1、1.1 基本概念,1.2数据库系统结构,1.3数据模型,第1章 数据库系统,本章小结,1.4数据库管理系统,当今时代是信息技术飞速发展的时代。而作为信息技术主要支柱之一的数据库技术在社会各个领域中有着广泛的应用。对信息进行收集、组织、存储、加工、传播、管理和使用都以数据库为基础，利用数据库可以为各种用户提供及时的、准确的、相关的信息，满足这些用户的各种不同的需要。数据库技术研究的问题是：如何科学地组织和存储数据，如何高效地获取和处理数据，如何更广泛、更安全地共享数据。,1.1 数据库系统概述,1.1.1基本概念,在数据处理中，我们最常用到的基本概念就是下面四个概念：,数据(Data) 数据库(
2、Database) 数据库管理系统(DBMS) 数据库系统(DBS),1.1.1基本概念,1、数据 (Data)数据是用来记录信息的可识别的符号，是数据库中存储的基本对象数据的概念在数据处理领域中已大大地拓宽了，其表现形式不仅包括数字和文字，还包括图形、图象、声音等。这些数据可以记录在纸上，也可记录在各种存储器中。 数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的。 例如 80是一个数据 语义1：学生某门课的成绩 语义2：某人的体重 语义3：计算机系2003级学生人数 语义4：请同学给出。,2、 数据库(DB)： 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
3、数据的集合。 说明： 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,3、数据库管理系统（DBMS） 数据库管理系统是对数据进行管理的大型系统软件，它是数据库系统的核心组成部分， 用户在数据库系统中的一切操作，包括数据定义、查询、更新及各种控制，都是通过DBMS进行的。 DBMS就是实现把用户意义下的抽象的逻辑数据处理转换成计算机中的具体的物理数据的处理软件，这给用户带来很大的方便。,SQL Server Oracle DB2 Sybase ,1.1 引 言,数据库系统(DBS)：,关系？,数据库系统（Database System，简称DBS）在计
4、算机系统中引入数据库后的系统构成 数据库系统的构成 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 有管理数据库功能的计算机系统,一、基本概念 数据处理的中心问题是数据管理。 数据管理是指对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护等操作。 数据库技术是研究数据管理的技术。即如何妥善地保存和科学地管理数据。 数据管理技术好坏评判的标准：（1）数据冗余:指同一数据多次存放。问题有:浪费空间 修改麻烦 引起不一致（2）数据共享:体现在：多个应用可使用同一数据(文件、记录、数据项)多个用户可同时存取同一数据。为开放资源。,1.1.2 数据管理技术的产生、发展,（3）数据独立性:指应用
5、程序和数据之间相互独立。（4）数据统一集中管理。随着计算机硬件和软件的发展，数据管理经历了人工管理、文件系统和数据库系统三个发展阶段。,1.1.2 数据管理技术的产生、发展,一、人工管理阶段,人工管理阶段（50年代中期以前）应用背景 这一阶段计算机主要用于科学计算。 硬件中的外存只有卡片、纸带、磁带，没有磁盘等直接存取设备。 软件只有汇编语言，没有操作系统和管理数据的软件。 数据处理的方式基本上是批处理。,人工管理阶段的特点如下： 1. 数据不保存：因为当时计算机主要用于科学计算，对于数据保存的需求尚不迫切。 2. 系统没有专用的软件对数据进行管理：每个应用程序都要包括数据的存储结构、存取方法
