1、數據庫系統(tǒng)原理,課程代碼4735 主講人:王華,2,本書主要內容,全書共9章,主要講述數據庫技術的基礎知識及關系數據庫理論,數據庫設計及數據庫標準語言SQL,以及數據庫管理及數據庫軟件的運用知識。 在本書中，自考內容重點章節(jié)為第2、3、4、5章節(jié)。,3,學習目的,本書的主要目的 使讀者掌握數據庫技術的基本原理、方法和應用技術，能有效地使用現有的數據庫管理系統(tǒng)和軟件工具，掌握數據庫結構的設計和數據庫應用系統(tǒng)的開發(fā)原理。,4,第一章：數據庫系統(tǒng)基本概念,學習目的：要求掌握數據管理技術的發(fā)展階段，掌握數據描述的基本術語。數據抽象的級別，數據庫管理系統(tǒng)的工作模式及主要功能，數據庫系統(tǒng)的組成、全局結構等

2、。 學習重點：數據管理技術的發(fā)展、數據抽象的過程及級別。 學習難點：數據描述的術語、數據庫管理系統(tǒng)（DBMS）的工作模式及DBS的組成。,5,第一章 緒 論,數據庫的應用及發(fā)展史,數據庫中的基本名詞,數據模型,數據庫系統(tǒng)結構,1.數據庫在各個領域的應用情況 2.數據管理發(fā)展 3.數據庫系統(tǒng)的發(fā)展,數據、信息、數據管理、數據庫、數據庫管理系統(tǒng)、數據庫應用系統(tǒng)、數據庫系統(tǒng),1.概念模型、邏輯模型、物理模型 2.層次模型、網狀模型、關系模型,三級模式、兩級映像,6,授課內容,1.1 數據管理技術的發(fā)展 1.2 數據描述 1.3 數據抽象的級別 1.4 數據庫管理系統(tǒng) 1.5 數據庫系統(tǒng),7,1.1數

3、據管理技術的發(fā)展,什么是數據管理 對數據進行分類、組織、編碼、存儲、檢索和維護，是數據處理的中心問題 數據管理技術的發(fā)展過程 人工管理階段(40年代中-50年代中) 文件系統(tǒng)階段(50年代末-60年代中) 數據庫系統(tǒng)階段(60年代末-現在),8,1.1.1人工管理階段,時期 40年代中-50年代中 產生的背景 應用需求科學計算 硬件水平無直接存取存儲設備 軟件水平沒有操作系統(tǒng) 處理方式批處理,9,1.1.2文件系統(tǒng),時期 50年代末-60年代中 產生的背景 應用需求科學計算、管理 硬件水平磁盤、磁鼓 軟件水平有文件系統(tǒng) 處理方式聯機實時處理、批處理,10,1.1.3 數據庫階段,時期 60年代

4、末以來 產生的背景 應用背景大規(guī)模管理 硬件背景大容量磁盤 軟件背景有數據庫管理系統(tǒng) 處理方式聯機實時處理,分布處理,批處理,11,數據庫系統(tǒng)階段的特點： 采用數據模型表示復雜的數據結構 有較高的數據獨立性 數據庫系統(tǒng)為用戶提供了方便的用戶接口 數據庫系統(tǒng)提供了相應的數據控制功能 增加了系統(tǒng)的靈活性,12,數據管理技術進入數據庫系統(tǒng)階段的三件大事： 1、1968年美國IBM公司推出的層次模型的IMS系統(tǒng)。 2、1969年美國CODASYL組織發(fā)布的DBTG報告，提出了網狀模型。 3、1970年美國IBM公司E.F.Codd提出關系模型。,13,數據庫系統(tǒng)提供了四方面的數據控制功能： 1、數據庫

5、的恢復 2、數據庫的并發(fā)控制 3、數據的完整性 4、數據安全性,14,相應的術語(重點掌握) 1、數據庫(DB) 2、數據庫管理系統(tǒng)(DBMS) 3、數據庫系統(tǒng)(DBS) 4、數據庫技術 是研究數據庫的結構、存儲、設計、管理和使用的一門軟件學科。,15,1.2 數據描述,在數據處理中，數據描述將涉及到不現的范疇。從事物的特性到計算機中的具體表示，數據描述經歷了三個階段-概念設計、邏輯設計和物理設計。本節(jié)先介紹這三個階段的數據描述，再介紹概念設計中數據之間的聯系如何描述。,16,1.2.1 概念設計中的數據描述,1、實體 客觀存在，可以相互區(qū)別的事物稱為實體。 2、實體集 性質相同的同類實體的集

6、合，稱為實體集。 3、屬性 實體的性質、特性。 4、實體標識符 能惟一標識實體的屬性或屬性集。,17,1.2.2 邏輯設計中的數據描述,字段： 標識實體屬性的命名單位稱為字段，或數據項 記錄：字段的有序集合稱為記錄 文件： 同一類記錄的集合稱為文件 關鍵碼： 能惟一標識文件中的每一個記錄的字段或字段集,18,字段名,這一行稱為記錄,關鍵碼,19,1.2.3 物理設計中數據描述,1、物理存儲介質層次 1、高速緩沖存儲器(cache) 2、主存儲器 3、快擦寫存儲器(Flash Memory) 4、磁盤存儲器 5、光存儲器 6、磁帶,20,計算機系統(tǒng)的存儲層次,21,2、物理存儲中的數據描述 位(

