第1章數據庫系統(tǒng)概述學習重點數據管理技術的發(fā)展相關術語和基本概念數據庫模型數據庫系統(tǒng)結構通訊錄：圖書館：數據庫數據的倉庫，即數據存放的地方小數據庫可用手工管理大型數據庫必須由計算機進行管理計算機三大主要應用領域？科學計算過程控制數據處理70%信息的特征信息、數據、數據處理與數據管理

數據與信息信息能源材料客觀世界的三大要素采集并加工、傳遞消息情報指令數據信號學號：S1姓名：趙亦性別：女年齡：17歲所在系別：計算機源于物質和能量可以感知可存儲、加工、傳遞和再生數據數據是信息的具體表現形式數據的表現形式數據與信息的聯系數據是信息的符號表示或載體信息是數據的內涵，是對數據的語義解釋S1趙亦女17歲計算機數字文字圖形圖象聲音等數據處理與數據管理

信息＝數據＋數據處理將數據轉換成信息包括數據的收集、管理、加工利用乃至信息輸出數據的收集、整理、組織、編碼、存儲、維護、檢索、傳輸等操作數據處理

數據管理

產出輸出結果原料輸入“數據處理”的真正含義應該是為了產生信息而處理數據

數據庫技術的產生和發(fā)展手工管理階段（50年代中期以前）文件系統(tǒng)階段（50年代中期以后——60年代中期）數據庫系統(tǒng)階段（60年代后期開始）膨脹的數據量需要新的數據管理方法手工管理階段背景計算機主要用于科學計算數據量小、結構簡單，如高階方程、曲線擬和等外存為順序存取設備磁帶、卡片、紙帶，沒有磁盤等直接存取設備沒有操作系統(tǒng)，沒有數據管理軟件用戶用機器指令編碼，通過紙帶機輸入程序和數據，程序運行完畢后，由用戶取走紙帶和運算結果，再讓下一用戶上機操作需求技術條件手工管理階段手工管理階段手工管理階段具有以下特點：用戶完全負責數據管理工作數據的組織、存儲結構、存取方法、輸入輸出等數據完全面向特定的應用程序每個用戶使用自己的數據，數據不保存，用完就撤走數據與程序沒有獨立性程序中存取數據的子程序隨著存儲結構的改變而改變磁帶的特點優(yōu)點：廉價地存放大容量數據缺點：順序訪問；1%所需，100%訪問文件系統(tǒng)階段背景計算機不但用于科學計算，還用于管理外存有了磁盤、磁鼓等直接存取設備有了專門管理數據的軟件，一般稱為文件系統(tǒng)文件存儲空間的管理目錄管理文件讀寫管理文件保護需求技術條件文件系統(tǒng)階段文件系統(tǒng)階段文件系統(tǒng)階段具有以下優(yōu)點：系統(tǒng)提供一定的數據管理功能存取方法（索引文件、鏈接文件等）支持對文件的基本操作（增、刪、改、查等），用戶程序不必考慮物理細節(jié)數據仍是面向應用的一個數據文件對應一個或幾個用戶程序數據與程序有一定的獨立性文件系統(tǒng)階段文件系統(tǒng)階段具有以下缺點：數據的共享性差，冗余度大數據分散管理，孤立數據的不一致性由于數據存在很多副本，給數據的修改與維護帶來困難，容易造成數據的不一致性數據查詢困難記錄之間無聯系文件系統(tǒng)階段數據庫系統(tǒng)階段背景計算機管理的數據量大，關系復雜，共享性要求強（多種應用、不同語言共享數據）外存有了大容量磁盤、光盤編制和維護軟件及應用程序成本相對增加，其中維護的成本更高，力求降低數據庫系統(tǒng)階段數據不是依賴于程序的附屬品，而是現實世界中獨立存在的對象數據庫系統(tǒng)階段數據庫系統(tǒng)階段用數據庫系統(tǒng)來管理數據比文件系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點:1．面向數據模型對象2．數據的共享性高、冗余度低、易擴充3．數據和程序之間具有較高的獨立性4．數據由DBMS統(tǒng)一管理和控制數據庫系統(tǒng)的組成

