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机械自动化学院机械自动化学院20152015数据数据库系系统概概论第一第一讲 绪论 主讲：主讲：顾顾 曦曦 电话：电话：1569718107915697181079EmailEmail：0、信息信息记录发展展简史史*20.1信息记录发展简史*3印加葵布印加葵布记录记录问题？问题？数据数据-信息间的转换信息间的转换信息记录发展简史（2）*4记录文字文字问题？问题？信息的存储与组织信息的存储与组织信息记录发展简史（3）*5记录文字书籍和图书馆书籍和图书馆问题？问题？信息量信息量*61024GB=1TB1024TB=1PB1024PB=1EB1024EB=1ZB2008：0.49ZB英英 维克托维克托迈尔迈尔舍恩伯格舍恩伯格（Viktor Mayer-Schnberger）国家图书馆的纸质信息量总和国家图书馆的纸质信息量总和20T2014年：年：50亿亿TB信息记录发展简史（4）*7记录文字图书馆磁盘磁盘问题问题信息的使用（检索、关联、效率）信息的使用（检索、关联、效率）信息记录发展简史（5）*8记录文字图书馆磁盘数据库数据库Google的数据中心内景的数据中心内景百度每天处理的数据量将近百度每天处理的数据量将近100个个PB，相当于，相当于5000个国家个国家图书馆的信息量的总和图书馆的信息量的总和0.2数据库系统的发展史上世纪50年代和60年代早期：数据的处理用磁带来存储磁带只能提供顺序访问使用打孔卡输入*9数据库系统的发展史（2）上世纪60年代和70年代：使用磁盘，可以直接访问数据广泛使用网络网络和层次层次数据模型Codd定义了关系数据模型关系数据模型获得图灵奖IBM开始R系统原型的研究UC伯克利开始安格尔原型的研究出现高性能事务处理事务处理*10数据库系统的发展史（3）1980s:关系数据库商用SQL成为工业标准并行和分布式数据库系统面向对象面向对象数据库系统1990s：决策支持和数据挖掘的应用数据仓库网络商业的兴起*11数据库系统的发展史（4）本世纪初：XML和XQuery标准自动数据库管理庞大的数据存储系统谷歌的Bigtable，雅虎，亚马逊，.*12图灵奖历史上的三位数据库专家1973年年,查理士查理士巴赫曼巴赫曼(Charles W.Bachman):“网状数据库之父网状数据库之父”或或“DBTG之父之父”1981年年,埃德加埃德加科德科德(Edgar F.Codd):“关系数据库之父关系数据库之父”1998年年,詹姆斯詹姆斯尼古拉尼古拉格雷格雷(James Gray):数据库与事务数据库与事务处理处理1、课程概述程概述*141.1Why*15机械工机械工程程专业的有机的有机组成部成部分分信息信息时代的需代的需要要数据库的地位数据库技术产生于六十年代末，是计算机科学的重要分支重要分支。*16数据库技术是信息系统的核心和基础核心和基础，它的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透向各行各业的渗透。数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志重要标志。数据管理技术的体系知识点知识点理论理论方法方法技术技术应用应用基础基础知识知识关系关系数据库数据库数据库数据库设计设计系统系统管理管理数据库数据库新技术新技术使用使用管理管理开发开发研究范畴研究范畴学习深度与广度学习深度与广度1.2What*18章节章节理论理论实验实验 1 1、绪论绪论2 2 2、数据库系统数据库系统与关系代数与关系代数4 3 3、SQLSQL语言语言8 4 4、数据库数据库安全性安全性与完整性与完整性4 5 5、数据库数据库开发开发4 6 6、数据结构与索引、数据结构与索引4 7 7、关系数据理论关系数据理论与范式与范式4 8 8、并发控制与事务处理、并发控制与事务处理4 9 9、查询处理查询处理与与优化优化4 10 10、数据库数据库恢复技术恢复技术2 11 11、数据库设计与工具、数据库设计与工具4 12 12、数据库的新技术、数据库的新技术41.3How教材教材数据库系统原理与设计，数据库系统原理与设计，万常选万常选 等编著，清华等编著，清华大学出版社，大学出版社，2009-9*19参考书参考书王珊：数据库系统概论王珊：数据库系统概论(第四版第四版)，高等教育出版，高等教育出版社，社，2006.5 选用的数据库1、mySQLMySQL由瑞典MySQL AB公司开发，采用了GPL（GNU通用公共许可证）。其体积小、速度快、总体拥有成本低，开放源码，现已被Oracle收购。