1、研究生系列课程数据结构与数据库数据结构与数据库Data Structure and Database 主主讲：胥讲：胥军军武汉理工大学武汉理工大学机电工程学院机电工程学院主主讲：胥讲：胥军军武汉理工大学武汉理工大学机电工程学院机电工程学院武汉理工大学武汉理工大学机电工程学院机电工程学院武汉理工大学武汉理工大学机电工程学院机电工程学院1.1 基本概念与定义 数据（ Data） 是载荷信息的媒体，它包括结构化数据和非结构化数据。 信息 是 一 个抽象的概念 ， 反映的是客观世界的知识 ，个抽象的概念 ， ，是通过加工后形成的特定形式的数据信息是通过处理数据产生的，数据是信息的载体，是信息的具体形式
2、。数据只有处在特定背景下才是有意义的。为数据提供特定背景的主要机制是 元数据 元数据是描述终端用户数。据的属性（或特征）和该数据环境的数据。研究生系列课程数据结构与数据库1.1 基本概念与定义数据库系统（ DataBase System， DBS）是指一个计算机存储记录信息的系统 从管理层观点来看 数据库系。 ，统有 4个主要部件构成：硬件、软件、人员和数据。 硬件指系统所有的物理设备。数据库系统的硬件组件主要有：计算机、存储设备、网络等。 软件指系统内所有程序的集合。数据库系统的软件主要有：操作系统 DBMS （ DataBase Management System、 （ ，DBMS） 、数
3、据库系统开发工具等。研究生系列课程数据结构与数据库1.1 基本概念与定义 人员指数据库系统的所有用户。一般把数据库系统中的用户分为 4类：数据库管理员、系统分析员和数据库设计人员、应用程序开发人员，以及终端用户。 数据库管理员 （ DataBase Administrator DBA） 的主要职责（ , DBA）是负责数据库的规划、设计、维护和监控。 DBA需要对各个应用的数据需求做全面的规划 设计和集成 负责对数据库中数据的、 ，安全性、完整性以及系统恢复进行实施与维护，并且不断地调整数据库内部结构 保持系统的最佳状态与最高效率， 。研究生系列课程数据结构与数据库1.1 基本概念与定义 系统
4、分析员 的主要任务是编写应用系统的需求分析、确定数据库系统的软硬件配置 并参与数据库的设计和程，序开发工作。 数据库设计人员 主要负责设计数据库的结构，是数据库的建筑师。 应用程序开发人员 的任务是编写应用系统的程序模块，并负责调试和安装 。 终端用户 是使用应用程序的人员，包括日常业务操作人员和高级用户 其中高级用户可以运用数据库获取的信。息作出战略和战术上决策。研究生系列课程数据结构与数据库1.1 基本概念与定义 数据指存储在数据库中的事实集合 数据是产生信息的关键。原料，好的数据才有可能产生更好的信息，它是一个数据库系统的“质量”基础。数据库设计者的重要工作就是确定在数据库中存储那些数据
5、，以及如何组织这些数据。研究生系列课程数据结构与数据库1.2 数据库发展的历史 文件系统年 年20世纪50 年 代后期至60 年 代中期，已经有了磁盘、磁鼓等直接存取存储设备，操作系统中也已经有了专门的数据管理软件，一般称为文件系统。在文件系统中，把数据按其内容、结构和用途组织成若干个相互独立的文件。文件系统管理数据具有如下特点： 文件系统利用 “ 按文件名访问 ， 按记录进行存取 ” 的管，理技术对数据进行管理。 数据可以长期保存在存储设备上供用户使用 。研究生系列课程数据结构与数据库1.2 数据库发展的历史 第一代数据库系统20世纪 70年代 数据库系统以广为流行的网状模型数据，库和层次模
6、型数据库为代表。第一代数据库系统发展过程中的突出代表有 ： 1964年，美国通用电气公司的 Bachman等人开发成功世界上第一个 DBMSIDS（ Integrated Data Store）系统，奠定了网状数据库系统的基础。 1969年，美国 IBM公司研制成功世界上第一个商品化DBMS产品 IMS（ Information Management System） 系（ gy） 系统，这是一个层次数据库系统。研究生系列课程数据结构与数据库1.2 数据库发展的历史 1969 1970年，美国 CODASYI (Conference On Data System Language)协商会下属的
