計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

1、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)基礎(chǔ),數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（1）,第 2 頁,4.1 概述,數(shù)據(jù)庫技術(shù)是一門用于數(shù)據(jù)處理的綜合性軟件技術(shù)。 始于60年代末，經(jīng)過30多年的發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)已日臻完善，新的數(shù)據(jù)庫技術(shù)不斷提出。數(shù)據(jù)庫技術(shù)已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支和信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)。,1. 數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理發(fā)展的三個(gè)歷史階段：,人工方法,文件系統(tǒng)方法,數(shù)據(jù)庫方法,人工方法（ 50年代中期以前）,人工方法階段數(shù)據(jù)處理全部工作由用戶負(fù)責(zé)（包括對物理數(shù)據(jù)的處理）。 問題：編程效率低、程序易出錯(cuò)、程序高度依賴于數(shù)據(jù)。,第 3 頁,文件系統(tǒng)方法（ 50年代后期到60年代中期）,文件系統(tǒng)方法階段由操作系

2、統(tǒng)的文件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，用戶無需直接涉及物理設(shè)備及數(shù)據(jù)的物理組織細(xì)節(jié)。,優(yōu)點(diǎn)： 用戶程序與數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的分離 數(shù)據(jù)可在文件級為多用戶共享 問題： 數(shù)據(jù)共享性差 程序與數(shù)據(jù)相互依存 數(shù)據(jù)冗余大 數(shù)據(jù)不一致,當(dāng)數(shù)據(jù)的規(guī)模極為龐大、數(shù)據(jù)間關(guān)系極為復(fù)雜時(shí)，文件系統(tǒng)方法的上述問題就變得尖銳起來了！,第 4 頁,職工數(shù)據(jù),工資數(shù)據(jù),教課數(shù)據(jù),第 5 頁,數(shù)據(jù)庫方法（60年代后至今）,數(shù)據(jù)庫方法是通過一個(gè)稱之為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Database Management System，簡稱DBMS）的軟件系統(tǒng)來管理數(shù)據(jù)。其目的是為了克服文件系統(tǒng)的弊病，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)程序與數(shù)據(jù)的相互分離，

3、支持?jǐn)?shù)據(jù)間聯(lián)系的表述與使用，有效地控制數(shù)據(jù)冗余和提供數(shù)據(jù)共享性。,數(shù)據(jù)庫方法與文件系統(tǒng)方法的區(qū)別在于: 文件系統(tǒng)是面向應(yīng)用的，數(shù)據(jù)庫方法是面向系統(tǒng)的； 文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)文件通常與特定應(yīng)用相互對應(yīng)，而數(shù)據(jù)庫方法綜合整個(gè)應(yīng)用的要求，用全局的觀點(diǎn)集成各種應(yīng)用的數(shù)據(jù)，構(gòu)成全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件。,第 6 頁,全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一,全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)二,第 7 頁,數(shù)據(jù)庫方法的特點(diǎn),1. 對數(shù)據(jù)實(shí)施集中統(tǒng)一管理 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過DBMS實(shí)現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理，即對數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的特征（名、類型、長度）、數(shù)據(jù)的操作、數(shù)據(jù)的一致性、數(shù)據(jù)的安全保密性等均按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制和管理。也正因?yàn)閷?shí)施這種集中統(tǒng)一管理，才能實(shí)現(xiàn)下述

4、的各優(yōu)點(diǎn)。,2. 數(shù)據(jù)獨(dú)立性高 數(shù)據(jù)與使用數(shù)據(jù)的程序分離的特征稱為數(shù)據(jù)獨(dú)立性。其目的是使得數(shù)據(jù)或應(yīng)用程序的修改不導(dǎo)致對方的修改。 數(shù)據(jù)獨(dú)立性分為兩種： 邏輯數(shù)據(jù)獨(dú)立性數(shù)據(jù)庫的全局邏輯結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，用戶應(yīng)用程序不必改變，或反之。 物理數(shù)據(jù)獨(dú)立性數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)（存儲(chǔ)設(shè)備、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、存取方法）發(fā)生改變時(shí)，應(yīng)用程序無需改變。,第 8 頁,數(shù)據(jù)庫方法的特點(diǎn)（續(xù)）,3. 數(shù)據(jù)共享 數(shù)據(jù)共享指數(shù)據(jù)庫中的同一數(shù)據(jù)可為多個(gè)用戶共同使用。,4. 控制冗余 冗余由同一數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲(chǔ)產(chǎn)生。數(shù)據(jù)庫方法中的同一數(shù)據(jù)可重復(fù)出現(xiàn)在不同局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，但物理上只存儲(chǔ)一次。 數(shù)據(jù)庫中并非完全消除冗余，有時(shí)為了數(shù)據(jù)的存取效率，

