第一讲-数据库系统概论讲解课件

数据库系统概论7/13/20241第一讲 绪 论一、数据库系统概述一、数据库系统概述1.1.数据库常用术语和基本概念数据库常用术语和基本概念数据数据(Data)(Data)：描述事物的符号记录称为数据。它可以是数字，也可以是文字、图形、图象、声音、语言等，是数据库中存储的基本对象。数据有多种表现形式，它们都可以经数字化后存入计算机。例如：在学生档案中，可以使用学生的姓名、性别、年龄、出生年月、籍贯、所在系别、入学时间等信息来描述一个学生，下面的学生记录就是数据：(黎明,男,21,1972,江苏,计算机系,1999)7/13/20242 这是数据的形式，对于理解其含义的人来讲，知道它描述的是一个21岁的男性大学生，而对于不理解的人来说，需要经过解释才能理解其含义。可见，数据的形式还不能完全表达其内容，所以数据和数据的解释是不可分的，数据的解释是指对数据含义的说明，数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的。7/13/20243数据库数据库(DataBase(DataBase 简称简称DB)DB)：数据库是长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。收集并抽取出一个应用所需要的大量数据之后，应将其保存起来以供进一步加工处理，进一步抽取有用信息。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和储存，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。7/13/20244数据库管理系统数据库管理系统(DataBase Management System)(DataBase Management System)：简称DBMS。如何科学地组织和存储数据，高效地获取和维护数据，是取得数据后所面临的一个任务，来完成这个任务的是一个系统软件数据库管理系统，它是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。它主要包括以下几个方面的功能：.数据定义：数据定义：DBMS提供数据定义语言(Data Definition Language 简称DDL)，用户通过它可以方便地对数据库中的数据对象进行定义。.数据操纵：数据操纵：DBMS提供数据操纵语言(Data Manipulation Language 简称DML)，用户可以使用DML操纵数据实现对数据库的基本操作，如查询、插入、删除和修改等。7/13/20245.数据库的运行管理：数据库的运行管理：数据库在建立、运行和维护时由数据库管理系统统一管理、统一控制，以保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用及发生故障后的系统恢复。.数据库的建立和维护：数据库的建立和维护：它包括数据库初始数据的输入、转换功能，数据库的转储、恢复功能，数据库的重组织功能和性能监视、分析功能等。这些功能通常由一些实用程序来完成。7/13/20246数据库系统数据库系统(DataBase System(DataBase System 简称简称DBS)DBS)：数据库系统是指在计算机系统中引入数据库后的系统，一般由数据库、数据库管理系统(及其开发工具)、应用系统、数据库管理员和用户构成。应当指出的是，数据库的建立、使用和维护等工作只靠一个DBMS是远远不够的，还要有专门的人员来完成，这些人被称为数据库管理员(DataBase Administrator 简称DBA)。在一般不引起混淆的情况下常常把数据库系统简称为数据库。7/13/20247数据库系统可以用图1-1表示：用户用户用户应用开发工具应用系统数据库管理系统操作系统数据库数据库管理员图1-1 数据库系统7/13/20248硬件系统作操SMBD具工发开用应统系用应图1-2 数据库在计算机系统中的地位数据库系统在整个计算机系统中的地位如图1-2所示：7/13/202492.2.数据管理技术的产生和发展数据管理技术的产生和发展 数据库技术是应数据管理任务的需要而产生的。数据处理是指对各种数据进行收集、存储、加工和传播的一系列活动的总和。数据管理是指对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，它是数据处理的中心问题。在应用需求的推动下，在计算机软硬件发展的基础上，数据管理技术经历了人工管理、文件系统、数据库系统三个阶段。.7/13/202410 人工管理阶段：20世纪50年代中期以前，计算机主要用于科学计算，当时的硬件状况是，外存只有纸带、卡片、磁带，没有磁盘等直接存取的存储设备；软件的状况是，没有操作系统，没有管理数据的软件；数据处理方式是批处理。人工管理数据有如下特点：数据不保存数据不共享数据不具独立性 程序与数据之间的关系是一一对应的。应用程序管理数据7/13/202411 文件系统阶段：20世纪50年代后期到60年代中期，此时硬件方面已经有了磁盘、磁鼓等直接存取设备；软件方面，操作系统中已经有了专门的数据管理软件，一般称为文件系统；处理方式上不仅有了批处理，而且能够联机实时处理。用文件系统管理数据具有如下特点：数据可以长期保存由文件系统管理数据数据共享性差、冗余度大数据独立性差7/13/202412 数据库系统阶段：20世纪60年代后期以来，计算机用于管理的规模越来越大，应用越来越广泛，数据量急剧增长，同时多种应用、多种语言互相覆盖地共享数据集合的要求也越来越强烈。