高分数据库 第一章概论

本系列是上课同步记录笔记，最后有期末复习大礼包
使用教材：[王珊等. 数据库系统概论（第5版），高等教育出版社, 2014 ]
其他在线学习资源
1、 MOOC：http://www.icourse163.org/spoc/course/GYD069-1450298514
2、教学大纲：http://chinadb.ruc.edu.cn/
3、[ Database System Concepts (The 6th Edition). Silberschatz等.High Education Press,2014 ]

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这一章的概念最多 wdm

第一讲 概述

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重点：

掌握数据库的4个基本概念
1.1.2 了解数据管理技术的产生和发展概况
1.1.3 了解数据库系统的特点

1.1数据库的4个基本概念

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1、数据 （Data）
数据（Data）是数据库中存储的基本对象

• 定义：描述事务的符号
• 计算机可以处理的数据：数值型数据，如整数、素数、浮点数等
• 数据的语义：即为数据的含义，数据与语义是不可分的
• 数据有结构的：记录是计算机存储数据的一种格式或一种方法 ，

2、数据库 DB（DB）

• 定义：数据库是长期存储在计算机内，有组织的，可共享的大量数据的集合
• 数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和储存，具有较小冗余度，、较小的数据独立性和易扩展性，可为各种用户共享
• 特点：永久储存、有组织、可共享
  ①数据按一定的数据模型组织、描述和储存
  ②可为各种用户共享、冗余度较小、易扩展
  ③数据独立性较高

3、数据库管理系统（DBMS）

• 定义：
  ①位于用户应用与操作系统之间的一层数据管理软件
  ②是基础软件，是一个大型复杂的软件系统
• 用途：科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据
• 主要功能：
  ① 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
  ②数据组织和管理：
  分类组织、存储和管理各种数据;
  确定数据在存储级别上的结构和存取方式;
  实现数据之间的关系，提供多种存取方法提高存取效率
  ③ 数据操纵：
  提供数据操纵语言（DML）；
  实现对数据库的基本操作 ：增删改查
  ④ 数据库的事务管理和运行管理 ：
  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。
  由数据库管理系统统一管理和控制，保证事务正确运行
  ⑤ 数据库的建立和维护功能 ：
  提供实用程序/工具，完成数据库数据批量装载，数据库转储，介质故障恢复，数据库的重组织和性能监视等
  ⑥ 其他功能 :
  数据库管理系统与网络中其它软件系统的通信 ;
  数据库管理系统系统之间的数据转换 ;
  异构数据库之间的互访和互操作

4、数据库系统

• 定义：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 ：数据库 、数据库管理系统（及其应用开发工具） 、应用程序 、数据库管理员

1.2 数据管理技术的产生和发展

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1、数据管理

• 对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护
• 数据处理和数据分析的中心问题

2、数据管理技术的发展过程

1.3数据库系统的特点

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1、数据结构化

• 数据的整体结构化是数据库的主要特征之一
• 数据用数据模型描述，无需应用程序定义

2、数据的共享性高，冗余度低且易扩充

• 数据面向整个系统，可以被多个用户、多个应用共享使用
• 数据共享的好处
  ① 减少数据冗余，节约存储空间
  ② 避免数据之间的不相容性与不一致性
  ③ 使系统易于扩充

3、数据独立性高

• 物理独立性：指用户的应用程序与数据库中数据的物理存储是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变
• 逻辑独立性：指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，应用程序不用改变
  数据独立性由数据库管理系统的二级映像功能来保证。

4、数据由数据库管理系统统一管理和控制

• 数据库管理系统提供的数据控制功能 ：数据的安全性保护 、数据的完整性检查、并发控制、数据库恢复

1.4 课堂练习易错题总结

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1、（数据库）是储存在计算机内有结构的数据的集合
2、 数据库系统和文件系统的本质区别是（数据整体结构化）
3、 要保证数据库的数据的独立性要修改的是（三级模式的两级映像）
4、 在数据库领域的各种逻辑数据模型中，一个节点可以有多个双亲，节点之间可以有多种联系，该数据模型指的是（网状模型）

第二讲 数据模型

重点：

概念模型的基本概念
数据模型的3个组成要素
关系数据模型的相关概念

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1、定义： 数据模型是对现实世界数据特征的抽象。 （即：数据模型就是现实世界的模拟）
数据模型是一种能够表达数据结构、数据操作、完整性约束的模型
2、条件：

