数据库系统基础 1

数据库系统基础1数据库基础理论石油大学（北京）计算机系朱瑛数据库系统基础2第一章数据库系统概述一、引言二、数据模型三、数据库系统的结构数据库系统基础3§1.1引言一、什么是数据库数据库是计算机软件的一个重要分支，是近十几年发展起来的一门新兴学科，对于数据库的定义有不同提法。C.J.Date则从三方面描述数据库：存储在外存介质上的数据集合；存在以这种数据为背景运行的若干个批应用程序，对其进行检索、修改、插入和删除，另外可能有一些联机用户从远程终端与数据库相互作用；数据库系统基础4数据库是集成的，即包含许多用户的数据，每个用户只享用其中的小部分，且不同用户使用的部分数据以多种方式重叠——即单独的数据片能够被许多不同用户共享；首先指出，数据库保存的是用于企业和事业部门、团体和个人的有关数据。例如制造公司的生产管理和产品供销数据、银行帐目数据、医院的患者病例数据、学校的教学管理数据、政府部门的管理、统计和计划数据等。数据库系统基础5特别应该强调的是，设计数据库保存这些数据的目的，不仅仅是为了扩展人们的记忆而主要是帮助人们去控制与之相关的事物。因此，数据库往往不是孤立存在的，通常是一个更大的信息控制系统的一部分，两者关系如图1．1所示。数据库系统基础6控制决策机构（用户）信息规范化策略客观事物观测机构数据库数据库系统基础7该图表示，人们从观测客观事物中得到大量信息，对这些信息进行记录、整理和归类(总称规范)，然后将规范信息数据化并送入数据库中保存起来，其中一部分信息可直接送入控制决策机构。另一方面，控制决策机构向数据库发出询问，并利用数据库响应后提供的信息(以及其他有关信息)作出决策，再行控制客观事物。数据库系统基础8例如，就一个教学信息控制系统而言，客观事物可指学生、课程、学习情况等，决策控制机构指教学领导机关，策略是提高教学质量的措施。当数据库的管理人员把观测客观事物(学生、课程、学习情况)得到的信息规范化、数据化并送入数据库后，教学领导机关即可通过询问数据库得到学生各门课程的学习情况，根据这些情况，参考其他学校的教学经验，提出改进教学的措施(策略)，并在教学中付诸实行(控制客观事物)。数据库系统基础9图书馆是存储和负责借阅图书的部门；而数据库则是存储数据并负责用户访问数据的机构。正象图书馆不能简单地与书库等同起来一样，我们也不能把数据库仅仅理解为存储数据的集合，而应视为一个系统，即数据库系统。如果把书籍胡乱地堆放在书库中，几乎无法从数以百万册计的浩瀚书海中查找出读者要借的一本书来。因此，没有一套完整的书卡作为图书馆藏书的模型，查借书籍就很困难，管理员也很难掌数据库系统基础10握藏书全貌。所以如果不知道书卡与书架的对应关系，管理员也难以按借书单找到读书的存放位置。一个图书馆要想很好地为读者服务，必须完成以下工作：建立完善的书卡。书卡的内容和格式常包括：书号(分类号)、书名、作者名、出版社名、出版时间、内容摘要和其他细节。有时为了方便读者，也按不同分类编排书卡，加以书名、作者名或其它为索引进行编排。数据库系统基础11图书应有组织地存放在书库中。图书馆藏书数量很大，书库中房间和书架很多，需要按照一定的顺序和规则(物理结构)分放图书，并列出各类书籍存放的对应关系表，使管理人员能按此表快速查找。规定借阅权限。不同类型读者的借阅权限不同。建立周密的借阅管理制度。对数据库来说，也要完成类似于图书馆的上述工作。数据库系统基础12数据库要建立数据模型，使用户可以根据数据模型访问数据库中的数据(如检索、插入、删除和修改)，而不必关心数据在数据库中的物理存储位置，就象读者可以按书卡填写借书单，而不用顾及书籍存放在书库的什么位置一样。数据也应有组织地在存放在存储设备上，并建立数据模型到物理存储位置的对应表（这种对应称为映射）。使数据库管理系统能够按照用户的访问请求，找到被访问数据的存储位置。数据库系统基础13建立数据模型和设计数据的物理存储（组织）方法，其目的是使用户对数据的应用与数据的存放位置和存储结构无关，后者的变动不影响前者（正象改变图书的存放位置不影响读者按书卡借书一样），这一点也称为数据独立性，它是数据库的重要特征之一。