第1章数据库系统概述

第1章数据库系统概述2021/2/222本章主要内容:1.1信息、数据、数据处理与数据管理1.2数据库技术的产生、发展1.4数据库系统的模式结构1.3数据库系统的组成1.5数据库系统的外部体系结构1.6数据库管理系统（DBMS）1.7数据模型1.8四种数据模型2021/2/223通讯录：图书馆：数据库数据的仓库，即数据存放的地方小数据库可用手工管理大型数据库必须由计算机进行管理计算机三大主要应用领域？科学计算过程控制数据处理70%利用数据库系统可科学地组织和存储数据,以便于高效地检索和处理2021/2/224信息的特征1.1信息、数据、数据处理与数据管理1.1.1数据与信息信息能源材料客观世界的三大要素采集并加工、传递消息情报指令数据信号时间：2008.5.12地点：汶川事件：地震级别：8.0后果：死亡69297人源于物质和能量可以感知可存储、加工、传递和再生2021/2/225数据数据是信息的具体表现形式数据的表现形式数据与信息的联系数据是信息的符号表示或载体信息是数据的内涵，是对数据的语义解释2008-5-12汶川地震8.069297数字文字图形图象声音等2021/2/2261.1.2数据处理与数据管理信息＝数据＋数据处理将数据转换成信息包括数据的收集、管理、加工利用乃至信息输出数据的收集、整理、组织、编码、存储、维护、检索、传输等操作数据处理数据管理产出输出结果原料输入“数据处理”的真正含义应该是为了产生信息而处理数据利用管理软件有效管理数据2021/2/227常用术语和基本概念数据（Data）:描述事物的符号记录称为数据。这些符号记录可以是数字，也可以是文字、图形、图像、声音、语言等。数据库(DataBase，简称DB):数据库是长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。数据库管理系统（DataBaseManagementSystem,简称DBMS）:DBMS是位于用户与操作系统之间的一层数据库管理软件，它的任务是科学地组织和存储数据，高效地获取和维护数据。数据库系统（DBS）：数据库系统是指在计算机系统中引入数据库后的系统。2021/2/228人工管理阶段（20th50年代以前）特点数据不保存：需要时把数据输入，用完就撤走。数据不保存在计算机中。没有管理数据的软件系统：应用程序中不仅要管理数据的逻辑结构，还要设计其物理结构、存取方法、输入输出方法等。程序高度依赖于数据，即数据和程序不具有独立性。基本上没有文件概念：数据的组织方式及在磁盘中的存储方式由程序员自行设计。数据是面向应用的：一组数据只对应于一个应用程序。即使两个应用程序都涉及到了某些相同数据，也必须各自定义，无法相互利用。1.2数据库技术的产生、发展2021/2/229人工管理阶段：应用程序与数据的关系程序1数据缓冲区数据组1数据组2数据组3外存程序2数据缓冲区程序3数据缓冲区内存2021/2/2210文件系统阶段（20th50年代－60年代）特点数据存放在文件中，应用程序通过文件名来逻辑地访问文件。有了管理数据的软件——文件系统，文件的物理存储由文件系统管理，文件系统还负责对文件的逻辑结构与存储结构进行转换。程序和数据有了一定的独立性。程序不再负责数据存储的物理细节，因此可大大节省维护程序的工作量，程序员也可不必过多地考虑物理细节，可把精力集中在算法上。数据的存取基本上以记录为单位。按文件名访问，按记录进行存取。2021/2/2211文件系统阶段：应用程序与数据的关系程序1数据缓冲区文件1文件2文件3外存程序2数据缓冲区程序3数据缓冲区文件系统内存2021/2/2212实例：学生基本信息的管理学生信息管理学生选课管理应用程序A1学生信息文件File1课程信息文件File2学生选课信息文件File3应用程序A22021/2/2213文件管理系统的缺点编写应用程序不方便，应用程序依赖性存储在文件中的数据如何存放由程序员自己定义，不统一，难于共享。