这时的硬件已有大容量磁盘，硬件价格下降；而软件则价格上升，为编制和维护系统软件及应用程序所需的成本相对增加；在处理方式上，联机实时处理要求更多，并开始提出和考虑分布处理。在此背景下，以文件系统作为数据管理手段已经不能满足应用的需求，于是为解决多用户、多应用共享数据的需求，使数据为尽可能多的应用服务，数据库技术便应运而生，出现了统一管理数据的专门软件系统数据库管理系统。从文件系统到数据库系统，标志着数据管理技术的飞跃。7/13/2024133.3.数据库系统的特点数据库系统的特点家庭成员籍贯家庭出身政治面貌年龄系别性别姓名学号图1-3 学生记录格式其中前8项数据是任何学生都必须具有的而且是基本等长的，而各学生的最后一项数据的信息量大小变化较大，如果采用等长记录形式存储学生数据，为了建立完整的学生档案文件，每个学生记 数据结构化：数据结构化数据库与文件系统的根本区别。传统文件的最简单的形式是等长同格式的记录集合。例如：一个学生人事记录文件，每个记录都有如图1-3的记录格式：7/13/202414录的长度必须等于信息量最多的记录的长度，因而会浪费大量的存储空间。所以最好是采用变长记录或主记录与详细记录相结合的形式建立文件。即将学生记录的前8项作为主记录，后1项作为详细记录，则每个记录为如图1-4(a)所示的记录格式，学生黎明的记录如图1-4(b)所示。图1-4(a)主记录-详细记录格式示例籍贯家庭出身政治面貌年龄系别性别姓名学号家庭成员记录详细情况与本人关系姓名7/13/202415图1-4(b)主记录-详细记录江苏无锡工人共青团员21计算机系男黎明99021家庭成员记录父子黎一山母子张羽兄弟黎平7/13/202416 但是这样建立的文件还有局限性，因为这种结构上的灵活只是针对一个应用而言。一个学校或组织涉及许多应用，在数据库系统中不仅要考虑某个应用的数据结构，还要考虑整个组织的数据结构。例如一个学校的信息管理系统不仅要考虑学生的人事管理，还要考虑学籍管理、选课管理，同时还要考虑教员的人事管理、科研管理等应用，可按图1-5方式为信息管理系统组织其中的学生数据：7/13/202417年龄系别性别姓名学号籍贯家庭出身政治面貌学生人事记录详细情况与本人关系姓名奖惩条目日期奖惩情况记录家庭成员记录课程课程号学生选课记录课程记录课程号学分学号学生学籍记录学历名地点日期图1-5 学生数据的组织7/13/202418 这种数据的组织方式为各部分的管理提供了必要的记录，使数据结构化了。这就要求在描述数据时不仅要描述数据本身，还要描述数据之间的联系。在文件系统中虽然记录内部已经有了某些结构，但记录之间没有联系。数据库系统实现整体数据的结构化，是数据库的主要特征之一，也是数据库系统与文件系统的本质区别。在数据库系统中，数据不再针对某一应用，而是面向全组织，具有整体的结构化。7/13/202419 数据的共享性高，冗余度低，易扩充：节约存储空间避免数据之间的不一致性整体数据的子集可用于不同的应用系统数据独立性高：物理独立性：用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中的数据相互独立，即数据在磁盘上的数据库中怎样存储由DBMS来管理，用户程序不需要了解，应用程序要处理的只是数据的逻辑结构，这样当数据的物理存储发生变化时应用程序不用修改。逻辑独立性：用户的应用程序与数据库的逻辑结构相互独立，即数据的逻辑结构改变了，而用户程序也可以不变。7/13/202420 数据由DBMS统一管理和控制：并发(Concurrency)共享：多个用户同时存取数据库中的数据甚至可以同时存取数据库中的同一数据。为此，DBMS必须提供以下几个方面的数据控制功能：数据的安全性(Security)保护：防止不合法的使用造成的数据泄密和破坏；数据的完整性(Integrity)检查：数据的完整性指数据的正确性、有效性和相容性。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；7/13/202421数据由DBMS统一管理和控制：并发(Concurrency)控制：多个用户并发进程同时存取、修改数据库的数据时，可能会发生相互干扰而得到错误的结果或使得数据库的完整性遭到破坏，因此必须对多用户的并发操作加以控制和协调；数据库恢复(Recovery)：计算机系统的硬件故障、软件故障、操作员的失误以及故意的破坏也会影响数据库中数据的正确性，甚至会造成数据库部分或全部数据的丢失。DBMS必须具有将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态(称为完整状态或一致状态)的功能，即数据库的恢复功能。7/13/202422二、数据模型二、数据模型 计算机不可能直接处理现实世界中的具体事物，所以我们必须事先把具体事物转换成计算机能够处理的数据。在数据库中用数据模型数据模型这个工具来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。不同的数据模型实际上是提供给我们模型化数据和信息的不同工具，根据模型应用的不同目的，可以将模型划分为两类，它们分属于两个不同的层次：第一类模型是概念模型概念模型，也称信息模型信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计；另一类是数据模型数据模型，它是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于DBMS的实现。