1、数据库系统及应用,2004年3月 杜 红,2,数据库系统及应用,教学目的与要求 教学安排 先修课 教材及参考书,3,教学目的,通过本课程的学习,能对数据库技术及其应用系统有一个较全面的认识。 了解数据库系统的基本概念和体系结构。 掌握关系模型的关系运算理论和关系数据库SQL语言的使用技术。 了解和掌握关系数据库的规范化理论及数据库设计的全过程，能进行数据库结构的设计和简单应用系统的设计。 了解数据库系统的保护措施。 了解分布式数据库及面向对象特征的数据库的基本概念。,4,教学基本要求,上课认真听讲 课上做好笔记 跟上进度，完成课堂习题 课下复习，完成课后作业 上机前做好准备,5,教材及参考书,
2、数据库系统及应用 高等教育出版社 崔巍 数据库原理 经济科学出版社 丁宝康 数据库原理自学考试题典经济科学出版社 丁宝康 数据库系统概论高教出版社 萨师煊、 王珊编著,6,数据与信息,数据：是描述客观事物的一组文字、数字和符号，它是客观事物的反映和记录。 信息：是潜在于数据中的意义，它反映了客观世界中各种事物的状态与特征，它能增长人的知识，影响接受者的行为。,信息成为社会发展的基础和主导力量，这是社会信息化的必然结果，是人类社会进步的标志。,7,数据库定义,数据库技术就是数据管理的技术。 数据库技术所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。 数据库技术是当代计算机系统的
3、重要组成部分。,8,数据处理是对各种形式的数据进行收集、存储、加工和传播的一系列活动的总和。其目的是从大量的原始数据中抽取对人类有价值的信息，以作为行动和决策的依据。,数 据 处 理,9,第一章 数据库概论,1.1 数据管理技术的发展 1.2 数据描述 1.3 数据模型 1.4 数据库的体系结构 1.3 数据库管理系统 1.4 数据库系统,10,1.1 数据管理的发展,数据管理：数据处理的一系列活动中，数据收集、整理、存储、维护、检索、传送等操作作为基本操作，这些基本操作环节称为数据管理。 数据管理技术是解决上述基本环节的,数据技术管理的优劣,将直接影响数据处理的效率.,11,1.1 数据管理
4、的发展,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： 人工管理阶段 文件系统阶段 数据库阶段,12,1.1.1 人工管理阶段,时间： 50年代中期以前 背景：计算机主要用于科学计算 硬件：磁带、卡片、纸带，没有磁盘 软件：没有操作系统，没有管理数据的软件。只有汇编语言。 特点：1数据不保存在机器中（算时输入，算后输出）2没有软件系统对数据进行管理3只有程序概念，没有文件的概念4一组数据对应一个程序，数据是面向应用的,13,1.1.1 人工管理阶段,应用程序1,应用程序2,应用程序n,数据1,数据2,数据n,. . .,. . .,数据与程序之间的关系,
5、14,1.1.2 文件系统阶段,时间：50年代后期到60年代中期 背景：计算机不仅用于科学计算，而且用于数据处理 硬件：磁盘、磁鼓 软件：操作系统中已经有了专门的管理数据的软件(即文件系统),15,1.1.2 文件系统阶段,特点： 数据以文件的形式长期保存在外存的磁盘上 数据的物理结构与逻辑结构有了区别（程序不必关心数据的物理位置） 文件形式多样化 数据不再属于某个特定的应用,可以重复使用,16,1.1.2 文件系统阶段,缺点： 数据冗余度(Redundancy)大：数据面向应用，无法共享 数据的不一致性 数据联系弱（文件间相互独立，缺乏联系）,应用程序1,文件1,. . .,文件2,应用程序