數據庫系統(tǒng)（DBS）數據庫計算機軟件系統(tǒng)數據庫用戶計算機硬件系統(tǒng)用戶1用戶2用戶n…用戶應用系統(tǒng)應用開發(fā)工具DBMS操作系統(tǒng)OS數據庫數據庫管理員軟件系統(tǒng)相關術語和基本概念數據庫（Database，簡稱DB）數據庫管理系統(tǒng)（DatabaseManagementSystem，簡稱DBMS）數據庫系統(tǒng)（DatabaseSystem，簡稱DBS）數據庫（DataBase）長期儲存在計算機內，有組織的、可共享的數據集合。數據庫中的數據不是孤立的，數據與數據之間是相互關聯的。數據庫中的數據具有較小的冗余度、較高的數據獨立性和易擴展性。數據庫管理系統(tǒng)（DBMS）數據管理系統(tǒng)軟件。管理、控制數據庫的建立、運行和維護。位于操作系統(tǒng)和用戶應用之間總是基于某種數據模型數據庫廠商的產品通常

指DBMS，如Oracle、

SQLServer、DB2、

Informix、MySQL等目的提供一個可以方便地、有效地存取數據庫信息的環(huán)境。數據庫系統(tǒng)（DBS）數據庫引入到計算機系統(tǒng)中的系統(tǒng)構成：

數據庫

DBMS＋開發(fā)工具應用軟件系統(tǒng)人員（數據庫管理員DBA、應用程序員、最終用戶）在一般不引起混淆的情況下常常把數據庫系統(tǒng)簡稱為數據庫。數據庫系統(tǒng)的模式結構數據庫系統(tǒng)的三級模式結構數據庫系統(tǒng)內部的體系結構從邏輯上分為三級學號姓名性別年齡系別

001101張立男20計算機型值模式實例外模式模式內模式外模式——用戶模式（視圖）是模式的子集或變形，是與某一應用有關的數據的邏輯表示不同用戶需求不同，看待數據的方式也可以不同，對數據保密的要求也可以不同，使用的程序設計語言也可以不同，因此不同用戶的外模式的描述可以使不同的。模式——邏輯模式是數據庫中全體數據的邏輯結構和特性的描述，是所有用戶的公共數據視圖DBMS提供數據定義語言DDL來描述邏輯模式，嚴格定義數據的名稱、特征、相互關系、約束等內模式——存儲模式是數據在數據庫系統(tǒng)的內部表示，即對數據的物理結構/存儲方式的描述，是低級描述，一般由DBMS提供的語言或工具完成

數據庫系統(tǒng)的三級模式結構應用1應用2應用n外模式1…外模式m…外模式/模式映象模式模式/內模式映象內模式數據庫用戶級概念級物理級內模式是整個數據庫實際存儲的表示模式是整個數據庫實際存儲的抽象表示外模式是概念模式的某一部分的抽象表示外模式模式內模式數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述數據庫用戶能看到并允許使用的那部分局部數據的邏輯結構和特征的描述它是對數據庫存儲結構的描述，是數據在數據庫內部的表示方式可有多個只有一個數據庫系統(tǒng)的二級映象與數據獨立性DBMS在三級模式之間提供了二級映象功能，保證了數據庫系統(tǒng)中的數據能夠具有較高的邏輯獨立性與物理獨立性。外模式/模式映象模式/內模式映象保證了數據與程序間的邏輯獨立性確保了數據的物理獨立性數據庫系統(tǒng)的外部體系結構單用戶結構的數據庫系統(tǒng)主從式結構的數據庫系統(tǒng)分布式結構的數據庫系統(tǒng)客戶/服務器結構的數據庫系統(tǒng)瀏覽器/服務器結構的數據庫系統(tǒng)一臺計算機，不能共享數據大型主機帶多個終端；主機處理，終端輸出是分布在計算機網絡上的多個邏輯相關的數據庫的集合把DBMS的功能與應用程序分開；管理數據的節(jié)點稱為服務器應用DBMS的節(jié)點稱為客戶機將客戶端運行的應用程序轉移到應用服務器上，充當了客戶機和數據庫服務器的中介DBS數據庫管理系統(tǒng)（DBMS）DBMS的主要功能數據定義功能定義數據庫對象：表、索引、約束、用戶等定義有關的約束條件DBMS核心數據定義查詢更新各種控制數據操縱功能數據庫的基本操作：檢索、更新（包括插入、修改、刪除）等。數據庫運行管理功能DBMS對數據庫的控制主要通過四個方面實現：數據的安全性控制、數據的完整性控制、多用戶環(huán)境下的并發(fā)控制和數據庫的恢復。數據庫的建立和維護功能數據庫的建立包括數據庫的初始數據的裝入與數據轉換等。數據庫的維護包括數據庫的轉儲、恢復、重組織與重構造、系統(tǒng)性能監(jiān)視與分析等。

