數(shù)據(jù)庫理論與技術(shù)數(shù)據(jù)庫理論與技術(shù)課程性質(zhì):考試課平時成績:30%(作業(yè)+實驗)期中成績:

20%

(考試)

期末成績: 50%(考試)

主要參考書1、AbrahamSilberschatz,HenryF.Korth,S.Sudarshan.DatabaseSystemConcepts,FifthEdition,Copyright

2006byTheMcGraw-HillCompanies,Inc.2、（美）HectorGarcia-Molina，JeffreyD.Ullman，JenniferWidom.DatabaseSystems:TheCompleteBook.PearsonEducation,Inc.,PublishingasPrentice-hall,Inc.,Copyright20023、薩師煊,王珊編著.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論.北京：高等教育出版社,2000年2月（第三版）4、史加權(quán)等編著.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)教程.北京：清華大學出版社,2001年8月（第一版）5、丁寶康主編.數(shù)據(jù)庫原理.北京：經(jīng)濟科學出版社,2000年3月（第一版）主要參考書6、申時凱，李海雁主編.數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)（第二版）（SQLServer2005）.北京：中國鐵道出版社,2008年11月7、/wiki/數(shù)據(jù)挖掘參考課程網(wǎng)址：/vc/43199963聯(lián)系郵箱:cnnb_fjb@163.com第1章

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述

Chapter1OverviewofDatabaseSystem

本章重點本章主要介紹數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用和研究、文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成和模式結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)描述和數(shù)據(jù)模型、典型案例分析，這些內(nèi)容是學習后面幾章的基礎(chǔ)。本章重點要求掌握數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)模型的概念等內(nèi)容。1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用和研究1.1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫技術(shù)以后所形成的系統(tǒng)，其應(yīng)用的范圍非常廣泛，以下是一些具有代表性的應(yīng)用：

1．銀行業(yè)

2．航空業(yè)

3．大學4．信用卡交易

5．電信業(yè)6．金融業(yè)

7．銷售業(yè)8．聯(lián)機的零售商

9．制造業(yè)10．人力資源

在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用中，有很大一部分用于商務(wù)領(lǐng)域，如證券行業(yè)、銀行、銷售部門、醫(yī)院、公司或企業(yè)單位，以及國家政府部門、國防軍工領(lǐng)域、科技發(fā)展領(lǐng)域等。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫也相應(yīng)產(chǎn)生了一些新的應(yīng)用領(lǐng)域,主要表現(xiàn)在下面6個方面:

1、多媒體數(shù)據(jù)庫2、移動數(shù)據(jù)庫

3、空間數(shù)據(jù)庫4、信息檢索系統(tǒng)

5、分布式信息檢索6、專家決策系統(tǒng)

1.1.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究

數(shù)據(jù)庫技術(shù)的研究包括三個方面：

1．數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的研究

2．數(shù)據(jù)庫理論的研究

3．數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法及工具的研究

1、數(shù)據(jù)與信息的概念

(1）數(shù)據(jù)（2）信息2、數(shù)據(jù)處理的定義和目的

（1）定義（2）目的3、數(shù)據(jù)庫技術(shù)所研究的問題如何科學地組織和儲存數(shù)據(jù)，如何高效地獲取和處理數(shù)據(jù)。1.2文件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1.2.1數(shù)據(jù)、信息和數(shù)據(jù)處理1.2.2文件技術(shù)的特點與局限性

1.文件技術(shù)的特點

（1）由于外存儲器的出現(xiàn)，用戶可隨時通過程序?qū)ξ募M行查詢、修改和增刪等處理。

（2）文件系統(tǒng)能對駐留在外存儲器上的數(shù)據(jù)文件實施統(tǒng)一管理，從而減少了程序設(shè)計的工作量。（3）文件組織形式多樣化（順序文件、索引文件和鏈表文件等

），對文件的訪問形式既可以是順序存取，也可以是直接存取

。（4）數(shù)據(jù)的存取基本上以記錄為單位。

[例1]某學校的學生處、教務(wù)處和圖書館均要使用計算機對學生的有關(guān)信息進行管理，但其各自處理的內(nèi)容不同，如用文件系統(tǒng)實現(xiàn)，可按如下方式進行組織。