7/13/202423 数据模型是数据库系统的核心和基础，各种实现的DBMS软件都是基于某种数据模型的。把现实世界中的具体事物抽象、组织为某一DBMS支持的数据模型，人们常常先将现实世界抽象为信息世界，然后将信息世界转换为机器世界。即：信息世界概念模型现实世界机器世界DBMS支持的数据模型认识抽象转换图1-6 现实世界中客观对象的抽象过程7/13/202424 信息结构不依赖于具体的计算机系统，不是某一个DBMS支持的数据模型，而是概念级的模型；然后再把概念模型转换为计算机上某一DBMS支持的数据模型，如图1-6所示。7/13/2024251.1.数据模型的组成要素数据模型的组成要素 数据模型是严格定义的一组概念的集合，这些概念精确地描述了系统的静态特性、动态特性和完整性约束条件。因此数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成。数据结构：数据结构是所研究的对象类型的集合。数据结构是刻画一个数据模型性质最重要的方面，因此在数据库系统中通常按照其数据结构的类型来命名数据模型，例如层次结构、网状结构和关系结构的数据模型分别命名为层次模型、网状模型和关系模型。数据结构是对系统静态特性的描述。7/13/202426数据操作：数据操作是指对数据库中各对象(型)的实例(值)允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则。数据库主要有检索和更新(插入、删除、修改)两大类操作。数据模型必须定义这些操作的确切含义、操作符号、操作规则(如优先级)以及实现操作的语言。数据操作是对系统动态特性的描述。数据的约束条件：数据的约束条件是一组完整性规则的集合。完整性规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则，用以限定符合数据模型的数据库的状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。7/13/2024272.2.概念模型概念模型 概念模型用于信息世界的建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，是数据库设计人员进行数据库设计的有力工具，也是数据库设计人员和用户之间进行交流的语言。信息世界中的基本概念 实体(Entity)属性(Attribute)码(Key)域(Domain)实体型(Entity Type)实体集(Entity Set)联系(Relationship)7/13/2024282.2.概念模型概念模型概念模型的表示方法 概念模型的表示方法很多，其中最为著名和最为常用的是P.P.S.Chen 于1976年提出的实体-联系方法(Entity-Relationship Approach)。该方法用E-R图来描述现实世界的概念模型。用E-R图表示的概念模型独立于具体的DBMS所支持的数据模型，是各种数据模型的共同基础，因而比数据模型更一般、更抽象、更接近现实世界。7/13/2024293.3.最常用的数据模型最常用的数据模型层次模型(Hierarchical Model)网状模型(Network Model)关系模型(Relation Model)面向对象模型(Object Oriented Model)其中层次模型和网状模型成为非关系模型。4.4.关系模型关系模型 关系模型是目前最重要的一种数据模型。与层次模型和网状模型不同，关系模型是建立在严格的数学基础之上的。7/13/202430 关系数据模型的数据结构：在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它有行和列组成。现以学生登记表(如图1-7所示)为例，介绍关系模型中的一些术语。学生登记表95法律学女18张文丽9500895商品学男20黄大鹏9500695社会学女19李 燕95004年级系名性别年龄姓名学号图1-7 关系模型的数据结构7/13/202431关系(Relation)：一个关系对应通常说的一张表，如图1-7的学生登记表；元组(Tuple)：表中的一行即为一个元组；主码(Key)：表中的某个属性组，它可以唯一地确定一个元组；属性(Attribute)：表中的一列即为一个属性，给每个属性起一个名即属性名；域(Domain)：属性的取值范围；分量：元组中的一个属性值；关系模式：对关系的描述，一般表示为：关系名(属性1，属性2，属性n)；关系模型中的一些术语：7/13/202432 在关系模型中，实体以及实体之间的联系都是用关系来表示的，例如学生、课程、学生与课程之间的多对多联系在关系模型中可以如下表示：学生(学号，姓名，年龄，性别，系，年级)课程(课程号，课程名，学分)选修(学号，课程号，成绩)7/13/202433 关系数据模型的操纵与完整性约束 关系数据模型的操作主要包括查询、插入、删除和修改数据。这些操作必须满足关系的完整性约束条件。关系的完整性约束条件包括三大类：实体完整性、参照完整性和用户定义完整性。关系模型中的数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系；关系模型把存取路径向用户隐蔽起来，用户只要提出“干什么”或“找什么”，而不必详细说明“怎么干”和“怎么找”，从而大大地提高了数据的独立性，提高了用户的生产率。7/13/202434 关系数据模型的优缺点优点：有严格的数学基础概念单一存取路径对用户透明，具有更高的数据独立性及保密性缺点：查询效率不如非关系模型7/13/202435三、数据库系统结构三、数据库系统结构1.1.