6、2,. . .,应用程序n,文件n,文件 系统,数据与程序之间的关系,P2重点,17,习题：文件系统阶段在数据管理方面有哪些缺陷，请举例说明。,文件系统有数据冗余、数据不一致和数据联系弱三个缺点。,工号：123；职工姓名：张三；职工电话：67890123 工号：124；职工姓名：李四；职工电话：67543210 工号：125；职工姓名：张三；职工电话：65467890,工号：123；职工工资：2230元；职工电话：62345000 工号：124；职工工资：3500元；职工电话：67543210 工号：125；职工工资：2400元；职工电话：65467890,职工档案文件,职工工资文件,冗余，且
7、可能不一致,原因：文件中数据没有联系,18,1.1.3 数据库阶段,时间：60年代后期 - 背景：数据管理规模更为庞大，应用更广泛，数据量剧增，共享要求(多种应用、多种语言互相覆盖地共享数据集合)更强 硬件：有了大容量和快速存取磁盘 指导思想：对所有的数据实行统一的、集中的、独立的管理，使数据存储独立于使用数据的程序，实现数据共享。,19,1.1.3 数据库阶段,Database Management System 数据库管理系统,数据库系统简图,20,1.1.3 数据库阶段,特点： 1、采用复杂的数据模型表示数据结构。 按照某种数据模型,将整个组织的全部数据组织成一个结构化的数据整体 数据模
8、型不仅描述数据本身,还描述了数据之间的联系.,21,1.1.3 数据库阶段,特点： 2. 数据独立性 物理独立性、逻辑独立性 具有较高的数据和程序的独立性 数据描述、定义从应用程序中分离出来，独立于应用程序而存在，相互独立，互不依赖,22,1.1.3 数据库阶段,特点：3.具有良好的用户接口，用户可方便地开发和使用数据库。,23,1.1.3 数据库阶段,特点： 4. 统一数据控制控能 共享一般是并发的，多个用户同时使用数据库，应提供如下功能： 数据安全控制 数据完整性控制（正确性、有效性、相容性） 并发控制 数据恢复,24,1.1.3 数据库阶段,特点： 5、对数据的操作不一定以记录为单位，可
9、以以数据项为单位，增加了系统的灵活性。,问题：文件系统对数据的操作以什么为单位？,25,1.1.3 数据库阶段,6.数据共享 共享是指多用户、多种应用、多种语言互相覆盖地共享数据集合。 可以实现文件级、记录级、数据项级的数据共享,26,1.1.3 数据库阶段,特点： 7. 可控数据冗余度 数据存储不必重复存储，节省存储空间，保证数据的一致性 理论上可做到冗余度为零 可有意安排若干冗余，由用户控制，称为可控冗余度,27,1.1.3 数据库阶段,什么是数据库： 数据库是统一管理的相关数据的集合，它可以为各种用户共享且具有最小的冗余度,数据间联系密切,而又有较高的数据独立性。 信息系统以数据库为核心
10、 信息系统的研制从围绕加工数据的程序为中心，转移到以共享数据库的设计为中心,28,1.1.3 数据库阶段,输入,程序,输出,文件,传统方式: 系统功能设计为中心;程序处于主导地位,数据起着服从程序设计需要的作用;,29,1.1.3 数据库阶段,数据库处理方式:数据占据了中心位置数据的结构设计成为中心问题,而利用这些数据的应用程序的设计退居于次要地位.,30,基本概念,1、数据（Data） 数据实际上就是描述事物的符号记录。 2、数据库（Database，简称DB） 数据库是长期存储在计算机内有结构的大量的共享的数据集合。 3、数据库管理系统（Database Management System
11、，简称DBMS） 数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。 4、数据库系统（Database System，简称DBS） 数据库系统是指在计算机系统中引入数据库后的系统构成，一般由数据库、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。,31,1.1.4 数据库应用实例及比较,学生信息管理系统实例 该系统用来管理学生的基本情况,开设课程情况,学生的选课情况及成绩; 数据库: 以表格的形式储存了学生,课程,选课的记录; 数据管理系统(DBMS)负责存储和检索这些表格的数据; 建立相关的应用程序,负责处理数据输入,数据查询和产生报表,32,数据表的例子:,33,
