第一章緒論1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論區(qū)分數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（1）數(shù)據(jù)（Data）：數(shù)據(jù)庫中存儲的基本對象。數(shù)據(jù)的說明是指對數(shù)據(jù)含義的說明。數(shù)據(jù)的含義稱為數(shù)據(jù)的語義。例：（李明，男，21，1972，江蘇，計算機系，1990）（2）數(shù)據(jù)庫（DataBase,DB）:長期存儲在在計算機內(nèi)的、有組織、可共享的數(shù)據(jù)集合。（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem,DBMS）：數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件。A、數(shù)據(jù)定義功能（DataDefinitionLanguage,DDL）。CreateAlterDropB、數(shù)據(jù)操縱功能（DataManipulationLanguage,DML）。SelectInsertUpdateDeleteC、數(shù)據(jù)庫的運行管理：統(tǒng)一管理，統(tǒng)一限制，以保證數(shù)據(jù)的平安性、完整性、多用戶對滬劇的并發(fā)運用以及故障復(fù)原。D、數(shù)據(jù)庫的建立和維護功能：數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)換功能、轉(zhuǎn)存復(fù)原功能。性能監(jiān)視、分析。（4）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DataBaseSystem,DBS）：在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)，一般由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及開發(fā)工具、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理員和用戶構(gòu)成。一般把數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)簡稱為數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位1.1（1）人工管理階段（50年頭中期以前）背景：計算機主要用于科學(xué)計算（數(shù)據(jù)量小、結(jié)構(gòu)簡潔，如高階方程、曲線擬和等）。外存只有磁帶、卡片、紙帶等，沒有磁盤等干脆存取設(shè)備。沒有操作系統(tǒng)，沒有數(shù)據(jù)管理軟件（用戶用機器指令編碼）。特點：用戶負責(zé)數(shù)據(jù)的組織、存儲結(jié)構(gòu)、存取方法、輸入輸出等細微環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)完全面對特定的應(yīng)用程序，每個用戶運用自己的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不保存，用完就撤走。數(shù)據(jù)與程序沒有獨立性，程序中存取數(shù)據(jù)的子程序隨著存儲結(jié)構(gòu)的變更而變更。（畫圖示例）（2）文件系統(tǒng)階段（50年頭后期---60年頭中期）背景：計算機不但用于科學(xué)計算，還用于管理。外存有了磁盤、磁鼓等干脆存取設(shè)備。有了特地管理數(shù)據(jù)的軟件，一般稱為文件系統(tǒng)，包括在操作系統(tǒng)中。特點：系統(tǒng)供應(yīng)存取方法（索引文件、鏈接文件、干脆存取文件、倒排文件等），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微環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)的存取基本上以記錄為單位。一個數(shù)據(jù)文件對應(yīng)一個或幾個用戶程序，還是面對應(yīng)用的。數(shù)據(jù)與程序有肯定的獨立性，因為文件的邏輯結(jié)構(gòu)與存儲結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)在存儲上的變更不肯定反映在程序上。（畫圖示例）存在問題：數(shù)據(jù)與程序的獨立性差：文件系統(tǒng)的出現(xiàn)并沒有從根本上變更數(shù)據(jù)與程序緊密結(jié)合的狀況。文件系統(tǒng)只是解脫了程序員對物理設(shè)備存取的負擔(dān)，它并不理解數(shù)據(jù)的語義，只負責(zé)存儲。數(shù)據(jù)的語義信息只能由程序來說明，也就是說，數(shù)據(jù)收集以后怎么組織，以及數(shù)據(jù)取出來之后按什么含義應(yīng)用，只有全權(quán)管理它的程序知道。數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)變更則必需修改應(yīng)用程序。