数据库技术及应用第1章 概述

1.1.1数据处理和数据管理1、信息与数据信息（Information）是人们关心的事情的消息。传播信息的媒介称为载体。这种反映信息内容，并可被接收者识别的符号（即载体）称为数据（Data）。数据不限于数字，文字、图形、图像、音频、视频等都是数据各种不同的形式，它们都可以经过数字化后存入计算机。

数据是信息的具体表现形式，是信息的载体，而信息是数据的内涵，是对数据语义的解释。

1.1.1数据处理和数据管理2、数据处理与数据管理信息可存储、可传播、可加工。信息的可加工性为人类利用信息认识与改造客观世界与主观世界开辟了广阔的前景。信息的收集、管理、加工、传播等一系列活动的总和称为信息处理或数据处理。数据管理是指对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，这部分操作是数据处理的基本环节，而且是任何数据处理业务中必不可少的共有部分，是数据处理的中心问题。

1.1.2数据管理技术的发展

1、人工管理阶段

20世纪50年代中期以前，这时的计算机主要用于科学计算。

外部存储器只有纸带、磁带和卡片，没有磁盘等直接存储设备。软件还只有汇编语言，没有操作系统，更没有专门管理数据的软件。数据不长期保存。一组原始数据只对应一个程序（即某个计算任务），故数据是面向应用的。造成以下两个问题：(1)数据不具有共享性。(2)数据需要由应用程序自己来管理，因此程序与数据之间不具有独立性。

1.1.2数据管理技术的发展

2、文件系统阶段

20世纪50年代后期～60年代中期，这时计算机不仅用于科学计算，还用于数据管理。外部存储器已经有了磁盘、磁鼓等直接存储设备。软件领域出现了高级语言和操作系统，操作系统中的文件系统是专门管理外存的数据管理软件。

有以下三个问题：(1)数据共享性差，冗余度大。文件系统学生选课管理程序学生选课课程成绩

报表学生借书管理程序图书数据借书记录

报表学生医疗管理程序学生病历医生处方

报表数据文件应用程序用户

1.1.2数据管理技术的发展

2、文件系统阶段(2)程序与数据之间的独立性不高。(3)数据缺乏统一的管理和控制。第一，数据的安全性（Security）不能得到有效的保护。第二，数据的完整性（Integrity）不能得到有效的检查。第三，并发操作（Concurrency）不能得到有效的控制。第四，数据遭受破坏后不能得到有效的恢复（Recovery）。

1.1.2数据管理技术的发展

3、数据库系统阶段20世纪60年代后期，计算机已经大量地应用于管理。硬件出现了大容量硬盘，且价格下降。软件价格上升，编写和维护软件所需的成本相对增加。三件大事标志着数据库技术的诞生：(1)1968年美国IBM公司推出的层次模型的IMS系统。(2)1969年美国数据系统语言研究会下属的数据库任务组公布了关于网状模型的DBTG报告。(3)1970年IBM公司研究员E.F.Codd发表了题为“ARelationalModelofDataforSharedDataBanks”的论文，提出了关系模型。

1.1.3数据库技术的特点和展望

1、数据库技术的特点

(1)数据整体结构化，数据的共享性高，冗余度小整体数据的结构化是数据库的主要特征之一，是数据库系统与文件系统的根本区别。整体结构化：不再仅仅针对某一个应用，是面向全组织。不仅数据内部结构化，整体是结构化的，数据之间有联系。学生选课管理程序

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报表数据库应用程序用户DBMS

1.1.3数据库技术的特点和展望

1、数据库技术的特点

(1)数据整体结构化，数据的共享性高，冗余度小数据库中的数据实现了整体结构化，这就要求在描述数据时不仅要描述数据本身，还要描述数据之间的联系。数据库系统从整体角度看待和描述数据，数据面向整个系统，可以被多个用户、多个应用共享使用。数据共享的好处减少数据冗余，节约存储空间避免数据之间的不相容性与不一致性使系统易于扩充(2)程序与数据之间的独立性高(3)数据得到统一管理和控制

1.1.3数据库技术的特点和展望

2、数据库技术展望数据库技术的研究与发展主要有以下三个方面：(1)研究能表达更加复杂数据结构和有更强语义表达能力的数据模型。(2)在传统数据库技术基础上，结合各个应用领域的特点，研究适合该应用领域的数据库技术。如数据仓库、工程数据库、统计数据库、空间数据库、科学数据库等。(3)数据库技术与其它计算机技术相互渗透、相互结合。另外，事务型处理（OLTP，为特定应用服务）