6、、输入方式等，程序员编写应用程序时，还要安排数据的物理存储，因此程序员负担很重。 3. 数据不共享：数据是面向程序的，一组数据只能对应一个程序。多个应用程序涉及某些相同的数据时，也必须各自定义，因此程序之间有大量的冗余数据。,一、人工管理阶段,4. 数据不具有独立性：程序依赖于数据，如果数据的类型、格式、或输入输出方式等逻辑结构或物理结构发生变化，必须对应用程序做出相应的修改。在人工管理阶段，程序与数据之间的关系可用图1.1表示。,一、人工管理阶段,二、文件系统阶段 （50年代后期至60年代中期）,应用背景 这一阶段，计算机不仅用于科学计算，还大量用于信息管理。 大量的数据存储、检索和维护成为
7、紧迫的需求。 硬件有了磁盘、磁鼓等直接存储设备。 在软件方面，出现了高级语言和操作系统。 操作系统中有了专门管理数据的软件，一般称为文件系统。 处理方式有批处理，也有联机处理。,二、文件系统阶段,文件管理数据的特点如下： 1. 数据以文件形式可长期保存下来：用户可随时对文件进行查询、修改和增删等处理。 2. 文件系统可对数据的存取进行管理：程序员只与文件名打交道，不必明确数据的物理存储，大大减轻了程序员的负担。3. 文件形式多样化：有顺序文件、倒排文件、索引文件等，因而对文件的记录可顺序访问，也可随机访问，更便于存储和查找数据。 4. 程序与数据间有一定独立性：由专门的软件即文件系统进行数据管
8、理，程序和数据间由软件提供的存取方法进行转换，数据存储发生变化不一定影响程序的运行。,二、文件系统阶段,在文件系统阶段，程序与数据之间的关系可用图1.2表示。,图1.2 文件系统阶段,二、文件系统阶段,与人工管理阶段相比，文件系统阶段对数据的管理有了很大的进步，但一些根本性问题仍没有彻底解决，主要表现在以下三方面： 数据冗余度大：各数据文件之间没有有机的联系，一个文件基本上对应于一个应用程序，数据不能共享。 数据独立性低：数据和程序相互依赖，一旦改变数据的逻辑结构，必须修改相应的应用程序。而应用程序发生变化，如改用另一种程序设计语言来编写程序，也需修改数据结构。 数据一致性差：由于相同数据的重
9、复存储、各自管理，在进行更新操作时，容易造成数据的不一致性。,三、数据库系统阶段（60年代末开始）,背景 60年代后期，计算机应用于管理的规模更加庞大，数据量急剧增加； 硬件方面出现了大容量磁盘，使计算机联机存取大量数据成为可能； 硬件价格下降，而软件价格上升，使开发和维护系统软件的成本增加。 文件系统的数据管理方法已无法适应开发应用系统的的需要。 为解决多用户、多个应用程序共享数据的需求，出现了统一管理数据的专门软件系统，即数据库管理系统。,三、数据库系统阶段,数据库系统管理数据的特点如下：1、数据共享性高、冗余少：这是数据库系统阶段的最大改进，数据不再面向某个应用程序而是面向整个系统，当前
10、所有用户可同时存取库中的数据。这样便减少了不必要的数据冗余，节约存储空间，同时也避免了数据之间的不相容性与不一致性。 2、数据结构化按照某种数据模型，将全组织的各种数据组织到一个结构化的数据库中，整个组织的数据不是一盘散沙，可表示出数据之间的有机关联。,三、数据库系统阶段,例：要建立学生成绩管理系统，系统包含如下数据，并 分别对应三个文件。 学生（学号、姓名、性别、系别、年龄） 课程（课程号、课程名） 成绩（学号、课程号、成绩）若采用文件处理方式，因为文件系统只表示记录内部的联系，而不涉及不同文件记录之间的联系，要想查找某个学生的学号、姓名、所选课程的名称和成绩，必须编写一段不很简单的程序来实
11、现。而采用数据库方式，数据库系统不仅描述数据本身，还描述数据之间的联系，上述查询可以非常容易地联机查到。,三、数据库系统阶段,3.、数据独立性高：数据的独立性是指逻辑独立性和物理独立性。 数据的逻辑独立性是指当数据的总体逻辑结构改变时，数据的局部逻辑结构不变，由于应用程序是依据数据的局部逻辑结构编写的，所以应用程序不必须修改，从而保证了数据与程序间的逻辑独立性。 例如，在原有的记录类型之间增加新的联系，或在某些记录类型中增加新的数据项，均可确保数据的逻辑独立性。 数据的物理独立性是指当数据的存储结构改变时，数据的逻辑结构不变，从而应用程序也不必改变。 例如，改变存储设备和增加新的存储设备，或改