學生處要處理的信息包括：學號，姓名，系名，年級，專業(yè)，年齡，性別，籍貫，政治面目，家庭住址，個人履歷，社會關(guān)系，……。

教務(wù)處要處理的信息包括：學號，姓名，系名，年級，專業(yè)，課名，成績，學分，……。

圖書館要處理的信息包括：學號，姓名，系名，年級，專業(yè)，圖書編號，圖書名稱，借閱日期，歸還日期，滯納金

，……。

2.文件技術(shù)的局限性

(1)數(shù)據(jù)冗余不僅浪費存儲空間，更嚴重是的帶來潛在的不一致性。

(2)在傳統(tǒng)文件技術(shù)階段，應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)過分地互相依賴，并且系統(tǒng)很難擴充。

圖1.1應(yīng)用程序與文件之間一對一關(guān)系

(3)文件系統(tǒng)缺乏對數(shù)據(jù)操作進行安全性,保密性和正確性等方面的控制，這使得應(yīng)用程序的編制相當繁瑣。

1.2.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展及其特點

60年代末出現(xiàn)了第一代數(shù)據(jù)庫---網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBTG)和層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(IMS)。

70年代出現(xiàn)了第二代數(shù)據(jù)庫---關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DB2、Oracle、SQLServer等），目前已成為主流產(chǎn)品。

80年代出現(xiàn)了第三代數(shù)據(jù)庫---以面向?qū)ο鬄橹饕卣鞯臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)又在向關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。

數(shù)據(jù)庫技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計技術(shù)、并行計算技術(shù)等互相滲透、互相結(jié)合，成為當前數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展的主要特征。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點

1．數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化

圖1.2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化范例思考題:如何處理非等長字段？不同數(shù)據(jù)表之間如何聯(lián)接？數(shù)據(jù)庫表如何擴充和刪減？2、數(shù)據(jù)共享性上述做法可以大大減少了數(shù)據(jù)冗余度，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，又可避免數(shù)據(jù)之間的不相容性和不一致性。

3．具有較高的數(shù)據(jù)和程序的獨立性

圖1.3數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序的關(guān)系

4、

對數(shù)據(jù)實行集中統(tǒng)一的控制

（1）數(shù)據(jù)的安全性（2）數(shù)據(jù)的完整性（3）并發(fā)控制（4）數(shù)據(jù)庫恢復

1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成和模式結(jié)構(gòu)1.3.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成

一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是在計算機系統(tǒng)中引入了數(shù)據(jù)庫技術(shù)后所構(gòu)成的系統(tǒng)，它至少由以下四部分組成：

1.計算機基本系統(tǒng)：包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，而軟件系統(tǒng)主要包括操作系統(tǒng)、語言軟件以及各種實用程序等。

2．數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：DBMS是基于某種數(shù)據(jù)模型的對數(shù)據(jù)進行管理的系統(tǒng)軟件。

3．數(shù)據(jù)庫：它是一個特定組織的各項應(yīng)用相關(guān)的全部數(shù)據(jù)的集合。

4.工作人員：這是一組熟悉計算機數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)、負責設(shè)計和維護數(shù)據(jù)庫的技術(shù)人員。

圖l.14數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的硬軟件層次

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基本功能：

DBMS是指數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)進行管理的軟件系統(tǒng)，它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心組成部分。一個比較完善的DBMS至少應(yīng)該具有以下功能：

（1）數(shù)據(jù)庫定義功能（2）數(shù)據(jù)庫操縱功能（3）數(shù)據(jù)控制功能

1)數(shù)據(jù)安全性控制2)數(shù)據(jù)完整性控制

3)在多用戶、多任務(wù)環(huán)境下的并發(fā)控制

（4）數(shù)據(jù)庫的建立和維護功能

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的組成：

DBMS是一個龐大的系統(tǒng)軟件，此系統(tǒng)軟件從內(nèi)容上可以分為三大部分：（1）數(shù)據(jù)定義語言(DDL)；（2）數(shù)據(jù)操縱語言(DML)（3）數(shù)據(jù)庫管理例行程序