现用表1.1来归纳数据库与图书馆两者的类似。数据库系统基础14序号数据库图书馆1数据图书2外存书库3用户读者4用户标识借书证5数据模型书卡格式数据库系统基础156数据库管理系统图书管理员7数据的物理组织方法图书的物理存放方法8用户对数据的操作（检索、插入、删除、修改）读者对图书馆的访问（借书、还书）数据库系统基础16二、数据库管理的进展数据管理是指对数据的组织、分类、编码、存储、检索和维护。计算机数据管理随着计算机硬件(主要是外存储器)、软件技术和计算机应用范围的发展而不断发展，多年来大致经历了如下四个阶段：人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系统阶段、分布式数据库系统阶段。数据库系统基础171.人工管理阶段.应用程序1数据组1应用程序2数据组2应用程序n数据组n数据库系统基础18这个阶段的特点是：数据不保存；没有软件系统对数据进行管理；没有文件概念；一组数据对应一个程序；数据库系统基础192.文件系统阶段应用程序2数据组2应用程序n数据组n存储方法应用程序1数据组1数据库系统基础20这个阶段的优点：程序与数据有一定的独立性；数据与程序之间有设备独立性，即程序只需用文件名访问数据，不必关心数据的物理位置；这个阶段的缺点：数据冗余度大；数据缺乏独立性；数据无法集中管理；数据库系统基础213.数据库系统阶段数据库数据库管理系统....应用程序1应用程序2数据库系统基础22这个阶段的特点：在描述数据时不仅描述数据本身，还要描述数据之间的联系;数据盈余度小，易扩充;具有较高的数据和程序的独立性;提供三方面的数据控制功能：安全性、完整性、并发;数据的最小存取单位是数据项;数据库系统基础234.分布式数据库系统阶段这阶段以前的数据库系统大部分是集中式的。在文件系统阶段，数据是分散在各个文件中，文件之间无联系。而集中式数据库把数据集中在一个数据库中，集中管理，减少了冗余和不一致性，而且数据联系比文件系统强得多。但集中式系统也有弱点，一是系统相当庞大，操作复杂，开销大，二是处理不同领域问题时显得不够灵活。数据库系统基础24此外，由于数据集中存储，大量的通信都要通过主机，造成拥挤现象，因此随着小型机和微型机的普及，随着计算机网络软件和远程通信的发展，分布式数据库系统崛起了。这个阶段的特点：局部自主；可靠性和可用性；效率和灵活性。数据库系统基础25全局终端数据库局部终端局部终端数据库数据库中央处理机局部处理机局部处理机数据库系统基础26三、信息的三个领域在数据处理中将涉及不同的范畴。从事物的特性到计算机里的具体表示，实际上经历了三个领域一一现实世界、信息世界和机器世界。数据库系统基础271．现实世界存在于人们头脑之外的客观世界，称为现实世界。例如，仓库管理中首先涉及的是货物的管理，包括货物的存放、货物的进出、货物的检查等等。这里就可能有许多报表、图表，都是数据库系统接触到的最原始的数据。数据库系统基础282．信息世界信息世界是现实世界在人们头脑中的反映，人们把它用文字和符号记载下来。实体(entity)：客观存在并且可以相互区别的东西称为实体。实体可以是可触及的对象，例如一个男学生，一辆汽车等。也可以是抽象的事件，如一次足球比赛，一次借书等。实体集(entityset)：性质相同的同类实体的集合，称为实体集。例如所有的男学生，全国足球锦标赛的所有比赛等。数据库系统基础29属性(attributes)：实体有很多特性，每一个特性称为属性。每个属性有一个值域，值域的类型可以是整数型、实数型或字符串型等。例如学生有姓名、年龄、性别等属性，相应值域的类型分别是字符串、整数和字符串型。码（key）：能唯一标识实体集中每个实体的属性或属性集称为实体的码，也称标识符。例如学生的姓名（不允许重名）可以作为学生实体的码。数据库系统基础303.机器世界信息世界的信息在机器世界中以数据形式存储。