數據通信接口數據組織、存儲和管理數據庫模型數據模型的構成數據模型的分類E-R模型常用的結構數據模型數據庫模型為什么要建立數據模型（DataModel）？

象蓋大樓的設計圖一樣，DM可使所有的項目參與者都有一個共同的數據標準避免出現問題再解決（邊干邊改的方式）可及早發(fā)現問題加快應用開發(fā)速度數據模型的構成數據模型的三要素數據結構

——數據的表示方法（數據的組織形式），是一種靜態(tài)特征的描述數據操作

——數據操作是指對數據庫的查詢、修改、刪除和插入等操作，是一種動態(tài)特征的描述完整性約束

——數據及數據間聯系應具有的制約和依賴規(guī)則如：一個系可有多個學生，一個學生只能屬于一個系數據模型的分類根據不同的抽象層次，數據模型分為三類：概念數據模型結構數據模型/邏輯數據模型物理數據模型現實世界的數據化過程現實世界信息世界數據世界抽象轉換學生學生學號姓名年齡性別班級概念模型數據模型事物和事物特性事物間聯系實體和實體屬性實體集間聯系記錄和數據項數據模型的分類概念數據模型現實世界的事物經過人腦的抽象加工，提取出對用戶有用的信息，經過組織整理加工形成結合現實世界和計算機世界之間的中間模型

——數據庫的設計人員在設計的初始階段擺脫具體技術問題，集中精力分析數據、數據之間的聯系

——最常用的概念模型是E-R模型

——概念模型與具體的DBMS無關，它必須轉換成結構模型，才能在DBMS中實現數據模型的分類結構數據模型（邏輯數據模型）

面向用戶建模，它是用戶從數據庫所看到的數據模型——是具體的DBMS所支持的數據模型（網狀/層次/關系/面向對象）

——既要面向用戶，也要面向系統(tǒng)

——一般由概念模型轉換得到數據模型的分類物理數據模型 面向具體的DBMS，面向機器，描述數據在存儲介質上的組織結構——不僅與具體的DBMS有關，還與操作系統(tǒng)和硬件有關