1)存取控制例行程序；

2)安全性控制例行程序；

3)完整性控制例行程序；

4)事務(wù)管理例行程序；

5)恢復例行程序；

6)監(jiān)控例行程序。1.3.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的一個總的框架。盡管實際的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件產(chǎn)品多種多樣，它們支持不同的數(shù)據(jù)模型，使用不同的數(shù)據(jù)庫語言，建立在不同的操作系統(tǒng)之上，數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)也各不相同，但是絕大多數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在總的體系結(jié)構(gòu)上都具有三級模式的結(jié)構(gòu)特征。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)是對數(shù)據(jù)的三個抽象級別，它把數(shù)據(jù)的具體組織留給DBMS管理，使用戶能邏輯地抽象地處理數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)在計算機中的表示和存儲。這三級模式結(jié)構(gòu)由外模式、模式、內(nèi)模式組成，具體如圖l.13所示。

1．模式：是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特性的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。

2．外模式：是數(shù)據(jù)庫用戶看到的數(shù)據(jù)視圖，它是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。

3.內(nèi)模式：是全體數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的內(nèi)部表示或者低層描述，用來定義數(shù)據(jù)的存儲方式和物理結(jié)構(gòu)。

圖l.13數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)

舉例：1.3.3數(shù)據(jù)與程序的獨立性1．數(shù)據(jù)與程序的物理獨立性當內(nèi)模式改變時，通過模式／內(nèi)模式映像的調(diào)整，可以使得模式不變。而外模式是模式的子集，既然模式?jīng)]有改變，那子模式也不會改變。由于應(yīng)用程序是根據(jù)外模式編程的，既然外模式?jīng)]有改變，那么應(yīng)用程序也不需要改變。這就是數(shù)據(jù)與程序的物理獨立性。2．數(shù)據(jù)與程序的邏輯獨立性

當模式改變時，通過外模式／模式映像的調(diào)整，可以使得外模式基本不變。由于應(yīng)用程序是根據(jù)外模式編程的，既然外模式基本不變，那么應(yīng)用程序也可以基本不變。這就是數(shù)據(jù)與程序的邏輯獨立性。1.4數(shù)據(jù)描述和數(shù)據(jù)模型1.4.1數(shù)據(jù)描述的領(lǐng)域1．現(xiàn)實世界(RealWorld)

存在于人們頭腦之外的客觀世界，稱為現(xiàn)實世界。2.信息世界（InformationWorld）信息世界是現(xiàn)實世界在人們頭腦中的反映，人們把它用文字和符號記載下來。3．機器世界（MachineWorld）信息世界的信息在機器世界中以數(shù)據(jù)形式存儲。

機器世界和信息世界術(shù)語的對應(yīng)關(guān)系信息世界實體屬性實體集鍵碼機器世界記錄字段文件關(guān)鍵碼1.4.2數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述

兩個不同實體集的實體間聯(lián)系有以下三種情況。

(1)一對一聯(lián)系

(2)一對多聯(lián)系

(3)多對多聯(lián)系

上述實體間三種聯(lián)系如圖1.4所示。

圖1.4二個實體集實體間的三種聯(lián)系

1.4.3數(shù)據(jù)模型的概念

表示實體類型及實體間聯(lián)系的模型稱為“數(shù)據(jù)模型”(datamodel)。

1．數(shù)據(jù)模型的種類數(shù)據(jù)模型可分為兩個層次。第一層數(shù)據(jù)模型是獨立于計算機系統(tǒng)的模型，稱為“概念數(shù)據(jù)模型”

；第二層數(shù)據(jù)模型是依賴于計算機系統(tǒng)的模型，稱為“結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型”。

圖1.5現(xiàn)實世界中客觀對象的抽象過程2．結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型的三個組成部分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型的三個組成部分也稱為結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型的三要素。

（l）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指對實體類型和實體間聯(lián)系的表達和實現(xiàn)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述。

（2）數(shù)據(jù)操作數(shù)據(jù)操作是指對數(shù)據(jù)庫的檢索和更新(包括插入、刪除、修改)兩類操作的實現(xiàn)，數(shù)據(jù)操作是對系統(tǒng)動態(tài)特性的描述。

