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1第1章数据库基础数据库系统概述1.1数据管理技术的发展1.2数据模型1.3关系数据库1.4数据库系统的体系结构1.5数据库系统设计简介1.62随着科学技术和社会经济的飞速发展，人们掌握的信息量急剧增加，要充分地开发和利用这些信息资源，就必须有一种新技术能对大量的信息进行识别、存储、处理与传播。随着计算机软硬件技术的发展，20世纪60年代末，数据库技术应运而生，并从70年代起得到了迅速的发展和广泛的应用。数据库技术主要研究如何科学地组织和存储数据，如何高效地获取和处理数据。数据库技术作为数据管理的最新技术，目前已广泛应用于各个领域。对于一个国家来说，数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用频度已经成为衡量这个国家信息化程度的重要标志。31.1数据库系统概述1.信息：信息是人脑对现实世界中的客观事物以及事物之间联系的抽象反映，它向我们提供了关于现实世界实际存在的事物及其联系的有用知识。2.数据：数据是人们用各种物理符号，把信息按一定格式记载下来的有意义的符号组合。数据不仅仅是数字，还可以是文字、图象、声音等各种表现形式。数据经数字化后可以存入计算机中，是数据库中存储的基本对象。数据和它的语义是不可分割的。41.1数据库系统概述数据的形式不能完全表达其内容。例如：(李明，78)我们可以赋予它一定的语义，它表示李明的期末考试平均成绩为78分。如果不了解其语义，则无法对其进行解释，甚至解释为李明的年龄为78。99：8179，7954舅舅：不要吃酒，吃酒误事1×1＝1一成不变10002＝100×100×100千方百计7／8七上八下7÷2不三不四51.1数据库系统概述3.数据处理：指对各种形式的数据进行收集、整理、加工、存储和传播的一系列活动的总和。其目的之一是从大量的原始数据中提取出对人们有价值的信息，作为行动和决策的依据；目的之二是为了借助计算机科学地保存和管理大量的复杂的数据，以便人们能方便地充分利用这些信息资源。4.数据库(DB)：以一定的方式保存在计算机存储设备上的相互关联的数据的集合。61.1数据库系统概述5.数据库管理系统(DBMS)：用于帮助我们管理输入到计算机中的大量数据。如用于创建数据库，向数据库中存储数据，修改数据库中的数据，从数据库中提取信息等。一个DBMS应具备如下功能：(1)数据定义功能(2)数据操纵功能(3)数据查询功能(4)数据控制功能(5)数据库通信功能71.1数据库系统概述6.数据库管理员：数据库的建立、使用和维护只靠DBMS是不够的，还需要有专门的人员来完成，这些人员称为数据库管理员7.数据库系统(DBS)：在计算机系统中引入数据库的系统。除了相关的硬件之外，数据库系统还包括数据库、数据库管理系统、应用系统、数据库管理员和用户。81.2数据管理技术的发展什么是数据管理?对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，是数据处理的中心问题。数据管理技术的发展动力应用需求的推动计算机硬件的发展计算机软件的发展数据管理技术的发展过程人工管理阶段(40年代中--50年代中)文件系统阶段(50年代末--60年代中)数据库系统阶段(60年代末--现在)91.2数据管理技术的发展1.人工管理阶段在计算机发展的初级阶段，计算机硬件本身还不具备象磁盘这样的可直接存取的存储设备，因此也无法实现对大量数据的保存，也没有用来管理数据的相应软件，计算机主要用于科学计算。这个阶段的数据管理是以人工管理的方式进行的，人们还没有形成一套数据管理的完整的概念。101.2数据管理技术的发展人工管理阶段的主要特点：(1)数据不保存。计算机主要用于科学计算，计算时输入数据，用完就撤走数据。(2)还没有文件的概念。数据由每个程序的程序员自行组织和安排。(3)数据不共享：每组数据和一个应用程序相对应，因此可能导致大量的数据重复。