MySQL社区版（MySQL Community Server）商业版本:MySQL标准版MySQL企业版MySQL集群版*201、下载、下载http:/作业1：下载安装数据库mySQL2、安装、安装解压到安装目录启启动服服务器器cmd-安装目安装目录mysqld-console运行客运行客户端端cmd-安装目安装目录mysql test学习方式 听课 （启发式、讨论式）读书 （预习、复习）多练习（特别是SQL）实验课安排：待定*231.4课程成绩组成成绩组成：成绩组成：平时成绩平时成绩：40%考考 试：试：60%考试时间考试时间：2015年年5月月21日日 上午上午 8：00地点地点：待定待定形式：形式：开卷开卷题型题型：选择（选择（30）、填空（）、填空（20）简简答（答（20）、编程编程（30）*242、信息、信息 数据数据 数据管理数据管理2.1信息信息信息是现实世界中的事物，通过人的感官感知并经过人脑的抽象后形成的概念“凡是在一种情况下能凡是在一种情况下能减少不确减少不确定性定性的任何事物都叫做信息。的任何事物都叫做信息。”香农（C.E.Shannon），通信的数学理论，1948年“是我们对外界进行调节并使我们的调节为是我们对外界进行调节并使我们的调节为外界所了解时而与外界交换来的东西。外界所了解时而与外界交换来的东西。”维纳（N.Wiener），人有人的用处控制论和社会，1948信息的特性普遍性和普遍性和客客观性性是有用的是有用的依附性依附性共享性共享性可可传输性性可可识别性性可可压缩性性可可转换性性*272.2数据数据是指用符号记录下来的可以鉴别的信息，用于记录事物的情况；数据是信息的载体，是承载信息的符号。数据的内容是事物特征的反映或描述。数据的形式可以是数字、文字、图形、图像等符号。数据有数据类型数据类型和数据值数据值之分。数据的语义数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的。例如 93是一个数据语义1：学生某门课的成绩语义2：某人的体重语义3：计算机系2003级学生人数语义4：请同学给出。*292.3数据管理数据处理数据处理：从大量的、可能是杂乱无章的、难以理解的数据中抽取并推导出对于某些特定的人们来说有价值、有意义的数据。数据管理数据管理：对数据进行有效的分类、组织、编码、存储、检索、维护和应用数据处理的中心问题。例：图书馆的图书管理：处理图书的分类、保存、标引、检索和处理等。*30312.4数据管理技术的发展三个阶段三个阶段人工管理人工管理文件系文件系统 管理管理数据数据库管理管理1)人工管理阶段20世纪50年代中期以前的这段时间。计算机还很简陋，尚没有完整的操作系统，主要应用于科学计算。数据是面向应用程序的，一个数据集只能对应于一个程序。数据需要由应用程序自己定义和管理，没有相应的软件系统专门负责数据的管理工作。当多个应用程序涉及某些相同的数据时，必须由各自的应用程序分别定义和管理这些数据，无法共享利用，因此存在大量冗余数据。应用程序应用程序1应用程序应用程序2应用程序应用程序n数据集数据集1数据集数据集2数据集数据集n应用程序与数据应用程序与数据之间的对应关系之间的对应关系信息孤岛*332)文件系统阶段20世纪50年代后期到60年代中期的这段时间。计算机除了应用于科学计算外，已开始应用于数据管理在操作系统之上建立的文件系统已经成熟并广泛应用，数据由专门的软件进行统一管理。对于一个特定的应用，数据被集中组织存放在多个数据文件（以后简称为文件）或文件组中，并针对该文件组来开发特定的应用程序。利用“按文件名访问，按记录进行存取”的管理技术，可以对文件进行记录的修改、插入和删除等操作。存取存取方法方法应用程序应用程序1应用程序应用程序2应用程序应用程序n文件组文件组1文件组文件组2文件组文件组n文件系统阶段应用程序与数据文件系统阶段应用程序与数据之间的对应关系之间的对应关系文件系统的主要特点文件系统实现了文件内的结构性文件内的结构性，即一个文件内的数据是按记录进行组织的，这样的数据是有结构的。整体上还是无结构整体上还是无结构的，即多个文件之间是相互独立的，无法建立全局的结构化数据管理模式。程序和数据之间由文件系统提供的存取方法进行转换，程序员可以不必过多地考虑物理细节。由于数据在存储上的改变不一定反映在程序上，因此应用程序与数据之间有了一定的物理独立性。