數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)知識(shí)-講義

數(shù)據(jù)（Data）：人們用于記錄事物情況的物理符號(hào)基本形式的數(shù)據(jù)：數(shù)值型、字符型數(shù)據(jù)特殊型：圖形、圖像、聲音等多媒體數(shù)據(jù)信息（Information）是數(shù)據(jù)中所包含的意義。信息是經(jīng)過(guò)加工處理并對(duì)人類(lèi)社會(huì)實(shí)踐和生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生決策影響的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是表示信息的，但并非任何數(shù)據(jù)都能表示信息，信息只是加工處理后的數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)所表達(dá)的內(nèi)容。另一方面信息不隨表示它的數(shù)據(jù)形式而改變，它是反映客觀(guān)現(xiàn)實(shí)世界的知識(shí)，而數(shù)據(jù)則具有任意性，用不同的數(shù)據(jù)形式可以表示同樣的信息。信息是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中各種事物的存在方式或運(yùn)動(dòng)形態(tài)的反映，它反映的是事物之間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)處理實(shí)際上就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息的過(guò)程。它包括對(duì)數(shù)據(jù)的采集、整理、存儲(chǔ)、分類(lèi)、排序、檢索、維護(hù)、加工、統(tǒng)計(jì)和傳輸?shù)纫幌盗胁僮鬟^(guò)程。數(shù)據(jù)庫(kù)，顧名思義，是存放數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù)。它是按一定的結(jié)構(gòu)和組織方式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)外部存儲(chǔ)介質(zhì)上的，有結(jié)構(gòu)，可共享的相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫(kù)｛數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)｝數(shù)據(jù)庫(kù)的功能：①能方便尋找所需數(shù)據(jù)②能將數(shù)據(jù)有序排列③易于產(chǎn)生所需的結(jié)果，如圖，表等④能設(shè)定有限查詢(xún)的使用權(quán)限⑤具有網(wǎng)絡(luò)功能，可供多人同時(shí)使用。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)具有結(jié)構(gòu)化好，冗余度小，數(shù)據(jù)獨(dú)立性高，共享性高和易于擴(kuò)充等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)是一個(gè)管理數(shù)據(jù)庫(kù)的軟件系統(tǒng)。它為用戶(hù)提供了大量描述（建立）數(shù)據(jù)庫(kù)、操縱（檢索、排序、索引、顯示、統(tǒng)計(jì)計(jì)算等）數(shù)據(jù)庫(kù)和維護(hù)（修改、追加、刪除等）數(shù)據(jù)庫(kù)的方法和命令。而且它還能自動(dòng)控制數(shù)據(jù)庫(kù)的安全，及數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)完整。比如：VisualFoxPro6.0，SQLServer，Oracle等系統(tǒng)就是數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。其主要功能包括以下幾個(gè)方面：（1）數(shù)據(jù)定義功能（2）數(shù)據(jù)操縱功能（3）數(shù)據(jù)控制功能（4）數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和維護(hù)功能數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的目標(biāo)在于存儲(chǔ)和提取所需要的信息。由數(shù)據(jù)、硬件、軟件和用戶(hù)四部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，在應(yīng)用需求的推動(dòng)下，數(shù)據(jù)管理技術(shù)經(jīng)歷了人工管理、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)四個(gè)階段。數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)模型包含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和完整性約束三大要素。其中：1） 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是指對(duì)實(shí)體類(lèi)型和實(shí)體間聯(lián)系的表達(dá)和實(shí)現(xiàn)。2） 數(shù)據(jù)操作：是指對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索和更新操作的實(shí)現(xiàn)。3） 數(shù)據(jù)的完整性約束：是指給出數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約和依賴(lài)規(guī)則。概念模型用于信息世界的建模，是現(xiàn)實(shí)世界到信息世界的第一層抽象，是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的有力工具，也是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)人員和用戶(hù)之間進(jìn)行交流的語(yǔ)言，因此概念模型一方面應(yīng)該具有較強(qiáng)的語(yǔ)義表達(dá)能力，另一方面還應(yīng)該簡(jiǎn)單，清晰，易于用戶(hù)理解。實(shí)體：客觀(guān)存在并可相互區(qū)別的事物。屬性：實(shí)體所具有的某一特性。碼：一個(gè)實(shí)體的各屬性中，可以唯一標(biāo)識(shí)實(shí)體的屬性，這個(gè)屬性可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)。域：屬性的取值范圍。實(shí)體集：用同一類(lèi)實(shí)體的實(shí)體名和屬性名抽象和刻畫(huà)同一類(lèi)實(shí)體。