，只需要修改模式-内模式映射，可以使模式保持不变。由于外模式是模式的子集，模式保持不变，外模式就保持不变，则根据外模式编写的应用程序也保持不变，从而保证数据和应用程序的物理独立性。1.2.2数据库系统体系结构数据库系统体系结构（外部结构）单机结构

也称桌面型DBMS，数据存储层、应用层和用户界面层的所有功能都存在于单台PC机上。目前比较流行的桌面型DBMS有：MicrosoftAccessVisualFoxpro……特点：不同机器之间不能共享数据。1.2.2数据库系统体系结构单机结构1.2.2数据库系统体系结构客户机/服务器结构（C/S结构）应用程序运行在客户机上，数据集中存放在服务器端。数据库服务器响应客户机的服务请求，把客户机请求的数据传送到客户机进行处理，处理后的数据再写回服务器。

特点：减轻服务器端压力，便于快速响应用户请求减少网络通信开销，对信息安全的控制能力较强1.2.2数据库系统体系结构C/S（C/M/S）结构..应用程序..应用程序..应用程序．．．扩展应用程序数据库服务器ODBC数据请求返回数据数据请求返回数据Lan连接1.2.2数据库系统体系结构浏览器/服务器结构（B/S结构）客户机端：安装通用的浏览器（如IE）应用服务器：运行应用程序数据库服务器：存储数据特点：减轻客户机端负担系统维护和扩展方便数据一致性1.2.2数据库系统体系结构B/S（B/W/D）结构..浏览器..浏览器..浏览器．．．WEB服务器数据库服务器ODBC处理请求返回结果数据请求返回数据Lan连接HTTP连接1.2.2数据库系统体系结构常见的数据库管理系统MicrosoftAccess桌面型数据库，可视化操作，简单易用。MySQL小型关系型数据库管理系统，开放源码，运行速度快MicrosoftSQLServer与Windows系统有效集成，图形化界面。Oracle跨平台，支持所有工业标准，安全性能高。DB2跨平台，安全性高，良好的并行性，处理海量数据Sybase典型的UNIX或WinNT平台上客户机/服务器环境下的大型数据库系统1.3数据模型1.3.1数据模型及基本概念1.3.2实体-关系图1.3.3常用数据模型1.3.4关系数据结构1.3.5关系代数1.3.1数据模型及基本概念模型模型是现实世界的抽象。实体模型（概念模型）能表示实体与实体之间的关系的模型称为“实体模型”。数据模型（逻辑模型）能表示数据与数据之间的关系的模型称为“数据模型”。现实世界概念模型数据模型认识抽象转化1.3.1数据模型及基本概念现实世界存在于人们头脑之外的客观世界。包括客观存在的各种事、物和事物之间的相互联系以及事物的发生、变化过程。物一次门诊事一个员工1.3.1数据模型及基本概念信息（观念）世界：现实世界在人们头脑中的反映。物工号、姓名、年龄、部门、职务、等级、工资…..一个员工事医生姓名、病人姓名、诊断时间、病情、处理方法、药方、结论……一次门诊实体属性1.3.1数据模型及基本概念数据世界：将信息世界中的信息转换为计算机能够处理的数据，形成数据世界。1.3.1数据模型及基本概念信息世界中的基本概念实体实体是客观世界中存在的且可相互区分的事物。实体可以是具体的人、事、物，也可以是抽象的概念或联系。

例如，职工、学生、课程、教师，部门的一次订货、老师与系的工作关系等。属性属性是实体或联系所具有的性质。

例如，学生的实体可以由学号、姓名、性别等属性组成。1.3.1数据模型及基本概念码唯一标识实体的属性(集)称为码或实体标识符。

例如，学号是学生实体的码。域属性的取值范围称为该属性的域。

例如，学号的域7位整数，姓名的域为8位的字符串集合。实体型实体的结构描述，通常是实体名及其属性名集合。

例如，学生（学号，姓名，性别，年龄，系）1.3.1数据模型及基本概念实体集性质相同的同类实体的集合称为实体集。

例如，全体学生就是一个实体集。实体联系实体（型）与实体（型）之间的关系。两个实体（型）之间的联系可以分为三类：一对一联系（1:1）一对多联系（1:n）多对多联系（m:n）1.3.1数据模型及基本概念一对一联系（1:1）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（也可以没有）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。

例如，学校里，一个系只有一个系主任，而一个系主任只在一个系中任职，则系与系主任之间具有一对一联系。1.3.1数据模型及基本概念一对多联系（1:n）如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个（n>=0）实体与之联系，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，则称实体集A与实体集B具有一对多联系，记为1:n。

例如，一个系有若干教师，而每个教师只在一个系中工作，则系与教师之间具有一对多联系。1.3.1数据模型及基本概念多对多联系（n:m）如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个（n>=0）实体与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中有m（m>=0）个实体与之联系，则称实体集A与实体集B具有多对多联系，记为m:n。

