第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)庫技術(shù)就是研究如何對數(shù)據(jù)進行科學的管理以為人們提高可共享的、安全的、可靠的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫技術(shù)一般包含數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)處理兩部分內(nèi)容。本章我們將介紹數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生的背景、使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)管理數(shù)據(jù)帶來的好處、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的組成等。一、教學要求本章包括六個方面的內(nèi)容，要求理解的內(nèi)容有：·數(shù)據(jù)模型的概念?！じ拍顚訑?shù)據(jù)模型和組織層數(shù)據(jù)模型的作用。（實體-聯(lián)系模型要作為重點學習內(nèi)容。）·數(shù)據(jù)庫三級模式結(jié)構(gòu)和劃分意義。（這個部分也是本章的難點，其具體應用在后面的章節(jié)中還會涉及，請大家在學習時注意前后的融會貫通。）·數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主要功能。（這部分內(nèi)容是本章的重點，考試中經(jīng)常出現(xiàn)相關(guān)的內(nèi)容。請大家學習時給予重視。）要求了解的內(nèi)容有：·數(shù)據(jù)庫技術(shù)產(chǎn)生的背景?！?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成。二、重點內(nèi)容輔導1．數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展數(shù)據(jù)管理的發(fā)經(jīng)歷了文件管理和數(shù)據(jù)庫管理兩個階段。（1）用文件管理數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)中有專門的數(shù)據(jù)管理軟件，稱為文件管理系統(tǒng)。文件管理系統(tǒng)把數(shù)據(jù)組織成相互獨立的數(shù)據(jù)文件，利用“按文件名訪問，按記錄進行存取”的方式，可以對文件中的數(shù)據(jù)進行修改、插入和刪除操作。（2）用數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)與直接用文件管理數(shù)據(jù)相比，實際上是在應用程序和存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫之間增加了一層：數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實際上是一個系統(tǒng)軟件。文件管理數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)的區(qū)別：·在用文件管理數(shù)據(jù)時，應用程序是直接訪問存儲數(shù)據(jù)的文件，而用數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)時，應用程序是通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，DBMS）來訪問數(shù)據(jù)。·在用數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)時，用戶在訪問數(shù)據(jù)時不再是針對單個文件進行訪問，而是針對一個存儲有用戶所需全部信息的數(shù)據(jù)庫進行訪問，存儲數(shù)據(jù)的文件的具體信息被隱藏了，而且這些文件的具體操作和存儲位置等細節(jié)信息也由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一進行管理。與文件管理數(shù)據(jù)的局限性進行比較，數(shù)據(jù)庫管理具有以下優(yōu)點。1）相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集成2）較少的數(shù)據(jù)冗余3）程序與數(shù)據(jù)相互獨立4）保證數(shù)據(jù)的安全可靠5）最大限度地保證數(shù)據(jù)的正確性6）數(shù)據(jù)可以共享并能保證數(shù)據(jù)的一致性（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)特征數(shù)據(jù)庫是相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)的集合，它用綜合的方法組織數(shù)據(jù)，具有較小的數(shù)據(jù)冗余，可供多個用戶共享，具有較高的數(shù)據(jù)獨立性，具有安全控制機制，能夠保證數(shù)據(jù)的安全、可靠，允許并發(fā)地使用數(shù)據(jù)庫，能有效、及時地處理數(shù)據(jù)，并能保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的特征并不是數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)固有的，而是由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供和保證的。2．數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)模型（1）數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)：描述事物的符號記錄稱為數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)有一定的格式，這些格式的規(guī)定是數(shù)據(jù)的語法，數(shù)據(jù)的含義是數(shù)據(jù)的語義。信息：人們通過解釋、推論、歸納、分析和綜合等方法，從數(shù)據(jù)所獲得的有意義的內(nèi)容稱為信息。數(shù)據(jù)與信息的關(guān)系：數(shù)據(jù)是信息存在的一種形式，數(shù)據(jù)只有通過解釋或處理才能成為有用的信息。數(shù)據(jù)的特征：分為靜態(tài)特征和動態(tài)特征兩部分。