一個應(yīng)用若想共享另一個應(yīng)用生成的數(shù)據(jù)，必需同另一個應(yīng)用溝通，了解數(shù)據(jù)的語義與組織方式。數(shù)據(jù)的冗余度大：數(shù)據(jù)仍舊是面對應(yīng)用的。當(dāng)不同應(yīng)用程序所須要的數(shù)據(jù)有部分相同時，也必需建立各自的文件，而不能共享相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分散管理。數(shù)據(jù)的不一樣性：由于數(shù)據(jù)存在許多副本，給數(shù)據(jù)的修改與維護帶來了困難，簡潔造成數(shù)據(jù)的不一樣性。（3）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段（60年頭后期起先）背景：計算機管理的數(shù)據(jù)量大，關(guān)系困難，共享性要求強（多種應(yīng)用、不同語言共享數(shù)據(jù)）。外存有了大容量磁盤，光盤。軟件價格上升，硬件價格下降，編制和維護軟件及應(yīng)用程序成本相對增加，其中維護的成本更高，力求降低。特點：有了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。面對全組織，面對現(xiàn)實世界。獨立性較強。由DBMS統(tǒng)一存取，維護數(shù)據(jù)語義及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫觀點：數(shù)據(jù)不是依靠于處理過程的附屬品，而是現(xiàn)實世界中獨立存在的對象。（畫圖示例）1.1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)VS文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理應(yīng)用應(yīng)用文件系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)管理應(yīng)用數(shù)據(jù)管理文件系統(tǒng)的弱點：文件之間無聯(lián)系，難于維護數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的用武之地：有查詢，數(shù)據(jù)困難效率兩面觀：運行效率，開發(fā)效率1.1.4（1）面對全組織的困難的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：支持全企業(yè)的應(yīng)用而不是某一個應(yīng)用。數(shù)據(jù)反映了客觀事物間的本質(zhì)聯(lián)系，而不是著眼于面對某個應(yīng)用，是有結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。這是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要特征之一，與文件系統(tǒng)的根本差別。文件系統(tǒng)只是記錄的內(nèi)部有結(jié)構(gòu)，一個文件的記錄之間是個線性序列，記錄之間無聯(lián)系。（2）數(shù)據(jù)的冗余度小，易擴充：數(shù)據(jù)面對整個系統(tǒng)，而不是面對某一應(yīng)用，數(shù)據(jù)集中管理，數(shù)據(jù)共享，因此冗余度小。節(jié)約存儲空間，削減存取時間，且可避開數(shù)據(jù)之間的不相容性和不一樣性。每個應(yīng)用選用數(shù)據(jù)庫的一個子集，只要重新選取不同子集或者加上一小部分數(shù)據(jù)，就可以滿意新的應(yīng)用要求，這就是易擴充性。（3）具有較高的數(shù)據(jù)和程序的獨立性：數(shù)據(jù)與程序相對獨立，把數(shù)據(jù)庫的定義和描述從應(yīng)用程序中分別出去。描述又是分級的（全局邏輯、局部邏輯、存儲），數(shù)據(jù)的存取由系統(tǒng)管理，用戶不必考慮存取路徑等細微環(huán)節(jié)，從而簡化了應(yīng)用程序。A、數(shù)據(jù)獨立性：當(dāng)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變更時，通過系統(tǒng)供應(yīng)的映象（轉(zhuǎn)換）功能，使應(yīng)用程序不必變更。B、數(shù)據(jù)的物理獨立性：當(dāng)數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)變更時，通過數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)與邏輯結(jié)構(gòu)之間的映象，數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)可以保持不變，從而應(yīng)用程序也不必變更。C、數(shù)據(jù)的邏輯獨立性：當(dāng)數(shù)據(jù)的總體邏輯結(jié)構(gòu)變更時，通過數(shù)據(jù)的總體邏輯結(jié)構(gòu)與局部邏輯結(jié)構(gòu)之間的映象，數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)可以保持不變，從而應(yīng)用程序也不必變更。