12、数据输入的例子:,34,数据查询的例子:,35,数据输出的例子:,36,1.1.4 数据库应用实例及比较,几种数据库应用比较:,37,1.1.4 数据库应用实例及比较,数据库应用的一般结构,用户,数据库 应用,DBMS,数据库,用户与数据库应用交互; 数据库应用通过DBMS访问数据库中的数据; 用户需要的不只是数据库,而是基于这些数据的表格,报表和查询.,38,习题1.1：,1、下列四项中，不属于数据库特点的是( ) A.数据共享 B.数据完整性 C.数据冗余很高 D.数据独立性高 2.下列四项中说法不正确的是( ) A.数据库减少了数据冗余 B.数据库中的数据可以共享 C.数据库避免了一切数
13、据的重复 D.数据库具有较高的数据独立性,答案：1、C 2、C,39,习题1.1 (续1) ：,与文件结构相比，数据库结构有什么不同？,(1)数据的结构化：文件由记录组成，但各个文件间缺乏联系。数据库中数据在磁盘中虽然以文件形式组织，但这些文件间有广泛的联系。 (2)数据独立性：文件只有设备独立性，而数据库还具有逻辑独立性和物理独立性。 (3)访问数据的单位：访问文件中的数据，以记录为单位，访问数据库中的数据，以字段为单位。,40,习题1.1(续2)：,数据库系统的特点？,采用复杂的数据模型表示数据结构。 面向企业或部门以数据为中心组织数据，形成综合性的数据库，为各应用共享。 数据冗余小，节省
14、存储空间，有利于保持数据的一致性 程序和数据有较高的独立性，数据易修改，易扩充。 具有良好的用户接口，用户可方便地开发和使用数据库。 提供了数据的安全性、完整性，以及并发控制。,41,1.2 数据描述,1.2.1 数据描述的三个领域 从事物的特性到计算机中的数据表示， 经历了三个领域：,42,1.2.1 数据描述的三个领域,(1)现实世界：存在于人们头脑之外的客观世界。 数据库技术中最原始的数据。 数据库设计者对这些原始数据进行综合，取出数据库所研究的数据。,43,1.2.1 数据描述的三个领域,(2)信息世界：是现实世界在人们头脑中的反映，人们把它用文字和符号记载下来。 信息世界中的基本概念
15、： (1)实体（Entity）：客观存在并可相互区别的事物称为实体。实体可以是具体的对象（一个学生、一辆汽车），也可以是抽象的事件（一次借书，一次比赛）。 (2)实体集（Entity Set）性质相同的同类实体的集合，称为实体集。所有男生、全国足球赛的所有比赛。,44,1.2.1 数据描述的三个领域,(3)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，每个属性有一个值域和类型（年龄为整数型）。 (4)实体标识符：唯一标识实体的属性或属性集，或简称为码（Key）。,45,1.2.1 数据描述的三个领域,(3)机器世界：信息世界的信息在机器世界以数据形式
16、存储。 机器世界术语： (1)字段：标记实体属性的命名单位。 (2)记录：字段的有序集合称为记录。 (3)文件：同一类记录的汇集称为文件。 (4)关键码：能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集。,46,1.2.1 数据描述的三个领域,47,1.2.2 物理存储介质及数据描述,存储器设备层次,48,数据库系统中物理存储介质层次,6个层次：高速缓存、主存、快闪存、磁盘、光盘和磁带。 高速缓存和主存：访问速度最快，价格最贵，掉电或系统崩溃时，数据立即丢失。 快闪存和磁盘（辅助存储器）：数据容量大，掉电或系统崩溃时，数据不会丢失。 光盘和磁带（脱机存储器）：访问速度最慢，价格最便宜，用作备份。,49,