(4)没有形成完整的数据管理的概念，更没有对数据进行管理的软件系统。每个程序都要包括数据存取方法、输入/输出方法和数据组织方法，程序直接面向存储结构，因此存储结构的任何修改都将导致程序的修改。程序和数据不具有独立性。111.2数据管理技术的发展人工管理阶段的特点可以用下图来描述：应用程序1数据集1应用程序2数据集2应用程序n数据集n…………121.2数据管理技术的发展2.文件系统阶段随着计算机软硬件技术的发展，如直接存储设备的产生，操作系统、高级语言及数据管理软件的出现，计算机不仅用于科学计算，也开始大量用于信息管理。数据可以以文件的形式长期独立地保存在磁盘上，且可以由多个程序反复使用；操作系统及高级语言或数据管理软件提供了对数据的存取和管理功能，这就是文件系统阶段。131.2数据管理技术的发展文件系统阶段的主要特点：(1)数据可以长期保存在磁盘上，因此可以重复使用。数据不再属于某个特定的程序，可以由多个程序反复使用。(2)数据的物理结构和逻辑结构有了区别，但较简单。程序开始通过文件名和数据打交道，不必关心数据的物理存放位置，对数据的读/写方法由文件系统提供。(3)程序和数据之间有了一定的独立性。应用程序通过文件系统对数据文件中的数据进行存取和加工，程序员不必过多地考虑数据的物理存储细节，并且，数据在存储上的改变不一定反映在程序上，节省了维护工作。(4)出现了多种文件存储形式及相应的访问方式；但文件之间是独立的，它们之间的联系要通过程序去构造，文件的共享性也还比较差。数据的存取基本上以记录为单位。141.2数据管理技术的发展文件系统阶段程序和数据之间的关系可以用下图来描述：应用程序1文件1应用程序2文件2应用程序n文件n…………文件系统151.2数据管理技术的发展虽然文件系统比人工管理有了长足的进步，但是文件系统所能提供的数据存取方法和操作数据的手段还是非常的有限。数据的存储结构和程序之间的依赖关系并未根本改变；数据冗余大；数据的重复以及数据之间没有建立起相互联系还会造成数据的不一致性。随着信息时代的到来，人们要处理的信息量急剧增加，对数据的处理要求也越来越复杂，文件系统的功能已经不能适应新的需求，而数据库技术也正是在这种需求的推动下逐步产生的。161.2数据管理技术的发展3.数据库系统阶段数据库系统阶段使用数据库技术来管理数据。它克服了文件系统的不足，并增强了许多新功能。在这一阶段，数据由数据库管理系统统一控制，数据不再面向某个应用而是面向整个系统，因此数据可以被多个用户、多个应用共享。171.2数据管理技术的发展数据库系统阶段的特点：(1)能根据不同的需要按不同的方法组织数据，以最大限度地提高用户或应用程序访问数据的效率。(2)数据库不仅能够保存数据本身，还能保存数据之间的相互联系，保证了对数据修改的一致性。(3)相同的数据可以共享，降低了数据的冗余度。(4)数据具有较高的独立性，数据的组织和存储方法与应用程序相互独立，互不依赖，大大降低了应用程序的开发代价和维护代价。(5)提供了一整套的安全机制来保证数据的安全、可靠。(6)可以给数据定义一些约束条件来保证数据的正确性。181.2数据管理技术的发展数据库系统阶段应用程序和数据库之间的关系可以用下图来表示：应用程序1应用程序2应用程序n……数据库管理系统数据库191.3数据模型数据库是某个企业、组织或部门所涉及的数据的综合，它不仅要反映数据本身的内容，而且要反映数据之间的联系。由于计算机不可能直接处理现实世界中的具体事物，所以人们必须事先把具体事物转换成计算机能够处理的数据。在数据库技术中使用数据模型来抽象、表示现实世界中的数据和信息。模型：对现实世界特征的模拟和抽象。数据模型：对现实世界数据特征的模拟和抽象。201.3数据模型现实世界中的数据要进入到数据库中，需要经过人们的认识、理解、整理、规范和加工。可以把这一过程划分成三个主要阶段，即现实世界阶段、信息世界阶段和机器世界阶段。