5、同一數(shù)據(jù)可保留多個(gè)副本。,5. 數(shù)據(jù)完整性 數(shù)據(jù)完整性是指數(shù)據(jù)的正確性、真實(shí)性和客觀性。 例如，一個(gè) 25 歲的職員有 35 年工齡，一個(gè)人的身高為 5 米，都是數(shù)據(jù)完整性被破壞的情況。,第 9 頁,數(shù)據(jù)庫方法的特點(diǎn)（續(xù)）,6. 數(shù)據(jù)一致性 數(shù)據(jù)一致性是指數(shù)據(jù)庫中表示同一對象的數(shù)據(jù)無論何時(shí)何處都是一致的。例如，同一職員的年齡在數(shù)據(jù)庫中存在多個(gè)不同的值就是數(shù)據(jù)不一致的情況。 數(shù)據(jù)不一致性通常是由數(shù)據(jù)冗余或并發(fā)控制不當(dāng)造成的。另外，系統(tǒng)故障或運(yùn)行錯(cuò)誤也可導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致性。,7. 數(shù)據(jù)安全性 數(shù)據(jù)安全性即數(shù)據(jù)保密問題，以防止對數(shù)據(jù)的非授權(quán)訪問。DBMS可在全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、記錄甚至數(shù)據(jù)項(xiàng)

6、級提供安全性檢查與控制。 常見的安全控制方法有身份鑒別、存取控制、數(shù)據(jù)加密、審計(jì)等。,第 10 頁,2. 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成,一個(gè)典型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Database system，DBS）的組成: 數(shù)據(jù)庫 軟件 硬件 用戶,數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫是滿足一個(gè)或多個(gè)用戶應(yīng)用需求的按一定結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)的集合。它對應(yīng)著存儲(chǔ)介質(zhì)上的一組文件。 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不是各個(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)的簡單相加，而是統(tǒng)籌考慮各相關(guān)應(yīng)用的信息需求，除去不必要的冗余，協(xié)調(diào)各應(yīng)用間的不一致，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的最大程度的共享。,第 11 頁,軟件,1) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS） 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心軟件，是支持用戶定義、存取及維護(hù)數(shù)

7、據(jù)庫中數(shù)據(jù)的管理軟件系統(tǒng)。DBMS提供應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的接口，負(fù)責(zé)邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的安全性、完整性管理及并發(fā)操作控制。 2) 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)是DBMS的支撐軟件，DBMS往往通過其文件管理功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)組織。 3) 應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是開發(fā)人員利用DBMS提供的語言編寫的、在數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上完成部門業(yè)務(wù)處理功能的應(yīng)用程序的集合。 4) 開發(fā)工具軟件 開發(fā)工具軟件因DBMS的不同而不同，亦非DBMS必備的部分。這類軟件主要用于報(bào)表自動(dòng)生成、數(shù)據(jù)庫輔助設(shè)計(jì)、應(yīng)用程序的自動(dòng)或輔助設(shè)計(jì)等。,第 12 頁,1. 數(shù)據(jù)庫定義功能 提供數(shù)據(jù)定義語言(DDL)定義外模式、模式和內(nèi)模

8、式 DDLData Definition Language 2. 數(shù)據(jù)庫存取功能 提供數(shù)據(jù)操縱語言(DML)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的基本操作（檢索、插入、修改和刪除） DMLData Manipulation Language DML有兩類： 宿主型：嵌入主語言，不能獨(dú)立使用 自含型：交互式命令語言，語法簡單，可以獨(dú)立使用,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主要功能,第 13 頁,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主要功能（續(xù)）,3. 數(shù)據(jù)庫運(yùn)行管理 DBMS一般提供數(shù)據(jù)控制功能，包括并發(fā)控制、存取控制、完整性約束條件的檢查和執(zhí)行 所有的操作都要在這些控制程序的統(tǒng)一管理下進(jìn)行，保證數(shù)據(jù)庫的正確有效 4. 數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)功能 包括數(shù)

