第1章-数据库基础概述

第1章

数据库基础概述主编：潘惠勇

夏敏捷数据库技术及应用（Access2016）1教学目标了解数据管理的相关概念和含义、数据模型的主要类型与数据库的关系。熟悉数据、数据库及数据库管理系统的含义和数据库设计的原则、步骤及过程。掌握关系数据库及相关的概念、关系运算和关系的完整性。第1章数据库基础概述2第1章数据库基础概述1.1数据库基本概念1.2关系数据库1.3数据库设计基础第1章数据库基础概述31.1数据库基本概念1.1.1计算机数据管理的发展1.1.2数据库系统1.1.3数据模型第1章数据库基础概述4数据管理基本概念1．数据和信息数据是指描述事物的符号记录。数据不仅仅是指传统意义的由0～9组成的数字，而是所有可以输入到计算机中并能被计算机处理的符号的总称。信息是指以数据为载体的对客观世界实际存在的事物、事件和概念的抽象反映。数据和信息是两个互相联系、互相依赖但又互相区别的概念。数据是用来记录信息的可识别的符号，是信息的具体表现形式。数据是信息的符号表示或载体，信息则是数据的内涵，是对数据的语义解释。只有经过提炼和抽象之后，具有使用价值的数据才能成为信息。第1章数据库基础概述5数据管理基本概念2．数据处理和数据管理将数据转换成信息的过程称为数据处理。数据处理是指对信息进行收集、整理、存储、加工及传播等一系列活动的总和。数据的组织、存储、检查和维护等工作是数据处理的基本环节，这些工作一般统称为数据管理。数据处理的核心是数据管理。数据处理与数据管理是相互联系的，数据管理技术的优劣，将直接影响数据处理的效率。第1章数据库基础概述6计算机数据管理的发展计算机在数据管理方面经历了从低级到高级的发展过程，到目前为止，数据管理大致经历了以下3个阶段。人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段第1章数据库基础概述7计算机数据管理的发展-

人工管理阶段这一阶段（20世纪50年代中期以前），数据管理具有以下几个特点。①数据不保存。②没有专用的软件对数据进行管理。

③数据不具有独立性。④数据是面向程序的。第1章数据库基础概述8计算机数据管理的发展-

文件系统阶段在这一阶段（20世纪50年代后期到60年代中期），数据管理具有以下几个特点。①数据以“文件”形式可长期保存在外部存储器的磁盘上。②文件组织已多样化。③数据与程序间有一定的独立性。④对数据的操作以记录为单位。缺点主要表现在以下几个方面。①数据冗余度大。②数据独立性低。③数据一致性差。第1章数据库基础概述9计算机数据管理的发展-

数据库系统阶段数据管理技术进入数据库阶段是在20世纪60年代末，这时期数据管理的特点有以下几方面。①数据共享性高、冗余度低。②数据结构化。③数据独立性高。④有统一的数据控制功能。