现实世界中的数据经过人们的认识和抽象，形成信息世界；在信息世界中用概念模型来描述数据及其联系，概念模型按用户的观点对数据和信息进行建模，独立于具体的机器和DBMS；根据所使用的具体机器和DBMS，需要对概念模型进行进一步转换，形成在具体机器环境下可以实现的数据模型。211.3数据模型三个阶段之间的相互关系：不依赖于具体机器和DBMS依赖于具体机器和DBMS现实世界信息世界：概念模型机器世界：某DBMS支持的数据模型抽象转换221.3.1现实世界1.实体：现实世界中客观存在并可以相互区分的事物称。如学生、课程、零件、案件等都是实体。2.实体的特征：每一个实体具有的特征。如“学生”实体具有学号、姓名、性别等特征；“零件”实体具有名称、规格型号、生产日期、单价等特征。3.实体集：具有相同特征的一类实体的集合构成了实体集。例如，所有的学生构成了“学生”实体集。4.标识特征：在一个实体集中，用于区分实体的特征称。例如，对于学生实体，学号可以作为其标识特征，而性别则不能作为其标识特征。231.3.2信息世界人们对现实世界的对象进行抽象，并对其进行命名、分类，在信息世界用概念模型来对其进行描述。信息世界涉及的主要概念：1.实体：对应于现实世界的实体。如一个学生、一门课等。2.属性：对应于实体的特征。一个实体可以由若干个属性来刻画。例如，学生实体可以有学号、姓名、性别、班级、年龄等属性。3.码：对应于实体的标识特征。例如，学生实体可以用学号来唯一标识，因此学号可以作为学生实体的码。241.3.2信息世界4.域：属性的取值范围称为该属性的域。例如，姓名的域为字符串集合；年龄的域为不小于零的整数；性别的域为(男，女)。5.实体型：用实体名及其属性名集合来描述实体，例如，学生实体型描述为：学生(学号，姓名，性别，年龄)例如，课程实体型可以描述为：课程(课程号，课程名，学分)6.实体集：同型实体的集合构成了实体集。例如，全体学生构成了学生实体集。251.3.2信息世界7.联系：现实世界中的事物之间通常都是有联系的，这些联系在信息世界中反映为实体内部的联系和实体之间的联系。实体内部的联系通常指组成实体的各属性之间的联系；实体之间的联系通常指不同实体集之间的联系。这些联系总的来说可以划分为三种：一对一联系一对多(或多对一)联系多对多联系。这里讨论实体之间的联系261.3.2信息世界(1)一对一联系：如果实体集A与实体集B之间存在联系，并且对于实体集A中的任意一个实体，在实体集B中至多只有一个实体与之对应；而对于实体集B中的任意一个实体，在实体集A中也至多只有一个实体与之对应，则称实体集A和实体集B之间存在着一对一的联系(表示为1:1)。271.3.2信息世界例如，“公司”是一种实体，“总经理”也是一种实体。如果按照语义，一个公司只能有一个总经理，而一个总经理只能管理某一个公司，则“公司”和“总经理”实体之间的联系就是一对一的联系。如下图：公司管理总经理11281.3.2信息世界(2)一对多联系：如果实体集A与实体集B之间存在联系，并且对于实体集A中的任意一个实体，在实体集B中可以有多个实体与之对应；而对于实体集B中的任意一个实体，在实体集A中至多只有一个实体与之对应，则称实体集A到实体集B的联系是一对多的联系(表示为1:n)。291.3.2信息世界例如，“部门”是一种实体，“职工”也是一种实体。如果按照语义，一个部门可以有多个职工，而一个职工只能归属于一个部门，则“部门”实体到“职工”实体的联系就是一对多的联系，如下图：部门属于职工1n301.3.2信息世界(3)多对多联系：如果实体集A与实体集B之间存在联系，并且对于实体集A中的任意一个实体，在实体集B中可以有多个实体与之对应；而对于实体集B中的任意一个实体，在实体集A中也可以有多个实体与之对应，则称实体集A到实体集B的联系是多对多的联系(表示为m:n)。311.3.2信息世界例如,“学生”是一种实体，“课程”也是一种实体。“学生”实体到“课程”实体的联系就是多对多的联系。因为一个学生可以学习多门课程，而一门课程又可以有多个学生来学习。如下图：学生选修课程mn321.3.2信息世界两个以上的实体之间也存在一对一、一对多和多对多