2022年数据库概论东华大学

第01章

数据库概论1.1数据管理技术的发展1、人工管理阶段2、文件系统阶段3、数据库阶段4、高级数据库阶段1.1.1人工管理阶段人工管理阶段的数据管理有下列特点：计算机主要用于科学计算，而不用于保存数据。没有专用的软件对数据进行管理。只有程序（program）的概念，没有文件（file）的概念。数据的组织方式必须由程序员自行设计与安排。数据面向程序。即一组数据对应一个程序。1.1.2文件系统阶段（一）文件系统阶段的数据管理有以下特点：数据以“文件”形式可长期保存在外部存储器的磁盘上。数据的逻辑结构与物理结构有了区别，但比较简单。文件组织已多样化。有索引文件、链接文件和直接存取文件等。数据不再属于某个特定的程序，可以重复使用，即数据面向应用。对数据的操作以记录为单位。1.1.2文件系统阶段（二）随着数据管理规模的扩大，数据量急剧增加，文件系统显露出三个缺陷：数据冗余（redundancy）数据不一致（inconsistency）数据联系弱（poordatarelationship）1.1.3数据库阶段（一）数据管理技术进入数据库阶段的标志是20世纪60年代末的三件大事：1968年美国IBM公司推出层次模型的IMS系统。1969年美国CODASYL组织发布了DBTG报告，总结了当时各式各样的数据库，提出网状模型。1970年美国IBM公司的E.F.Codd

连续发表论文，提出关系模型，奠定了关系数据库的理论基础。1.1.3数据库阶段（二）数据库阶段的数据管理具有以下特点：采用数据模型表示复杂的数据结构。有较高的数据独立性。数据库系统为用户提供了方便的用户接口。数据库系统提供以下四方面的数据控制功能：数据库的并发控制，数据库的恢复，数据的完整性和数据安全性。增加了系统的灵活性1.1.3数据库阶段（四）应用程序n应用程序1…数据库管理系统DBMS数据库图1.3程序和数据间的联系

输入程序输出图1.4(a)文件系统阶段信息处理的传统方式实体集E1实体集E2只有程序（program）的概念，没有文件（file）的概念。数据库语言分成DDL和DML两类。1概念设计中的数据描述数据库系统是在文件系统的基础上发展而成的，同时又克服了文件系统的三个缺陷：数据的冗余、不一致性和联系弱。2、物理存储中的数据描述2、DBMS的查询处理器－有四个主要成分：DDL编译器，DML编译器，嵌入式DML的预编译器及查询运行核心程序。1、“交互式SQL”直接使用数据库；1970年美国IBM公司的E.2数据库系统的结构随着数据管理规模的扩大，数据量急剧增加，文件系统显露出三个缺陷：数据模型分成概念模型和结构模型两大类。实体集E1实体集E2接受应用程序的数据请求和处理请求1DBMS的工作模式（一）1.1.3数据库阶段（五）图1.4(b)数据库阶段信息处理方式的演变

要求报表查询处理程序报表生成程序数据库应用程序应用程序输入输出输入输出联机终端1.1.4高级数据库技术阶段（一）1、分布式数据库系统2、对象数据库系统3、网络数据库系统4、新决策支持系统1.1.4高级数据库技术阶段（二）分布式数据库系统主要有下面三个特点数据库的数据物理上分布在各个场地，但逻辑上是一个整体。每个场地既可以执行局部应用（访问本地DB），也可以执行全局应用（访问异地DB）。各地的计算机由数据通信网络相联系。本地计算机单独不能胜任的处理任务，可以通过通信网络取得其它DB和计算机的支持。1.1.4高级数据库技术阶段（三）分布式数据库系统全局终端数据库局部处理机局部处理机局部终端局部终端数据库数据库通信网1.1.4高级数据库技术阶段（四）对象数据库系统主要有以下两个特点对象数据模型能完整地描述现实世界地数据结构，能表达数据间嵌套、递归的联系。具有面向对象技术的封装性（把数据与操作定义在一起）和继承性（继承数据结构和操作）的特点，提高了软件的可重用性。网络数据库系统新决策支持系统(DSS<DW、OLAP、DM>)1.1.5数据库技术的基本术语（一）定义1.1数据库（Database，简记为DB） DB是长期存储在计算机内、有组织的、统一管理的相关数据的集合。DB能为各种用户共享，具有较小冗余度、数据间联系紧密而又有较高的数据独立性等特点。1.1.5数据库技术的基本术语（二）定义1.2数据库管理系统(DatabaseManagementSystem，简记为DBMS)DBMS是位于用户与操作系统(OS)之间的一层数据管理软件，它为用户或应用程序提供访问DB的方法，包括DB的建立、查询、更新及各种数据控制。DBMS总是基于某种数据模型，可以分为层次型、网状型、关系型和面向对象型等。DBMSOS用户图1.5系统层次图1.1.5数据库技术的基本术语（三）定义1.3数据库系统(DatabaseSystem，简记为DBS) 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，即它是采用数据库技术的计算机系统。定义1.4数据库技术是研究数据库的结构、存储、设计、管理和使用的一门软件学科。1.2数据描述 在数据处理中，数据描述将涉及到不同的范畴。从事物的特性到计算机中的具体表示，实际上经历了三个阶段——概念设计中的数据描述、