——為保證其獨立性和可以執(zhí)行，大部分PDM的實現工作由系統(tǒng)自動完成，而設計者只設計索引、聚簇等特殊結構現實世界信息世界概念模型機器世界物理模型認識抽象轉換邏輯模型現實世界概念模型數據庫設計人員完成邏輯模型物理模型由DBMS完成概念模型邏輯模型數據庫設計人員完成基本術語實體客觀存在并可相互區(qū)別的事物如：每個學生、每個職工、學生的一次注冊……實體集同類實體的集合如：全體教師、所有學生的注冊……屬性實體的某一特性如：姓名、年齡、性別、職稱、注冊時間、宗教……E-R模型E-R模型（續(xù)）碼（Key）能唯一標識實體的屬性（或屬性集合）如：學號、系號、身份證號碼……域（Domain）屬性的取值范圍，即屬性的域如：學號的域：8位字符串；年齡的域：12－75……聯系（Relationship）現實世界中事物之間的聯系如：一個班級有多個學生；一個系有多個班級……E-R模型（續(xù)）聯系的分類實體集內部的聯系，即實體集內部實體之間的聯系；實體集之間的聯系，即一個實體集中的實體與另一實體集中實體的聯系。E-R模型（續(xù)）實體集之間的聯系分為三類（1）一對一聯系（1∶1）——對于實體集A和實體集B來說，如果對于A中的每一個實體a，B中至多有一個實體b與之聯系；而且，對于實體集B和實體集A來說，也是如此，則稱實體集A與實體集B具有一對一聯系，記為1∶1。如：一個班級只有一個班長，一個公司只有一個總經理，一個組只有一個組長……E-R模型（續(xù)）（2）一對多聯系（1∶n）——對于實體集A中每一個實體，在實體集B中有n個實體與之聯系，而且，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中至多有一個實體與之聯系，則稱實體集和實體集具有1對多的聯系，記為1∶n。如：一個班主任管理多個學生，一個項目經理管理多個組員，一個教師可以教授多門課程……E-R模型（續(xù)）（3）多對多聯系（m∶n）——如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個實體與之聯系；同時，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中有m個實體與之聯系，則稱和具有多對多聯系，記為m∶n。如：一個學生可以選修多門課程，一門課程可以被多個學生選修；一份訂單可以訂購多種產品，一種產品可以被多份訂單訂購……E-R圖E—R模型的圖示形式就稱為E—R圖。E—R圖提供了用圖形表示實體型、屬性和聯系的方法。E—R圖的要點如下：實體型用矩形表示，矩形框內寫明實體名。學生教師E-R圖屬性用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應的實體連接起來。學生學號年齡性別姓名E-R圖聯系聯系本身：用菱形表示，菱形框內寫明聯系名，并用無向邊分別與有關實體連接起來，同時在無向邊旁標上聯系的類型（1:1、1:n或m:n）班長實體集A班主任實體集A學生實體集A班集體實體集B學生實體集B課程實體集B負責管理選修111nmnE-R圖課程選修學生mn成績聯系聯系的屬性：聯系本身也是一種實體型，也可以有屬性。如果一個聯系具有屬性，則這些屬性也要用無向邊與該聯系連接起來。兩個以上實體型之間的聯系實例

課程、教師與參考書三個實體型一門課程可以有若干個教師講授，使用若干本參考書，每一個教師只講授一門課程，每一本參考書只供一門課程使用課程講授教師1m兩個以上實體型間1:n聯系參考書n兩個以上實體型之間的聯系（續(xù)）實例

供應商、項目、零件三個實體型；一個供應商可以供給多個項目多種零件；每個項目可以使用多個供應商供應的零件；每種零件可由不同供應商供給。供應商供應項目mp兩個以上實體型間m:n聯系零件n單個實體型內的聯系實例