12、变数据的存储组织方式，均可确保数据的物理独立性。,三、数据库系统阶段,4、 有统一的数据控制功能 数据库为多个用户和应用程序所共享，对数据的存取往往是并发的，即多个用户可以同时存取数据库中的数据，甚至可以同时存取数据库中的同一个数据，为确保数据库数据的正确有效和数据库系统的有效运行，数据库管理系统提供下述四方面的数据控制功能。 （1）数据的安全性（security）控制：防止不合法使用数据造成数据的泄露和破坏，保证数据的安全和机密； 例如，系统提供口令检查或其他手段来验证用户身份，防止非法用户使用系统；也可以对数据的存取权限进行限制，只有通过检查后才能执行相应的操作。 （2）数据的完整性(in
13、tegrity)控制：系统通过设置一些完整性规则以确保数据的正确性、有效性和相容性。,正确性是指数据的合法性，如年龄属于数值型数据，只能含0,1,9，不能含字母或特殊符号； 有效性是指数据是否在其定义的有效范围，如月份只能用112之间的正整数表示； 相容性是指表示同一事实的两个数据应相同，否则就不相容，如一个人不能有两个性别。（3）并发（concurrency）控制：多用户同时存取或修改数据库时，防止相互干扰而提供给用户不正确的数据，并使数据库受到破坏。,三、数据库系统阶段,（4）数据恢复（recovery）：当数据库被破坏或数据不可靠时，系统有能力将数据库从错误状态恢复到最近某一时刻的正确状
14、态。数据库系统阶段，程序与数据之间的关系可用图1.3表示。 图1.3 数据库系统阶段,三、数据库系统阶段,从文件系统管理发展到数据库系统管理是信息处理领域的一个重大变化。 在文件系统阶段，人们关注的是系统功能的设计，因此程序设计处于主导地位，数据服从于程序设计； 而在数据库系统阶段，数据的结构设计成为信息系统首先关心的问题。数据库技术经历了以上三个阶段的发展，已有了比较成熟的数据库技术，但随着计算机软硬件的发展，数据库技术仍需不断向前发展。,三、数据库系统阶段,An Introduction to Database Systems,数据库,应用系统,应用开发工具,操作系统,数据库管理系统,数据
15、库管理员,用户,用户,用户,数据库系统,1.1.3数据库系统的组成,数据库技术的研究领域：数据库学科的研究范围主要包括以下三个领域: 1、数据库管理系统软件的研制 DBMS是数据库系统的基础。 DBMS 的研制包括研制 DBMS 本身及以 DBMS 为核心的一组相互联系的软件系统，包括工具软件和中间件。 研制的目标是提高系统的性能和提高用户的生产率。 2、数据库设计 数据库设计的研究范围包括： 数据库的设计方法、设计工具和设计理论的研究， 数据模型和数据建模的研究， 计算机辅助数据库设计及其软件系统的研究， 数据库设计规范和标准的研究等。,1.1.4数据库技术研究领域,3. 数据库理论 数据库
16、理论的研究主要集中于关系规范化理论、关系数据理论等。 近年来，随着人工智能与数据库理论的结合以及并行计算技术的发展，数据库逻辑演绎和知识推理、并行算法等都成为新的研究方向。 随着数据库应用领域的不断扩展，计算机技术的迅猛发展，数据库技术与人工智能技术、网络通信技术、并行计算技术等到相互渗透、相互结合，使数据库技术不断涌现新的研究方向。,1.1.4数据库技术研究领域,1.2 数据库系统结构,从系统软件角度来看： 是三级模式结构 是DBS内部软件结构 从数据库最终用户角度来看： 种类繁多 单用户 主从式 C/S 或 B/S 分布式 并行结构 是DBS外部体系结构,一、DBS的体系结构,应用程序、D