仍然有数据冗余不支持对文件的并发访问文件间联系弱，必须通过应用程序来实现难以按最终用户视图表示数据无安全控制功能2021/2/2214数据库系统阶段（20th60年代至今）数据库技术的出现是为了克服文件管理系统在管理数据上的缺点而发展起来的。应用程序A1学生信息管理有关学生的数据库应用程序A2学生选课管理数据库管理系统2021/2/2215数据库系统阶段：应用程序与数据的关系应用程序1DataBase应用程序2应用程序3DBMS用户用户用户数据库管理员DBA用户根据数据的逻辑结构对数据进行操作数据文件的操作和数据的物理存储细节由DBMS负责数据文件2021/2/2216数据库系统的优点将相互关联的数据集成在一起较少的数据冗余程序与数据相互独立能够保证数据的安全可靠最大限度地保证数据的正确性数据可以共享并能保证数据的一致性2021/2/2217人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段数据不保存，不共享，无独立性，无专用软件管理数据数据以文件形式长期保存，由文件系统管理数据，程序与数据间有一定独立性数据结构化，共享性高、冗余度低，独立性高，有统一的数据控制功能DBMS数据的安全性控制数据的完整性控制并发控制数据恢复2021/2/22181.3数据库系统的组成数据库系统（DBS）数据库计算机软件系统数据库用户计算机硬件系统图1-6数据库系统用户1用户2用户n…用户应用系统应用开发工具DBMS操作系统OS数据库数据库管理员软件系统2021/2/2219数据库系统结构简图应用程序1DataBase应用程序2应用程序3DBMS用户User数据库管理员DBAOS2021/2/2220数据库数据库（DB）是存储在计算机内、有组织的、可共享的数据集合用户集成性，共享性终端用户应用程序员数据库管理员对数据库进行存储、维护和检索非计算机专业人员使用数据库设计和编制应用程序负责设计、建立、管理和维护数据库以及协调用户对数据库要求的个人或工作团队2021/2/2221软件（Software）系统硬件（Hardware）系统硬件系统指存储和运行数据库系统的硬件设备。数据库系统在整个计算机系统中的地位如图所示DBMSOS应用系统软件系统：核心DBMS在操作系统支持下工作，应用程序在DBMS支持下才能使用数据库。2021/2/22221.4数据库系统的模式结构1.4.1数据库系统的三级模式结构数据库系统内部的体系结构从逻辑上分为三级学号姓名性别年龄系别01101张立男20计算机型值模式实例外模式模式内模式2021/2/2223数据库的三级模式结构模式外模式1外模式2数据库应用程序用户工作区应用程序用户工作区应用程序用户工作区用户A用户B用户CDBMSOS内模式“外模式－模式”映射“模式－内模式”映射2021/2/2224内模式是整个数据库实际存储的表示模式是整个数据库实际存储的抽象表示外模式是概念模式的某一部分的抽象表示外模式模式内模式数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述数据库用户能看到并允许使用的那部分局部数据的逻辑结构和特征的描述它是对数据库存储结构的描述，是数据在数据库内部的表示方式可有多个只有一个2021/2/2225学号姓名性别班级980001张栅女机制99990211李诗女信息99991204王武男电子99学号姓名奖学金980001张栅200990211李诗500991204王武100学号姓名性别年龄籍贯班级奖学金980001张栅女18江苏机制99200990211李诗女19北京信息99500991204王武男19陕西电子99100980001……990211……991204……用户数据库概念数据库物理数据库奖学金发放学籍管理应用程序模式－内模式映射外模式－模式映射数据在数据文件中的实际存储方式二级映射示意图2021/2/22261.4.2数据库系统的二级映象与数据独立性DBMS在三级模式之间提供了二级映象功能，保证了数据库系统中的数据能够具有较高的逻辑独立性与物理独立性。