数据的安全性控制。

数据的完整性控制。

并发控制。

数据恢复。第1章数据库基础概述10数据库系统的新技术随着科学技术和数据库系统的发展，从20世纪80年代开始数据库研究又出现了许多新的领域，相继研究出了分布式数据库系统、面向对象数据库系统和网络数据库系统。第1章数据库基础概述11数据库系统数据库系统（DataBaseSystem，DBS）是指引进数据库技术后的计算机系统，主要包括相应的数据库、数据库管理系统、数据库应用系统、计算机硬件系统、软件系统和用户。数据库（DataBase）的定义，一般认为数据库是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的数据集合。第1章数据库基础概述12数据库管理系统数据库管理系统（DBMS）位于用户与操作系统之间，是可借助操作系统完成对硬件的访问，并负责数据库存取、维护和管理的系统软件。它是数据库系统的核心组成部分，用户在数据库中的一切操作，包括定义、查询、更新以及各种控制都是通过DBMS进行的。DBMS的基本功能如下。①数据定义功能。②数据操纵功能。③数据库的运行管理。④数据库的建立和维护功能。⑤数据通信。第1章数据库基础概述13数据库系统数据库应用系统（DBAS）是指利用数据库系统资源开发的面向实际应用的软件系统。一个数据库应用系统通常由数据库和应用程序组成。它们都是在数据库管理系统支持下设计和开发出来的。用户是指使用和管理数据库的人，他们可以对数据库进行存储、维护和检索等操作。①终端用户。②应用程序员。③数据库管理员。第1章数据库基础概述14数据模型-概述模型是对现实世界特征的模拟和抽象，如一组建筑设计沙盘，一架精致的航模飞机等都是具体的模型。数据模型是模型的一种，它是现实世界数据特征的抽象。现实世界中的具体事务必须用数据模型这个工具来抽象和表示，计算机才能够处理。数据模型通常由数据结构、数据操作和数据约束3部分组成。第1章数据库基础概述15数据模型-分类根据模型应用的层次不同，可以将这些模型划分为3类。概念数据模型，也称概念模型或信息模型。是按用户的观点来对数据和信息建模，是用户和数据库设计人员之间进行交流的工具，这一类模型中最著名的就是实体关系模型。逻辑数据模型，也称数据模型。是一种面向数据库系统的模型，该模型着重于在数据库管理系统一级的实现。物理数据模型，也称物理模型。是一种面向计算机物理表示的模型，此模型给出了数据模型在计算机上物理结构的表示。第1章数据库基础概述16数据模型-相关概念建立数据模型需要掌握以下几个概念。（1）实体客观存在，并可相互区别的事物被称为实体（Entity）。实体可以是实实在在的客观存在，如学生、教师、商店、医院；也可以是一些抽象的概念或地理名词，如地震、北京市。（2）属性实体所具有的特征称为属性（Attribute）。实体本身并不能被装进数据库，要保存客观世界的信息，必须将描述事物外在特征的属性保存在数据库中。属性的差异能使我们区分同类实体，如一个人可以具备姓名、年龄、性别、身高、肤色、发型、衣着等属性，根据这些属性可以在熙熙攘攘的人群中一眼认出所熟悉的人。第1章数据库基础概述17数据模型-相关概念（3）实体集和实体型具有共性的实体组成的一个集合称为实体集（EntitySet）。一个实体所有属性的集合称为实体型。例如，要管理学生信息，可以存储每一位学生的学号、姓名、性别、出生年月、出生地、家庭住址、各科成绩等，其中学号是人为添加的一个属性，用于区分两个或多个因巧合而属性完全相同的学生。在数据库理论中，这些具有相同属性的学生的集合就是一个实体集，这些学生所具有的所有的属性就是一个实体型，在数据库应用中，实体集以数据表的形式呈现，实体型是以字段名称的形式呈现的。（4）联系客观事物往往不是孤立存在的，相关事物之间保持着各种形式的联系方式。在数据库理论中，实体（集）之间同样也保持着联系，这些联系同时也制约着实体属性的取值方式与范围。这种实体集之间的对应关系称为联系。实体的联系方式通常有3种，即一对多、多对多和一对一。第1章数据库基础概述18数据模型-常用模型数据库领域常用的数据模型经常是按照数据的组织形式划分为层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型4种。