17、BMS、DB都装在一台计算机上，由一个用户独占。 缺点：数据冗余大，数据难共享。,应用程序、DBMS、DB均放在主机上。各用户通过终端并发存取数据库的多用户系统。 缺点：终端多时，主机负担过重，系统性能下降。,1.2 数据库系统结构,(3) 客户/服务器结构的DBS,两种典型的方式: 客户机/服务器-C/S 浏览器/服务器-B/S,C/S方式：,(4)分布式结构的DBS,一个逻辑数据库,1.2 数据库系统结构-三级模式结构,1. 模式的概念：,对DB结构及其特征、联系的具体描述。,应用1,模式,DB,应用3,应用m,.,外模式1,外模式2,外模式n,映像1,映像2,内模式,应用2,.,概念级:
18、 公共视图,物理级: 内部视图,用户级: 用户视图,1.2 数据库系统结构,模型与模式的区别：模型以直观清晰的图形来表示，但计算机无法识别，须用一种语言来描述它，即DDL。模式是对模型的语言描述。2. 三级模式： 外模式（子模式- 多个） 局部数据逻辑结构和特征的描述。 概念模式（模式- 一个） 全局数据逻辑结构和特征的描述。 定义模式时不仅要定义数据的逻辑结构，还要定义与数据有关的安全性、完整性要求。 内模式（存储模式、物理模式-一个） 数据物理结构和存储方式的描述。,1.2 数据库系统结构,数据独立性:程序与数据间的互不依赖性。 数据的物理独立性数据库存储结构的改变不影响逻辑结构及应用程序
19、。 数据的逻辑独立性数据库逻辑结构的改变不影响应用程序。 数据一致性：语义相同的多个副本值一致。,3.数据库的二级映象功能 外模式/模式映象实现数据逻辑独立性;完成综合、抽象。 模式/内模式映象实现数据物理独立性;完成优化存放。,1.2 数据库系统结构,二、数据抽象- 三级DB,关系： 数据模型模式DB建筑模型- -,物理DB,逻辑DB,用户DB,蓝图,1.2 数据库系统结构,三. DBS的组成： 硬件平台: 计算机、网络 软件系统： OS 开发工具 DBMS DB 应用软件 人：,DBS的层次关系,开发工具,OS,硬件,用户,DBMS,应用软件,？DB,DBA 系统分析员和DB设计者 应用程
20、序员 用户,1.3 数据模型,数据模型:是表示数据及其联系的模型。是对现实世界数据关系、特征的抽象。 分类： 概念模型(信息模型)：从用户角度对数据建模，用于DB设计。 数据模型(结构数据模型)：从计算机角度对数据建模，用于DBMS实现。,现实 世界,认识、分析、抽象,一、信息的三个世界:,描述 规范转换,1.3.1信息的三个世界,现实 信息 机器世界 世界 世界,信息世界的基本概念：实体：事物及联系属性：实体的特征 简单属性和复合属性 单值属性和多值属性 存储属性和派生属性,分析抽象,编码规范, 事物-信息-数据,属性域:属性取值范围码: 关键字/键实体型:结构实体集:一组同类实体,三个世界
21、术语间关系：,学生,学,号,姓,名,年龄,性别,籍贯,学生,1,990927,胡,伟,22,男,湖南,学生,2,990652,张 春,24,男,湖北,学生,3,991091,程 军,23,男,山西,学生,4,990676,王,翌,22,女,四川,用概念模型,用数据模型,1.3.2概念模型,1.概念 实体集间的联系: 1：1 1：m m：n,例： 系 - 系主任 学生 - 座位 班级 - 学生 公司 - 职员 学生 - 图书 运动员 - 项目,设实体集：E1 E2,1.3.2概念模型,实体集间联系的表示: 两实体集间 多实体集间 同一实体集内,联系名,n,m,1,n,1.3.2概念模型,实体集间
22、联系的表示: 两实体集间 多实体集间 同一实体集内,相同实体集间的两个联系,医生D,病人P,1.3.2概念模型,概念模型的表示方法： E-R图: 实体集、属性、联系,? 总分: sum ? 成绩: score,例：,1. 数据模型的三要素 (1)数据结构（描述系统的静态特性）数据库对象类型： 与数据类型、内容、性质有关的对象； 与数据之间联系有关的对象。数据之间的联系：隐式和显式。 (2)数据操作（描述系统的动态特性） 指对数据库各种对象允许进行操作的集合，包括操作语言及有关操作规则的定义。 (3)数据的完整性约束 是对数据及其关系的制约规则的集合。,1.3.3数据模型的组成及新特征,数据模型
