第一章 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基本概念

數(shù)據(jù)庫原理范春梅Telmail:fancm@編輯ppt第1章數(shù)據(jù)庫概述編輯ppt主要內(nèi)容1.1數(shù)據(jù)管理技術(shù)的開展1.2數(shù)據(jù)描述1.3數(shù)據(jù)抽象的級別1.4數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)1.5數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)編輯ppt1.1數(shù)據(jù)管理技術(shù)的開展存儲器的容量、存儲速率直接影響數(shù)據(jù)管理技術(shù)的開展數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)管理技術(shù)直接影響數(shù)據(jù)處理的效率數(shù)據(jù)管理技術(shù)的開展與硬件、軟件、計算機應(yīng)用范圍有密切聯(lián)系數(shù)據(jù)管理技術(shù)分為以下幾個階段1.1.1人工管理階段1.1.2文件系統(tǒng)階段1.1.3數(shù)據(jù)庫階段1.1.4高級數(shù)據(jù)庫階段編輯ppt1.1.1人工管理階段計算機應(yīng)用：科技計算硬件：只有磁帶、卡片、紙帶軟件：只有匯編語言，無數(shù)據(jù)管理軟件數(shù)據(jù)處理方式：批處理數(shù)據(jù)管理特點：P1數(shù)據(jù)不保存在機器中無專門的數(shù)據(jù)管理軟件只有程序概念數(shù)據(jù)面向程序編輯ppt1.1.2文件系統(tǒng)階段計算機應(yīng)用：科技計算、信息管理硬件：已有磁盤、磁鼓軟件：有高級語言和操作系統(tǒng)，其中文件系統(tǒng)為數(shù)據(jù)管理軟件數(shù)據(jù)處理方式：批處理、聯(lián)機實時處理數(shù)據(jù)管理特點：P2數(shù)據(jù)以“文件〞形式保存在外存中數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)與邏輯結(jié)構(gòu)有區(qū)別，程序與數(shù)據(jù)有設(shè)備獨立性文件組織多樣，但文件間相互獨立，缺乏聯(lián)系數(shù)據(jù)與程序間的依賴關(guān)系減弱，但未根本改變對數(shù)據(jù)的操作以記錄為單位編輯ppt1.1.2文件系統(tǒng)階段文件系統(tǒng)的缺陷：P2例P3數(shù)據(jù)冗余性數(shù)據(jù)不一致性數(shù)據(jù)聯(lián)系弱解決方法倒排文件系統(tǒng)通過指針的方式加強數(shù)據(jù)間的聯(lián)系---數(shù)據(jù)庫方式編輯ppt1.1.3數(shù)據(jù)庫階段進入該階段的標(biāo)志P3數(shù)據(jù)庫管理方式的特點P4采用復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型表示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有較高的數(shù)據(jù)獨立性〔物理數(shù)據(jù)、邏輯數(shù)據(jù)〕P4分為用戶邏輯結(jié)構(gòu)、整體邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)三級數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為用提供方便的用戶接口提供數(shù)據(jù)庫恢復(fù)、并發(fā)控制、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)平安性功能，確保數(shù)據(jù)平安、正確、可靠操作以記錄或數(shù)據(jù)項為單位，增加系統(tǒng)靈活性程序和數(shù)據(jù)聯(lián)系圖P5編輯ppt1.1.3數(shù)據(jù)庫階段---相關(guān)概念1、數(shù)據(jù)(DATA)數(shù)據(jù)是描述現(xiàn)實世界中各種具體事務(wù)或抽象概念的可存儲并具有明確意義的信息。數(shù)據(jù)的例子數(shù)據(jù)與其語義是不可分的數(shù)據(jù)的形式本身并不能完全表達其內(nèi)容，需要經(jīng)過語義解釋。例：100編輯ppt1.1.3數(shù)據(jù)庫階段---相關(guān)概念2、數(shù)據(jù)庫(DB)是一個數(shù)據(jù)集合，它存儲的數(shù)據(jù)是按照一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和存儲的。方便共享冗余度小數(shù)據(jù)間聯(lián)系密切數(shù)據(jù)獨立性高數(shù)據(jù)庫中存儲的根本對象是數(shù)據(jù)。例：一個按照關(guān)系模型組織的數(shù)據(jù)庫實例

鏈接1編輯ppt1.1.3數(shù)據(jù)庫階段---相關(guān)概念3、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件。數(shù)據(jù)庫在建立、運用和維護時由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一控制?；谀撤N數(shù)據(jù)模型層次型網(wǎng)狀型關(guān)系型面向?qū)ο笮途庉媝pt1.1.3數(shù)據(jù)庫階段---相關(guān)概念4、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBS)指在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)構(gòu)成。一般由計算機硬件、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序和用戶、數(shù)據(jù)庫管理員等組成。5、數(shù)據(jù)庫技術(shù)研究數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)、存儲、管理和使用的軟件學(xué)科是一門綜合性強的學(xué)科編輯ppt1.1.4高級數(shù)據(jù)庫階段主要標(biāo)志20世紀(jì)80年代分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)21世紀(jì)Web數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)面向?qū)ο蟮母拍罱嶓w聯(lián)系圖、對象聯(lián)系圖、UML類圖開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)技術(shù)建立一個公共的、與DBMS型號無關(guān)的應(yīng)用程序設(shè)計接口編輯ppt事物特性到計算機中的具體表示，有三個階段概念設(shè)計邏輯設(shè)計物理設(shè)計1.2.1概念設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述1.2.2邏輯設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述1.2.3物理設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述1.2.3數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述1.2數(shù)據(jù)描述編輯ppt概念設(shè)計是根據(jù)用戶需求設(shè)計數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)相關(guān)術(shù)語P7實體〔entity〕實體集〔entityset〕屬性〔attriute〕實體標(biāo)示符〔identifier〕或鍵〔key〕1.2.1概念設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述編輯ppt邏輯設(shè)計是根據(jù)概念設(shè)計的結(jié)果設(shè)計數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)表達方式實現(xiàn)方法相關(guān)術(shù)語P7字段〔field〕記錄〔record〕文件〔file〕關(guān)鍵碼〔key〕1.2.2邏輯設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述編輯ppt概念設(shè)計和邏輯設(shè)計術(shù)語對應(yīng)關(guān)系P7概念的類型和值類型是概念的內(nèi)涵值是概念的外延數(shù)據(jù)描述的兩種形式物理數(shù)據(jù)描述邏輯數(shù)據(jù)描述兩種數(shù)據(jù)要進行相互轉(zhuǎn)換1.2.2邏輯設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述編輯ppt1.2.3物理設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述存儲器設(shè)備層次高速緩存主存快閃存儲器磁盤存儲器光存儲器磁帶存儲器物理存儲中的數(shù)據(jù)描述位〔bit〕字節(jié)〔byte〕字〔word〕塊〔block〕桶〔bucket〕卷〔volume〕編輯ppt聯(lián)系是實體之間的相互關(guān)系二元聯(lián)系的類型P9一對一一對多多對多三元聯(lián)系和一元聯(lián)系P111.2.4數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述編輯ppt1.3數(shù)據(jù)抽象的級別1.3.1數(shù)據(jù)抽象的過程1.3.2概念模型1.3.3邏輯模型1.3.4外部模型1.3.5內(nèi)部模型1.3.6三層模式和兩級映像1.3.7高度的數(shù)據(jù)獨立性編輯ppt1.3.1數(shù)據(jù)抽象的過程模型是對現(xiàn)實世界的抽象在數(shù)據(jù)庫技術(shù)中，用模型的概念描述數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)與語義，對現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)進行抽象。根據(jù)數(shù)據(jù)抽象的級別，定義四種模型P11概念模型邏輯模型外部模型內(nèi)部模型數(shù)據(jù)抽象過程〔數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程〕P12編輯ppt1.3.2概念模型概念模型的抽象級別最高概念模型的特點概念模型表達了數(shù)據(jù)的整體邏輯結(jié)構(gòu)---系統(tǒng)用戶概念模型從用戶需求的觀點出發(fā)，對數(shù)據(jù)建模概念模型獨立于硬件和軟件概念模型是數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員與用戶交流的工具概念模型主要是實體聯(lián)系模型〔ER〕用ER圖表示編輯ppt1.3.2概念模型ER圖的四個根本成分矩形框：實體類型菱形框：聯(lián)系類型橢圓形框：實體類型和聯(lián)系類型的屬性直線：連接聯(lián)系類型與其涉及的實體類型，標(biāo)有聯(lián)系種類編輯ppt實體聯(lián)系模型〔例〕P13編輯ppt1.3.2概念模型ER模型的優(yōu)點接近于人的思維，容易理解與計算機無關(guān)，用戶容易接受ER模型的局限只能說明實體間語義的聯(lián)系沒有詳細的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編輯ppt1.3.3邏輯模型邏輯模型的特點表達了DB的整體邏輯結(jié)構(gòu)---設(shè)計人員邏輯模型從數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的觀點出發(fā)，對數(shù)據(jù)建模邏輯模型獨立于硬件，但依賴于軟件〔DBMS〕邏輯模型是數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員與程序員交流的工具邏輯模型主要有層次、網(wǎng)狀、關(guān)系模型編輯ppt1.3.3邏輯模型---層次模型構(gòu)成〔例P14〕用樹型結(jié)構(gòu)表示實體類型樹結(jié)點是記錄類型，非根節(jié)點又且只有一個父結(jié)點上層記錄類型與下層記錄類型之間聯(lián)系為：1：N特點記錄之間的聯(lián)系通過指針實現(xiàn)查詢效率高缺點只能表示1：N的聯(lián)系，表示M：N的聯(lián)系復(fù)雜數(shù)據(jù)查詢、更新操作復(fù)雜，導(dǎo)致編寫應(yīng)用程序復(fù)雜編輯ppt1.3.3邏輯模型---網(wǎng)狀模型構(gòu)成〔例P15〕CODASYL組織用有向圖表示實體類型及實體間的聯(lián)系有向圖結(jié)點是記錄類型有向邊表示從箭尾到箭頭的記錄類型之間聯(lián)系為1：N特點記錄之間的聯(lián)系通過指針實現(xiàn)M：N的聯(lián)系容易實現(xiàn)查詢效率高缺點編寫應(yīng)用程序復(fù)雜程序員要熟悉數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)編輯ppt1.3.3邏輯模型---關(guān)系模型構(gòu)成〔例P16〕用二維表格結(jié)構(gòu)表達實體集用外鍵表示實體間的聯(lián)系概念關(guān)系即二維表格關(guān)系模式為記錄類型，其實例為關(guān)系關(guān)系模型是由多個關(guān)系模式組成的集合特點用關(guān)鍵碼導(dǎo)航數(shù)據(jù)表格簡單，編程時不涉及存儲結(jié)構(gòu)、訪問技術(shù)的細節(jié)是數(shù)學(xué)化模型(集合論、數(shù)理邏輯)，使用SQL語言三種邏輯模型的比較P17編輯ppt關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)學(xué)號姓名年齡性別1001張一18女1002王二19男1003李三20男課程號課程名任課教師C01語文劉四C02數(shù)學(xué)趙五學(xué)號課程號成績1003C02651003C01671001C01801002C0125學(xué)生關(guān)系課程關(guān)系選課及成績關(guān)系三個關(guān)系模式組成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編輯ppt1.3.4外部模型可為不同的業(yè)務(wù)單位設(shè)計不同的外部模型外部模型中的模式成為“視圖〞〔view〕視圖只是一個定義視圖的數(shù)據(jù)從邏輯模型的數(shù)據(jù)庫中得到特點外部模型是邏輯模型的一個邏輯子集外部模型獨立于硬件，依賴于軟件外部模型反映了用戶使用數(shù)據(jù)庫的觀點優(yōu)點簡化了用戶的觀點有助于數(shù)據(jù)庫的平安性保護外部模型是對概念模型的支持編輯ppt1.3.5內(nèi)部模型內(nèi)部模型又稱為物理模型，是數(shù)據(jù)最低層的抽象內(nèi)部模型主要描述 數(shù)據(jù)在磁盤或磁帶上的存儲方式〔文件結(jié)構(gòu)〕存取設(shè)備〔外存的空間分配〕存取方法〔主索引和輔助索引〕內(nèi)部模型與硬件、軟件緊密相連在關(guān)系模型下不必考慮內(nèi)部級的設(shè)計細節(jié)編輯ppt1.3.6三級模式和兩級映像數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)分為三層外模式〔外部模型〕外模式是用戶與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的接口是用戶用到的那局部數(shù)據(jù)的描述有假設(shè)干個外部記錄類型組成邏輯模式〔邏輯模型〕邏輯模式是數(shù)據(jù)庫中全部數(shù)據(jù)的整體邏輯結(jié)構(gòu)的描述由假設(shè)干個邏輯記錄類型組成描述記錄間的聯(lián)系、操作、數(shù)據(jù)的完整性、平安性等要求內(nèi)模式〔內(nèi)部模型〕內(nèi)模式是數(shù)據(jù)庫在物理存儲方面的描述定義所有的內(nèi)部記錄類型、索引和文件組織方式定義數(shù)據(jù)控制方面的細節(jié)外部模型1外部模型2外部模型3邏輯模型內(nèi)部模型1編輯ppt1.3.6三級模式和兩級映像三級模式體系結(jié)構(gòu)特點用戶使用數(shù)據(jù)操縱語言〔DML〕操作數(shù)據(jù)庫實際是操作外模式的外部記錄程序員與外模式發(fā)生聯(lián)系外模式是邏輯模式的邏輯子集邏輯模式不涉及到存儲結(jié)構(gòu)、訪問技術(shù)等邏輯模式提供了連接外模式與內(nèi)模式的中間觀點，使它們彼此獨立內(nèi)模式不涉及物理記錄和設(shè)備約束文件系統(tǒng)比內(nèi)模式更接近物理存儲和訪問編輯ppt1.3.6三級模式和兩級映像為實現(xiàn)三個抽象級別的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換，DBMS提供兩個層次的映像〔mapping〕外模式/模式映像存在于外模式和邏輯模式之間定義外模式和概念模式間的對應(yīng)性在外模式中描述模式/內(nèi)模式映像存在于邏輯模式級和內(nèi)模式之間定義邏輯模式和內(nèi)模式間的對應(yīng)性一般在內(nèi)模式中描述編輯ppt數(shù)據(jù)庫管理員建立與維護DBMSOS編輯ppt1.3.7高度的數(shù)據(jù)獨立性根底：三級模式結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獨立性(DataIndependence)指應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間相互獨立，不受影響。