数据库系统模式的概念数据库系统模式的概念 在数据模型中有“型”(Type)和“值”(Value)的概念。型型指的是对某一数据的结构和属性的说明，值值是型的一个具体赋值。例如：学生记录定义为(学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯)这样的记录型，而(99021，黎明，男，计算机，21，江苏)则是该记录型的一个记录值。模式(Schema)是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅涉及到型的描述，不涉及到具体的值。7/13/202436 模式的一个具体的值称为模式的一个实例(Instance)。同一模式可以有很多实例。模式是相对稳定的，而实例是相对变动的，因为数据库中的数据是在不断更新的。模式反映的是数据的结构及其关系，而实例反映的是数据库某一时刻的状态。虽然数据库的产品种类很多，支持不同的数据模型，使用不同的数据库语言，建立在不同的操作系统之上，数据的存储结构也各不相同，但它们在体系结构上通常具有相同的特征，即采用三级模式结构并提供两级映象功能。7/13/2024372.2.数据库系统的三级模式结构数据库系统的三级模式结构 模式(Schema)：模式也称为逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。它是数据库系统模式结构的中间层，既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序，与所有的应用开发工具及高级程序设计语言无关。一个数据库只有一个模式。外模式(External Schema)：外模式也称为子模式(Subschema)或用户模式，它是数据库用户(包括程序员和最终用户)能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。7/13/202438 外模式通常是模式的子集，一个数据库可以有多个外模式。同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用，但一个应用程序只能有一个外模式。外模式是保证数据库安全性的一个有力措施，因为每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据，数据库的其余数据是不可见的。内模式(Internal Schema)：内模式也称存储模式，一个数据库只有一个内模式。它是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。例如记录的存取方式是顺序存储、按照B树结构存储还是按hash方法存储；索引是按照什么方式组织；数据是否压缩存储、是否加密；数据的存储记录结构有何规则等。7/13/2024393.3.数据库的二级映象功能与数据独立性数据库的二级映象功能与数据独立性 外模式/模式映象：数据的逻辑独立性。模式/内模式映象：数据的物理独立性。数据与程序之间的独立性，使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去；另外，由于数据的存取由DBMS管理，用户不必考虑存取路径等细节，从而简化了程序的编制，大大减少了应用程序的维护和修改。数据库系统的三级模式结构及二级映象功能如图1-8所示。7/13/202440图1-8 数据库系统的三级模式结构和二级映象功能应用A应用B应用C应用D应用E外模式1外模式2外模式3模式内模式数据库内模式/模式映象外模式/模式映象7/13/202441四、数据库系统的组成四、数据库系统的组成 硬件平台及数据库 硬件平台：内存大，外存大，较高的通道能力。软件：操作系统；DBMS；与数据库接口的高级语言及其编译系统；以DBMS为核心的应用开发工具；为特定应用环境开发的数据库应用系统。人员：数据库管理员DBA；系统分析员和数据库设计人员；应用程序员；用户(最终用户 End User)7/13/202442数据表示外模式模式内模式应用系统DBMS数据库OS用户应 用程序员DBA，系 统分析员数据抽象级别软件系统层次图1-9 各种人员的数据视图各类人员的数据视图如图1-9所示。7/13/202443五、数据库技术的研究领域五、数据库技术的研究领域 数据库管理系统软件的研制 任务：包括研制DBMS本身及以DBMS为核心的一组相互联系的软件系统，包括工具软件和中间件。目标：提高系统的可用性、可靠性、可伸缩性；提高性能和提高用户的生产率。7/13/202444 数据库设计 任务：在DBMS的支持下，按照应用的要求，为某一部门或组织设计一个结构合理、使用方便、效率较高的数据库及其应用系统。主要研究方向：数据库设计方法学和设计工具，包括数据库设计方法、设计工具和设计理论的研究，数据模型和数据建模的研究，计算机辅助数据库设计方法及其软件系统的研究，数据库设计规范和标准的研究。7/13/202445写在最后写在最后成功的基成功的基础在于好的学在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits46谢谢聆听 学习就是为了达到一定目的而努力去干,是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard,Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal