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数据库原理与应用第2章数据库系统概述主讲人主要内容2.1数据管理技术的发展2.2概念数据模型2.3结构数据模型2.4数据库系统的组成例129届奥林匹克运动会于2008年8月8日至24在中国首都北京举行，这是一届真正的无与伦比的奥运会。这段信息中包含:信息:中国北京举办了奥林匹克运动会数据:2008年8月8日至24日,北京，所有的文字数据处理:无与伦比例22008年春运期间，中国南方大部分城市遭遇了五十年一遇的特大雪灾，雪灾造成广州火车站铁路停运，近百万的回家人员滞留在火车站。信息是现实世界事物的各种特征（存在方式、运动状态以及事物之间的联系等）在人的头脑里的抽象反映。数据用来记录信息的可识别的符号，是表达信息的载体。数据是一切文字、符号、声音、图像等有意义元素的组合。数据处理对各种形式的数据进行收集、存储、加工、检索和传输等一系列活动的总和。其目的是从大量的原始数据中抽取和推导出有价值的信息，作为决策的依据。2.1数据管理技术的发展2.1.1信息、数据与数据处理信息的特征：1）信息源于客观世界的事物，它是人类对客观事物的感知，是一种抽象反映。2）信息是可以通过报纸、电台、电视、计算机网络等媒体进行传递的。3）信息是可存储、加工、传递和再生的。数据的特征：可用多种不同的数据形式表示同一信息。数据处理的特征：1）数据量大2）数据间的关系错综复杂3）数据间的计算相对简单些2.1数据管理技术的发展2.1.2数据管理技术发展的3个阶段1.人工管理阶段没有磁盘、没有操作系统、也没有数据管理软件。2.1数据管理技术的发展人工管理阶段的缺陷：数据只能由用户直接管理，数据面向应用，无法独立。2.1数据管理技术的发展数据文件n应用程序1应用程序2应用程序n数据文件1数据文件2文件系统……2.文件管理阶段有了磁盘/磁鼓、高级语言和操作系统（包含文件系统）。文件管理阶段的特点：数据以文件形式保存下来，可以独立对数据进行编辑和管理。文件形式多样化：有顺序文件、随机文件等。程序与数据间有一定的独立性。文件系统的缺陷：1）以应用为中心，数据面向应用。2）数据冗余。3）数据不一致。4）数据间联系弱。2.1数据管理技术的发展2.1数据管理技术的发展应用程序1应用程序2应用程序n数据库…数据库管理系统3.数据库系统阶段大容量的磁盘出现，价格下调，数据量急剧增加，文件系统已不能满足要求，数据库管理系统出现。数据库系统特点：1、用数据模型表示数据结构。数据模型不仅描述数据本身，还描述数据间的联系。2、数据共享数据库中的数据将考虑所有用户的需求，面向整个应用系统组织。3、减少数据冗余同一个数据在物理上仅存储一次，但可以映射到不同的逻辑文件里。4、有较高的数据独立性。5、数据库系统为用户提供了方便的用户接口。2.1数据管理技术的发展数据处理的抽象和转换过程现实世界信息世界认识抽象计算机世界2.2概念数据模型2.2.1基本概念1.现实世界现实世界是客观事务所处的原始状态，是数据的源头。2.信息世界信息世界是客观事物经过人的大脑抽象反映后形成的概念范畴。1）实体（Entity）客观存在并且可以相互区别的“事物”称为实体。实体可以是可触及的对象，如一个学生，一本书；也可以是抽象的事件，如一堂课，一次比赛等。2）属性(Attributes)实体的某一特性称为属性。如学生实体有学号、姓名、年龄、性别、系等方面的属性。属性有型和“值”之分，型即为属性名，如姓名、年龄、性别是属性的型；“值”即为属性的具体内容，如（990001,张立，20，男，计算机）这些属性值的集合表示了一个学生实体。2.2概念数据模型3）实体集(EntitySet)同型实体的集合。如所有的学生、所有的课程等。4）实体标识符（Key）能唯一标识一个实体的属性或属性集称为实体的标识符。如学生的学号。学生姓名可以重复，不能作为标识符。5）值域（Domain）属性值的取值范围称为该属性的值域。如学号的值域为整数或文本，姓名的值域为文本，年龄的值域为小于40的整数，性别的值域为（男，女）。2.2概念数据模型3.数据世界记录（record）：数据项的有序集合称为记录。一般可以用一个记录描述一个实体。字段（field）：字段对应于属性。字段的命名往往和属性名相同。如学生有学号、姓名、年龄等。文件（file）：同一类记录的汇集称为文件。文件是描述实体集的。如所有学生的记录就是一个文件。关键字（key）：它与实体标识符概念相对应。域（Domain）：字段值的取值范围称为该字段的域,如学号的域为6位整数。2.2概念数据模型三个世界中各术语的对应关系现实世界信息世界数据世界事物总体实体集文件事物个体实体记录特征属性字段值域域实体标识符关键字2.2概念数据模型6.联系（Relationship）在现实世界中，事物内部以及事物之间是有联系的，这些联系同样也要抽象和反映到信息世界中来，在信息世界中将被抽象为实体型内部的联系和实体型之间的联系。实体内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系；如学生实体中的学号与其它属性之间的联系。实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系。如学生与课程之间、教室与班级之间。2.2概念数据模型（1）一对一联系（1:1）实体集A中的一个实体至多与实体集B中的一个实体相对应，反之亦然。记作1:1。班级与班长，观众与座位，病人与床位。（2）一对多联系（1:n）实体集A中的一个实体与实体集B中的多个实体相对应，反之亦然。记作1:n。班级与学生、公司与职员、省与市。（3）多对多（m:n）实体集A中的一个实体与实体集B中的多个实体相对应，反之亦然。记作（m:n）。如：教师与学生,学生与课程，工厂与产品。一对一联系是一对多联系的特例，而一对多联系又是多对多联系的特例。2.2概念数据模型可以用以下图形来表示两个实体型之间的这三类联系。其中A、B分别表示实体集A和实体集B。不同实体集实体之间的联系AB1：11：NM：N2.2概念数据模型AABB要把客观事物及其联系的数据进行抽象并存储到数据库中，需经过两个阶段：第一阶段为概念数据模型第二阶段是结构数据模型数据模型包括概念数据模型和结构数据模型。概念数据模型是脱离计算机系统的模型，它完全不涉及信息在计算机内如何表示、如何处理等问题，纯粹用来描述信息的结构。比较著名的是实体联系模型，简称ER模型。在设计数据库时，先用ER图来反映信息，再从ER图出发来构造具体的数据模型。2.2概念数据模型2.2.2实体联系模型(EntityRelationshipmodel)实体联系模型简称ER模型，通过ER图表示实体及其联系。ER图有四个基本成分：（1）矩型框——表示实体型；（2）菱形框——表示联系型；（3）椭圆型框——表示实体型或联系型的属性；（4）直线——用来连接上述三种图框。说明：关键字的属性用下划线标记。在菱形框的引出线上标记联系方式。2.2概念数据模型【例2-1】用ER图表示学生与课程的联系。(1)确定实体型及其属性如图(1)。(2)确定这两个实体之间的联系型及其属性如图(2)。(3)对实体型和联系型用连线组合，并标上联系的方式（N:M），最后用下画线标记键，如图(3)。2.2概念数据模型学校与教师联系、学生与课程联系的ER图。学校名校址校长学校聘任教师教工号姓名专长工资1N姓名性别学生选修课程课程号课程名专长成绩MN学号年龄a)学校与教师联系的ER图b)学生与课堂联系的ER图2.2概念数据模型教务信息管理系统的ER图2.3结构数据模型结构数据模型是对客观事物及其联系的数据描述，是实现实体联系模型的数据化。数据库设计的核心问题就是设计一个好的数据模型。任何一个DBMS都是根据某种数据模型有针对性地设计出来的。目前最常见的数据模型主要有：层次模型、网状模型和关系模型。其中层次模型和网状模型是早期的数据模型，统称为非关系模型。2.3.1层次模型现实世界中，许多实体之间的联系都表现出一种很自然的层次关系，如家族关系，行政机构等。层次模型来源于这种层次关系。层次模型结构的特点：1）有并且只有一个结点没有父结点；2）其它结点有并且只有一个父结点，但可以有一个或多个子结点。2.3结构数据模型2.3.2网状模型网状模型又称为网络模型，网状模型中结点间的联系不受层次限制，可以任意发生联系。