01 数据库概论.ppt

1、第1章 数据库概论,王传栋 南京邮电大学计算机学院,Chd.Wang，E-Mail：C,2,内容提纲,1）4个概念 Data、DB、DBMS和DBS 2）数据管理技术的发展阶段 人工管理、文件系统、数据库和高级数据库阶段 3）数据描述 设计阶段（概念设计、逻辑设计和物理设计）中的数据描述 数据联系的描述 4）数据抽象级别 数据模型的定义 概念模型、逻辑模型、内部模型（物理模型）、外部模型 层次模型、网状模型、关系模型和对象模型,Chd.Wang，E-Mail：C,3,内容提纲,4）数据库的体系结构 体系结构的5个要素 数据独立性 逻辑独立性 物理独立性 5）DBMS DBMS的工作模式和主要功

2、能 6）DBS DBS的组成与DBA职责 DBS的全局结构 DBS结构的分类,Chd.Wang，E-Mail：C,4,引言,计算机应用的3个领域 科学计算 过程控制 数据处理（70%） 示例 成绩管理、学籍管理、磁卡售饭 火车订票、汽车订票、飞机订票 银行系统、移动计费 实质：软件 + 数据库,Chd.Wang，E-Mail：C,5,数据与数据处理,数据 是对事物描述的符号记录，它 描述事物中人们所感兴趣的特 征，它能被计算机识别、存储 和处理 信息 数据处理与管理 “数据处理”的真正含 义应该是为了产生信 息而处理数据,Chd.Wang，E-Mail：C,6,数据库的由来和发展,数据管理技术

3、的4个发展阶段,Chd.Wang，E-Mail：C,7,数据库的由来和发展,人工管理阶段 时间：20世纪50年代中期以前 计算机 主要用于科学计算 外部存储器：磁带、卡片和纸带等，无磁盘 软件：机器语言、汇编语言 数据处理方式：批处理 特点： 数据不保存在计算机内 没有专用的软件对数据进行管理 只有程序（program）概念，没有文件（file）概念 数据面向程序，即一组数据对应一个程序,Chd.Wang，E-Mail：C,8,数据库的由来和发展,文件系统阶段 时间：20世纪50年代后期至60年代中期 计算机 不仅用于科学计算，还用于信息管理 外部存储器 已有磁盘、磁鼓等直接存取存储设备 软件

4、 高级语言和操作系统（有：专门管理外存的文件系统） 数据处理方式 有批处理，也有联机实时处理,Chd.Wang，E-Mail：C,9,数据库的由来和发展,文件系统阶段 特点： 数据以“文件”形式长期保存在外存磁盘 数据的逻辑结构与物理结构有了区别，但比较简单 文件组织多样化 索引文件、链接文件和直接存取文件等 应用程序和数据分离，实现数据共享 对数据的操作以记录为单位 缺陷：数据量剧增 数据冗余（redundancy） 数据不一致（inconsistency） 数据联系弱（poor data relationship）,Chd.Wang，E-Mail：C,10,数据库的由来和发展,数据库阶段

5、时间：20世纪60年代末 计算机 软硬件迅速发展 标志： 1968年 IBM公司推出层次模型的IMS系统 1969年 CODASYL发布DBTG报告，提出网状模型 1970年 E.F.Codd提出关系模型，奠定关系DB理论基础,Chd.Wang，E-Mail：C,11,数据库的由来和发展,数据库阶段 特点 采用数据模型表示 复杂的数据结构 较高的数据独立性 提供方便的用户接口 提供数据控制功能 数据恢复：DB从错误状态恢复到正确状态 并发控制：控制和协调并发操作，防止出现错误数据 完整性：数据控制在有效的范围内 安全性：用户按指定方式操作指定数据，防止泄密和破坏 系统灵活性,Chd.Wang，

6、E-Mail：C,12,数据库的由来和发展,数据库阶段 数据库（Database，DB） 长期存储在计算机内、有组织、统一管理的相关数据集合 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 数据库管理系统（DBMS） 是位于用户与OS之间的一层数据管理软件 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 基于某种数据模型的 层次型、网状型、关系型和面向对象型等,Chd.Wang，E-Mail：C,13,数据库的由来和发展,数据库阶段 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

7、组成的系统 采用数据库技术的计算机系统 数据库技术（DBT）： 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,Chd.Wang，E-Mail：C,14,数据库的由来和发展,高级数据库阶段 标志 20世纪80年代的分布式数据库（DDBS） 20世纪90年代对象数据库（ODBS）、中间件（ODBC） 21世纪的Web数据库、XML数据库 现代信息集成技术（DW、OLAP、DM） 计算机 网络的迅速发展,Chd.Wang，E-Mail：C,15,数据库的由来和发展,高级数据库阶段 分布式数据库技术 物理分布、逻辑整体 局部应用、全局应用 通讯网（计算机既负责数据处理、又负责通讯） 对象数

