1、An Introduction to Database System,数据库系统概论An Introduction to Database System,施星君,An Introduction to Database System,第一章 绪论,1.1 数据库的基本概念1.2 数据库管理系统与数据库系统1.3 数据模型1.4 数据库设计,An Introduction to Database System,1.1 数据库的基本概念,1.1.1 数据库的地位1.1.2 四个基本概念1.1.3 数据管理技术的产生与发展,An Introduction to Database System,数据库的
2、地位,数据库技术产生于六十年代末，是数据管理的最新技术，是计算机科学的重要分支数据库技术是信息系统的核心和基础，它的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志,An Introduction to Database System,1.1.2 四个基本概念,数据(Data) 数据库(Database) 数据库管理系统(DBMS) 数据库系统(DBS),An Introduction to Database System,一、数据,数据(Data)是数据库中存储的基本对象 数据的定义 描述事物的符号记录 数据的种类
3、 文字、图形、图象、声音 数据的特点 数据与其语义是不可分的,An Introduction to Database System,数据举例,学生档案中的学生记录 （李明，男，1972，江苏，计算机系，1990） 数据的形式不能完全表达其内容 数据的解释 语义：学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在系别、入学时间 解释：李明是个大学生，1972年出生，江苏人，1990年考入计算机系 请给出另一个解释和语义,An Introduction to Database System,二、数据库（举例）,An Introduction to Database System,二、数据库(续),人们收集并抽取
4、出一个应用所需要的大量数据之后，应将其保存起来以供进一步加工处理，进一步抽取有用信息数据库的定义 数据库(Database,简称DB)是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据集合,An Introduction to Database System,二、数据库(续),数据库的特征 数据按一定的数据模型组织、描述和储存 可为各种用户共享 冗余度较小 数据独立性较高 易扩展,An Introduction to Database System,三、数据库管理系统,什么是DBMS 数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）是位于用户与操作系统之间的一
5、层数据管理软件。 DBMS的用途 科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据,An Introduction to Database System,DBMS的主要功能,数据定义功能提供数据定义语言(DDL)定义数据库中的数据对象 数据操纵功能:提供数据操纵语言(DML)操纵数据实现对数据库的基本操作(查询、插入、删除和修改),An Introduction to Database System,DBMS的主要功能,数据库的运行管理保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用发生故障后的系统恢复 数据库的建立和维护功能(实用程序)数据库数据批量装载数据库转储介质故障恢复数据库的重组织性能监视
6、等,An Introduction to Database System,四、数据库系统,什么是数据库系统 数据库系统（Database System，简称DBS）是指在计算机系统中引入数据库后的系统构成。 在不引起混淆的情况下常常把数据库系统简称为数据库。 数据库系统的构成 由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员（和用户）构成。,An Introduction to Database System,数据库系统(续),数据库系统构成图示,用户,用户,用户,数据库管理系统,应用开发工具,应用系统,操作系统,数据库管理员,数据库,An Introduction to Da
7、tabase System,数据库系统(续),数据库系统在计算机系统中的位置图示,硬件,应用系统,应用开发工具,D B M S,操作系统,编译系统,An Introduction to Database System,DBMS对数据的控制功能,并发（Concurrency）控制 对多用户的并发操作加以控制和协调，防止相互干扰而得到错误的结果。数据库恢复（Recovery） 将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。,An Introduction to Database System,第一章 绪论,1.1 数据库系统概述 1.2 数据模型 1.3 数据库系统结构 1.4 数据库系统的组成 1
8、.5 数据库技术的研究领域 1.6 小结,An Introduction to Database System,数据模型,在数据库中用数据模型这个工具来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟 数据模型应满足三方面要求 能比较真实地模拟现实世界 容易为人所理解 便于在计算机上实现,An Introduction to Database System,数据模型(续),数据模型分成两个不同的层次 (1) 概念模型 也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模。 (2) 数据模型 主要包括网状模型、层次模型、关系模型等，它是按计算机系统的观点对数据建模。,An
9、Introduction to Database System,数据模型(续),客观对象的抽象过程-两步抽象 现实世界中的客观对象抽象为概念模型； 把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型。概念模型是现实世界到机器世界的一个中间层次。,An Introduction to Database System,1.2 数据模型,1.2.1 概念模型1.2.3 常用数据模型1.2.4 层次模型1.2.5 网状模型1.2.6 关系模型,An Introduction to Database System,数据的约束条件(续),数据模型对约束条件的定义 反映和规定本数据模型必须遵守的基本的通用的完整性约
10、束条件。例如在关系模型中，任何关系必须满足实体完整性和参照完整性两个条件。 提供定义完整性约束条件的机制，以反映具体应用所涉及的数据必须遵守的特定的语义约束条件。,An Introduction to Database System,1.2.2 概念模型,1. 概念模型 2. 信息世界中的基本概念 3. 概念模型的表示方法,An Introduction to Database System,1. 概念模型,概念模型的用途 概念模型用于信息世界的建模 是现实世界到机器世界的一个中间层次 是数据库设计的有力工具 数据库设计人员和用户之间进行交流的语言 对概念模型的基本要求 较强的语义表达能力，能
11、够方便、直接地表达应用中的各种语义知识 简单、清晰、易于用户理解。,An Introduction to Database System,2. 信息世界中的基本概念,(1) 实体（Entity） 客观存在并可相互区别的事物称为实体。 可以是具体的人、事、物或抽象的概念。 (2) 属性（Attribute） 实体所具有的某一特性称为属性。 一个实体可以由若干个属性来刻画。 (3) 码（Key） 唯一标识实体的属性集称为码。,An Introduction to Database System,信息世界中的基本概念(续),(4) 域（Domain） 属性的取值范围称为该属性的域。 (5) 实体型（
12、Entity Type） 用实体名及其属性名集合来抽象和刻画 同类实体称为实体型 (6) 实体集（Entity Set） 同型实体的集合称为实体集,An Introduction to Database System,信息世界中的基本概念(续),(7) 联系（Relationship） 现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界 中反映为实体内部的联系和实体之间的联系 实体型间联系 两个实体型 一对一联系（1:1） 三个实体型 一对多联系（1:n） 一个实体型 多对多联系（m:n）,An Introduction to Database System,两个实体型间的联系,An Introd
13、uction to Database System,两个实体型间的联系,一对一联系 如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个实体与之联系，反之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一联系。记为1:1。 实例 班级与班长之间的联系： 一个班级只有一个正班长 一个班长只在一个班中任职,An Introduction to Database System,两个实体型间的联系 (续),一对多联系 如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对多联系记为1:n 实例 班级与
14、学生之间的联系： 一个班级中有若干名学生， 每个学生只在一个班级中学习,An Introduction to Database System,两个实体型间的联系 (续),多对多联系（m:n） 如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体（m0）与之联系，则称实体集A与实体B具有多对多联系。记为m:n 实例 课程与学生之间的联系： 一门课程同时有若干个学生选修 一个学生可以同时选修多门课程,An Introduction to Database System,E-R图,实体型 用矩形表示，矩形框内写明实体名。,学生
15、,教师,An Introduction to Database System,E-R图(续),属性 用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来,An Introduction to Database System,E-R图(续),联系 联系本身：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n） 联系的属性：联系本身也是一种实体型，也可以有属性。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来,An Introduction to Database System,联系的表示方法,An Introductio
16、n to Database System,联系的表示方法(续),An Introduction to Database System,联系的表示方法示例,An Introduction to Database System,联系的表示方法示例(续),An Introduction to Database System,联系属性的表示方法,An Introduction to Database System,E-R图(续),E-R图实例：P19-P20某工厂物资管理E-R图,An Introduction to Database System,1.2.3 常用数据模型,非关系模型 层次模型（Hi