17、1.2.2 物理存储介质及数据描述,(2)物理存储中的数据描述 位：bit 字节：8bit 字：若干字节组成字，不同计算机字长不同 块：内存和外存交换信息的最小单位，块的大小通常为28212字节。 桶：外存的逻辑单位，一个桶可以包含一个物理块或多个在空间上不连续的物理块。 卷：一台输入输出设备能装载的全部有用信息。例如：磁带机的一盘磁带就是一卷。,50,数据库技术的发展,DB的初级阶段 ：DB的出现及应用。计算机用于管理。先后出现层次和网状数据库（数据模型）。 关系数据库出现：不单是新的数据模型的出现，而且因为以一定的理论、数学为基础，标志着DB技术走向成熟。 下一步发展：面向对象的DB（不强
18、调程序与数据的独立性，把二者结合起来）、知识库,51,1.3 数据库管理系统 (DBMS),是指数据库系统中管理数据的软件系统。 用户使用的各种数据库的命令及应用程序的执行，都要通过DBMS。 （DBMS是用户和数据库的接口） 提供并完成三级模式和两级转换，把用户在外模式上对数据库的操作转化到存储数据库中去执行。,52,1.3 数据库管理系统 (DBMS),用户对数据库进行操作，是由DBMS把操作从应用程序带到外部级、概念级，在导向内部级，进而操作存储器中的数据。 DBMS总是基于某种数据模型，根据数据模型的不同，DBMS可以分成层次型、网状型、关系型、面向对象型。,53,1.3 数据库管理系
19、统 (DBMS),数据库管理系统的主要功能： 1. 数据库定义功能 DBMS一般提供数据定义语言(DDL)定义数据库的三级结构，包括外模式、模式和内模式及相互之间的映象；定义数据的完整性、安全控制等约束。 这些定义存于数据字典中，是DBMS存储和管理数据的依据。 DBMS根据这些定义，从物理记录导出全局逻辑记录，又从全局逻辑记录导出用户所检索的记录。 DDLData Definition Language,54,1.3数据库管理系统 (DBMS),2. 数据库的操纵功能 DBMS一般提供数据操纵语言(DML)实现对数据库数据的基本操作检索和更新（插入、修改和删除） DMLData Manipu
20、lation Language DML有两类： 过程性DML：嵌入在主语言中使用 非过程性DML：交互式命令语言，语法简单，可以独立使用,55,1.3 数据库管理系统 (DBMS),3. 数据库的保护功能 DBMS一般提供对数据的保护，包括数据库的恢复，并发控制、存取控制、完整性约束条件的检查和执行 所有的操作都要在这些控制程序的统一管理下进行，保证数据库的正确有效,56,1.3 数据库管理系统 (DBMS),4、数据库的存储功能 DBMS存储管理子系统的功能是把各种DML语句转换为低层的文件系统命令，起到数据的存储、检索和更新的作用。,57,1.3 数据库管理系统 (DBMS),5. 数据库
21、的维护功能 包括数据库的装载、数据库的转储、恢复、重组织、系统性能监视、分析等功能 由DBMS的实用程序来完成,58,1.3数据库管理系统 (DBMS),6. 数据字典(Data dictionary) 数据库系统中存放三级结构定义的数据库称为数据字典(DD) 对数据库的操作都要通过访问DD才能实现 访问DD中的数据是由DD系统实现的,59,1.3 数据库管理系统 (DBMS),程序工作区,返回状态,DB的系统缓冲区,数据库,DBMS,应用程序A 对应的外模式,模式,内模式,数据 字典,应用程序A,OS,运行日志,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,用户访问数据的过程,60,1.3 数据