23、的新特征 （1）数据特征：数据可以是多维的、易变、多态的。（2）数据结构：数据类型更丰富；数据格式多样化。（3）数据操作：包含特殊的操作、数据的互操作性及操作的主动性。 主要数据模型： （1）三种基本数据模型：层次、网状、关系模型。（2）面向对象模型 （3）谓词模型（4）XML模型（5）扩充的数据模型,1.3.3数据模型的组成及新特征,2. 三种基本数据模型的概念 层次模型 网状模型 关系模型,基本层次联系 两个记录集及其间的1:n联系,Ri,Rj,双亲结点,子女结点,1.3.3数据模型的组成及新特征,四. 层次模型 (1)数据结构：树结构,记录集(类型),1: n的联系,层次数据库的型与值：
24、,层次模型的基本特点：需按路径查看给定记录的值。,1.3.3 数据模型,四.层次模型 (2)数据操作与完整性约束 基本数据操作： 查、插、删、改结点值 使用过程化语言 主要的完整性约束： 插入：无双亲不能插子女； 删除：删双亲则子女无； 修改：保证一致性。,(3) 存储结构 1）邻接法： 按树前序序列依次存放记录值 2）链接法 孩子-兄弟链接法(参见教材附录A),1.3.3 数据模型,五. 网状模型 (1) 数据结构 图结构,网状数据库的型与值： 网状模型m:n联系的表示 分解法见附录A,L1,L2,系主,成员,1.3.3 数据模型,例：订货人与货物：？,系:以记录型为结点的二级树。,(2)数
25、据操作与完整性约束 基本数据操作： 对记录的操作 对系的操作 使用过程化语言 主要的完整性约束： 一个记录型不能在同一个系型中既是主记录型又是属记录型。 任何一个系值中至多只有一个主记录。 插、删一个记录时，须遵守系籍约束。,(3)存储结构,S1,C1,五. 网状模型,六.关系模型 (1)数据结构,属性,元组,学号 姓名 年龄,关系 元组 属性(值) 主码(主Key) 域,主码,关系名,属性名,例：学生(学号,姓名,年龄),关系模式：关系结构的描述R(A1 ，A2，A3，.An),值,1.3.3 数据模型,(2)数据操作与完整性约束 基本数据操作：查、插、删、改 需满足关系的完整性约束条件 使
26、用非过程化语言 (3)存储结构 表以文件形式存储,表 结 构,六. 关系模型,实体间联系,实体,三种模型比较：,1.3.3 数据模型,树 图 表,1:n层次联系 m:n间接联系 m:n任意联系,通过指针(或路经) 通过指针(或路经) 自然联系创建联系,较高 较难 较高 复杂 较低 容易,无无关系理论,过程式 过程式非过程式,发展: 混合式,1.4 数据库管理系统（DBMS）,数据库管理系统是对数据进行管理的大型系统软件，它是数据库系统的核心组成部分， 用户在数据库系统中的一切操作，包括数据定义、查询、更新及各种控制，都是通过DBMS进行的。 DBMS就是实现把用户意义下的抽象的逻辑数据处理转换
27、成计算机中的具体的物理数据的处理软件，这给用户带来很大的方便。,1.4.1 DBMS的主要功能 1. 数据定义 DBMS提供数据定义语言DDL（Data Define Language），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， 例如，为保证数据库安全而定义的用户口令和存取权限，为保证正确语义而定义完整性规则。 2. 数据操纵 DBMS提供数据操纵语言DML（Data Manipulation Language）实现对数据库的基本操作，包括检索、插入、修改、删除等。 SQL语言就是DML的一种。,1.4 数据库管理系统（DBMS）