17、erarchical Model） 网状模型(Network Model )数据结构：以基本层次联系为基本单位基本层次联系：两个记录以及它们之间的一对多（包括一对一)的联系,An Introduction to Database System,常用数据模型(续),关系模型(Relational Model) 数据结构：表面向对象模型(Object Oriented Model） 数据结构：对象,An Introduction to Database System,1.2 数据模型,1.2.1 数据模型的组成要素1.2.2 概念模型1.2.3 常用数据模型1.2.4 层次模型1.2.5 网状模型
18、1.2.6 关系模型,An Introduction to Database System,1. 层次数据模型的数据结构,层次模型满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型。 1. 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点 2. 根以外的其它结点有且只有一个双亲结点 层次模型中的几个术语 根结点，双亲结点，兄弟结点，叶结点,An Introduction to Database System,层次数据模型的数据结构(续）,An Introduction to Database System,1.2 数据模型,1.2.1 概念模型1.2.2 数据模型的组成要素1.2.3 最常用的数据
19、模型1.2.4 层次模型1.2.5 网状模型1.2.6 关系模型,An Introduction to Database System,1.网状数据模型的数据结构,网状模型 满足下面两个条件的基本层次联系的集合为网状模型。 1. 允许一个以上的结点无双亲； 2. 一个结点可以有多于一个的双亲。,An Introduction to Database System,网状数据模型的数据结构,An Introduction to Database System,3. 网状数据模型的完整性约束,完整性约束条件 允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值 允许只删除双亲结点值,An Introduction
20、 to Database System,1.2 数据模型,1.2.1 概念模型1.2.2 数据模型的组成要素1.2.3 最常用的数据模型1.2.4 层次模型1.2.5 网状模型1.2.6 关系模型,An Introduction to Database System,关系模型,最重要的一种数据模型。也是目前主要采用的数据模型 1970年由美国IBM公司San Jose研究室的研究员E.F.Codd提出 本课程的重点,An Introduction to Database System,关系数据模型的数据结构,在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。,An Intro
21、duction to Database System,关系模型的基本概念,关系（Relation） 一个关系对应通常说的一张表。 元组（Tuple） 表中的一行即为一个元组。 属性（Attribute） 表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名。,An Introduction to Database System,关系模型的基本概念,主码（Key） 表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。 域（Domain） 属性的取值范围。 分量 元组中的一个属性值。 关系模式 对关系的描述 关系名（属性1，属性2，属性n） 学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级）,An Introduc
22、tion to Database System,关系数据模型的数据结构(续）,实体及实体间的联系的表示方法 实体型：直接用关系（表）表示。 属性：用属性名表示。 一对一联系：隐含在实体对应的关系中。 一对多联系：隐含在实体对应的关系中。 多对多联系：直接用关系表示。,An Introduction to Database System,关系数据模型的数据结构(续）,例1 学生、系、系与学生之间的一对多联系：学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级） 系 (系号，系名，办公地点)例2 系、系主任、系与系主任间的一对一联系,An Introduction to Database System,关系
23、数据模型的数据结构(续）,例3 学生、课程、学生与课程之间的多对多联系：学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级） 课程（课程号，课程名，学分） 选修（学号，课程号，成绩）,An Introduction to Database System,6. 典型的关系数据库系统,ORACLE SYBASE INFORMIX DB/2 COBASE PBASE EasyBase DM/2 OpenBase,An Introduction to Database System,第一章 绪论,1.1 数据库系统概述 1.2 数据模型 1.3 数据库系统结构 1.4 数据库系统的组成 1.5 数据库技术的研究
24、领域 1.6 小结,An Introduction to Database System,1.3 数据库系统结构,1.3.1数据库系统内部的模式结构 从数据库管理系统角度看1.3.2数据库系统外部的体系结构 从数据库最终用户角度看,An Introduction to Database System,1.3.1 数据库系统的模式结构,数据库系统模式的概念 数据库系统的三级模式结构 数据库的二级映象功能与数据独立性 小结,An Introduction to Database System,数据库系统模式的概念,“型” 和“值” 的概念 型（Type） 对某一类数据的结构和属性的说明 值（Val