7、DBTG (DataBase Task Task Group)对数据库方法进行了系统的研讨，提出了 DBTG报告 建立了以网状数据库模型为基础的数据库系统概念告 ， 。第一代数据库系统的主要特点是支持三级抽象模型的体系结构；用存取路径（指针）来表示数据间的联系；数据定义语言（ DDL）和数据操作语言（ DML）相对独立，数据库语言采用过程性（导航式）语言。研究生系列课程数据结构与数据库1.2 数据库发展的历史 第二代数据库系统20世纪 70年代初关系数据模型的提出受到了人们的高度重视。在这些关系数据库原型中，功能最强、技术上最有代表性的是 1976年 IBM公司宣布的 S t R (1974
8、1979)和年 ys em (1974 和美国加州大学 Berkeley分校的 Ingres关系数据库系统。与此同时， 1979年美国 ORACLE公司推出了用于 VA X小型机上的关系数据库软件 Oracle(v2.0)，这被认为是第一次实现了使用 SQL语言的商品化关系数据库软件。研究生系列课程数据结构与数据库1.2 数据库发展的历史通常把支持关系数据模型的关系数据库系统称之为第二代数据库系统 。 关系模型建立在严格的数学理论基础之。上，它概念简单、清晰，易于用户理解和使用。因而在这一时期得到迅猛发展 几乎所有新推出的数据库系统都是，关系型数据库系统。年数库 成熟时20世纪 80年 代是
9、数 据 库 技术逐渐走向 成熟 的 时 期，一批性能不断改善，版本不断更新的商品化关系数据库软件相继投入市场，如 Oracle， Sybase， Informix， Ingres等关系数据库系统开始广泛应用于大型信息管理系统。目前流行的数据库产品主要是关系型数据库。研究生系列课程数据结构与数据库1.2 数据库发展的历史 新一代数据库系统随着计算机的广泛应用 特别是 些新的应用领域不断， 一 些新的应用领域不断提出新的应用要求，关系型数据库、层次型数据库、网状型数据库都表现出不同程度的局限性。如 CAD/CAM、CIM、 OIS（办公信息系统）、 GIS（地理信息系统）、知识库系统、实时系统等，
10、都需要数据库的支持，而其所需的数据管理功能有相当 一 部分是传统的数据库系统所不能部分是传统的数据库系统所不能支持的。研究生系列课程数据结构与数据库1.2 数据库发展的历史因此，在 20世纪 80年代后期人们又提出了研制新一代数据库的设想 。 可以说新 一 代数据库技术的研究和发展呈。 代数据库技术的研究和发展呈现了百花齐放的局面。归纳起来其主要特征有 ：一是面向对象的方法和技术与数据库技术的结合；二是数据库技术与多学科技术的有机结合；三是面向应用领域的数据库技术的研究 。研究生系列课程数据结构与数据库1.2 数据库发展的历史 中国数据库市场根据易观国际发布的数据显示 2006年中国商业数据库
11、，市场的前四甲依次是： Oracle、 IBM、 Microsoft和 Sybase。的占有率 排第 占 的市Oracle以 39% 再 排第 一， IBM占 据了 26%场份额，微软和 Sybase分别占有 17.8和 13.3，这四者已经占据了 96%的市场份额。国产 数 据库占 有少 量 市 场 份额 ，主 要 应 用领 域 是具有 国有少市份额 要用领是具有防和保密性质的部委、航空航天工业以及各地方政府，其中武汉达梦占有 0.7%， 神州航天占有 0.5%， 人大金仓占有， ，1.0%。研究生系列课程数据结构与数据库1.3 数据库系统 数据库系统是指引入了数据库技术后的计算机系统。广义
12、地讲 数据库系统由，数据库、 DBMS（数据库管理系统 ） 、DBA（数据库管理员 ） 应用程序以及员 ） 、用户组成。研究生系列课程数据结构与数据库1.3 数据库系统 数据库方法的概念可用下图表示：DBMS应用请求数据回答特点 功能预定 被动（ 用户界面 ）： 、（ ）研究生系列课程数据结构与数据库1.3 数据库系统某销售公司的3个文件处理系统包括订单填写系统、开发票系统 、 工资单系统 。 图中还显示了与每个应用相关联的、 。主要数据文件（一个文件就是一个相关记录的集合）。研究生系列课程数据结构与数据库1.3 数据库系统对于前面图示的某销售公司的3个文件处理系统，如果采用数据库方法 ， 其
13、概念可用下图表示 。， 。销售部门销售部门会计部门数据库应用 DBMS元数据顾客雇员产品人事部门产品订单.研究生系列课程数据结构与数据库1.3 数据库系统与传统的文件系统相比，数据库系统呈现出许多潜在的优点 其主要表现在如下几个方面。 ： 程序数据独立性 提高了数据的共享性 降低了数据的冗余度 提高了数据的 致性， 一 致性 采用一定的数据模型实现数据结构化 数据由DBMS统一管理和控制研究生系列课程数据结构与数据库1.3 数据库系统DBMS是数据库系统软件的核心，它是用户的应用程序和物理数据库之间的桥梁 用户对数据的 切操作都是。 一 切操作都是在 DBMS的指挥、调度、控制下进行的，而且只