字段：标识实体属性的符号集称为字段，或数据项。它是可以命名的最小信息单位。例如学生有学号、姓名、年龄、性别等字段。记录：字段的有序集合称为记录。一般用一个记录描述一个实体，所以记录又称为能完整地描述一个实体的符号集。例如一个学生的记录，由有序字段集组成：（学号、姓名、年龄、性别）。数据库系统基础31文件：同一类记录的汇集称为文件。文件是描述实体集的，所以它又可定义为描述一个实体集的所有符号集。例如所有的学生记录组成了一个学生文件。关键字：能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集称为文件的关键字，也称码。数据库系统基础32§1.2数据模型描述数据的组织结构和关系，根据不同的目的采用两种模型：概念模型是将现实世界中的客观对象抽象为一种信息结构，这种信息结构不依赖于具体的计算机系统。数据模型是数据库系统中用于提供信息表示和操作手段的形式构架。数据库系统基础33一、模型的三要素任何一种数据模型都是严格定义的概念的集合。这些概念必须能够精确地描述系统的静态特性、动态特性和完整性约束条件。因此数据模型通常都是由数据结构、数据操作和完整性约束三个要素组成。数据库系统基础341.数据结构是所研究的对象类型的集合。这些对象是数据库的组成部分。可分为两类：一类是与数据类型、内容、性质有关的对象；一类是与数据之间联系有关的对象。数据库系统基础352.数据操作是指对数据库中各对象（型）的实例（值）允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则。数据库主要有检索和更新（包括插入、删除、修改）两大类操作。数据库系统基础363.数据的约束条件是完整型规则的集合。完整型规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则，用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。数据库系统基础37二、概念模型概念模型是设计数据库的先导，因为它是确定数据库包含哪些信息内容的关键。为了使数据库的设计不至由于考虑欠周须大量修改或推倒重来，设计者必须与用户合作，开列用户问题表，而后对现实世界中所需考虑的客观事物及其联系进行模拟，建立一个正确反映客观事实的概念模型。数据库系统基础381.对象与属性在信息世界中，我们用实体描述客观事物。实体可分成“对象”与“属性”两大类。如人、车、学校描述的是对象，又如张三、第一汽车制造厂、北京大学是表示对象的某种特征。数据库系统基础392.个体与总体实体又分为两级，一级是个体，指单个的能互相区别的特定实体，如“张三”、“北京大学”；另一级是“总体”，泛指某一类个体组成的集合。如“人”泛指张三、李四等个体组成的集合；“学校”泛指北大、清华等组合。概括地说，对象与属性的联系是对象内部的联系，而个体与总体的联系是外部联系。数据库系统基础403.总体之间的联系设有两个均包含有若干个体的总体A、B，其间建立了某种联系。可将联系方式分为如下三种：一对一联系如果A中的任一个体至多对应于B中的一个个体；反之，B中的任一个体，至多对应放A中的一个个体，则称A对B是一对一的联系（1：1）。数据库系统基础41专业系领导领导系主任专业系系主任系代码名称电话职工号姓名11数据库系统基础42一对多联系如果A中至少有一个个体对应于B中一个以上个体；反之，B中任一个体至多对应于A中一个个体，则称A对B是一对多联系（1：m）。例如，省对县、学校对系、班级对学生等都是一对多联系。数据库系统基础43专业系学习学习学生学生学号姓名专业系系代码名称电话年龄性别m1数据库系统基础44多对多联系如果A中至少有一个个体对应于B中一个以上个体；反之B中也至少有一个个体对应于A中一个以上个体，则称A对B是多对多联系（n：m）。例如，学生与课程、工厂与产品、商店与顾客等都是多对多联系。数据库系统基础45学生课程学生成绩单课程成绩单选课学