職工實體型內部具有領導與被領導的聯系；某一職工（干部）“領導”若干名職工；一個職工僅被另外一個職工直接領導；職工管理1n單個實體型內部1:n聯系一個實例用E-R圖表示某個工廠物資管理的概念模型實體倉庫：倉庫號、面積、電話號碼零件：零件號、名稱、規(guī)格、單價、描述供應商：供應商號、姓名、地址、電話號碼、帳號項目：項目號、預算、開工日期職工：職工號、姓名、年齡、職稱一個實例實體之間的聯系如下：(1)一個倉庫可以存放多種零件，一種零件可以存放在多個倉庫中。倉庫和零件具有多對多的聯系。用庫存量來表示某種零件在某個倉庫中的數量。(2)一個倉庫有多個職工當倉庫保管員，一個職工只能在一個倉庫工作，倉庫和職工之間是一對多的聯系。職工實體型中具有一對多的聯系(3)職工之間具有領導-被領導關系。即倉庫主任領導若干保管員。(4)供應商、項目和零件三者之間具有多對多的聯系一個實例學生運動會管理模型：（1）有若干班級，每個班級包括：班級號、班級名、專業(yè)、人數；（2）每個班級有若干運動員，運動員只能屬于一個班，包括：運動員號、姓名、性別、年齡；（3）有若干比賽項目，包括：項目號、名稱、比賽地點；（4）每名運動員可以參加多項比賽，每個項目可有多人參加；（5）要求能夠公布每個比賽項目的運動員名次與成績。試畫出ER圖，并注明屬性和聯系類型。隨堂練習1工廠（包括廠名和廠長名）需建立一個管理數據庫存儲以下信息:（1）一個工廠內有多個車間，每個車間有車間號、車間主任姓名、地址和電話。（2）一個車間有多個工人，每個工人有職工號、姓名、年齡、性別和工種。（3）一個車間生產多種產品，產品有產品號和價格。（4）一個車間生產多種零件，一個零件也可能為多個車間制造。零件有零件號、重量和價格。（5）一個產品由多種零件組成，一種零件也可裝配出多種產品。（6）產品與零件均存入倉庫中。（7）廠內有多個倉庫，倉庫有倉庫號、倉庫主任姓名和電話。試：畫出該系統(tǒng)的Ｅ-Ｒ圖。隨堂練習2常用的數據模型基于樹的層次模型（hierarchicalmodel）

—

20世紀60年代末到70年代初基于圖的網狀模型（networkmodel）

—

20世紀70年代基于表的關系模型（relationalmodel）

—20世紀80年代至今基于對象的面向對象模型（ObjectOrientedModel）

—

研究開發(fā)中層次模型20世紀60年代末到70年代初有且僅有一個根節(jié)點；其它節(jié)點有且僅有一個父節(jié)點根結點葉結點葉結點層次模型（續(xù)）教員學生層次數據庫的一個實例網狀模型20世紀70年代允許一個以上節(jié)點無父節(jié)點一個節(jié)點可以有多于一個父節(jié)點網狀模型（續(xù)）例如：一個學生可以選修若干門課程，某一課程可以被多個學生選修，學生與課程之間是多對多聯系。

引進一個學生選課的聯結記錄，由3個數據項組成學號課程號成績表示某個學生選修某一門課程及其成績網狀模型（續(xù)）學生/選課/課程的網狀數據模型

網狀模型（續(xù)）學生/選課/課程的網狀數據庫實例關系模型20世紀80年代在用戶觀點下，關系模型中數據的邏輯結構是一張二維表，它由行和列組成。學號姓名年齡性別系名年級2005004王小明19女社會學20052005006黃大鵬20男商品學20052005008張文斌18女法律2005………………學生登記表屬性元組關系模型（續(xù)）例1.學生、系、系與學生之間的一對多聯系：學生（學號，姓名，年齡，性別，系號，年級）系(系號，系名，辦公地點)例2.學生、課程、學生與課程之間的多對多聯系：學生（學號，姓名，年齡，性別，系號，年級）課程（課程號，課程名，學分）選修（學號，課程號，成績）數據庫系統(tǒng)的發(fā)展關系數據模型格式化數據模型（層次數據模型和網狀數據模型）

面向對象的數據模型支持三級模式的體系結構；用存取路徑來表示數據之間的聯系；獨立的數據定義語言；導航的數據操縱語言。概念單一，實體以及實體之間的聯系都用關系來表示；以關系代數為基礎，形式化基礎好；數據獨立性強，數據的物理存取路徑對用戶隱蔽；關系數據庫語言是非過程化的，大大降低了用戶編程的難度。支持面向對象的數據模型；保持或繼承第二代數據庫系統(tǒng)的優(yōu)點；具有開放性