• 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

3、数据模型是数据库系统的核心和基础

2.1 两类数据模型

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1、分类

• 概念模型（信息模型）
  它是按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计。

• 逻辑模型和物理模型
  ① 逻辑模型：逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面向对象数据模型、对 象关系数据模型、半结构化数据模型等。
  按计算机系统的观点对数据建模，用于DBMS实现
  ②物理模型： 物理模型是对数据最底层的抽象
  描述数据在系统内（磁盘上）的表示方式和存取方法

数据库设计人员完成

数据库人员借助数据库设计工具协助完成

由DBMS完成

现实世界

概念模型

逻辑模型

物理模型

2.2 概念模型

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1、定义及用途

• 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

2、基本要求

• 较强的语义表达能力
• 简单、清晰、易于用户理解

3、基本概念（为实体联系法铺垫）

• 实体：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。
• 属性：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。
• 码：唯一标识实体的属性集称为码。
• 实体型：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
• 实体集：同一类型实体的集合称为实体集
• 联系：
  实体内部的联系: 是指组成实体的各属性之间的联系
  实体之间的联系: 通常是指不同实体集之间的联系
  实体之间的联系有一对一（1:1）、一对多（1:n）和多对多（m:n）等多种类型

4、实体-联系法：概念模型的一种表示方法

• 用E-R图来描述现实世界的概念模型
• E-R方法也称为E-R模型

2.3 数据模型的组成要素

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1. == 数据模型是严格定义的一组概念的集合==,精确地描述了系统的静态特性、动态特性和完整性约束条件
2. 数据模型的组成要素

• 数据结构——描述系统的静态特性
  数据结构的类型来命名数据模型
  描述数据库的组成对象——对象的类型、内容、性质
  描述对象之间的联系 -——记录
• 数据操作——描述系统的动态特性
  ① 数据操作：对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合 包括操作及有关的操作规则
  ② 数据操作的类型 ： 查询 、更新（包括插入、删除、修改）
  ③ 数据操作语言 ：定义数据操作的确切含义、符号、优先级别 ，实现数据操作的语言 ——查询语言、更新语言
• 完整性约束
  ① 完整性规则：给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则。
  ② 用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效和相容。
  数据模型对完整性约束条件的定义
  反映和规定必须遵守的基本的通用的完整性约束条件。 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。

2.4 常用的数据模型

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• 格式化模型：
  层次模型、网状模型
  tips：格式化模型中数据结构的单位：基本层次联系
• 关系模型
• 对象模型
  面向对象数据模型、对象关系数据模型
• 半结构化数据模型 —如XML
• 非结构化数据模型、图模型 ………

2.5 层次模型

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1、 层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系
2、表示方法
实体型：
用记录类型描述
每个结点表示一个记录类型（实体）
属性：
用字段描述
每个记录类型可包含若干个字段
联系：
用结点之间的连线表示记录类型（实体）之间的一对多的父子联系
3、 层次模型的定义条件

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

4、特点：

• 结点的双亲是唯一的
• 只能直接处理一对多的实体联系
• 任何记录值只有按其路径查看
• 没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在

5、层次模型的数据操纵 ：增删改查
6、层次模型的完整性约束条件：

• 无相应的双亲结点值就不能插入子女结点值
• 如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除
• 更新操作时，应更新所有相应记录，以保证数据的一致性

7、层次模型的优点

• 层次模型的数据结构比较简单清晰
• 查询效率高，性能优于关系模型，不低于网状模型
• 层次数据模型提供了良好的完整性支持

8、缺点

• 结点之间的多对多联系表示不自然
• 对插入和删除操作的限制多，应用程序的编写比较复杂
• 查询子女结点必须通过双亲结点
• 层次数据库的命令（语言）趋于程序化

2.6 网状模型

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1、 网状数据库系统采用网状结构来表示各类实体以及实体间的联系
2、表示方法（同上）
3、网状模型的条件

• 允许一个以上的结点无双亲；
• 一个结点可以有多于一个的双亲。

4、特点

• 允许多个结点没有双亲结点
• 允许一个结点有多个双亲结点
• 允许两个结点之间有多种联系
• 要为每个联系命名并指出与该联系有关的双亲记录和子女记录

5、==多对多联系在网状模型中的表示：==将多对多联系分解成一对多联系
6、数据操纵：
导航式的查询语言和增删改操作语言
7、完整性约束条件
完整性约束条件不严格