网状模型结构的特点：1）一个节点可以没有父节点，也可以有多个父节点；2）一个节点可以没有子节点，也可以有一个或多个子节点。2.3结构数据模型2.3.3关系模型关系模型的本质就是用若干个二维表来表示实体内部及实体与实体之间的联系。表示为：R(A1，A2，A3，…，Ai，…)其中：R为关系名，Ai为关系的属性名。SNoSNameSSexSCollegeBirthday4205000175吴利女经管学院1987-07-024205000176黄贤明男经管学院1986-01-03关系模型示例2.3结构数据模型关系模型具有以下的性质：1）一个关系有唯一确定的字段名，不可重名；2）关系的每一字段是具有相同类型的数据；3）关系的每一字段是不可分的基本数据项；4）字段的先后次序，不影响记录的完整性；5）记录的先后次序，不影响数据表文件内容的完整性。2.3结构数据模型3.2.1从ER图导出关系模型数据结构N学校名校长聘任专长教工号1年薪学校（学校名，校址，校长）教师（教工号，姓名，专长，年薪，学校名，）姓名教师校址（a）（b）图3-1学校与教师关系的ER图和关系数据结构学校MN成绩学生（学号，姓名，性别）课程（课程号，课程名，学分）选修（学号，课程号，成绩）课程课程号课程名学分学生姓名学号性别选修（a）（b）图3-2学生与课程关系的ER图和关系数据结构3.2.1从ER图导出关系模型数据结构姓名性别年龄11方案2学校（学校名，校址，类别）校长(姓名，性别，年龄，学校名）方案1校长（姓名，性别，年龄）学校(学校名，校址，类别，姓名）校长管理学校校址类别学校名（a）（b）图3-3校长与学校关系的ER图和关系数据结构3.2.1从ER图导出关系模型数据结构2.4数据库系统的组成数据库（DB，Database）是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。其基本特征是：•大量的数据按一定的数据模型来组织、描述和储存•数据可为各种用户共享•数据冗余度较小•数据独立性较高并且易扩展在数据库系统中，以数据为中心。数据库结构分为三级：外部级、概念级和内部级。有两层映射和两级数据独立性。2.4.1数据库系统结构1．数据库模式的概念模式（schema）是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅涉及到型的描述，不涉及到具体的值。型(Type)对某一类数据的结构和属性的说明，值(Value)是型的一个具体赋值。模式的一个具体值称为模式的一个实例。实例反映的是数据库某一时刻的状态。2．数据库的三级模式结构数据库的体系结构分为三级：外部级、概念级和内部级。这个结构称为三级模式结构。这是数据库系统内部的系统结构。2.4数据库系统的组成3．数据库的二级映象功能与数据独立性对于每一个外模式，数据库系统都有一个外模式／模式映象，它定义了该外模式与模式之间的对应关系。当模式改变时，由数据库管理员对各个外模式／模式的映象作相应改变，可以使外模式保持不变，从而应用程序不必修改，保证了数据的逻辑独立性。数据库中只有一个模式，也只有一个内模式，所以模式／内模式映象是唯一的。它定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。当数据库的存储结构改变了，由数据库管理员对模式／内模式映象作相应改变，可以使模式保持不变，从而保证了数据的物理独立性。2.4数据库系统的组成2.4.2数据库管理系统数据库管理系统(DatabaseManagementSystem)是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库，简称DBMS。它是数据库系统的核心部分，是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。它对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。用户通过DBMS访问数据库中的数据，数据库管理员也通过DBMS进行数