（2）數(shù)據(jù)模型模型是對事物、對象、過程等客觀系統(tǒng)中感興趣的內(nèi)容的模擬和抽象表達，是理解系統(tǒng)的思維工具。數(shù)據(jù)模型（DataModel）也是一種模型，它是對現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象。數(shù)據(jù)的動態(tài)特征（數(shù)據(jù)操作）與數(shù)據(jù)的靜態(tài)特征（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、完整性約束）統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)模型三要素。在數(shù)據(jù)庫中用數(shù)據(jù)模型這個工具來抽象、表示和處理現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)和信息。通俗地講，數(shù)據(jù)模型就是對現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)的模擬?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)均是基于某種數(shù)據(jù)模型的，了解數(shù)據(jù)模型的基本概念是學習數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)模型一般應滿足三個要求：第一個是數(shù)據(jù)模型要能夠比較真實地模擬現(xiàn)實世界；第二個是數(shù)據(jù)模型要容易被人們理解；第三個是數(shù)據(jù)模型要能夠很方便地在計算機上實現(xiàn)。數(shù)據(jù)模型實際上是模型化數(shù)據(jù)和信息的工具。根據(jù)模型應用目的的不同，可以將模型分為兩大類，它們分別屬于兩個不同的層次。第一類是概念層數(shù)據(jù)模型，也稱為概念模型或信息模型，它從數(shù)據(jù)的應用語義視角來抽取模型并按用戶的觀點來對數(shù)據(jù)和信息進行建模。另一類是組織層數(shù)據(jù)模型，也稱為組織模型，它從數(shù)據(jù)的組織方式來描述數(shù)據(jù)。所謂組織層就是指用什么樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫發(fā)展到現(xiàn)在主要包括如下幾種組織模型：層次模型（用樹型結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)）、網(wǎng)狀模型（用圖型結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)）、關(guān)系模型（用簡單二維表結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)）以及對象-關(guān)系模型（用復雜的表格以及其他結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)）。3．概念數(shù)據(jù)模型（1）基本概念概念數(shù)據(jù)模型：抽象現(xiàn)實系統(tǒng)中有應用價值的元素及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，反映現(xiàn)實系統(tǒng)中有應用價值的信息結(jié)構(gòu)，并且不依賴于數(shù)據(jù)的組織層結(jié)構(gòu)。概念數(shù)據(jù)模型用于信息世界的建模，是現(xiàn)實世界到信息世界的第一層抽象，是數(shù)據(jù)庫設計人員進行數(shù)據(jù)庫設計的工具，也是數(shù)據(jù)庫設計人員和用戶之間進行交流的工具。該模型一方面應該具有較強的語義表達能力，能夠方便、直接地表達應用中的各種語義知識；另一方面它還應該簡單、清晰和易于被用戶理解。概念數(shù)據(jù)模型是面向用戶、面向現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)模型，它與具體的DBMS無關(guān)。我們這里介紹實體-聯(lián)系（Entity-Relationship，E-R）模型，是最常使用的一種模型。（2）實體-聯(lián)系模型1）實體實體是具有公共性質(zhì)、并且可以相互區(qū)分的現(xiàn)實世界對象的集合。實體是具體的，例如：職工、學生、教師、課程都是實體。在E-R圖中用矩形框表示具體的實體，把實體名寫在框內(nèi)。2）屬性屬性就是描述實體或者聯(lián)系的性質(zhì)或特征的數(shù)據(jù)項，一個實體中的所有實例都具有相同的性質(zhì)，在E-R模型中，這些性質(zhì)或特征就是屬性。3）聯(lián)系聯(lián)系是數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)集合，是客觀存在的應用語義鏈。實體內(nèi)部的聯(lián)系通常是指一個實體內(nèi)屬性之間的聯(lián)系，實體之間的聯(lián)系通常是指屬于不同實體的屬性之間的聯(lián)系。通常情況下我們遇到的聯(lián)系大多都是實體之間的聯(lián)系。在E-R模型中，聯(lián)系用菱形框表示，框內(nèi)寫上聯(lián)系名，并用連線將聯(lián)系框與它所關(guān)聯(lián)的實體連接起來。聯(lián)系也可以有自己的屬性。4）聯(lián)系的三種類型兩個實體之間的聯(lián)系通常分為三類：·一對一聯(lián)系（1：1）如果實體A中的每個實例在實體B中至多有一個（也可以沒有）實例與之關(guān)聯(lián)，反之亦然，則稱實體A與實體B具有一對一聯(lián)系，記作：1：1?！ひ粚Χ嗦?lián)系（1：n）如果實體A中的每個實例在實體B中有n個實例（n≥0）與之關(guān)聯(lián)，而實體B中的每個實例在實體A中最多只有一個實例與之關(guān)聯(lián)，則稱實體A與實體B是一對多聯(lián)系，記作：1：n?！ざ鄬Χ嗦?lián)系（m：n）如果實體A中的每個實例在實體B中有n個實例（n≥0）與之關(guān)聯(lián)，而實體B中的每個實例在實體A中也有m個實例（m≥0）與之關(guān)聯(lián)，則稱實體A與實體B的聯(lián)系是多對多的，記為m：n。一對一聯(lián)系是一對多聯(lián)系的特例，一對多聯(lián)系是多對多聯(lián)系的特例。E-R圖的作用：E-R圖廣泛用于數(shù)據(jù)庫設計的概念結(jié)構(gòu)設計階段。用E-R模型表示的數(shù)據(jù)庫概念設計結(jié)果非常直觀，易于用戶理解，而且所設計的E-R圖與具體的數(shù)據(jù)組織方式無關(guān)，并且可以被直觀地轉(zhuǎn)換為關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系表。