物理數(shù)據(jù)獨立性內(nèi)模式修改時，修改模式/內(nèi)模式映像，而不影響邏輯模式邏輯數(shù)據(jù)獨立性邏輯模式修改，修改外模式/模式映像，而不影響外模式和程序編輯ppt1.3數(shù)據(jù)抽象的級別數(shù)據(jù)庫三級模式結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點優(yōu)點：提供數(shù)據(jù)物理獨立性和邏輯獨立性。缺點：增加系統(tǒng)額外開銷。系統(tǒng)要保存三級結(jié)構(gòu)、兩級映象的內(nèi)容用戶與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)傳輸要在三級結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換說明：實際的商用DBMS中，三級結(jié)構(gòu)常常模糊處理編輯ppt1.3數(shù)據(jù)抽象的級別用戶、宿主語言〔主語言〕P19自含型(交互型)DML、嵌入型(宿主型)DML用戶界面是用戶和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)間的一條分界線數(shù)據(jù)庫模式和模式的“實例〞數(shù)據(jù)庫模式：是一個數(shù)據(jù)庫的基于特定模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義，相對穩(wěn)定。數(shù)據(jù)庫實例：在任意一個特定的時刻，數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)稱為一個數(shù)據(jù)庫的實例，隨時改變。例：說明數(shù)據(jù)庫模式與數(shù)據(jù)庫實例。鏈接2數(shù)據(jù)抽象各層中記錄的聯(lián)系編輯ppt1.4數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)1.4.1DBMS的工作模式1.4.2DBMS的主要功能編輯ppt1.4.1DBMS的工作模式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)就是指數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中管理數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)。P20DBMS工作示意圖是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心組成局部對DB的一切操作都通過DBMS進行DBMS的主要目標(biāo)：把數(shù)據(jù)作為可管理的資源用戶訪問數(shù)據(jù)的過程P21由DBMS把操作從應(yīng)用程序帶到外部級、概念級，在導(dǎo)向內(nèi)部級DBMS為應(yīng)用程序開辟緩沖區(qū)：數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換用數(shù)據(jù)字典存放三級結(jié)構(gòu)定義編輯ppt返回編輯ppt1.4.2DBMS的主要功能1、數(shù)據(jù)庫的定義功能2、數(shù)據(jù)庫的操作功能提供DML實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的操作：檢索和更新過程性DML和非過程性DMLP21查詢語言是DML中的檢索語句局部3、數(shù)據(jù)庫的保護功能數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制數(shù)據(jù)庫的完整性控制數(shù)據(jù)庫的平安性控制編輯ppt1.4.2DBMS的主要功能4、數(shù)據(jù)庫的維護功能數(shù)據(jù)的載入、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)庫改組性能監(jiān)控程序5、數(shù)據(jù)字典〔DD〕：存放三級結(jié)構(gòu)定義對數(shù)據(jù)庫的操作都要經(jīng)過DD才能完成DD子系統(tǒng)編輯ppt1.5數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)〔DBS〕組成數(shù)據(jù)庫：與應(yīng)用有關(guān)的全部數(shù)據(jù)的集合應(yīng)用數(shù)據(jù)集合：物理數(shù)據(jù)庫各級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述：由DD管理硬件軟件：DBMS、OS、各種主語言、應(yīng)用開發(fā)支撐軟件數(shù)據(jù)庫管理員〔DBA〕P23DBA的素質(zhì)DBA的定義DBA的的主要職責(zé)編輯ppt1.5數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)〔DBS〕數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的全局結(jié)構(gòu)編輯p