25、ue） 是型的一个具体赋值 例如：学生记录 记录型：（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯） 该记录型的一个记录值：（900201，李明，男，计算机，22，江苏）,An Introduction to Database System,数据库系统模式的概念（续）,模式（Schema） 数据库逻辑结构和特征的描述 是型的描述 反映的是数据的结构及其联系 模式是相对稳定的 模式的一个实例（Instance） 模式的一个具体值 反映数据库某一时刻的状态 同一个模式可以有很多实例 实例随数据库中的数据的更新而变动,An Introduction to Database System,1.3.1 数据库系统
26、的模式结构,数据库系统模式的概念 数据库系统的三级模式结构 数据库的二级映象功能与数据独立性 小结,An Introduction to Database System,数据库系统的三级模式结构,An Introduction to Database System,1模式（Schema）,模式（也称逻辑模式） 数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述 所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求 一个数据库只有一个模式 模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层 与数据的物理存储细节和硬件环境无关 与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关 模式的定义 数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取
27、值范围等） 数据之间的联系 数据有关的安全性、完整性要求,An Introduction to Database System,2. 外模式（External Schema）,外模式（也称子模式或用户模式） 数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述 数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示,An Introduction to Database System,外模式（续）,外模式的地位：介于模式与应用之间 模式与外模式的关系：一对多 外模式通常是模式的子集 一个数据库可以有多个外模式。反映了不同的用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求
28、对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同 外模式与应用的关系：一对多 同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用， 但一个应用程序只能使用一个外模式。,An Introduction to Database System,外模式（续）,外模式的用途 保证数据库安全性的一个有力措施。 每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据,An Introduction to Database System,3内模式（Internal Schema）,内模式（也称存储模式） 是数据物理结构和存储方式的描述 是数据在数据库内部的表示方式 记录的存储方式（顺序存储，按照B树结构
29、存储，按hash方法存储） 索引的组织方式 数据是否压缩存储 数据是否加密 数据存储记录结构的规定 一个数据库只有一个内模式,An Introduction to Database System,1.3.1 数据库系统的模式结构,数据库系统模式的概念 数据库系统的三级模式结构 数据库的二级映象功能与数据独立性 小结,An Introduction to Database System,三级模式与二级映象,三级模式是对数据的三个抽象级别二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换,An Introduction to Database System,数据库系统的三级模式结构,An Int
30、roduction to Database System,1外模式模式映象,定义外模式与模式之间的对应关系 每一个外模式都对应一个外模式模式映象 映象定义通常包含在各自外模式的描述中,An Introduction to Database System,外模式模式映象的用途,保证数据的逻辑独立性 当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式模式映象，使外模式保持不变 应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。,An Introduction to Database System,2模式内模式映象,模式内模式映象定义了数据全局逻辑结
31、构与存储结构之间的对应关系。例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的 数据库中模式内模式映象是唯一的 该映象定义通常包含在模式描述中,An Introduction to Database System,模式内模式映象的用途,保证数据的物理独立性 当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），数据库管理员修改模式内模式映象，使模式保持不变 应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。,An Introduction to Database System,1.3.1 数据库系统的模式结构,数据库系统模式的概念 数据库系统的三级模式结构 数据库的二级映象功能与数