逻辑设计中的数据描述、

物理存储介质中的数据描述。本节先介绍这三个阶段的数据描述，再介绍数据之间联系如何描述。1.2.1概念设计中的数据描述实体(entity)：客观存在，可以相互区别的事物称为实体。实体集(entityset)：性质相同的同类实体的集合，称为实体集。属性(attribute)：实体有很多特性，每一个特性称为属性。每一个属性有一个值域，其类型可以是整数型、实数型、字符串型等。实体标识符(identifier)：能惟一标识实体的属性或属性集，称为实体标识符。有时也称为关键码(key)，或简称为键。1.2.2逻辑设计中的数据描述（一）字段(field)：标记实体属性的命名单位称为字段，或数据项。它是可以命名的最小信息单位，所以又称为数据元素或初等项。记录(record)：字段的有序集合称为记录。文件(file)：同一类记录的集合称为文件。关键码(key)：能惟一标识文件中每个记录的字段或字段集，称为记录的关键码（简称为键）。1.2.2逻辑设计中的数据描述（二）术语的对应关系概念设计逻辑设计实体………记录属性………字段（数据项）实体集………文件实体标识符………关键码1.2.3存储介质层次及数据描述1、物理存储介质层次－目前流行的是磁盘存储器2、物理存储中的数据描述(1)位(bit，比特)：一个二进制位称为“位”。一位只能取0或1两个状态。(2)字节(byte)：8个比特称为一个字节，可以存放一个字符所对应的ASCII码。(3)字(word)：若干个字节组成一个字。一个字所含的二进制位的位数称为字长。1.2.3存储介质层次及数据描述(4)块(block)：又称为物理块或物理记录。块是内存和外存交换信息的最小单位，每块的大小，通常为210~214字节。(5)桶(bucket)：外存的逻辑单位，一个桶可以包含一个物理块或多个在空间上不一定连续的物理块。(6)卷(volume)：一个输入输出设备所能装载的全部有用信息，称为“卷”。1.2.4数据联系的描述（一）定义1.5联系（relationship）是实体之间的相互关系。与一个联系有关的实体集个数，称为联系的元数。定义1.6二元联系有以下三种类型：一对一联系：如果实体集E1中每个实体至多和实体集E2中的一个实体有联系，反之亦然，那么实体集E1和E2的联系称为“一对一联系”，记为“1:1”。1.2.4数据联系的描述（二）一对多联系：如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意个（零个或多个）实体间有联系，而E2中每个实体至多和E1中一个实体有联系，那么称E1对E2的联系是“一对多联系”，记为“1:N”。多对多联系：如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联系，反之亦然，那么称E1和E2的联系是“多对多联系”，记为“M:N”。1.2.4数据联系的描述（三）例1.2实体集E1实体集E2座位E1乘客E2图1.7一对一联系(1:1)实体集E1实体集E2E1E2车间工人图1.8一对多联系(1:n)实体集E1实体集E2E1E2学生课程图1.9多对多联系(m:n)1.2.4数据联系的描述（四）例1.3飞机驾驶员1PN航行班次图1.10三元联系MN图1.11一元联系零件1.3数据抽象的级别1.3.1数据抽象的过程数据模型的简单定义:能表示实体类型及实体间联系的模型称为“数据模型”。根据数据抽象的级别定义了4种模型：

概念数据模型－表达用户需求观点的DB全局逻辑结构的模型；

逻辑数据模型－表达计算机实现观点的DB全局逻辑结构的模型；1.3.1数据抽象的过程

外部数据模型－表达用户使用观点的DB局部逻辑结构的模型；

内部数据模型－表达DB物理结构的模型；数据抽象的过程，即数据库设计的过程： 概念设计－概念模型 逻辑设计－逻辑模型、外部模型 物理设计－内部模型1.3.2概念模型（一）目前采用的概念模型主要是实体联系(EntityRelationship,ER)模型。定义，ER图有三个基本成分：矩形框，用于表示实体类型（考虑问题的对象）。菱形框，用于表示联系类型（实体间联系）。椭圆形框，用于表示实体类型和联系类型的属性。在ER图中属于关键码的属性名下画一条横线。1.3.2概念模型－实体联系模型(二)例1.4首先确定实体类型。本问题有三个实体类型：学生STUDENT，课程COURSE，教师TEACHER。确定联系类型。学生与课程之间是M:N联系，教师与课程之间是1:N联系，分别命名为SC和TC.把实体类型和联系类型组合成ER图。确定实体类型和联系类型的属性。确定实体类型的键，在关键码的下面画一条横线。1.3.2概念模型－实体联系模型(三)