7、bit) 一個二進制位稱為“位”，一位只能取0或1 字節(jié)：8個比特稱為一個字節(jié) 字：若干個字節(jié)組成一個字。一個字所含的二進制位的位數稱為字長。 塊：又稱為物理塊或物理記錄。塊是內存和外存交換信息的最小單位。 桶：外存的邏輯單位。一個桶可以包含一個物理塊或多個物理塊。 卷：一個輸入輸出設計所能裝載的全部有用信息。,22,1.2.4 數據聯系的描述,聯系（Relationship） 現實世界中事物內部以及事物之間的聯系在信息世界中反映為實體內部的聯系和實體之間的聯系 實體型間聯系 兩個實體型 一對一聯系（1:1） 三個實體型 一對多聯系（1:n） 一個實體型 多對多聯系（m:n）,23,兩個實體型

8、間的聯系,24,兩個實體型間的聯系 ,一對一聯系 如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中至多有一個實體與之聯系，反之亦然，則稱實體集A與實體集B具有一對一聯系。記為1:1。 實例 班級與班長之間的聯系： 一個班級只有一個正班長 一個班長只在一個班中任職,25,兩個實體型間的聯系 (續(xù)),一對多聯系 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（n0）與之聯系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中至多只有一個實體與之聯系，則稱實體集A與實體集B有一對多聯系記為1:n 實例 班級與學生之間的聯系： 一個班級中有若干名學生， 每個學生只在一個班級中學習,26,兩個實體型間的聯系

9、(續(xù)),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（n0）與之聯系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中也有m個實體（m0）與之聯系，則稱實體集A與實體B具有多對多聯系。記為m:n 實例 課程與學生之間的聯系： 一門課程同時有若干個學生選修 一個學生可以同時選修多門課程,27,多個實體型間的聯系(續(xù)),多個實體型間的一對多聯系 若實體集E1，E2，.，En存在聯系，對于實體集Ej（j=1，2，.，i-1，i+1，.，n）中的給定實體，最多只和Ei中的一個實體相聯系，則我們說Ei與E1，E2，.，Ei-1，Ei+1，.，En之間的聯系是一對多的。,28,多

10、個實體型間的聯系(續(xù)),實例 課程、教師與參考書三個實體型 如果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 課程與教師、參考書之間的聯系是一對多的 多個實體型間的一對一聯系 多個實體型間的多對多聯系,29,同一實體集內各實體間的聯系,一對多聯系 實例 職工實體集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 這是一對多的聯系 一對一聯系 多對多聯系,30,1.3 數據抽象的級別,1.3.1 數據抽象的過程 數據抽象的級別定義了四種模型:概念數據模型、邏輯數據模型、外部數據模型、內部

11、數據模型。四種模型之間的相互關系如下： ,映象,映象,31,數據庫抽象過程(也即數據庫設計過程) 1、根據用戶的需求，設計數據訓的概念模型。 2、根據轉換規(guī)則，把概念模型轉換成數據庫的邏輯模型。 3、根據用戶的業(yè)務特點，設計不同的外部模型， 4、數據庫實現時，根據邏輯模型設計其內部模型。,32,1.3.2 概念模型,概念模型的特點： 1、表達了數據的整體邏輯結構，它是系統(tǒng)用戶對整個應用項目涉及的數據的全面描述。 2、要領模型是從用戶需求的觀點出發(fā)，對數據建模 3、概念模型獨立于硬件和軟件。不依賴于具體的硬件設備。 4、概念模型是數據庫設計人員與用戶之間進行交流的工具。,如：以下是一個大學中，學

12、生、教師、課程實體之間的E-R圖,34,1.3.3 邏輯模型,在選定DBMS以后，就需將概念模型按照選定的DBMS的特點轉換成邏輯模型。 邏輯模型具有以下特點： 邏輯模型表達了DB的整體邏輯結構，是設計人員對整個應用項目的全面描述。 是從數據庫的實現的觀點出發(fā)，對數據建模。 其獨立于硬件，但依賴于軟件。 是數據庫設計人員與應用程序員之間進行交流的工具。,35,邏輯模型主要有三種: 1、層次模型 2、網狀模型 3、關系模型,36,1、層次模型,滿足下面兩個條件的基本層次聯系的集合為層次模型。 1. 有且只有一個結點沒有雙親結點，這個結點稱為根結點 2. 根以外的其它結點有且只有一個雙親結點,層次