32、据独立性 小结,An Introduction to Database System,小结,模式 是数据库的中心与关键 独立于数据库的其它层次 设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式,An Introduction to Database System,小结（续）,内模式 依赖于全局逻辑结构，但独立于数据库的用户视图即外模式，也独立于具体的存储设备。 它将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储策略进行组织，以达到较好的时间与空间效率。,An Introduction to Database System,小结（续）,外模式 面向具体的应用程序，定义在逻辑模式之上，但独
33、立于存储模式和存储设备 设计外模式时应充分考虑到应用的扩充性。当应用需求发生较大变化，相应外模式不能满足其视图要求时，该外模式就得做相应改动,An Introduction to Database System,小结（续）,应用程序 在外模式描述的数据结构上编制的，它依赖于特定的外模式，与数据库的模式和存储结构独立。 不同的应用程序有时可以共用同一个外模式。,An Introduction to Database System,小结（续）,二级映象 保证了数据库外模式的稳定性，从而从底层保证了应用程序的稳定性，除非应用需求本身发生变化，否则应用程序一般不需要修改。 数据与程序之间的独立性，使得
34、数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去。,An Introduction to Database System,1.3 数据库系统结构,1.3.1数据库系统内部的模式结构 从数据库管理系统角度看1.3.2数据库系统外部的体系结构 从数据库最终用户角度看,An Introduction to Database System,1.3.2 数据库系统外部的体系结构,单用户结构 主从式结构 分布式结构 客户/服务器结构 浏览器/应用服务器/数据库服务器结构,An Introduction to Database System,1. 单用户数据库系统,整个数据库系统(应用程序、DBMS、数据)装在一台
35、计算机上，为一个用户独占，不同机器之间不能共享数据。早期的最简单的数据库系统,An Introduction to Database System,2. 主从式结构的数据库系统,一个主机带多个终端的多用户结构 数据库系统，包括应用程序、DBMS、数据，都集中存放在主机上，所有处理任务都由主机来完成 各个用户通过主机的终端并发地存取数据库，共享数据资源,An Introduction to Database System,主从式结构的数据库系统,主机,终端,An Introduction to Database System,主从式结构的数据库系统(续）,优点 易于管理、控制与维护。 缺点 当终
36、端用户数目增加到一定程度后，主机的任务会过分繁重，成为瓶颈，从而使系统性能下降。 系统的可靠性依赖主机,当主机出现故障时，整个系统都不能使用。,An Introduction to Database System,3. 分布式结构的数据库系统,数据库中的数据在逻辑上是一个整体，但物理地分布在计算机网络的不同结点上。 网络中的每个结点都可以独立处理本地数据库中的数据，执行局部应用 同时也可以同时存取和处理多个异地数据库中的数据，执行全局应用,An Introduction to Database System,分布式结构的数据库系统（续）,优点 适应了地理上分散的公司、团体和组织对于数据库应用的
37、需求。 缺点 数据的分布存放给数据的处理、管理与维护带来困难。 当用户需要经常访问远程数据时，系统效率会明显地受到网络传输的制约。,An Introduction to Database System,4客户服务器结构的数据库系统,把DBMS功能和应用分开 网络中某个（些）结点上的计算机专门用于执行DBMS功能，称为数据库服务器，简称服务器 其他结点上的计算机安装DBMS的外围应用开发工具，用户的应用系统，称为客户机,An Introduction to Database System,客户服务器数据库系统的种类,集中的服务器结构一台数据库服务器，多台客户机 分布的服务器结构 在网络中有多台数
38、据库服务器 分布的服务器结构是客户服务器与分布式数据库的结合,An Introduction to Database System,客户服务器结构的优点,客户端的用户请求被传送到数据库服务器，数据库服务器进行处理后，只将结果返回给用户，从而显著减少了数据传输量 数据库更加开放 客户与服务器一般都能在多种不同的硬件和软件平台上运行 可以使用不同厂商的数据库应用开发工具,An Introduction to Database System,客户服务器结构的缺点,“胖客户”问题： 系统安装复杂，工作量大。 应用维护困难，难于保密，造成安全性差。 相同的应用程序要重复安装在每一台客户机上，从系统总体来看，大大浪费了系统资源。 系统规模达到数百数千台客户机，它们的硬件配置、 操作系统又常常不同，要为每一个客户机安装应用程 序和相应的工具模块，其安装维护代价便不可接受了。,An Introduction to Database System,浏览器/应用服务器/数据库服务器结构,客户端：浏览器软件、用户界面浏览器的界面统一，广大用户容易掌握大大减少了培训时间与费用。 服务器端分为两部分： Web服务器、应用服务器 数据库服务器等 大大减少了系统开发和维护代价 能够支持数万甚至更多的用户,An Introduction to Database System,嵌入式数据管理系统的结构,