數(shù)據(jù)獨立性是由DBMS的二級映象功能來保證的。（4）統(tǒng)一的數(shù)據(jù)限制功能，數(shù)據(jù)共享程度高A、數(shù)據(jù)的平安性限制（Security）：愛護數(shù)據(jù)以防止不合法的運用所造成的數(shù)據(jù)泄露和破壞。措施：用戶標識與鑒定，存取限制。B、數(shù)據(jù)的完整性限制（Integrity）：數(shù)據(jù)的正確性、有效性、相容性。措施：完整性約束條件定義和檢查。C、并發(fā)限制（Concurrency）：對多用戶的并發(fā)操作加以限制、協(xié)調(diào)，防止其相互干擾而得到錯誤的結(jié)果并使數(shù)據(jù)庫完整性遭到破壞。措施：封鎖。D、數(shù)據(jù)庫復(fù)原技術(shù)。1．2數(shù)據(jù)抽象與數(shù)據(jù)庫模式 數(shù)據(jù)模型是是一種模型，是現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象。1．2．1數(shù)據(jù)抽象信息世界:數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是面對計算機的，而應(yīng)用是面對現(xiàn)實世界的，兩個世界存在著很大差異，要干脆將現(xiàn)實世界中的語義映射到計算機世界是非常困難的，因此引入一個信息世界作為現(xiàn)實世界通向計算機實現(xiàn)的橋梁。一方面，信息世界是對現(xiàn)實世界的抽象，從紛繁的現(xiàn)實世界中抽取出能反映現(xiàn)實本質(zhì)的概念和基本關(guān)系;另一方面，信息世界中的概念和關(guān)系，要以肯定的方式映射到計算機世界中去，在計算機系統(tǒng)上最終實現(xiàn)。信息世界起到了承上啟下的作用。模型分為兩大類：1類是概念模型，2是數(shù)據(jù)模型。概念化現(xiàn)實世界概念化現(xiàn)實世界信息世界計算機世界形式化1．2．2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式模式：是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，僅僅涉及到“型“，不涉及到詳細的值，是相對穩(wěn)定的。型與值的區(qū)分：型是指對某一類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和屬性的說明，值是型的一個詳細的賦值。（舉例）元數(shù)據(jù)（meta-data)/數(shù)據(jù)字典：描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。例：身份證，文獻索引。1．2．3數(shù)據(jù)庫模式模式的分級：為了提高數(shù)據(jù)的物理獨立性和邏輯獨立性，使數(shù)據(jù)庫的用戶觀點，即用戶看到的數(shù)據(jù)庫，與數(shù)據(jù)庫的物理方面，即實際存儲的數(shù)據(jù)庫區(qū)分開來，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式是分級的。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三級模式結(jié)構(gòu)：CODASYL（ConferenceOnDataSystemLanguage,美國數(shù)據(jù)系統(tǒng)語言協(xié)商會）提出模式、外模式、存儲模式三級模式的概念。三級模式之間有兩級映象。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫內(nèi)模式模式外模式2外模式1外模式3應(yīng)用A應(yīng)用B應(yīng)用C應(yīng)用D應(yīng)用E外模式/模式映象模式/內(nèi)模式映象模式(Schema)：也稱邏輯模式。全部用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的全局邏輯結(jié)構(gòu)和特性的描述。不涉及詳細的物理存儲細微環(huán)節(jié)和硬件環(huán)境，也與詳細的應(yīng)用程序無關(guān)。一個數(shù)據(jù)庫只有一個模式。外模式(Sub-Schema)（用戶模式，子模式）：用戶的數(shù)據(jù)視圖。是數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)，模式的子集，有力的限制平安性。內(nèi)模式(StorageSchema)：又稱存儲模式。數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)及存儲方式。（舉例）1．2．4數(shù)據(jù)庫二級映象功能外模式/模式映象：定義某一個外模式和模式之間的對應(yīng)關(guān)系，映象定義通常包含在各外模式中。當(dāng)模式變更時，修改此映象，使外模式保持不變，從而應(yīng)用程序可以保持不變，稱為邏輯獨立性。