文件系统的弊端数据共享性差，数据冗余和不一致数据共享性差，数据冗余和不一致数据冗余数据冗余是指相同的数据在不同的地方是指相同的数据在不同的地方(文件文件)重复存储重复存储文件系统中的一个文件系统中的一个(或一组或一组)文件基本上对应于一个应用程序，文件基本上对应于一个应用程序，不同应用程序之间很难共享相同数据不同应用程序之间很难共享相同数据数据独立性差数据独立性差文件系统中的文件组是为某一特定应用服务的，其文件系统中的文件组是为某一特定应用服务的，其逻辑结逻辑结构对于该特定应用程序来说是优化的构对于该特定应用程序来说是优化的，但系统也不易扩充，但系统也不易扩充数据与应用程序之间缺乏数据与应用程序之间缺乏逻辑独立性逻辑独立性数据孤立，数据获取困难数据孤立，数据获取困难对于对于数据与数据之间的联系数据与数据之间的联系，文件系统缺乏有效的管理手，文件系统缺乏有效的管理手段段文件系统的弊端完整性问题完整性问题数据的数据的完整性完整性是指数据的正确性、有效性和相容性，也称为是指数据的正确性、有效性和相容性，也称为一致性约束一致性约束例如，一个学生需要选修某门课程，该学生必须例如，一个学生需要选修某门课程，该学生必须已经修过了已经修过了该课程规定的先修课程时才能选修该课程规定的先修课程时才能选修(因为课程之间存在先修后因为课程之间存在先修后修关系修关系)；必须在该教学班尚未选满时才能选修必须在该教学班尚未选满时才能选修(因为教室容因为教室容量有限量有限)；必须在时间上与其它已经选修的课程不冲突时才能必须在时间上与其它已经选修的课程不冲突时才能选修选修 安全性问题安全性问题 一个系统可能有很多用户，不同用户可能只允许其一个系统可能有很多用户，不同用户可能只允许其访问一部访问一部分数据分数据，即该用户，即该用户只有一部分数据的访问权限只有一部分数据的访问权限 文件系统的弊端原子性问题原子性问题 计算机系统有时会发生故障，计算机系统有时会发生故障，一旦故障发生并被检测到，一旦故障发生并被检测到，数据就应该恢复到故障发生前的状态数据就应该恢复到故障发生前的状态例如，学生选课时，不仅要在选课文件中例如，学生选课时，不仅要在选课文件中增加某学生选修增加某学生选修某门课的记录某门课的记录，同时也要，同时也要在该课程教学班记录中将已选课在该课程教学班记录中将已选课人数加人数加1，以便学生选课时进行容量控制，以便学生选课时进行容量控制因此，增加选课记录与选课人数加因此，增加选课记录与选课人数加1两个操作两个操作要么都发生，要么都发生，要么都不发生要么都不发生，这就是学生选课操作的，这就是学生选课操作的原子性原子性要求要求并发访问异常并发访问异常 系统应该允许多个用户同时访问数据，在这样的环境中由系统应该允许多个用户同时访问数据，在这样的环境中由于并发更新操作相互影响，于并发更新操作相互影响，可能会导致数据的不一致可能会导致数据的不一致3)数据库管理系统阶段20世纪60年代后期以来数据管理对象的规模越来越大，应用范围越来越广，多种应用共享数据的要求越来越强烈数据库管理系统(DBMS)是由一个相互关联的数据的集合和一组用以访问、管理和控制这些数据的程序组成这个数据集合通常称为数据库(database,DB)，其中包含了关于某个企业信息系统的所有信息DBMS是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，它提供一个可以方便且高效地存取、管理和控制数据库信息的环境DBMS和操作系统一样，都是计算机的基础软件（系统软件），也是一个大型复杂的软件系统3、数据、数据库 数据数据库系系统 数据数据库管理系管理系统*403.1数据库(Database,DB)定义定义：数据库是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。基本特征基本特征数据按一定的数据模型组织、描述和储存可为各种用户共享冗余度较小数据独立性较高易扩展*413.2数据库系统（DatabaseSystem，简称DBS）DBS：在计算机计算机系统系统中引入数据库后的系统构成。系统构成。*423.3数据库管理系统(DatabaseManagementSystem，DBMS)定义位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。是基础软件基础软件，是一个大型复杂的软件系统 DBMS的用途解决了文件处理系统中存在的问题有效地管理大量的数据，科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据涉及数据存储结构的定义数据存储结构的定义和数据操作机制数据操作机制*43DBMS的主要功能1数据定义功能提供数据定义语言(DDL)定义数据库中的数据对象数据组织、存储和管理分类组织、存储和管理各种数据确定组织数据的文件结构和存取方式实现数据之间的联系提供多种存取方法提高存取效率*44DBMS的主要功能2数据操纵功能提供数据操纵语言(DML)实现对数据库的基本操作 (查询、插入、删除和修改)数据库的事务管理和运行管理统一管理和控制数据库的建立建立、运行运行和维护维护保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用发生故障后的系统恢复*45DBMS的主要功能3数据库的建立和维护功能(实用程序)数据库初始数据装载转换 数据库转储 介质故障恢复 数据库的重组织 性能监视分析等其它功能DBMS与网络中其它软件系统的通信 两个DBMS系统的数据转换 异构数据库之间的互访和互操作*46数据库管理系统的主要特点数据结构化。