1、数据库技术与应用,林泽斐 HoyouLinG,第一章 数据库基础理论,1.1 数据库的地位与作用 1.2 数据管理技术的发展历程 1.3 数据库相关概念 1.4 数据库的体系结构 1.5 概念模型与数据模型 1.6 关系数据库基础 1.7 主流关系数据库管理系统 1.8 本章小结,1.1 数据库的地位与作用,数据库在计算机系统中的地位,操作系统,中间件、应用服务器数据库管理系统,办公软件、ERP 财务系统,1.1 数据库的地位与作用,数据库在信息产业中的地位 数据库是运行于操作系统之上的软件基础架构平台。它的出现极大的加速了应用软件的开发效率和运行的稳定性，促进了计算机在各行业的应用。 数据库
2、技术是信息系统的核心与基础，是信息化建设的基础设施。 数据库的建设规模、数据资源的总量已经成为衡量一个国家信息化水平的重要标志。,1.2 数据管理技术的发展历程,数据管理技术的发展阶段 人工管理阶段（20世纪40年代-50年代中期） 文件系统阶段（20世纪50年末-60年代中期） 数据库系统阶段（20世纪60年代末至今） 数据管理技术的发展动力 应用需求的推动 计算机硬件的发展 计算机软件的发展,1.2 数据管理技术的发展历程,人工管理阶段 时期： 20世纪40年代-50年代中期 应用需求：科学计算 硬件水平：采用卡片或纸带，无直接存取存储设备 软件水平：无操作系统、无专门存储数据的软件 特点
3、： 1）独立性差：数据与程序不具有独立性。 2）共享性差：一个程序中的数据无法被其他应用程序共享，存在数据冗余。 3）开发难度大：数据操作全部由应用程序完成。,1.2 数据管理技术的发展历程,人工管理阶段,1.2 数据管理技术的发展历程,人工管理阶段,1.2 数据管理技术的发展历程,文件系统阶段 时期： 20世纪50年末-60年代中期 应用需求：科学计算、管理 硬件水平：出现磁盘、磁带、磁鼓 软件水平：出现操作系统、文件系统 特点： 1）有一定的独立性，程序与数据分开存储。 2）共享性差，冗余度较大，造成空间浪费和数据不一致。 3）开发难度降低，出现较为通用的数据存取算法，可通过文件系统访问数
4、据。,1.2 数据管理技术的发展历程,文件系统阶段,1.2 数据管理技术的发展历程,文件系统阶段,应用程序,数据文件,应用程序,数据文件2,应用程序,数据文件n,存取 算法,.,.,1.2 数据管理技术的发展历程,数据库系统阶段 时期：20世纪60年代末至今 应用背景：大规模数据管理 硬件背景：出现大容量磁盘存储设备 软件背景：出现了数据库管理系统（DBMS） 特点： 1）高度的物理独立性和一定的逻辑独立性。 2）共享性高。节省空间，降低冗余度和不一致性。 3）开发难度降低，有统一的数据控制功能。 4）数据更加结构化，数据有弹性可扩充。,1.2 数据管理技术的发展历程,数据库系统阶段,1.2
5、数据管理技术的发展历程,数据库系统阶段,DBMS,应用程序1,应用程序2,数据库,应用程序n,.,1.2 数据管理技术的发展历程,数据库技术发展历程 经历了三代演变 层次/网状模型、关系模型、新一代数据库 造就了三位图灵奖得主 C.W.Bachman、E.F.Codd、James Gray 发展了一门计算机基础学科 以数据模型和DBMS核心技术为主，领域宽广 形成了一门巨大的产业 DBMS及其相关工具产品、应用解决方案,1.2 数据管理技术的发展历程,数据库产业循环 数据库已经成为一个巨大的软件产业。 是理论成果转化为产品的成功典范。,1.3 数据库相关概念,六个重要概念 数据（Data） 数
6、据库（Database） 数据库管理系统（DBMS） 数据库应用系统（DBAS） 数据库管理员（DBA） 数据库系统（DBS）,1.3 数据库相关概念,数据（Data） 狭义范畴 整数、实数、浮点数 广义范畴 字符串、日期、图形、图像、音频 数据的定义 数据就是描述事物的符号记录。 数据的特点 数据是数据库中存储的基本对象。 数据与其语义是不可分的。,1.3 数据库相关概念,数据与语义的相关性 学生档案中的学生记录 （李明，男，1986，江苏，信管，2009） 数据的解释 语义： （学生姓名、性别、出生年份、籍贯、专业、入学年份） 解释 李明是出生于1986年、籍贯江苏的男学生，于2009年在