8、据库（ODBS） 对象数据模型 封装性、继承性、可重用性 中间件（ODBC、JDBC） XML数据库 现代信息集成技术（DW、OLAP、DM）,Chd.Wang，E-Mail：C,16,数据描述,数据设计的3个阶段：概念设计、逻辑设计、物理设计,Chd.Wang，E-Mail：C,17,数据描述,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（entity set） 性质相同的同类实体的集合，称为实体集 属性（attribute） 实体的特性，每一个特性称为一个属性 属性有取值域，类型可以是整数型、实数型、字符串型等 实体标识符（identifier）

9、 也称为关键码（key），或简称为键 能惟一标识实体的属性或属性集,Chd.Wang，E-Mail：C,18,数据描述,逻辑设计中的数据描述 字段（field） 也称数据项、数据元素或初等项 标记实体属性的命名单位 可以命名的最小信息单位 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），简称为键 能惟一标识文件中每个记录的字段或字段集,Chd.Wang，E-Mail：C,19,数据描述,物理设计中的数据描述 位（bit，比特） 一个二进制位，只能取0或1两个状态 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ASCI

10、I码 字（word） 若干个字节组成一个字，字所含二进制位数称为字长 块（block）,又称为物理块或物理记录 内存和外存交换信息的最小单位，大小常为210214字节 桶（bucket） 外存的逻辑单位，桶内的物理块空间不一定连续 卷（volume） 一个输入输出设备所能装载的全部有用信息,Chd.Wang，E-Mail：C,20,数据描述,数据联系的描述 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 联系的分类 一元联系 二元联系 多元联系，一般只讨论三元联系,Chd.Wang，E-Mail：C,21,数据描述,数据联系的描述 二元联系的

11、三种类型： 一对一联系 记为“1:1” 一对多联系 记为“1:N” 多对多联系 记为“M:N”,Chd.Wang，E-Mail：C,22,数据描述,数据联系的描述 示例,Chd.Wang，E-Mail：C,23,数据抽象的级别,数据抽象的过程 模型（model） 对现实世界的抽象 数据模型 描述数据库的结构和语义，对现实世界的数据进行抽象 根据数据抽象的级别定义了四种模型 概念模型：ER模型 逻辑模型：全局逻辑模型 分为层次模型、网状模型、关系模型、对象模型 外部模型：局部逻辑模型 内部模型：存储模型,Chd.Wang，E-Mail：C,24,数据抽象的级别,数据抽象的过程 数据库设计过程 现

12、实世界的信 息到数据库存 储的数据以及 用户使用的数 据是一个逐步 抽象过程,Chd.Wang，E-Mail：C,25,数据抽象的级别,概念模型 抽象级别最高 特点 1）表达数据的整体逻辑结构，是系统用户对整个应用项目涉及数据的全面描述 2）概念模型是从用户需求的观点出发，对数据建模 3）概念模型独立于硬件和软件 硬件独立意味着概念模型不依赖于硬件设备 软件独立意味着概念模型不依赖于实现时的DBMS软件 4）概念模型是一种信息媒介 是数据库设计人员与用户之间进行交流的工具,Chd.Wang，E-Mail：C,26,数据抽象的级别,概念模型 最好的表示方法：ER图，因此概念模型也称ER模型 ER

13、模型：Entity Relationship Model，1976年P.P.Chen提出 ER图成分 矩形框：表示实体集，也称实体类型 菱形框：表示联系集 椭圆形框：表示属性 下划线：表示实体码 连接线：连接实体集与属性，或联系集与属性 联系类型：1:1，1:N，M:N,Chd.Wang，E-Mail：C,27,数据抽象的级别,概念模型 示例：实现一个教学管理系统，要求记录：1）学生的学号，姓名，年龄，性别，籍贯等信息；教师的教师号，教师姓名，职称，性别等信息；课程的课程号，课程名，学分，学时数，先修课，授课教师；学生选修课程的成绩信息 规定： 1位教师可讲授多门课程，1门课程只能有1位任课教

14、师 1位学生可以选修多门课程，1门课程可以被多名同学选修 1门课程只有1门先修课，1门课可以是多门课的先修课 报表（数据的外在表现） 统计每位学生的选课门数、总分、平均分、最高分、最低分 统计每位教师的所授课每门课程的选修人数、平均分、最高分、最低分,Chd.Wang，E-Mail：C,28,数据抽象的级别,概念模型 ER模型仅说明了客观世界中实体间的语义关 系，不能说明详细的数据结构 问： 学生的成绩？ 课程的任课教师？先修课程？,Chd.Wang，E-Mail：C,29,数据抽象的级别,逻辑模型 逻辑模型与DBMS相关 DBMS确定后，将概念模型转换成适合DBMS特点的逻辑模型 特点： 1