聯(lián)系：在現(xiàn)實(shí)世界中，事物內(nèi)部及事物間的聯(lián)系在信息世界里反映為實(shí)體（集）內(nèi)部及實(shí)體（集）間的聯(lián)系。實(shí)體-聯(lián)系模型（E-R模型）是PEChen于1976年提出的。這個(gè)模型直接從現(xiàn)實(shí)世界中抽象出實(shí)體類(lèi)型及實(shí)體間的聯(lián)系,然后用E-R圖表示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。E-R圖是直觀(guān)表示概念模型的工具。具體表示方法為：實(shí)體型：用矩形表示，矩形框內(nèi)標(biāo)明實(shí)體名；屬性：用橢圓形表示，并用無(wú)向邊將其與實(shí)體連接起來(lái)；聯(lián)系：用菱形表示，菱形框內(nèi)標(biāo)明聯(lián)系名，并用無(wú)向邊連接有關(guān)實(shí)體，同時(shí)在無(wú)向邊旁標(biāo)明聯(lián)系類(lèi)型。結(jié)構(gòu)模型：為了反映事物本身及事物之間的各種聯(lián)系,數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)必須有一定的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)用結(jié)構(gòu)模型來(lái)表示。結(jié)構(gòu)模型是數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)用來(lái)表示數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)聯(lián)系的方法。在這里只介紹最常用的四種結(jié)構(gòu)模型：層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ?。其中層次模型和網(wǎng)狀模型統(tǒng)稱(chēng)為非關(guān)系模型（或格式化數(shù)據(jù)模型）。1） 層次模型優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作；從上而下尋找數(shù)據(jù)容易，對(duì)于實(shí)體間聯(lián)系固定的系統(tǒng)，建議采用這種模型，其性能優(yōu)于關(guān)系模型，不低于網(wǎng)狀模型。缺點(diǎn)：現(xiàn)實(shí)世界中很多聯(lián)系是非層次的，如多對(duì)多等，此時(shí)用它表示就顯的尤為笨拙；對(duì)插入和刪除限制較多；查詢(xún)非直系的節(jié)點(diǎn)非常麻煩。2） 網(wǎng)狀模型優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)更加靈活，更直接地描述現(xiàn)實(shí)世界，存取效率較高。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，路徑太多，當(dāng)加入或刪除數(shù)據(jù)時(shí)，牽動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù)較多，不易維護(hù)和重建。3） 關(guān)系模型關(guān)系模型的實(shí)質(zhì)是把數(shù)據(jù)歸結(jié)為滿(mǎn)足一定條件的二維表格的形式。支持關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)稱(chēng)為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，其中的數(shù)據(jù)庫(kù)稱(chēng)為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。4） 面向?qū)ο竽Ｐ兔嫦驅(qū)ο髷?shù)據(jù)模型能完整地描述現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并具有封裝性和繼承性等面向?qū)ο蠹夹g(shù)的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)：從數(shù)據(jù)庫(kù)最終用戶(hù)角度看，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為集中式結(jié)構(gòu)（又分單用戶(hù)結(jié)構(gòu)與主從式）、分布式結(jié)構(gòu)、客戶(hù)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)。從數(shù)據(jù)庫(kù)管理角度看，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通常采用三級(jí)模式結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)內(nèi)部的體系結(jié)構(gòu)）。即：內(nèi)模式、模式和外模式三級(jí)構(gòu)成。模式（Schema）是數(shù)據(jù)庫(kù)中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，它僅僅涉及類(lèi)型的描述，不涉及具體的值。實(shí)例（Instance）是模式的一個(gè)具體值。內(nèi)模式也稱(chēng)存儲(chǔ)模式（StorageSchema），它是數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部的表示方式，例如：定義某數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)按順序方式存儲(chǔ)在磁盤(pán)上。模式也稱(chēng)邏輯模式，是數(shù)據(jù)庫(kù)中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶(hù)的公共數(shù)據(jù)視圖。它是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)的中間層。例如定義學(xué)生實(shí)體（學(xué)號(hào)，姓名，性別，出生日期，專(zhuān)業(yè)班級(jí)），此外，還要定義各字段的類(lèi)型、取值范圍以及數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系等。外模式也稱(chēng)子模式（Subschema）或用戶(hù)模式，它是模式的子集,是數(shù)據(jù)庫(kù)用戶(hù)的數(shù)據(jù)視圖。一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)只有一個(gè)內(nèi)模式，也只有一個(gè)模式，但一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可以有多個(gè)外模式。