SC

TC

COURSETEACHER

MMNNSTUDENT图1.13ER图实例1.3.3逻辑模型逻辑数据模型主要有：1、层次模型(hierarchicalmodel)－用树型（层次）结构表示实体类型及实体间联系的数据模型；2、网状模型(networkmodel)－用有向图结构表示实体类型及实体间联系的数据模型；3、关系模型(relationalmodel)－用二维表格表达实体集；4、对象模型(objectmodel)－用类模拟实体，用关联模拟联系；1.3.3逻辑模型－关系模型（二）关系模型（relationalmodel）的主要特征是用二维表格表达实体集。关系模型是由若干个关系模式组成的集合。关系模式相当于前面提到的记录类型，它的实例称为关系，每个关系实际上是一张二维表格。1.3.3逻辑模型－关系模型（三）例1.7从ER图到关系模型的转换方法：把ER图中的实体类型和M:N的联系分别转换成模式；TEACHER模式 (T#，TNAME，TITLE)COURSE模式(C#，CNAME，T#)STUDENT模式 (S#，SNAME，AGE，SEX)SC模式 (S#，C#，SCORE)图1.16关系模型的例子联系类型的关系模式：由与之关联的实体类型的键和本身的属性组成1.3.3逻辑模型－关系模型（三）T#TNAMETITLET2SHI教授T3LI副教授T1DAI讲师T4GU讲师C#CNAMET#C1CT2C2DBT3C3OST3C4C++T2TEACHER关系COURSE关系1.3.3逻辑模型－关系模型（四）S#SNAMEAGESEXS1WANG20MS4LIU18FS2HU17MS3XIA19FS#C#SCORES1C180S1C260S1C370S4C490S2C185S2C275STUDENT关系SC关系1.3.3逻辑模型－四种模型比较层次模型网状模型关系模型面向对象模型创始1968年IBM公司的IMS系统1969年CODASYL的DBTG报告(71年通过)1970年F.Codd提出关系模型20世纪80年代数据结构复杂（树结构）复杂（有向图结构）简单（二维表）复杂（嵌套递归）数据联系通过指针通过指针通过表间的公共属性通过对象标识查询语言过程性语言过程性语言非过程性语言面向对象语言典型产品IMSIDS/ⅡIMAGE/3000IDMSTOTALOracleSybaseDB2SQLServerInformixONTOSDB盛行期20世纪70年代70年代至80年代中期80年代至现在90年代至现在1.3.4外部模型外部模型中的模式称为“视图(view)”，视图只是一个定义，其中的数据从逻辑模型的数据库中得到。在实际使用中，根据不同的业务需求，设计不同的外部模型。如学生视图、教师视图等。1.3.5内部模型内部模型又称为物理模型，描述数据的存储方式、存取设备、存取方法等。关系模型以逻辑级为目标，不必考虑内部级的设计细节。1.3.6高度的数据独立性

－－数据库的三级体系结构数据模型用DDL描述的称呼外模型外模式是用户与数据库系统的接口，是用户用到的那部分数据的描述概念模型(概念)模式全部数据的整体逻辑结构的描述内模型内模式是数据库在物理存储方面的描述，定义记录类型、索引和文件的组织方式，以及数据控制方面的细节1.3.6高度的数据独立性定义1.8数据独立性（dataindependence）是指应用程序和数据库的数据结构之间相互独立，不受影响。数据独立性分成物理数据独立性和逻辑数据独立性两个级别。对内模式的修改尽量不影响逻辑模式对逻辑模式的修改尽量不影响外模式和应用程序1.3.6体系结构中的五个要素定义模式／逻辑内模式映象存在于概念级和内部级之间，用于定义概念模式和内模式之间的对应性。定义外模式／逻辑模式映象存在于外部级和概念级之间，用于定义外模式和概念模式之间的对应性。1.4数据库管理系统1.4.1DBMS的工作模式（一）应用程序DBMSDB数据请求低层指令数据（处理结果）数据（查询结果）图1.19DBMS的工作模式1.4.1DBMS的工作模式（一）接受应用程序的数据请求和处理请求将用户的数据请求（高级指令）转换成复杂的机器代码（低层指令）实现对数据库的操作从对数据库的操作中接受查询结果对查询结果进行处理（格式转换）将处理结果返回给用户1.4.1DBMS的工作模式（二）应用程序DB的系统缓冲区外模式模式内模式DBDBMS数据字典OS图1.20用户访问数据的过程1.4.2DBMS的主要功能数据库的定义功能－DDL；数据库的操纵功能－DML；数据库的保护功能－数据库的恢复、并发控制、完整性控制、安全性控制；数据库的维护功能－数据载入、转换、转储、数据库改组、性能监控等；数据字典－存放三级结构定义的数据库；1.5数据库系统1.5.1DBS的组成（一）DBS是采用了数据库技术的计算机系统。DBS是一个实际可运行的，按照数据库方法存储、维护和向应用系统提供数据支持的系统，它是数据库、硬件、软件和数据库管理员的集合体。1、数据库(DB)是与一个企业组织各项应用有关的全部数据的集合。1.5.1DBS的组成（二）2、硬件－CPU、内存、外存、I/O设备等；3、软件－DBMS、OS