外模式/模式映象模式/内模式映象保证了数据与程序间的逻辑独立性确保了数据的物理独立性2021/2/22271.5数据库系统的外部体系结构单用户结构的数据库系统主从式结构的数据库系统分布式结构的数据库系统客户/服务器结构的数据库系统浏览器/服务器结构的数据库系统一台计算机，不能共享数据大型主机带多个终端；主机处理，终端输出是分布在计算机网络上的多个逻辑相关的数据库的集合把DBMS的功能与应用程序分开；管理数据的节点称为服务器应用DBMS的节点称为客户机将客户端运行的应用程序转移到应用服务器上，充当了客户机和数据库服务器的中介2021/2/2228DBS1.6数据库管理系统（DBMS）1.6.1DBMS的主要功能数据定义功能（DDL）定义数据的模式、外模式和内模式三级模式结构定义模式/内模式和外模式/模式二级映象定义有关的约束条件DBMS核心数据定义查询更新各种控制2021/2/2229数据操纵功能（DML）数据库的基本操作：检索、更新（包括插入、修改、删除）等。数据库运行管理功能对数据库运行的管理是DBMS运行的核心部分。DBMS对数据库的控制主要通过四个方面实现：数据的安全性控制、数据的完整性控制、多用户环境下的并发控制和数据库的恢复。2021/2/2230数据库的建立和维护功能数据库的建立包括数据库的初始数据的装入与数据转换等。数据库的维护包括数据库的转储、恢复、重组织与重构造、系统性能监视与分析等。数据通信接口数据组织、存储和管理2021/2/22311.6.2DBMS的组成语言编译处理程序系统运行控制程序系统建立、维护程序数据字典数据定义语言DDL编译程序数据操纵语言DML编译程序•系统总控程序•安全性控制程序•完整性控制程序•并发控制程序•数据存取和更新程序•通信控制程序装配程序重组程序系统恢复程序描述数据库中有关信息的数据目录2021/2/22321.7数据模型1.7.1数据模型的概念数据模型是对现实世界特征的模拟和抽象数据模型是数据库系统的核心和基础1.7.2三个世界的划分及其有关概念三个世界的划分首先将现实世界的事物及联系抽象成信息世界的信息模型然后再抽象成计算机世界的数据模型数据加工经历了现实世界、信息世界和计算机世界三个不同的世界，经历了两级抽象和转换2021/2/2233现实世界概念模型认识抽象DBMS支持的数据模型信息世界计算机世界现实世界数据处理的抽象和转换过程数据化2021/2/2234从现实世界到数据世界现实世界（事物，事物性质）信息世界（实体，实体属性）数据世界（记录，数据项）抽象化数据化概念模型描述数据模型描述校长,教师,门卫,干部教工(编号,姓名,岗位,……)01张三教师26李四处长例如：学校的职工2021/2/2235现实世界现实世界即客观存在的世界人们总是选用感兴趣的最能表征该事物的若干特征来描述该事物信息世界及其有关基本概念实体客观存在并且可以相互区别的“事物”称为实体实体可以是具体的人、事、物，也可以是抽象的事件属性实体所具有的某一特性称为属性型值属性名具体值2021/2/2236实体型(Entitytype)具有相同属性的实体必然具有共同的特征实体集(Entityset)同型实体的集合称为实体集键(码)(Key)能惟一标识一个实体的属性或属性集称为实体的键域(Domain)属性的取值范围称为该属性的域学生（学号，姓名，年龄，性别，系）2021/2/2237联系(Relationship)实体型内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系实体型之间的联系通常是指不同实体集之间的联系两个实体型之间的联系有如下三种类型：一对一(1:1)、一对多(1:n)、多对多(m:n)例：学校－校长，班级－学生，学生－课程ABABAB1:11:NM:N2021/2/22381.7.3数据模型的分类概念模型它是按用户的观点对数据和信息建模用来描述某个特定组织所关心的信息结构概念模型属于信息世界中的模型逻辑模型（或称数据模型）和物理模型逻辑模型是属于计算机世界中的模型逻辑模型主要包括层次模型、网状模型、关系模型、面向对