關(guān)系模型由關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)系操作集合和關(guān)系完整性約束三部分組成。專(zhuān)門(mén)的關(guān)系運(yùn)算（1）選擇（Selection）（記錄篩選）選擇運(yùn)算是從關(guān)系中查找符合指定條件元組的操作。以邏輯表達(dá)式指定選擇條件，選擇運(yùn)算將選取使邏輯表達(dá)式為真的所有元組。（2） 投影（Projection）（字段篩選）投影運(yùn)算是從關(guān)系中選取若干個(gè)屬性的操作。投影運(yùn)算從關(guān)系中選取若干屬性形成一個(gè)新的關(guān)系，其關(guān)系模式中屬性個(gè)數(shù)比原關(guān)系少，或者排列順序不同，同時(shí)也可能減少某些元組。（3） 連接（Join）（表間橫向連接）聯(lián)接運(yùn)算是將兩個(gè)關(guān)系模式的若干屬性拼接成一個(gè)新的關(guān)系模式的操作，對(duì)應(yīng)的新關(guān)系中，包含滿(mǎn)足聯(lián)接條件的所有元組。聯(lián)接過(guò)程是通過(guò)聯(lián)接條件來(lái)控制的，聯(lián)接條件中將出現(xiàn)兩個(gè)關(guān)系中的公共屬性名，或者具有相同語(yǔ)義、可比的屬性。連接是將兩個(gè)二維表格中的若干列，按同名等值的條件拼接成一個(gè)新二維表格的操作。在表中則是將兩個(gè)表的若干字段，按指定條件（通常是同名等值）拼接生成一個(gè)新的表。傳統(tǒng)的集合運(yùn)算進(jìn)行并、差、交集合運(yùn)算的兩個(gè)關(guān)系必須是具有相同的關(guān)系模式，既結(jié)構(gòu)相同，對(duì)應(yīng)項(xiàng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型也必須相同。關(guān)系完整性約束：為保證數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的正確性和相容性，對(duì)關(guān)系模型提出的某種約束條件或規(guī)則。通常包括實(shí)體完整性、參照完整性和用戶(hù)定義完整性（又稱(chēng)域完整性），其中實(shí)體完整性和參照完整性，是關(guān)系模型必須滿(mǎn)足的完整性約束條件實(shí)體完整性是指關(guān)系的主關(guān)鍵字不能取“空值”。參照完整性是定義建立關(guān)系之間聯(lián)系的主關(guān)鍵字與外部關(guān)鍵字引用的約束條件。用戶(hù)定義完整性關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)范化：關(guān)系是張二維表，它有一個(gè)最起碼的要求：每個(gè)屬性不可再分，滿(mǎn)足這個(gè)條件的關(guān)系模式就屬于第一范式（1NF）。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的研究可以說(shuō)是從三個(gè)方面進(jìn)行的：數(shù)據(jù)模型、應(yīng)用領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)技術(shù)。?數(shù)據(jù)模型：數(shù)據(jù)模型的研究是基礎(chǔ)性研究，它重點(diǎn)研究如何構(gòu)造數(shù)據(jù)模型，如何表示數(shù)據(jù)及其聯(lián)系。數(shù)據(jù)模型經(jīng)歷了層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型的發(fā)展階段，現(xiàn)在面向?qū)ο竽Ｐ褪菙?shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域的專(zhuān)家們研究的一個(gè)重點(diǎn)課題。?應(yīng)用領(lǐng)域：數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的最初應(yīng)用領(lǐng)域主要是信息管理領(lǐng)域。?計(jì)算機(jī)技術(shù)：計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)將計(jì)算機(jī)技術(shù)的一些研究領(lǐng)域與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了很多新的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。3.2主要的研究領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域下面介紹幾個(gè)比較有代表性的研究領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域：1）因特網(wǎng)上的Web數(shù)據(jù)庫(kù)2）面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)3）并行數(shù)據(jù)庫(kù)4）多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)5）工程數(shù)據(jù)庫(kù)6）輔助決策支持7）人工智能領(lǐng)域的知識(shí)庫(kù)3.3數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展方向數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)硬件和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用，這三者推動(dòng)著數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展。數(shù)據(jù)庫(kù)要管理的數(shù)據(jù)的復(fù)雜度和數(shù)據(jù)量都在迅速增長(zhǎng)；計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的發(fā)展仍然實(shí)踐著摩爾定律；數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用迅速向深度、廣度擴(kuò)展。尤其是互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，極大地改變了數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用環(huán)境，向數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域提出了前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)。這些因素的變化推動(dòng)著數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的進(jìn)步，