14、能借于实 时保数的安全 靠 完DBMS实 现。 DBMS同 时 要 保 证 数 据 的安全 性、可 靠 性、 完整性和一致性。其主要功能包括：数据字典管理、数据存储管理、数据转换和表示、安全性管理 、 多用户访问控制 、 备份和恢复管理 、 数据完整、 、 、性管理、数据访问语言和应用程序编程接口、数据库通信接口等 。研究生系列课程数据结构与数据库1.3 数据库系统在实际应用当中，库类多数据库系统的种类很 多 ，它们可以支持不同的数.据模型，建立在不同的操作系统之上 ， 数据的，存储格式也不相同，但它们在体系结构上具有相同的特征，即采用 三级模式结构 。.研究生系列课程数据结构与数据库1.4
15、数据模型 模型 (Model) 是对是复杂的现实事物或事件的抽象。 数据模型 (Data Model)是对现实世界中数据特征的抽象 ， 它是复杂的现实数据结构的相对简单的表示法 ， 通常用象 ， ，图形方式给出。模型的主要作用是帮助我们理解现实环境的复杂性 。在数据库环境中，数据模型表示数据结构以及它的特性、关系 约束和转换 数据库设计者把数据模型用作促进设计、 。者、程序员和终端用户之间进行交流的通信工具。研究生系列课程数据结构与数据库1.4 数据模型由于计算机不能直接处理现实世界中的具体事物，所以人们必须首先把现实世界中的具体事物进行抽象 （ 通常（被称为概念模型设计），然后再组织为某一D
16、BMS支持的数据模型 （ 如关系模型 ）（ ） 。研究生系列课程数据结构与数据库1.4 数据模型一个好的数据模型应满足三方面的要求：一是能比较真实地模拟现实；二是容易为人所理解；三是便于在计算机上实现。一般而言，数据模型由 数据结构、数据操作 和 数据的约束条件 三部分组成 。 数据结构 。数据库规定了如何把基本的数据项组织成较大的数据单位，以描述数据的类型、内容、性质和数据之间的相互关系。它是数据模型最基本的组成部分。研究生系列课程数据结构与数据库1.4 数据模型 数据操作 。数据操作是指一组用于指定数据结构的任何有效的操作或推导规则 数据库中主要的操作有查询和更。新(插入、删除、修改)2大
17、类。数据模型要给出这些操作确切的含义、操作规则和实现操作的语言。 数据约束条件 。数据的约束条件是一组完整性规则的集合 ， 它定义了给定数据模型中数据及其联系所具有的制约合 ，和依存规则，用以限定相容的数据库状态的集合和可容许的状态改变 以保证数据库中数据的正确性 有效性和相， 、容性。研究生系列课程数据结构与数据库1.4 数据模型 主要的数据模型 层次模型 （ Hierarchical Model） 网状模型 （ Network Model）（ Model） 关系模型 （ Relational Model） 实体关系模型 （ Entity Relationship Model） 面向对象模型
18、 （ ）（ Object Oriented Model）研究生系列课程数据结构与数据库1.4 数据模型 层次模型的结构层次模型是按照层次结构的形式组织数据库中的数据的 ，即用树（ Tree）型结构表示实体以及实体之间的联系。每个结点表示一个记录类型，结点之间的连线表示记录类型之间的联系。每个记录类型可以包括若干个字段（记录类型描述的是实体，字段描述的是实体的属性）。研究生系列课程数据结构与数据库1.4 数据模型 层次模型的特点 查询任何 个给定记录时 只有按其路径查看才能显示一 个给定记录时 ，出它的全部含义，没有一个子记录可以脱离双亲记录而存在； 每个子结点只有 一 个双亲结点 ， 而 且
19、只有 一 个结点没有个双亲结点 只有 个结点没有双亲结点，称为根结点； 层次数据库系统只能处理一对多的实体关系 。研究生系列课程数据结构与数据库1.4 数据模型 层次模型的数据操纵与完整性约束 层次模型的数据操纵主要有查询、插入、删除和修改。 进行插入 、 删除 、 修改操作时要满足层次模型的完整性、 、约束条件。层次结构规定除根结点外，任何其它结点不能离开其双亲结点而孤立存在 进行插入操作时 如果没有。 ，相应的双亲结点值就不能插入它的子结点值。在删除一个记录时 其子记录也将被自动地删除， 。研究生系列课程数据结构与数据库1.4 数据模型 层次模型的优点结构简单 便于理解和实现 ， ； 层次模型DBMS对层次结构的数据有较高的处理效率； 由于是双亲-子女关系，在双亲结点和子结点之间始终存在着链接 。 由于子结点总是自动地引用其双亲 ， 所以层。 ，次模型提升了数据库的完整性。研究生系列课程数据结构与数据库