第1章数据库基础概述19层次模型在层次模型中，实体间的关系形同一棵根在上的倒挂树，上一层实体与下一层实体间的联系形式为一对多。现实世界中的组织机构设置、行政区划关系等都是层次结构应用的实例。基于层次模型的数据库系统存在天生的缺陷，它访问过程复杂，软件设计的工作量较大，现已较少使用。层次模型具有以下特点。①有且仅有一个结点无父结点，它位于最高层次，称为根结点。②根结点以外的其他结点有且仅有一个父结点，第1章数据库基础概述20第1章数据库基础概述21网状模型网状模型也称网络模型，它较容易实现普遍存在的“多对多”关系，数据存取方式要优于层次模型，但网状结构过于复杂，难以实现数据结构的独立，即数据结构的描述保存在程序中，改变结构就要改变程序，因此目前已不再是流行的数据模型。网状模型具有以下特点。①允许一个以上的结点无双亲结点。②一个结点可以有多于一个双亲结点第1章数据库基础概述22关系模型关系模型是以二维表的形式表示实体和实体之间联系的数据模型，即关系模型数据库中的数据均以表格的形式存在，其中表完全是一个逻辑结构，用户和程序员不必了解一个表的物理细节和存储方式；表的结构由数据库管理系统（DBMS）自动管理，表结构的改变一般不涉及应用程序，在数据库技术中称为数据独立性。关系模型具有以下特点。①每一列中的值具有相同的数据类型。②列的顺序可以是任意的。③行的顺序可以是任意的。④表中的值是不可分割的最小数据项。⑤表中的任意两行不能完全相同。第1章数据库基础概述23面向对象模型面向对象模型是一种新兴的数据模型，它采用面向对象的方法来设计数据库。面向对象模型的数据库存储对象是以对象为单位，每个对象包含对象的属性和方法，具有类和继承等特点。ComputerAssociates的Jasmine就是面向对象模型的数据库系统。第1章数据库基础概述241.2关系数据库1.2.1关系数据模型1.2.2关系运算1.2.3关系的完整性第1章数据库基础概述25关系数据模型关系数据库是当今主流的数据库管理系统，关系模型对用户来说很简单，一个关系就是一个二维表。这种用二维表的形式表示实体和实体间联系的数据模型称为关系模型。第1章数据库基础概述26关系数据模型-关系术语（1）关系一个关系就是一个二维表，每个关系有一个关系名称。对关系的描述称为关系模式，一个关系模式对应一个关系的结构。其表示格式如下：关系名（属性名1，属性名2，…，属性名n）在Access中则表示如下：表名（字段名1，字段名2，…，字段名n）在表示概念模型的E-R图转换为关系模型时，实体和实体之间的联系都要转换为一个关系，即一张二维表。（2）元组在一个关系（二维表）中，每行为一个元组。一个关系可以包含若干个元组，但不允许有完全相同的元组。在Access中，一个元组称为一个记录。（3）属性关系中的列称为属性。每一列都有一个属性名，在同一个关系中不允许有重复的属性名。在Access中，属性称为字段，一个记录可以包含多个字段。第1章数据库基础概述27关系数据模型-关系术语（4）域域指属性的取值范围，如班级表的班级人数字段为2位数字，院系号字段为41开头的4位数字。（5）关键字关键字简称键，由一个或多个属性组成，用于唯一标识一个记录。例如，班级表中的“班级名称”字段可以区别表中的各个记录，所以“班级名称”字段可作为关键字使用。一个关系中可能存在多个关键字，用于标识记录的关键字称为主关键字。在Access中，关键字由一个或多个字段组成。表中的主关键字或候选关键字都可以唯一标识一个记录。（6）外部关键字如果关系中的一个属性不是关系的主关键字，但它是另外一个关系的主关键字或候选关键字，则该属性称为外部关键字，也称为外键。关系模型就是一个二维表，关系必须规范化，所谓规范化是指一个关系的每个属性必须是不可再分的，即不允许有分量。在图1.12所示的表格中，工资又分为基本和绩效两项。这是一个复合表，不是二维表，因而不能用于表示关系。第1章数据库基础概述28实际关系模型在“学籍管理”数据库中“学生”、“成绩”、“课程”表之间的关系如图1.13所示。“学生”表和“成绩”表通过相同的字段“xh”（学号）相联系，“成绩”表和“课程”表通过相同的字段“kch”（课程号）相联系，构建了3个表的关系模型。该数据库中的3个表如图1.14所示，由3个表相联系得到的一个“学生成绩”查询如图1.15所示。图1.13学生-成绩-课程关系模型第1章数据库基础概述29图1.143个数据表