分析型处理（为决策分析服务）决策分析服务：数据仓库+联机分析处理（OLAP）+数据挖掘

1.1.3数据库技术的特点和展望

2、数据库技术展望进入21世纪后，随着互联网和云计算的迅速发展，人类迎来了“大数据”时代。

NoSQL技术以解决互联网大数据应用为主的非关系型分布式数据管理技术，它淡化关系型数据库的数据模型和完整性要求，更注重高并发交互的响应和大数据的存储问题。

NoSQL数据库一般可分为：键值(Redis)、文档(MongoDB)、列族(HBase)、图(Neo4j)等存储模式。

NewSQL是结合传统关系型数据库和NoSQL数据库技术的优点，旨在解决大数据环境下的数据存储和处理，典型产品有PostgreSQL。目前SQLServer也已经支持文档和图两类存储模式。人工智能关键技术的突破，又催生了“智能数据”技术的发展。

1.2.1数据库数据库系统（DBS）是实现有组织地、动态地存储大量关联数据、方便多用户访问的计算机硬件、软件和数据资源组成的系统，即它是引入了数据库技术后的计算机系统。当然，这个计算机系统还要有专门的人员来管理，这些人被称为数据库管理员。

数据库是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织和存储、有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可被各种用户共享。数据库系统对硬件提出了较高的要求，这些要求包括：①有足够大的磁盘存放数据库；②有足够大的内存存放数据以及作为数据缓冲区；③有较高的通道能力以实现内外存之间快速的数据传送。

1.2.2数据库管理系统等软件

数据库系统中的软件主要有：①支持数据库管理系统运行的操作系统；②数据库管理系统；③具有数据库接口的高级语言及其开发工具，它们为开发应用程序提供高效、便捷的环境；④为特定应用而开发的数据库应用系统。数据库管理系统（DBMS）是软件系统中的核心，它是位于用户与操作系统之间的一层专门负责数据管理的软件，其用途是科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据，一般有六大功能：(1)数据定义功能(2)数据组织、存储和管理(3)数据操纵功能(4)数据库的运行管理和事务管理(5)数据库的建立和维护功能(6)其他功能

1.2.3数据库管理员数据库系统中的人员主要有：①数据库管理员；②系统分析员和数据库设计人员；③应用程序员；④最终用户。

数据库管理员（DBA）具体职责包括：(1)决定数据库中的信息内容和结构(2)决定数据库的存储结构和存取策略(3)定义数据的安全性要求和完整性约束条件

(4)监控数据库的使用和运行

(5)数据库的改进和重组

1.3.1模式的概念

数据库中的数据有型（Type）和值（Value）之分，型是对数据的结构和属性的说明，而值是型的一个具体实例。例如：学生记录的型为（学号，姓名，性别，年龄，专业），它的一个值可以是（‘12001’，‘王丽’，‘女’，20，‘数学’）。模式（Schema）是数据库中数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅涉及到型，不涉及到具体的值。模式的一个具体值称为实例（Instance）。

1.3.2三级模式结构

数据库的三级模式结构是对数据的三个抽象级别，它把数据的具体组织留给DBMS管理，使用户能逻辑地抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的具体表示方式和存储方式，不必考虑存取路径等细节，从而大大简化了应用程序的编制。

内模式模式外模式1外模式m应用程序1应用程序2应用程序n模式/内模式映像外模式/模式映像…………

1.3.2三级模式结构

在数据库的三级模式结构中，数据库的模式即全局逻辑结构是数据库的中心与关键，它独立于数据库的其他层次。因此设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式。数据库的内模式依赖于它的全局逻辑结构，但独立于数据库的用户视图，即外模式，也独立于具体的存储设备。它将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储策略进行组织，以达到较好的时间与空间效率。数据库的外模式面向具体的应用程序，它定义在逻辑模式之上，但独立于存储模式和存储设备。当应用需求发生较大变化，相应外模式不能满足其视图要求时，该外模式就得做相应改动，所以设计外模式时应充分考虑到应用的扩充性。

1.3.3二级映像和二级独立性

数据库为什么要采用三级模式结构呢？(1)模式是全体用户数据的最小并集，因此，设立模式这一级减少了数据的冗余，实现了数据的共享。(2)外模式是