4．關(guān)系數(shù)據(jù)模型關(guān)系模型是目前最重要的一種數(shù)據(jù)模型，關(guān)系數(shù)據(jù)庫是采用關(guān)系模型作為數(shù)據(jù)的組織方式。關(guān)系模型源于數(shù)學，它把數(shù)據(jù)看成是二維表中的元素，而這個二維表在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中就稱為關(guān)系，二維表的結(jié)構(gòu)稱為關(guān)系模式。用關(guān)系（表格數(shù)據(jù)）表示實體和實體之間的聯(lián)系的模型就稱為關(guān)系模型。在關(guān)系模型中，實體以及實體和實體之間的聯(lián)系都用關(guān)系來表示，實體之間的聯(lián)系不再通過指針來實現(xiàn)。表1和表2所示分別為“學生”和“選課”關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中“學生”和“選課”間的聯(lián)系是靠“學號”列實現(xiàn)的。表1學生學號姓名年齡性別所在系0811101李勇21男計算機系0811102劉晨20男計算機系0811103王敏20女計算機系0821101張立20男信息管理系0821102吳賓19女信息管理系表2選課學號課程號成績0811101C001960811101C002800811101C003840811101C005620811102C001920811102C002900811102C004840821102C001760821102C004850821102C005730821102C007NULL關(guān)系模型易于設計、實現(xiàn)、維護和使用，它與層次模型和網(wǎng)狀模型的最根本區(qū)別是，關(guān)系模型不依賴于導航式的數(shù)據(jù)訪問方式，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的變化不會影響數(shù)據(jù)的訪問方式。5．數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)劃分為：外模式、模式和內(nèi)模式三個抽象結(jié)構(gòu)，同時在三個模式中間提供二級映像功能。這些結(jié)構(gòu)的劃分反映了看待數(shù)據(jù)庫的三個角度。下圖說明了這三種模式以及模式之間的映像關(guān)系?！?nèi)模式：是最接近物理存儲的，也就是數(shù)據(jù)的物理存儲方式?！ね饽Ｊ剑菏亲罱咏脩舻?，也就是用戶所看到的數(shù)據(jù)視圖?！つＪ剑菏墙橛趦?nèi)模式和外模式之間的中間層次。外模式是面向每一類用戶的信息需求而設計，是數(shù)據(jù)的外部視圖，外模式可以有多個。模式是面向全體用戶的信息需求而設計的，在一個數(shù)據(jù)庫應用中，所有的信息作為一個整體考慮，因此模式只有一個，它是數(shù)據(jù)在概念層的視圖。內(nèi)模式描述的是數(shù)據(jù)的物理存儲，它是數(shù)據(jù)的內(nèi)部視圖。1）外模式外模式也稱為用戶模式或子模式，它是對現(xiàn)實系統(tǒng)中用戶感興趣的整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的局部描述，用于滿足不同數(shù)據(jù)庫用戶的數(shù)據(jù)需求，是數(shù)據(jù)庫用戶能夠看見和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是數(shù)據(jù)庫整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的子集或局部重構(gòu)。外模式是面向每一類用戶的信息需求而設計，是數(shù)據(jù)的外部視圖。外模式就是特定用戶所看到的其感興趣的數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，對那些用戶來說，外模式就是數(shù)據(jù)庫。外模式通常是模式的子集。一個數(shù)據(jù)庫可以有多個外模式。構(gòu)建外模式也是保證數(shù)據(jù)庫安全的一種方法。2）模式模式也稱為概念模式或邏輯模式，是對數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。模式表示數(shù)據(jù)庫中的全部信息，其形式要比數(shù)據(jù)的物理存儲方式抽象。它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的中間層，既不涉及數(shù)據(jù)的物理存儲細節(jié)和硬件環(huán)境，也與具體的應用程序、與所使用的應用開發(fā)語言和環(huán)境（比如，VB.NET、Java等）無關(guān)。模式實際上是數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)在邏輯級上的視圖。一個數(shù)據(jù)庫只有一種模式。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供了模式定義語言（DDL）來定義數(shù)據(jù)庫的模式。3）內(nèi)模式內(nèi)模式也稱為存儲模式。內(nèi)模式是對整個數(shù)據(jù)庫的底層表示，它描述了數(shù)據(jù)的物理存儲，比如數(shù)據(jù)的存放位置、數(shù)據(jù)的組織方式（有序或無序）、是否加密等。注意內(nèi)模式與物理層是不一樣的，內(nèi)模式不涉及物理記錄的形式（即物理塊或頁，輸入／輸出單位），也不考慮具體設備的柱面或磁道大小。換句話說，內(nèi)模式假定了一個無限大的線性地址空間，地址空間到物理存儲的映射細節(jié)是與特定系統(tǒng)有關(guān)的，這些并不反映在體系結(jié)構(gòu)中。6．數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1.6.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是采用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)的計算機應用系統(tǒng)。狹義上講，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要指數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。廣義上講，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（及其開發(fā)工具）、應用系