模式/內(nèi)模式映象：定義數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)與存儲結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系。存儲結(jié)構(gòu)變更時，修改此映象，使模式保持不變，從而應(yīng)用程序可以保持不變，稱為物理獨立性。1．2．5ANSI/X3/SPARC(75,78)提出SPARC報告，其ANSI模型分為外部級、概念級、內(nèi)部級。概念視圖概念視圖存儲視圖用戶視圖2用戶視圖3用戶視圖11．3概念模型1．3．2概念模型概念數(shù)據(jù)模型：按用戶的觀點來對數(shù)據(jù)和信息建模。用于組織信息世界的概念，表現(xiàn)從現(xiàn)實世界中抽象出來的事物以及它們之間的聯(lián)系。這類模型強調(diào)其語義表達實力，概念簡潔、清楚，易于用戶理解。它是現(xiàn)實世界到信息世界的抽象，是用戶與數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員之間進行溝通的語言。如E-R模型。實體(entity)：客觀存在并且可以相互區(qū)分的事物。屬性(attribute)：實體所具有的某一特性。（主）碼(key)：唯一標識實體的屬性集。PrimaryKey(PK)域（Domain）：屬性的取值范圍稱為該屬性的域。實體型（entrytype）：用實體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實體。例：學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，誕生日期）實體集（entryset）：同型實體的集合稱為實體集。例：全體學(xué)生。聯(lián)系（Relationship）:組成實體的各屬性之間的聯(lián)系。（8）元組：表中的一行。（9）重量：元組中的某一個屬性值。（10）外碼：參考到其他表的屬性列。對應(yīng)關(guān)系：1:11:NN:M概念模型表示方法實體型：用矩型表示，矩型內(nèi)寫名實體名。屬性：用橢圓表示，并用無向邊將其與相應(yīng)的實體連接起來。聯(lián)系：用菱型表示，菱形內(nèi)寫明聯(lián)系名。假如一個聯(lián)系也具有屬性，則這些屬性也要用無向邊聯(lián)系。學(xué)生學(xué)生課程選修學(xué)號姓名系別課程名主講老師成果實體聯(lián)系屬性ProductProductPersonCompanycategorynamepricenamestockpricenameaddressssnbuysworksFormadeByemploysmakes類關(guān)聯(lián)屬性例：工廠物資管理E-R圖。圖1-1至1-41．4數(shù)據(jù)模型1．4．1數(shù)據(jù)模型定義應(yīng)用應(yīng)用概念數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型就是現(xiàn)實世界的模擬。1．4．2數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型：是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中用于供應(yīng)信息表示和操作手段的形式構(gòu)架。1．4．3數(shù)據(jù)模型的三要素（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：描述系統(tǒng)的靜態(tài)特性，即組成數(shù)據(jù)庫的對象類型。包括：數(shù)據(jù)本身：類型、內(nèi)容、性質(zhì)。如網(wǎng)狀模型中的數(shù)據(jù)項、記錄，關(guān)系模型中的域、屬性，關(guān)系等。數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系：例如網(wǎng)狀模型中的系型（SetType）在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中一般按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來命名數(shù)據(jù)模型，如：“層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、關(guān)系結(jié)構(gòu)。（2）數(shù)據(jù)操縱：描述系統(tǒng)的動態(tài)特性，即對數(shù)據(jù)庫中對象的實例允許執(zhí)行的操作的集合，包括操作及操作規(guī)則。一般有檢索、更新、插入、刪除操作。數(shù)據(jù)模型要定義操作含義、操作符號、操作規(guī)則，以及實現(xiàn)操作的語言。（3）完整性約束：數(shù)據(jù)的約束條件是完整性規(guī)則的集合，規(guī)定數(shù)據(jù)庫狀態(tài)及狀態(tài)變更所應(yīng)滿意的條件，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效、相容。1．