（3）數(shù)據(jù)完整性約束數(shù)據(jù)完整性約束給出了數(shù)據(jù)及其聯(lián)系應(yīng)具有的制約和依賴規(guī)則，用以限定符合數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效和相容。1.4.4數(shù)據(jù)模型及實例

1、概念數(shù)據(jù)模型及實例（重點）概念數(shù)據(jù)模型通常是用實體-聯(lián)系模型(簡稱E-R圖)來描述，設(shè)計ER圖的方法稱為ER方法，在ER圖中有四個基本成分：

（1）矩形框：表示實體類型(考慮問題的對象)。（2）菱形框：表示聯(lián)系類型(實體間的聯(lián)系)。（3）橢圓形框：表示實體類型和聯(lián)系類型的屬性。相應(yīng)的命名均記入各種框中。對于鍵碼的屬性，在屬性名下劃一橫線。（4）直線：聯(lián)系類型與其涉及的實體類型之間以直線連接，并在直線端部標上聯(lián)系的種類(1：1，1：N，M：N)。[例2]用ER圖舉例說明二個實體集實體間的三種聯(lián)系，見圖1.8。

圖1.8二個實體集實體間三種聯(lián)系的E-R圖[例3]已知教務(wù)管理涉及的實體有：系（系號、系名、系主任、電話），教師（教師號、姓名、性別、年齡、職稱、專業(yè)），學生（學生號、姓名、性別、年齡、專業(yè)、入學時間），課程（課程號、課程名、學時數(shù)、教室、教材）。這些實體之間的聯(lián)系如下：一個系有多個教師，一個教師只能屬于一個系；一個系有許多學生，但一個學生只能在一個系注冊；在某個時間某個地點一位教師可指導多個學生，但某個學生在某一時間和地點只能被一位教師所指導；一位教師可講授多門課程，一門課程可由多位教師講授，每位教師講授某門課程都有一個評價；一個學生可選修多門課程，一門課程允許多個學生選修，每個學生選修某門課程都有一個分數(shù)(成績)。

下圖l.9給出了某學校教務(wù)管理的E-R圖。

圖l.9學校教務(wù)管理的E-R圖[例4]用ER圖舉例說明三個實體集實體間的聯(lián)系和一個實體集實體內(nèi)部的聯(lián)系，見圖1.10。

圖1.10三個實體集實體間聯(lián)系和一個實體集實體內(nèi)部聯(lián)系的E-R圖

E-R圖是抽象描述現(xiàn)實世界的有力工具，它與計算機所支持的數(shù)據(jù)模型相獨立，它更接近于現(xiàn)實世界。2、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型及實例（省略）層次數(shù)據(jù)模型（1）層次數(shù)據(jù)模型定義：滿足下面兩個條件的基本層次聯(lián)系的集合稱為層次模型。

1）有且只有一個結(jié)點無雙親結(jié)點，此結(jié)點稱為根結(jié)點；

2）根以外的其他結(jié)點有且只有一個雙親結(jié)點。

圖l.11采用層次模型的教務(wù)數(shù)據(jù)庫

（2）層次數(shù)據(jù)模型實例

下圖1.12顯示了圖1.11教務(wù)數(shù)據(jù)庫的一個實例。

圖1.12教務(wù)數(shù)據(jù)庫的一個實例

網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型（1）網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的定義：滿足以下兩個條件的基本層次聯(lián)系的集合稱為網(wǎng)狀模型。

1）允許一個以上的結(jié)點沒有雙親；

2）一個結(jié)點可以有多于一個的雙親。

圖1.13采用網(wǎng)狀模型的學生選課數(shù)據(jù)庫

（2）網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的實例圖1.14顯示了圖1.13學生選課數(shù)據(jù)庫的一個實例。

圖1.14學生選課數(shù)據(jù)庫的一個實例

3．關(guān)系數(shù)據(jù)模型及實例（重點）層次模型和網(wǎng)狀模型的優(yōu)點是查詢和存取效率較高，但層次模型和網(wǎng)狀模型的主要缺點是編寫應(yīng)用程序很復雜，用戶不易掌握，數(shù)據(jù)和程序的獨立性差，這就大大增加了程序維護的工作量。