9、據(jù)庫初始數(shù)據(jù)的裝入、數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)儲(chǔ)、恢復(fù)、重組織、系統(tǒng)性能監(jiān)視、分析等功能 由DBMS的實(shí)用程序來完成,常見的DBMS產(chǎn)品：Oracle，Microsoft SQL Server（微軟），DB2（IBM）， Sybase，Access（微軟） 等。,第 14 頁,硬件,硬件主要包括CPU、內(nèi)存、外存、顯示器、打印機(jī)、鍵盤等設(shè)備。通常要求較大的存儲(chǔ)空間。,用戶,數(shù)據(jù)庫管理員（DBADatabase Administor）： 是建立、應(yīng)用及維護(hù)數(shù)據(jù)庫的專業(yè)技術(shù)人員。具體職責(zé)是應(yīng)用業(yè)務(wù)需求分析、參與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、決定用戶使用權(quán)限、系統(tǒng)維護(hù)和管理、數(shù)據(jù)庫恢復(fù)等； 系統(tǒng)分析員：分析用戶需求，確定數(shù)據(jù)庫事務(wù)；

10、 應(yīng)用程序員：應(yīng)用軟件編碼、調(diào)試和維護(hù)； 終端用戶：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的使用者,第 15 頁,問：數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之間是什么關(guān)系？,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖,硬件,操作系統(tǒng),DBMS,開發(fā)工具軟件,應(yīng)用系統(tǒng),ADBS包括DB和DBMS BDB包括DBS和DBMS CDBMS包括DBS和DB DDBS與DB和DBMS無關(guān),第 16 頁,3. 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu),絕大多數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上都具有三級模式的特征。 模式使用語言描述來規(guī)定數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、屬性等特性，能為計(jì)算機(jī)接受。語言描述嚴(yán)格、準(zhǔn)確，可陳述許多細(xì)節(jié)。 三級模式是對數(shù)據(jù)的三個(gè)抽象級別： 模式（邏輯模式） 內(nèi)模式（存儲(chǔ)模式） 外模式（用

11、戶模式） 為了實(shí)現(xiàn)三個(gè)抽象層次的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在這三級模式中提供了兩層映像： 外模式/模式映像 模式/內(nèi)模式映像 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)可以概括為：三級模式二級映像,第 17 頁,應(yīng)用A,應(yīng)用B,應(yīng)用C,應(yīng)用D,應(yīng)用E,外模式1,外模式2,外模式3,模式,內(nèi)模式,數(shù)據(jù)庫,外模式/模式映象,模式/內(nèi)模式映象,第 18 頁,1) 模式 模式描述的是全局?jǐn)?shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)，又可稱為概念模式。 模式是所有用戶的公共視圖。 它與具體的應(yīng)用程序及使用的高級程序設(shè)計(jì)語言無關(guān)。,三級模式,2) 內(nèi)模式 內(nèi)模式描述的是數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)組織。因而又可稱為存儲(chǔ)模式或物理模式。 內(nèi)模式是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)部的表示。 例

12、如：記錄是順序存儲(chǔ)還是按照 B 樹結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)還是按照hash 方法存儲(chǔ)，索引的組織方式是什么，數(shù)據(jù)是否壓縮、是否加 密，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記錄結(jié)構(gòu)的規(guī)定等。,第 19 頁,三級模式（續(xù)）,3) 外模式 外模式描述的是局部數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)。它是模式的子集，因而又稱為子模式。 是用戶看到的數(shù)據(jù)視圖，即與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。 不同的外模式可以互相覆蓋，同一外模式可以為多個(gè)應(yīng)用程 序所使用，一個(gè)應(yīng)用程序只能使用一個(gè)外模式。,模式反映的是數(shù)據(jù)的全局觀 內(nèi)模式反映的是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)觀 外模式反映的是數(shù)據(jù)的用戶觀 全局觀、存儲(chǔ)觀只有一個(gè)，而用戶觀可能有多個(gè)。,第 20 頁,二級映像,1) 子模式/模式映像定義某一個(gè)外模式和模式之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)模式改變時(shí)，外模式/模式的映像要作相應(yīng)的改變，以保證外模式保持不變。保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性。 2) 模式/內(nèi)模式映像模式/內(nèi)模式的映像：定義數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系，同樣，當(dāng)數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)改變時(shí)，模式/內(nèi)模式的映像也必須作相應(yīng)的修改，使得模式保持不變。保證了數(shù)