15、）表达DB的整体逻辑结构，是设计人员对整个应用项目数据库的全面描述 2）从数据库实现的观点出发，对数据建模 3）独立于硬件，但依赖于DBMS 4）是数据库设计人员与应用程序员之间进行交流的工具,Chd.Wang，E-Mail：C,30,数据抽象的级别,逻辑模型 关系模型 由概念模型转化得到,Chd.Wang，E-Mail：C,31,数据抽象的级别,逻辑模型 关系模型 详细内容参见第2章 主要特征 由若干个关系模式组成 用二维表格（关系）表达实体集和联系 数据导航：通过“键”实现 使用DDL语言（create table, alter table, drop table）维护表结构 使用DML语

16、言（insert, update, delete, select）维护和查询表中的数据,Chd.Wang，E-Mail：C,32,数据抽象的级别,逻辑模型 关系模型,Chd.Wang，E-Mail：C,33,数据抽象的级别,逻辑模型 层次模型（hierarchical model） 用树型（层次）结构表 示实体类型及实体间联系 只能表达1:N联系，M:N联系通过辅 助手段实现 层次顺序严格、复杂，数据查询和更 新操作复杂、编程复杂 数据导航：通过“指针”实现,Chd.Wang，E-Mail：C,34,数据抽象的级别,逻辑模型 网状模型（network model） 用有向图结构表示实体类型及实

17、体间联系 数据结构复杂和编程复杂 M:N联系容易实现（一个M:N联系可拆成两个1:N联系） 查询效率较高 数据导 航：通 过指针 实现,Chd.Wang，E-Mail：C,35,数据抽象的级别,逻辑模型 对象模型 将OO思想引入数据库 未普及 对象（object） 是现实世界中实体的模型化 与实体概念相仿，但远比实体复杂 将属性集和方法集相同的所有对象组合在一起，构成了一个类（class）,Chd.Wang，E-Mail：C,36,数据抽象的级别,4种逻辑模型的对比,Chd.Wang，E-Mail：C,37,数据抽象的级别,外部模型 设计经过概念模型到逻辑 模型，已形成数据库的全 局逻辑结构

18、但，用户应用中有特定的 业务需求，这是数据库的局部逻辑结构 示例 统计每位学生的选课门数、总分、平均分、最高分、最低分 统计每位教师的所授课每门课程的选修人数、平均分、最高分、最低分,Chd.Wang，E-Mail：C,38,数据抽象的级别,外部模型 示例 统计 每位 学生 的选 课门数、总分、平均分、最高分、最低分 外部模型由一系列视图组成 视图（虚表） 使用DDL语言（create view）创建 是数据的局部逻辑结构,Chd.Wang，E-Mail：C,39,数据抽象的级别,外部模型 特点： 1）是逻辑模型的一个逻辑子集 2）独立于硬件，依赖于DBMS 3）反映了用户使用数据库的观点 优

19、点： 1）简化了用户的观点。 2）有助于数据库的安全性保护 3）对概念模型的支持,Chd.Wang，E-Mail：C,40,数据抽象的级别,内部模型 又称为物理模型，是数据库最低层的抽象 描述数据在磁盘或磁带上的存储方式（文件结构）、存取设备（外存的空间分配）和存取方法（主索引和辅助索引） 是与硬件和软件紧密相连的 模型实现 在层次、网状模型设计时，要精心设计内部模型，以提高系统的效率 在关系模设计中，不必考虑内部级的设计细节，由系统自动实现 索引的创建由DDL语言（create index）实现,Chd.Wang，E-Mail：C,41,数据抽象的级别,数据库的体系结构 三级模式 两级映像,

20、Chd.Wang，E-Mail：C,42,数据抽象的级别,数据库的体系结构 三级模式 逻辑模式：DB的整体抽象表示 DB全部数据的整体逻辑结构描述 由逻辑记录类型组成，包括数据联系、完整性、安全性等 外模式：DB的局部抽象表示 用户与数据库系统的接口，由外部记录组成 用户使用的局部数据的逻辑结构和特征描述 内模式：DB的实际存储的表示 DB物理存储描述，定义所有内部记录类型、索引和文件的组织方式，以及数据控制方面的细节,Chd.Wang，E-Mail：C,43,数据抽象的级别,数据库的体系结构 两级映像 外模式逻辑模式映像 存在于外模式和逻辑模式之间 用于定义外模式和逻辑模式之间的对应性 在外模式中描述的 逻辑模式内模式映像 存在于逻辑模式和内模式之间 用于定义逻辑模式和内模式之间的对应性 在内模式中描述的,Chd.Wang，E-Mail：C,44,数据抽象的级别,数据库的体系结构 数据独立性 应用程序和数据库的数据结构之间相互独立，不受影响 修改数据结构时，不必修改外部的应用程序 分类 1）物理数据独立性 内模式的修改不影响逻辑模式、外模式和应用程序 由逻辑模式内模式映像实现 2）逻辑数据独立性 逻辑模式的修改不影响外模式和应用程序 由外模式逻辑模式映像实现,Chd.Wang，E-Mail：C,45,数据抽象的级别,数据库设计过程总结,Chd.Wang，E-Mail：