鑒于上述原因，導致人們對新的數(shù)據(jù)模型的探討。70年代中期以后，關(guān)系模型脫穎而出，成為占主導地位的數(shù)據(jù)模型。

關(guān)于關(guān)系數(shù)據(jù)模型及實例的內(nèi)容，為了避免重復，這部分內(nèi)容將在第2章中介紹。1.5典型案例分析1.5.1典型案例1---高校組織結(jié)構(gòu)概念數(shù)據(jù)模

型的設(shè)計（方法一）1、案例描述

某高校中有若干院（系），每個院（系）有若干教研室和班級，每個教研室有若干教師，其中有的教授和副教授每人各帶若干研究生，每個班級有許多學生，每個學生選修若干門課程,每門課程可由許多學生來選修；同時此高校中也有若干職能處（室），每個職能處（室）有若干個科，每個科有若干職員。請用E-R圖畫出該學校的概念數(shù)據(jù)模型。2、案例分析

學校中有若干院（系）和若干職能處（室），每個院（系）有若干教研室和班級，每個職能處（室）有若干個科，這說明學校與院（系）、學校與職能處（室）、院（系）與教研室和班級之間均是1對多關(guān)系；每個教研室有若干教師，每個班級有許多學生，每個科有若干職員，這說明教研室與教師、班級與學生、科與職員之間也都是1對多關(guān)系；每個學生選修若干門課程,每門課可由許多學生來選修，這說明學生與課程之間是多對多關(guān)系；教師中有的教授和副教授每人各帶若干研究生，這說明教師中的教授和副教授與學生中的研究生之間應(yīng)該是1對多的關(guān)系。3、案例實現(xiàn)

圖l.15某高校概念數(shù)據(jù)模型的E-R圖1.5.2典型案例2---學生在不同部門數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化1、案例描述

某高校的學生處、教務(wù)處和圖書館均要使用計算機對學生的有關(guān)信息進行管理，但其各自處理的內(nèi)容不同。學生處要處理的信息包括：學號，姓名，系名，年級，專業(yè)，年齡，性別，籍貫，政治面目，家庭住址，個人履歷，社會關(guān)系，……。教務(wù)處要處理的信息包括：學號，姓名，系名，年級，專業(yè)，課名，成績，學分，……。圖書館要處理的信息包括：學號，姓名，系名，年級，專業(yè)，圖書編號，圖書名稱，借閱日期，歸還日期，滯納金，……。要求用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化。2、案例分析

三個部門中均有學生學號、姓名、系名、年級和專業(yè)信息，應(yīng)該集中起來作為主記錄（即：學生實體集）。學生處信息除了主記錄公共信息外，還有學生的年齡，性別，籍貫，政治面目，家庭住址，個人履歷，社會關(guān)系等非公共信息，其中前5個是等長字段，后2個是非等長字段，分離后通過學號進行連接，形成人事實體集、個人履歷實體集、社會關(guān)系實體集。教務(wù)處信息除了主記錄公共信息外，還有課名，成績，學分等非公共信息，具體可以形成課程實體集、選課聯(lián)系實體集。圖書館信息除了主記錄公共信息外，還有圖書編號，圖書名稱，借閱日期，歸還日期，滯納金等非公共信息，具體可以形成圖書實體集、借閱聯(lián)系實體集。3、案例實現(xiàn)

圖l.16教務(wù)處、學生處和圖書館概念數(shù)據(jù)模型

在學習了第5章第4節(jié)中E-R圖向關(guān)系模型轉(zhuǎn)換的規(guī)則后，可以得到如下關(guān)系模式：學生（學號，姓名，系名，年級，專業(yè)）人事（學號，年齡，性別，籍貫，政治面目，

家庭住址）個人履歷（學號，年代，事件）社會關(guān)系（學號，姓名，與本人關(guān)系，狀況）課程（課號，課程名，學分）選課（學號，課號，成績）圖書（圖書編號，書名，作者）借閱（學號，圖書編號，借閱日期，歸還日期）。1.5.3典型案例3---數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的選擇

1、案例描述

當我們進行數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)時，如何根據(jù)