4．4常用數(shù)據(jù)模型（1）層次模型：用樹結(jié)構(gòu)表示實體之間聯(lián)系的模型叫層次模型。樹由節(jié)點和連線組成，節(jié)點代表實體型，連線表示兩實體型間的一對多聯(lián)系。樹有以下特性：有且僅有一個節(jié)點，無父節(jié)點，此節(jié)點稱為樹的根（Root）。樹中的其它節(jié)點都有且僅有一個父節(jié)點。父節(jié)點，子節(jié)點，根節(jié)點系系教研室班教員試驗員學(xué)生優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡潔，易于實現(xiàn)。缺點：支持的聯(lián)系種類太少，只支持二元一對多聯(lián)系。數(shù)據(jù)操縱不便利，子結(jié)點的存取只能通過父結(jié)點來進行。代表產(chǎn)品：IBM的IMS數(shù)據(jù)庫，1969年研制勝利。（2）網(wǎng)狀模型是一個滿意下列條件的有向圖：可以有一個以上的節(jié)點無父節(jié)點。至少有一個節(jié)點有多于一個的父節(jié)點（解除樹結(jié)構(gòu)）?？剖铱剖裔t(yī)生病房病人特點：表達的聯(lián)系種類豐富。結(jié)構(gòu)困難。（3）關(guān)系模型用二維表來表示實體及其相互聯(lián)系姓名學(xué)號年齡系別張三101男計算機系李四201男數(shù)學(xué)系王五302女物理系優(yōu)點：簡潔，表的概念直觀，用戶易理解。非過程化的數(shù)據(jù)懇求，數(shù)據(jù)懇求可以不指明路徑。數(shù)據(jù)獨立性，用戶只需提出“做什么”，無須說明“怎么做”。堅實的理論基礎(chǔ)。1．5數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)成1．5．1幾個相關(guān)概念數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)的集合。由DBMS統(tǒng)一管理，多用戶共享。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS：系統(tǒng)軟件，對數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理和限制。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：帶有數(shù)據(jù)庫的整個計算機系統(tǒng)，包括硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人員。1．5．2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的軟硬件層次硬件硬件操作系統(tǒng)DBMS，編譯系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)工具軟件應(yīng)用系統(tǒng)PB,VB,VCDOracle,Db2,Sybase,SQLServer,Informix1．5．3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要成分硬件：內(nèi)存大，放得下OS，DBMS核心，系統(tǒng)緩沖區(qū)，用戶工作區(qū)等；大容量、干脆存取的外存設(shè)備；作數(shù)據(jù)備份的磁帶。軟件：OS，DBMS，高級語言編譯系統(tǒng)及其與數(shù)據(jù)庫的接口，應(yīng)用開發(fā)工具，應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)：包括目標數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)本身）及描述數(shù)據(jù)（對數(shù)據(jù)的說明信息）。用戶：最終用戶：通過應(yīng)用系統(tǒng)的用戶接口（菜單等）運用數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用程序員：基于外模式來編寫應(yīng)用程序。系統(tǒng)分析員：負責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)的需求分析和規(guī)范定義，確定系統(tǒng)的軟硬件配置，參加數(shù)據(jù)庫模式設(shè)計。數(shù)據(jù)庫管理員DBA：負責(zé)數(shù)據(jù)庫的全面管理和限制。1．5．4DBA的重要性：重要資源，維護整個組織的信息資源。共享資源，多用戶共享，須要統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)、監(jiān)控。1．5．5DBA職責(zé)建庫方面：確定模式、外模式、存儲結(jié)構(gòu)、存取策略、負責(zé)數(shù)據(jù)的整理和裝入。用庫方面：定義完整性約束條件，規(guī)定數(shù)據(jù)的保密級別、用戶權(quán)限，監(jiān)督和限制數(shù)據(jù)庫的運行狀況，制定后援和復(fù)原策略，負責(zé)故障復(fù)原。改進方面：(1)監(jiān)督分