图1.15“学生成绩”查询第1章数据库基础概述30关系运算1．传统的集合运算传统的集合运算要求两个关系的结构相同，执行集合运算后，得到一个结构相同的新关系。对于任意关系R和关系S，它们具有相同的结构即关系模式相同，而且相应的属性取自同一个域。那么，传统的集合运算定义如下。（1）并R并S，R或S两者中所有元组的集合。一个元组在并集中只出现一次，即使它在R和S中都存在。例如，把学生关系R和S分别存放两个班的学生，把一个班的学生记录追加到另一个班的学生记录后边，就是进行的并运算。（2）交R交S，R和S中共有的元组的集合。例如，有参加计算机兴趣小组的学生关系R和参加象棋兴趣小组的学生关系S，求既参加计算机兴趣小组又参加象棋兴趣小组的学生，就要进行交运算。（3）差R差S，在R中而不在S中的元组的集合。注意R差S不同于S差R，后者是在S中而不在R中的元素的集合。例如，有参加计算机兴趣小组的学生关系R和参加象棋兴趣小组的学生关系S，求参加了计算机兴趣小组但没有参加象棋兴趣小组的学生，就要进行差运算。第1章数据库基础概述31关系运算2．专门的关系运算（1）选择从关系中找出满足条件元组的操作称为选择。选择是从行的角度进行运算的，在二维表中抽出满足条件的行。例如，在学生成绩的关系1中找出“一班”的学生成绩，并生成新的关系2，就应当进行选择运算。（2）投影从关系中选取若干个属性构成新关系的操作称为投影。投影是从列的角度进行运算的，选择某些列的同时丢弃了某些列。例如，在学生成绩的关系1中去除掉成绩列，并生成新的关系2，就应当进行投影运算。（3）连接连接指将多个关系的属性组合构成一个新的关系。连接是关系的横向结合，生成的新关系中包含满足条件的元组。例如，关系1和关系2进行连接运算，得到关系3，如图1.18所示。在连接运算中，按字段值相等执行的连接称为等值连接，去掉重复值的等值连接称为自然连接，如图1.19所示。自然连接是一种特殊的等值连接，是构造新关系的有效方法。第1章数据库基础概述32关系的完整性关系完整性指关系数据库中数据的正确性和可靠性，关系数据库管理系统的一个重要功能就是保证关系的完整性。关系完整性包括实体完整性、值域完整性、参照完整性和用户自定义完整性。1．实体完整性实体完整性指数据表中记录的唯一性，即同一个表中不允许出现重复的记录。设置数据表的关键字可便于保证数据的实体完整性。例如，学生表中的“学号”字段作为关键字，就可以保证实体完整性，若编辑“学号”字段时出现相同的学号，数据库管理系统就会提示用户，并拒绝修改字段。第1章数据库基础概述33关系的完整性2．值域完整性值域完整性指数据表中记录的每个字段的值应在允许范围内。例如，可规定“学号”字段必须由数字组成。3．参照完整性参照完整性指相关数据表中的数据必须保持一致。例如，学生表中的“学号”字段和成绩表中的“学号”字段应保持一致。若修改了学生表中的“学号”字段，则应同时修改成绩记录表中的“学号”字段，否则会导致参照完整性错误。4．用户自定义完整性用户自定义完整性指用户根据实际需要而定义的数据完整性。例如，可规定“性别”字段值为“男”或“女”，“成绩”字段值必须是0～100范围内的整数。第1章数据库基础概述341.3数据库设计基础1.3.1数据库设计原则1.3.2数据库设计步骤1.3.3数据库设计过程第1章数据库基础概述35数据库设计原则为了合理组织数据，应遵从以下基本设计原则。1．关系数据库的设计应遵从概念单一化“一事一地”的原则2．避免在表之间出现重复字段3．表中的字段必须是原始数据和基本数据元素4．用外部关键字保证有关联的表之间的联系第1章数据库基础概述36数据库设计步骤数据库设计的一般步骤数据库设计目前一般采用生命周期法，即将整个数据库应用系统的开发分解成目标独立的若干阶段，它们是需求分析阶段、概念结构设计阶段、逻辑结构设计阶段、数据库物理设计阶段、数据库实施阶段、数据库运行和维护