例如，一门课同时由若干教师讲授，而同一个教师可以讲授多门课，则课程与教师之间具有多对多联系。1.3.1数据模型及基本概念两个实体型之间的联系系系主任教师系课程教师任职管理讲授1nn1m1(a)(c)(b)1.3.1数据模型及基本概念三个实体型之间的联系课程教师讲授1nm(a)参考书供应商项目供应Pnm(b)零件1.3.1数据模型及基本概念同一个实体集内的各实体之间的联系职工领导1m(c)1.3.2实体-关系图实体（概念）模型的表示方法概念模型的表示方法很多，最常用的是实体-联系方法(Entity-RelationshipApproach)，该方法用E-R图来描述概念模型。实体属性联系连接1.3.2实体-关系图学生实体及属性学生姓名性别系学号年龄1.3.2实体-关系图供应商、项目及零件E-R图供应商项目供应Pnm零件供应量1.3.2实体-关系图用E-R图表示某工厂物资管理的概念模型供应商项目供应Pnm零件供应量仓库储存n职工工作领导nn111库存量1.3.2实体-关系图完整的E-R图供应商项目供应Pnm零件仓库储存n职工工作领导nn111供应量库存量项目号预算开工日期零件号名称职工号电话号码供应商号仓库号电话号码规格单价姓名年龄职称姓名地址账号面积1.3.2实体-关系图【练习】一个系有若干教师和学生，一门课程可由多位老师来上，每位老师可讲授多门课程，每个学生可选修若干课程，每门课程可由若干学生选修。系的属性：系名、系办公室地点、职工人数、学生人数学生的属性：学号、姓名、出生年月、系名、班号、宿舍号教师的属性：教师号、姓名、年龄、系名、来校时间课程的属性：课程号、课程名、教师号1.3.3常用数据模型常用的数据模型层次模型（HierarchicalModel）网状模型（NetworkModel）关系数据模型（RelationalModel）1.3.3常用数据模型层次模型(HierarchicalModel)用树型结构表示实体和实体间联系的数据模型称为层次模型。基本特点：有且只有一个结点没有父结点，这个结点称为根结点。根以外的其他结点有且只有一个父结点。上一层实体与下一层实体间联系是1:n。R1R3R2R4R51.3.3常用数据模型学校学校教学院系层次模型院系教研室学生教员1.3.3常用数据模型层次模型优点：模型简单；实体间的联系固定；提供了良好的完整性支持。缺点：现实世界中很多联系是非层次性的，不适合用层次模型表示；对插入和删除操作的限制比较多；查询子女结点必须通过父结点；由于结构严密，层次命令趋于程序化。1.3.3常用数据模型网状模型用网状表示实体和实体间的联系。数据结构允许一个以上的结点无父节点。一个结点可以有多于一个的父节点。R1R3R2R1R2R1R3R2R4R5(c)(b)(a)L1L2L1L2L1L2L3L5L41.3.3常用数据模型网状模型优点：能够更为直接地描述现实世界；具有良好的性能，存取效率较高。缺点：结构比较复杂，随着应用环境的扩大，数据结构将越来越复杂，不利于最终用户掌握。1.3.3常用数据模型关系模型用二维表来表示实体和实体间联系的数据模型称为关系模型。SnoSnameSsexSageSdept95001李勇男20CS95002刘晨女19IS95003王名女18MA95004张立男19IS

关系学生登记表1.3.3常用数据模型关系模型优点建立在关系代数的基础上，具有坚实的理论基础。可以表示实体间一对多的联系，也可以方便地表示多对多的联系。数据结构单一，使用方便。缺点数据联系是靠数据冗余实现。1.3.4关系数据结构1.二维表关系一个关系对应通常说的是一张二维表。元组表中的一行即为一个元组。例如，学生登记表中的一行(95001李勇男20CS)属性表中的一列即为一个属性，给每个属性起的一个名称即为属性名。属性通常被叫做字段。

例如，上表中有五列，对应五个属性（学号，姓名，性别，年龄，所在系）1.3.4关系数据结构域属性的取值范围。

例如，属性“年龄”的域是（0～150），“性别”的域是（男，女）。码（关键字）表中的某个属性（组），它可以唯一确定一个元组，则这个属性（组）就成为该关系的关键字。

例如，上表中的“学号”，可以唯一确定一个学生。主码（主键）表可能有多个候选码，在应用中需选用其中一个，则被选出的候选码称为主码。例如系（系号，系名，系主任，所在办公楼）1.3.4关系数据结构主属性候选码中的诸属性称为主属性分量元组中的一个属性值。

例如，元组(95001李勇男20CS)中的“李勇”、“男”、“20”等。关系模式关系模式是对关系的描述，一般表示为：

关系名（属性1，属性2，…属性n）例如：学生（学号，姓名，性别，年龄，所在系）课程（课程号，课程名，学分）选修（学号，课程号，成绩）1.3.4关系数据结构2.关系的性质同一属性(列)的数据具有同质性。同一关系的属性(列)具有不能重复性(不同名)。关系中属性(列)的顺序可以任意交换。关系中任意两个元组不能完全相同。关系中元组的顺序可以任意交换。每一个分量必须是不可分的数据项。1.3.4关系数据结构同一属性(列)的数据具有同质性。SnoSnameSsexSageSdept95001李勇男20CS95002刘晨女19IS95003王名女18MA95004张