数据库管理系统实现数据的整体结构化，这是数据库的主要特征之一，也是数据库管理系统与文件系统的本质区别一是指数据不仅仅是内部结构化，而是将数据以及数据之间的联系统一管理起来，使之结构化。问题：如何记录学生的成绩？需要记录的信息：学生信息，课程信息，成绩信息*48 学生、课程、学生成绩文件结构学生、课程、学生成绩文件结构姓名姓名性别性别学号学号出生日期出生日期所学专业所学专业家庭住址家庭住址联系电话联系电话学生文件学生文件Student的记录结构的记录结构课程号课程号课程名称课程名称教材名称教材名称学时学时学分学分课程文件课程文件Course的记录结构的记录结构学号学号课程号课程号学期学期成绩成绩学生成绩文件学生成绩文件Score的记录结构的记录结构数据库管理系统的主要特点二是指在数据库中的数据不是仅仅针对某一个应用，而是面向全组织的所有应用。例如，一个学校的信息系统中不仅要考虑教务处的学生成绩管理，还要考虑学生处的学籍注册管理、学生奖惩管理、学生家庭成员管理，以及财务处的学生缴费管理；同时还要考虑研究生院的研究生管理、科研处的科研管理、人事处的教职工人事管理和工资管理等。因此，学校信息系统中的学生数据要面向全校各个职能管理部门和院系的应用，而不仅仅是教务处的一个学生成绩管理应用。某校信息管理系统中的学生数据某校信息管理系统中的学生数据姓名姓名 性别性别学号学号出生日期出生日期 所学专业所学专业 学生基本情况学生基本情况课程号课程号课程名称课程名称 课程课程学号学号课程号课程号学期学期 成绩成绩 学生成绩学生成绩日期日期学号学号管理员管理员 学生学籍注册学生学籍注册日期日期学号学号奖惩条目奖惩条目 学生奖惩学生奖惩序号序号学号学号与本人关系与本人关系 学生家庭成员学生家庭成员成员姓名成员姓名详细情况详细情况日期日期学号学号管理员管理员 学生缴费学生缴费金额金额数据库管理系统的主要特点数据的共享度高，冗余度底，易扩充数据的共享度高，冗余度底，易扩充数据库管理系统数据库管理系统从整体角度描述和组织数据从整体角度描述和组织数据，数据不，数据不再是面向某个应用，而是面向整个系统再是面向某个应用，而是面向整个系统因此，数据可以因此，数据可以被多个用户、多个应用共享使用被多个用户、多个应用共享使用数据共享可以大大减少数据的冗余，避免数据之间的数据共享可以大大减少数据的冗余，避免数据之间的不一致性不一致性 数据独立性高数据独立性高数据独立性数据独立性是用来描述数据与应用程序之间的依赖程度，是用来描述数据与应用程序之间的依赖程度，包括数据的物理独立性和数据的逻辑独立性，依赖程度包括数据的物理独立性和数据的逻辑独立性，依赖程度越低则独立性越高越低则独立性越高物理独立性物理独立性是指用户的应用程序与存储在磁盘上数据库是指用户的应用程序与存储在磁盘上数据库中的数据是相互独立的中的数据是相互独立的逻辑独立性逻辑独立性是指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是是指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的相互独立的 *51数据库管理系统的主要特点数据库管理系统的主要特点数据由数据库管理系统（DBMS）统一管理和控制 数据的安全性保护：保护数据以防止不合法的使用造成数据的泄密和破坏数据的完整性检查：将数据控制在有效的范围内，或保证数据之间满足一定的关系并发控制：对多个用户或应用同时访问同一个数据的并发操作加以控制和协调，确保得到正确的修改结果或数据库的完整性不遭到破坏数据库恢复：当计算机系统发生硬件或软件故障时，需要将数据库从错误状态恢复到某一已经正确状态 应用程序或用户应用程序或用户1应用程序或用户应用程序或用户2应用程序或用户应用程序或用户n数据库数据库数据库管理系统阶段应用程序与数据之间的对应关系数据库管理系统阶段应用程序与数据之间的对应关系数据库数据库管理系管理系统统break（）；（）；*53
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