13、模型的結構圖,38,2、網狀模型,網狀模型結點間的聯系不受層次的限制，可任意發(fā)生聯系，它的結構是結點的連通圖。,39,3、關系模型,關系數據模型中，稱二維表為關系，表中的列稱屬性，列中的值取自相應的域，域是屬性所有可能取值的集合。表中的一行稱為一個元組，元組用關鍵字標識。 對二維表框架的描述稱為關系模式。關系模型是由若干關系模式組成的集合。 關系模型中用二維表表示實體集及其屬性，用二維表描述實體集間的聯系。,40,關系模型舉例,如書上第16頁例1.7所示:,41,1.3.4 外部模型,在應用系統(tǒng)中，根據業(yè)務的特點劃分成若干個業(yè)務單位，每一個業(yè)務單位都有特定的約束和需求，可以建立不同的外部模型（

14、視圖） 視圖只是一個定義，視圖中的數據可以從邏輯模型的數據庫中得到。 舉例:,42,外部模型具有下列優(yōu)點： 1、簡化了用戶的觀點。 2、有助于數據庫的安全性保護 3、外部模型是對概念模型的支持,43,1.3.5 內部模型,內部模型又稱為物理模型，是數據庫最低層的抽象，它描述數據在磁盤等存儲器中的存儲方式、存取設備、和存取方法。,44,1.3.6三層模式和二層映象,45,1、三級模式結構 ,模式: 對DB中全體數據的邏輯結構和特征的描述，數據模式是DB的框架，反映的是DB中數據的結構及其相互關系。 DB的三級模式： 概念模式 外模式 內模式,46,DB的三級模式結構,47, 概念模式(模式、DB

15、模式、邏輯模式) DB中全部數據整體邏輯結構和特征的描述。 是現實世界中一個組織或部門實體及其聯系的抽象模型在具體DBS中的實現。 一個DB只有一個概念模式，是DBS三級模式結構的中間層。 是DB中全體數據的邏輯描述，而不是DB本身，它是裝配數據的一個結構框架。 概念模式由DBMS提供的DDL來定義和描述。,48, 外模式(子模式、用戶模式) 是用戶觀念下局部數據結構的邏輯描述，是DB用戶能夠看見和使用的局部數據的邏輯結構和特征的描述。是用戶與DBS之間的接口。不同用戶的外模式不相同。 一個DB可以有多個外模式，外模式表示了用戶所理解的實體、實體屬性和實體間的聯系。 外模式是概念模式的一個邏輯

16、子集。 外模式由DBMS提供的DDL來定義和描述。,49, 內模式(存儲模式) 是對DB中數據物理結構和存儲方式的描述，是數據在DB內部的表示形式。 一個DB只有一個內模式。 在內模式中規(guī)定了所有數據的物理組織，以及優(yōu)化性能、響應時間和存儲空間需求等信息。 是DBMS管理的最低層，它是物理存儲設備上存儲數據時的物理抽象。 內模式由DBMS提供的DDL來定義和描述。,50,2兩級映像,DBS的三級模式是對數據進行三個級別的抽象，使用戶能邏輯地抽象地處理數據，而不必關心數據在機器中的具體表示方式和存儲方式。 為實現三個抽象級別的聯系和轉換，DBMS提供兩個層次的映像： 外模式/概念模式映像 概念模

17、式/內模式映像 映像:是一種對應規(guī)則，它指出了映像雙方是如何進行轉換的。,51, 外模式/概念模式映像 定義各外模式與概念模式間的映像關系。 對應于同一個概念模式可有多個外模式,每個外模式,DBS都有一個外模式/概念模式映像,它定義了該外模式與概念模式間的對應關系。 映像定義常在各自的外模式中加以描述。,52, 概念模式/內模式映像 定義DB全局邏輯結構與存儲結構間的對應關系。 因這兩級的數據結構可能不一致，即記錄類型、字段類型的命名和組成可能不一樣，故該映像說明概念記錄和內部記錄間的對應性。 概念模式/內模式映像一般是在內模式中加以描述。,53,3兩級數據獨立性, 物理數據獨立性 若修改DB

18、的內模式(DB的物理結構有所變化),則只修改概念模式/內模式映像即可。 可使概念模式盡可能保持不變,即對內模式的修改盡量不影響概念模式,對外模式和應用程序的影響則更小。 邏輯數據獨立性 若修改DB的概念模式(增加記錄類型或增加數據項),則只修改外模式/概念模式映像,可使外模式和應用程序盡可能保持不變。,54,1.4數據庫管理系統(tǒng)(DBMS), DBMS的工作模式 DBMS的主要功能,55, DBMS的工作模式 DBMS接受應用程序的數據請求和處理請求,然后將用戶的數據請求(高級指令)轉換成復雜的機器代碼(低層指令),通過其實現對DB的操作,并接受對DB操作而得到的查詢結果,同時對查詢結果進行處理(格式轉換),最后將處理結果返回給用戶。,56,用戶對DB進行操作,是由DBMS把操作從應用程序帶到外部級、概念級,再導向內部級,進而通過OS操縱存儲器中的數據。 DBMS為應用程序在內存開辟一個DB的系統(tǒng)緩沖區(qū),用于數據的傳輸和格式轉換。 三級模式結構定義存放在DD中。 用戶訪問DB的過程如圖所示。,57