• 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

实际的网状数据库系统提供了一定的完整性约束

• 支持码：唯一标识记录的数据项的集合，取唯一的值
• 保证一个联系中双亲记录与子女记录之间是一对多联系
• 可以定义双亲记录和子女记录之间某些约束条件。

8、网状模型的优点

• 能够更为直接地描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲
• 具有良好的性能，存取效率较高

9、缺点

• 结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握；
• DDL、DML语言复杂，用户不容易使用；
• 记录之间联系是通过存取路径实现的，应用程序必须选择存取路径，加重了程序员的负担。

2.7 关系模型

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1、数据的逻辑结构是一张二维表
2、 关系模型的数据结构
（1）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
• 主码（Key）——也称码键。
  表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组
• 域（Domain）——是一组具有相同数据类型的值的集合。
  属性的取值范围来自某个域。
  例：学生年龄属性的域（15～45岁）， 性别的域是（男，女），
  系名的域是一个学校所有系名的集合
• 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，系名，年级）
  （2）补充说明
• 关系必须是规范化的
  最基本的规范条件：关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项，不允 许表中还有表

3、关系模型的操纵
增删改查
attention:

• 数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系
• 存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“找什么”，不必详 细说明“怎么找”。

作用：提高了数据的独立性，提高了用户生产率。

4、完整性约束
实体完整性、参照完整性、用户定义完整性
（实体完整性和参照完整性是关系的两个不变性）
5、优点

• 建立在严格的数学概念的基础上
• 概念单一
  实体和各类联系都用关系来表示
  对数据的检索结果也是关系
• 关系模型的存取路径对用户透明
  具有更高的数据独立性，更好的安全保密性
  简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作

6、缺点

• 存取路径对用户透明，查询效率往往不如格式化数据模型 （这里的透明是指“不清楚、不明白”）
• 为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化，增加了开发数据库管理系统 的难度

第三讲 数据库系统的结构

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3.1 模式与实例

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三级模式结构是数据库系统的内部结构
1、模式 （Schema）

• 对数据库逻辑结构和特征的描述
• 对型的描述，不涉及具体值
• 模式相对稳定

2、实例（Instance）

• 数据库某一时刻的状态——模式的一个具体值
• 统一模式可以有多个实例
• 实例随着数据库更新而变动

3.2 数据库系统的三级模式结构

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1、模式（也称逻辑模式）

• 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
  一般，某个应用的数据库有一个模式
  模式是数据库系统模式结构的中心，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
• 定义模式
  ① DDL定义数据的逻辑结构，以某种数据模型为基础
  ② 数据记录由哪些数据项构成，数据项的名字、类型、取值范围等
  ③ 定义数据之间的联系
  ④ 定义与数据有关的安全性、完整性要求

2、外模式

1. 外模式（也称子模式或用户模式） ：数据库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
2. 外模式与模式的关系 ：

• 外模式通常是模式的子集、一个模式可以有多个外模式反映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
• 对模式中某一数据，在不同的外模式中 结构、类型、长度、保密级别等都可以不同

3. 外模式和应用的关系
   一个外模式可以为多个应用系统所使用，一个应用程序只能使用一个外模式

4. 外模式的用途

• 每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据，简化用户视图
• 保证数据库安全性的一个有力措施

3、内模式

• 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
  ① 记录的存储方式 （例如，顺序存储，堆存储，Cluste按hash方法存储等）
  ② 索引的组织方式（B+树，Bitmap，Hash）
  ③ 数据是否压缩存储
  ④ 数据是否加密
  ⑥数据存储记录结构的规定—如定长/变长，记录是否可以跨页存放等
• 一个数据库只有一个内模式

3.3 数据库的二级映像与数据独立性

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1、三级模式是对数据的三个抽象级别
2、数据库管理系统内部提供二级映像

1. 外模式/模式映像

• 每一个外模式有一个外模式/模式映像
  定义外模式与模式之间的对应关系
  映像定义通常包含在各外模式的描述中
• 保证数据独立性
  ① 当模式改变时，数据库管理员对外模式／模式，映像作相应改变，使外模式保持不变
  ② 应用程序是依据数据的外模式编写的，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

2. 模式/内模式映像
   定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。如说明某个逻辑记录对应何种存储结构

• 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。
• 保证数据的物理独立性
  ① 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。
  ② 模式不变，则应用程序不变。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的 物理独立性。

3. 三个抽象层次的联系和转换

3、好处：
数据库的二级映像功能保障了数据独立性（物理独立性和逻辑独立性）带来的好处是：

• 保证了应用程序的稳定性
• 从程序为中心——发展为 以数据为中心
• 数据的存取由数据库管理系统管理