28、,3. 数据库运行管理 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 数据库的恢复 以确保数据正确有效和数据库系统的正常运行。 4. 数据库的建立和维护功能 包括数据库的初始数据的装入， 数据库的转储、恢复、重组织， 系统性能监视、分析等功能。 5. 数据通信 DBMS提供与其他软件系统进行通信的功能。 实现用户程序与DBMS之间的通信，通常与操作系统协调完成。,1.4 数据库管理系统（DBMS）,1.4.2 DBMS的组成 DBMS是许多“系统程序”所组成的一个集合。 每个程序都有自己的功能，共同完成DBMS的一件或几件工作。 1
29、. 语言编译处理程序 （1）数据定义语言DDL及其编译程序 它把用DDL编写的各级源模式编译成各级目标模式，这些目标模式是对数据库结构信息的描述，而不是数据本身，它们被保存在数据字典中，供以后数据操纵或数据控制时使用。 （2）数据操纵语言DML及其编译程序，实现对数据库的基本操作。DML有两类， 一类是宿主型，嵌入在高级语言中，不能单独使用； 另一类是自主型或自含型，可独立地交互使用。,1.4 数据库管理系统（DBMS）,2. 系统运行控制程序，主要包括以下几部分： 系统总控程序：是DBMS运行程序的核心，用于控制和协调各程序的活动； 安全性控制程序：防止未被授权的用户存取数据库中的数据； 完
30、整性控制程序：检查完整性约束条件，确保进入数据库中的数据的正确性、有效性和相容性； 并发控制程序：协调多用户、多任务环境下各应用程序对数据库的并以操作，保证数据的一致性； 数据存取和更新程序：实施对数据库数据的检索、插入、修改、删除等操作； 通信控制程序：实现用户程序与DBMS间的通信。,1.4 数据库管理系统（DBMS）,3. 系统建立、维护程序，主要包括以下几部分： 装配程序：完成初始数据库的数据装入； 重组程序：当数据库系统性能变坏时（如查询速度变慢），需要重新组织数据库，重新装入数据； 系统恢复程序：当数据库系统受到破坏时，将数据库系统恢复到以前某个正确的状态。 4. 数据字典（Dat
31、a Dictionary，简称DD） 用来描述数据库中有关信息的数据目录， 包括数据库的三级模式、数据类型、用户名、用户权限等有关数据库系统的信息， 起着系统状态的目录表的作用， 帮助用户、DBA 、DBMS本身使用和管理数据库。,1.4 数据库管理系统（DBMS）,1.4.3 DBMS的数据存取的过程 在数据库系统中，DBMS与操作系统、应用程序、硬件等协同工作，共同完成数据各种存取操作，其中DBMS起着关键的作用。 DBMS对数据的存取通常需要以下四步： 1. 用户使用某种特定的数据操作语言向DBMS发出存取请求； 2. DBMS接受请求并解释； 3. DBMS依次检查外模式、外模式/模式
32、映象、模式、模式/内模式映象及存储结构定义； 4. DBMS对存储数据库执行必要的存取操作； 上述存取过程中还包括安全性控制、完整性控制，以确保数据的正确性、有效性和一致性。,1.4 数据库管理系统（DBMS）,数据库技术领域的发展趋势,1 泛数据研究:各种Web数据管理问题成为关注热点 2 国际数据库研究界动态 ：信息的存储、组织、管理和访问 3 主流技术发展趋势 3.1 信息集成 3.2 数据流管理 3.3 传感器数据库技术 3.4 XML 数据管理 3.5 网格数据管理 3.6 DBMS的自适应管理 3.7 移动数据管理 3.8 微小型数据库技术 3.9 数据库用户界面,在开发项目中使用的数据库软件品牌分布调查结果图,第1章 数据库系统概论小结,本章要点： DB、DBMS、DBS及其关系 数据模型的三要素、三种基本数据模型的比较 DBS三级模式和两层映像的作用 DBS的组成,本章练习：,本章思考题：1、主要数据模型的区别？2、 现代DBS的软、硬环境？,