7、信管专业就读。 请给出另一个语义和解释,1.3 数据库相关概念,数据库（Database） 数据库存储在计算机存储设备上的有组织可共享的相关数据集合。 数据库中的数据具有较小的冗余和较高的数据独立性，面向多种应用，可以被多个用户、多个应用程序共享。 数据库管理系统（DBMS） 专门用于数据库的建立、使用和维护的软件称为数据库管理系统（Database Management System）。,1.3 数据库相关概念,DBMS的主要功能 数据定义功能 提供数据定义语言（DDL） 创建和定义数据中的数据对象（表、索引等） 数据操纵功能 提供数据操纵语言（DML） 操纵数据实现对数据的基本操作（查、增
8、、删、改等） 数据库运行管理 保证数据的安全性、完整性 多用户并发控制 数据库的建立与维护 数据库的初始化 数据库运行性能分析 发生故障后的系统恢复,1.3 数据库相关概念,数据库应用系统（DBAS） DBAS是开发人员利用数据库为基础架构平台开发出来的、面向某一类实际应用的应用软件系统。 数据库管理员（DBA） DBA是负责全面实施数据库控制和维护的工作人员。,1.3 数据库相关概念,DBA的主要职责 参与数据库的规划、设计与建立。 负责数据库系统的安装和升级。 规划和实施数据库的备份与恢复。 控制与监控用户对数据库的存取访问，保障数据库的安全性和稳定性。 监控数据库的运行，进行性能分析、实
9、施优化。 对数据库开发与应用提供技术支持。,1.3 数据库相关概念,数据库系统（DBS） 数据库系统是指引进数据库之后的计算机系统。 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 硬件及操作系统 数据库 数据库管理系统 数据库应用系统 数据库管理员 用户,DBA,User,1.4 数据库的体系结构,数据库的三级模式结构 美国国家标准协会（ANSI）在其提出的数据库标准化建议中，将数据库结构分为3级：面向用户或应用程序员的用户级（外模式）、面向建立和维护数据库人员的概念级（模式）、面向系统程序员的物理级（内模式）。,1.4 数据库的体系结构,1.4 数据库的体系结构,模式
10、 模式又称概念模式或逻辑模式，对应于概念级。 模式是对数据库中全部数据的逻辑结构和特征的总体描述，是数据库体系结构的中心与关键。一个数据库只有一个模式。定义模式时不仅要定义数据的逻辑结构，而且要定义数据之间的联系，定义与数据有关的安全性、完整性要求。 模式是由数据库管理系统提供的数据模式描述语言(Data Description Language，DDL)来描述、定义的，体现、反映了数据库系统的整体观。,1.4 数据库的体系结构,外模式 外模式又称子模式，对应于用户级。 外模式是从模式导出的一个子集，包含模式中允许特定用户使用的那部分数据。由于数据库用户的身份权限等的不同，所以每一个用户的外模
11、式可能不一样。因此数据库系统也允许多个外模式同时存在。它是数据库用户能看到的局部的数据描述。 用户可以利用数据操纵语言(Data Manipulation Language，DML)对这些数据记录进行操纵。外模式反映了数据库的用户观。,1.4 数据库的体系结构,内模式 内模式又称存储模式，对应于物理级。 内模式是数据库中全体数据的底层描述。一个数据库只有一个内模式。它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。例如，记录的存储方式是顺序结构存储还是B树结构存储；索引按什么方式组织；数据是否压缩，是否加密；数据的存储记录结构有何规定等。 内模式由内模式描述语言来描述、定义，它是
12、数据库的存储观。,1.4 数据库的体系结构,三级模式间的映射 1）外模式模式映像 它定义了该外模式与模式之间的对应关系。当模式改变时，由数据库管理员对各个外模式模式映像作相应的改变，可以使外模式保持不变。应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序可以不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性。 2）模式内模式映像 它定义了数据库的模式与内模式之间的对应关系。当数据库的存储结构改变时，由数据库管理员对模式/内模式映像做相应改变，可以使模式保持不变，从而应用程序也不必修改，保证了数据与程序的物理独立性。,1.5 概念模型与数据模型,模型 对现实世界的抽象。 数据模型的定义 数据模型（Data Mo
13、del）是数据在数据库中的组织结构及其联系，它是在数据库领域中对现实世界客观事物的模拟和抽象。,1.5 概念模型与数据模型,数据建模的抽象过程,数据模型描述,概念模型描述,1.5 概念模型与数据模型,概念模型的定义 概念模型（Concept Model）用于信息世界的建模，是对现实世界中的客观事物的第一层抽象描述。 概念模型是现实世界与数据模型之间的桥梁。,1.5 概念模型与数据模型,概念模型涉及的基本术语 实体：客观存在并可以相互区别的事物。 例：学生、课程 属性：实体所具有的特性。 例：学号、姓名、性别、年龄、籍贯 码（键）：能够唯一标识实体的属性或属性集合。 域：属性的取值范围。 实体型
14、：用于描述同类实体的实体名和属性名集合。 例：学生（学号、姓名、性别、年龄、专业） 实体集：同型实体的集合。 联系：实体之间的相互关系。,1.5 概念模型与数据模型,概念模型的表示方法(E-R模型) E-R模型（Entity-Relationship Model）又称实体-关系模型，是用于表示概念模型的常用方法。它于1976年由Peter Chen首先提出。 E-R模型将现实世界的客观事物转化为实体、属性、联系等几个基本概念，并且用一种较为简单的图进行表示。这种图称为E-R图。,1.5 概念模型与数据模型,E-R模型的基本符号 实体：使用矩形框进行表示，框内注明实体名。 例：属性：使用椭圆表示
15、，并使用无向边将其与相应的实体联系起来。 例：联系：使用菱形表示，并使用无向边将其与有关的实体联系起来，并在无向边上注明联系类型。 例：,学生,学号,选修,1.5 概念模型与数据模型,学生,学号,姓名,性别,专业,1.5 概念模型与数据模型,班级,所属系,班长,课程,课程号,课程名,学分,1.5 概念模型与数据模型,实体间的联系类型 一对一的联系（1:1） 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。 例：班级 - 班长,班级,班长,班级-班长,1,1,1.5 概念模型与数据模型,实体间的联系类型 一对多的联系（
16、1: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（n 0）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。 例：班级 - 学生,班级,学生,组成,1,n,1.5 概念模型与数据模型,实体间的联系类型 多对多的联系（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（n 0）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（m 0）与之联系，则称实体集A与实体集B具有多对多联系，记为m：n。 例：课程 - 学生,课程,学生,选修,m,n,1.5 概念模型与数据模型,E-R
17、模型实例分析,学生,课程,选修,成绩,讲授,教师,组成,班级,学生数,m,n,n,1,n,1,n,领导,1,学分,姓名,1.5 概念模型与数据模型,E-R模型实例分析,思考：如加入教材及学院实体该如何扩展,1.5 概念模型与数据模型,从概念模型到数据模型 在数据库管理系统中，实体及实体间的联系使用数据模型进行描述。 数据库中的数据是有一定组织结构的，这种结构由数据库管理系统所支持的数据模型表现出来。任何数据库管理系统都支持一种抽象的数据模型。 在DBMS领域常见的三种数据模型 层次模型 网状模型 关系模型,1.5 概念模型与数据模型,层次模型（Hierarchical Data Model）
18、使用树形数据结构表示实体之间的联系的模型。 有且只有一个节点无父节点，称为根节点。其他节点有且只有一个父节点。任意一个节点到树根只有唯一的一条通路。 适合表现实体之间的一对多联系。,1.5 概念模型与数据模型,网状模型(Network Data Model) 使用网状数据结构表示实体及其之间联系的模型。 允许一个以上的节点无父节点。一个节点可以有多个父节点。任意节点间至少有一条以上通路。 层次模型实际是网状模型的一种特殊形式。 适合表现实体之间的多对多联系。,1.5 概念模型与数据模型,关系模型(Relational Data Model) 用二维表表示数据与数据之间的关系。 关系模型有很强的
19、数据表达能力和坚实的数学理论基础，且数据操作方便，最易被用户接受，以关系模型建立的关系数据库管理系统（RDBMS）是目前的主流DBMS类型。,1.5 概念模型与数据模型,关系模型中的基本概念 关系 数据库中的二维表。 e.g. 学生.dbf 关系模式 二维表的结构。 e.g. 学生 ( 学号,姓名,性别,身份证号,所属院系,专业 ) 元组（记录） 二维表中的一行。 属性（字段） 二维表中的一列。,1.5 概念模型与数据模型,关系模型中的基本概念 域（有效性规则） 属性的取值范围。 e.g. 性别=“男“.OR.性别=“女“ 关键字（码,键） 能够唯一的标识一个元组的属性或属性集合。 关键字又可
20、分为主关键字和候选关键字。 e.g. 学号,身份证号 外部关键字（外键） 本表的一个字段并非本表的关键字，但是是另一个表的关键字。 e.g. 专业,1.5 概念模型与数据模型,关系的基本特点 1）关系必须规范化，关系中的每个属性（列）必须是不可分割的数据单元（不应出现复合表）。 2）同一关系中不应出现重复属性，即在同一个表格中不能出现相同列（字段）。 3）关系中不应出现重复的元组，即在同一个表格中不能出现相同的行（记录）。 4）元组（记录）和属性名（字段）与次序无关，即交换两行或两列的位置不影响数据的实际含义。,1.5 概念模型与数据模型,关系模型的数学基础 关系模型的命名来源于其建立在关系代
21、数的基础之上。对关系数据库进行查询的过程就是对数据集合进行关系运算的过程。 关系的基本运算有两类 1）传统的集合运算； 2）用于数据库操作的专门的关系运算。,1.5 概念模型与数据模型,传统的集合运算 进行传统集合运算的两个关系必须是具有相同的关系模式，即结构相同。传统集合运算分为三类： 1) 并 两个相同结构关系的并是由属于这两个关系的元组（记录）组成的集合。 2) 差 两个相同结构关系R和关系S的差，是由属于R而不属于S的元组组成的集合，从R中去掉S中已有的元组。 3) 交 两个相同结构关系R和关系S的交，是既属于R又属于S的元组组成的集合。,1.5 概念模型与数据模型,用于数据库操作的专
22、门的关系运算 在大部分关系数据库的操作过程中，基本的关系运算分为三类： 1）选择运算(Selection) 从关系（表）中找出满足指定条件的元组的操作。 2）投影运算(Projection) 从关系中指定若干个属性来组成新的关系称为投影。 3）连接运算(Join) 从两个关系中选取满足条件的元组和属性组成新的更宽的关系模式，称为连接。连接是关系的横向结合。,1.6 关系数据库设计基础,关系数据库设计的基本原则 1）遵从 “一事一地“的原则 一个表描述一个单一的实体，避免设计大而杂的表。 2）避免在不同表中出现重复字段 除了保证表中有反应与其他表联系的外部关键字字段外，应避免表之间出现重复字段。
23、 3）表中的数据必须是原始数据和基本数据元素 表中不应包含通过其他字段计算可得到的“二次数据“或多项数据的组合。 4）用外部关键字保证有关联的表之间的联系,1.6 关系数据库设计基础,数据库设计的基本步骤,概念模型设计,1.6 关系数据库设计基础,需求分析 信息需求 用户希望从数据库所获取的信息内容。 处理需求 用户需要对数据进行的处理功能和处理方式。 安全性和完整性需求 用户对数据的访问权限和数据的完整性约束要求。,1.6 关系数据库设计基础,定义所需的表（实体） 即从用户的需求信息中提取出实体与实体间的联系，并将其在关系数据库中用数据库表进行表示。 概念模型中的实体与部分联系对应于关系数据
24、库中的表（关系）。 注意“一事一地“原则。,m,n,学生,课程,选修,1.6 关系数据库设计基础,定义所需的字段（属性） 除外部关键字字段以外，应避免在多个表中出现重复字段。 字段的的信息存储粒度应尽可能小，应避免出现组合字段。 字段必须是原始数据，避免出现二次计算数据。 确定主关键字字段，避免主关键字字段出现重复值或空值。,1.6 关系数据库设计基础,定义表（实体）间的联系 在关系数据库中，表间的联系是通过一个表的外部关键字和另一个表的主关键字间的联系所反映的。 对于不同的实体联系类型应具体问题具体分析： 一对多联系 多对多联系 对于多对多的联系必须将其分解为两个一对多的联系。 一对一联系
25、较为少见，如果出现可考虑是否将两表合并。,1.6 关系数据库设计基础,设计求精 数据库设计的每一阶段后期均必须经过用户确认，如不能满足应用需求应及时进行修改。 注意检查以下方面： 是否遗漏信息?-补充遗漏属性或实体 字段内容是否存在大量空白?-将相关字段分解出去 多个表中是否包含同样字段?-将同型实体放入同一表中。 是否存在与实体无关的字段?-将相关字段分解出去 表中是否有冗余（重复）信息?-分解成一对多的两个表 主关键字是否存在重复或空值?-重新确定主关键字,1.7 主流关系数据库管理系统,主流关系数据库管理系统概览 当前应用较为广泛的关系数据库管理系统包括Oracle、IBM DB2、SQ
26、L Server、SyBase、MySQL、Access、Visual FoxPro等。,1.7 主流关系数据库管理系统,Oracle数据库 美国Oracle公司开发的一种大型关系型数据库管理系统，主要适用于大、中型应用系统，使用成本较为高昂。 Oracle可以支持多种不同的硬件和操作系统平台，从台式机到大型和超级计算机，为各种硬件结构提供高度的可伸缩性，支持对称多处理器、群集多处理器、大规模处理器等，并提供广泛的国际语言支持。 Oracle能自动从批处理或在线环境的系统故障中恢复运行。 Oracle具有很好的可移植性，通过它的通信功能，微型计算机上的程序可以同小型乃至大型计算机上的Oracl
27、e相互传递数据。,1.7 主流关系数据库管理系统,DB2数据库 DB2是IBM公司研制的一种关系型数据库系统，主要应用于大中型应用系统。 DB2具有较好的可伸缩性，可支持从大型机到单用户环境，应用于Unix、Windows等平台下。 DB2以拥有一个非常完备的查询优化器而著称，其外部连接改善了查询性能，并支持多任务并行查询。 DB2具有很好的网络支持能力，对大型分布式应用系统尤为适用。,1.7 主流关系数据库管理系统,SQL Server数据库 美国Microsoft公司推出的可扩展的、高性能的RDBMS，实现了与Windows Server的有机结合，提供了基于事务的企业级信息管理系统方案。
28、 SQL Server支持较为友好的图形化管理工具。 SQL Server可以同Visual Studio 团队协同工作，提供集成化的开发体验，并让开发人员在统一的环境中跨越客户端、中间层以及数据层进行开发。 SQL Server提供了数据仓库、分析报表、绩效考核以及规划预算等数据挖掘创新功能。,1.7 主流关系数据库管理系统,Sybase数据库 美国Sybase公司研制的一种关系型数据库系统，2010年被SAP公司收购。 是一种典型的UNIX或WindowsNT平台上客户机/服务器环境下的大型数据库系统。系统具有完备的触发器、存储过程、规则以及完整性定义，支持优化查询，具有较好的数据安全性。
29、 Sybase通常与该公司研制的PowerBuilder为开发工具结合使用，在我国大中型系统中具有广泛的应用。,1.7 主流关系数据库管理系统,MySQL数据库 MySQL是一个对非商业用户免费的中小型关系型数据库管理系统，开发者为瑞典MySQL AB公司。后被Sun和Oracle公司收购。 与其他的大型数据库相比，MySQL规模较小、功能有限，但对于中小型企业来说功能已经绰绰有余。 目前Internet上流行的网站构架方式是LAMP(Linux+Apache+MySQL+PHP) 。由于这四个软件都是遵循GPL的开放源码软件，因此可以大大降低总体拥有成本。,1.7 主流关系数据库管理系统,A
30、ccess数据库 美国Microsoft公司于1994年推出的桌面数据库管理系统。它具有界面友好、易学易用、开发简单、接口灵活等特点。常用于在一个工作组级别的网络环境中。 Access主要适用于小型应用系统，或作为客户机/服务器系统中的客户端数据库。 Access作为Office套件的一部分，可以与Office集成，实现无缝连接。 Access可以方便地生成各种数据对象，利用存储的数据建立窗体和报表，可视性好。,1.7 主流关系数据库管理系统,Visual FoxPro数据库 Visual FoxPro是微软公司在DOS平台FoxBase的基础上发展而来的32位中小型数据库管理系统。 Visu
31、al FoxPro为用户提供了专用的程序设计语言与数据库本身相结合。 Visual FoxPro 提供了一个功能强大的集成化开发环境，采用可视化和面向对象的程序设计方法，使数据管理和应用程序的开发更加简便。,1.8 本章小结,数据管理技术的发展阶段及其各自的特点。 数据、数据库、数据库管理系统、数据库应用系统、数据库管理员和数据库系统之间的联系与区别。 概念模型与数据模型的联系与区别。 概念模型涉及的基本术语。 实体、属性、码、域、实体型、实体集、联系 三种常见的数据模型：层次、网状、关系。 关系数据库基本概念。 关系、关系模式、元组、属性、域、关键字、外部关键字 三种基本关系运算：选择、投影、连接。 基于三级模式、两级映像的数据库体系结构。 数据库设计的基本步骤。,