22、库管理系统 (DBMS),应用程序A通过DBMS读取数据库中记录的过程: 程序A运行时,DBMS为程序开辟一个数据库的系统缓冲区,用于数据的传输和格式的转换; 三级结构的定义在DD中. 1. 用户在应用程序中安排一条读记录的DML语句,当计算机执行该语句时,启动DBMS,并把读记录的命令传给DBMS 2. DBMS接到命令后,加以分析,并从DD中调出程序A对应的外模式,检查该操作是否在合法的授权范围内,决定是否执行该命令,61,1.3数据库管理系统 (DBMS),3. 执行A命令后,DBMS调出相应的模式,并从外模式映象到模式,确定概念模式应读入哪些记录 4. DBMS调出相应的内模式描述,并
23、从模式映象到内模式,确定应读入哪些物理记录以及相应的地址信息 5. DBMS向操作系统(OS)发出从指定地址读取物理记录的命令 6. OS执行读命令,按指定地址从数据库把记录读入DB的系统缓冲区,并在操作结束后向DBMS作出回答 7. DBMS将读入DB的系统缓冲区中的数据转换成概念记录、外部记录,62,1.3 数据库管理系统 (DBMS),8. DBMS把导出的外部记录从系统缓冲区送到应用程序A的变量区中 9. DBMS向运行日志数据库写入读一条记录的信息,以备以后查阅使用数据库的使用情况 10. DBMS将读记录操作成功与否信息返回程序A 11. 应用程序A根据返回的状态信息决定是否使用程
24、序变量区中的数据,63,习题,1.数据库管理系统的保护功能中，不包括的是( )A.控制数据冗余 B.并发控制 C.完整性保护 D.故障恢复 2.数据库管理系统(DBMS)通常提供_、数据操纵、数据控制和数据库维护。,答案：1、A 2、数据库的定义,64,1.4 数据库系统,1.4.1 数据库系统（DBS）的组成 数据库系统： 采用了数据库技术的计算机系统,可以实现有组织地,动态地存储大量关联数据,方便多用户访问的计算机软件,硬件和数据资源组成的系统. 数据库系统是数据库、硬件、软件和用户的集合体。,65,1.4 数据库系统-数据库,它是数据库系统的工作对象,数据库由DBMS处理; 数据库包含:
25、 用户数据,元数据,索引和应用数据 用户数据: 大多数数据库把用户数据表示为关系,可以简单地把关系看作数据表; 元数据: 数据库是自描述的,它自身包含了它的结构的描述,这种关于结构的描述称为元数据; 索引: 用于改进数据库的性能和可访问性,可以用来排序,快速访问数据;,66,1.4 数据库系统-数据库,应用元数据: 用来存储用户表格,报表,查询和其他形式的应用组件,一般不直接访问应用元数据.,67,1.4 数据库系统-用户,存在一组使用数据库的用户，即指存储、维护和检索数据的各类请求，主要由四类用户 1. 最终用户(End User) 是指从计算机联机终端存取数据库的人员 2. 应用程序员(A
26、pplication Programmer) 是指负责设计和编制应用程序的人员 使用高级语言编写应用程序，以对数据库进行存取操作 3、专业用户：数据库设计中的上层人士（系统分析员）,68,1.4 数据库系统-用户,3. 数据库管理员(Date Base Administrator) DBA 主要职责： 监控DB的运行（是否正常运行及运行效率） 日常维护（后备/恢复，重组） 权限管理，确保DB的完整性与安全性。 文档管理。 参与DB的设计 （概念模式定义和内模式定义）。,69,1.4 数据库系统-软件,主要是指负责数据库存取、维护和管理的软件系统，通常叫做数据库管理系统（Data Base Management System）（DBMS） 数据库系统的核心软件； DBMS是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件； 数据库系统的各类用户对DB的各种操作请求，都是由DBMS完成的,包括DB的建立、查询、更新及各种数据控制。,70,1.4 数据库系统-硬件,是指存储数据库和运行数据库管理系统(操作系统)的硬件资源 足够大的内存 足够大的外存 足够大的通道能力,71,1.4 数据库系统层次结构图,72,习题一：,1. 试述数据库、数据库管理系统、数据库系统三个概念的含义及联系。,
