数据库系统概论基础篇——第1讲 绪论

1.1 数据库系统概述

1.1.1 四个概念

• 数据(data)
  描述事物的符号记录称为数据。数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的。
• 数据库(DataBase, DB)
  数据库是长期储存在计算机内、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，具有较小的冗余度(redundancy)、较高的数据独立性(data independency)和易扩展性(scalability)，并可为各种用户共享。
  概括地讲，数据库数据具有永久存储、有组织和可共享三个基本特点。
• 数据库管理系统(DataBase Management System, DBMS)
  数据库管理系统和操作系统一样是计算机的基础软件，也是一个大型复杂的软件系统。它的主要功能包括以下几个方面：

1. 数据定义功能
   数据库管理系统提供数据定义语言(Data Definition Language, DDL)，用户通过它可以方便地对数据库中的数据对象的组成与结构进行定义。

2. 数据组织、存储和管理

3. 数据操纵功能
   数据库管理系统还提供数据操纵语言(Data Manipulation Language, DML)，用户可以使用它操纵数据，实现对数据库的基本操作，如查询、插入、删除和修改等。

4. 数据库的事务管理和运行管理
   数据库在建立、运用和维护时由数据库管理系统统一管理和控制，以保证事务的正确运行，保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用及发生故障后的系统恢复。

5. 数据库的建立和维护功能

6. 其他功能

• 数据库系统
  数据库系统是由数据库、数据库管理系统（及其应用开发工具）、应用程序和数据库管理员(DataBase Administrator, DBA)组成的存储、管理、处理和维护数据的系统。

1.1.2 数据管理技术的产生和发展

在应用需求的推动下，在计算机硬件、软件发展的基础上，数据管理技术经历了人工管理、文件系统、数据库系统三个阶段。

与人工管理和文件系统相比，数据库系统的特点主要有以下几个方面。

1. 数据结构化
2. 数据的共享性高、冗余度低且易扩充
3. 数据独立性高
4. 数据有数据库管理系统统一管理和控制

1.2 数据模型

数据模型(data model)也是一种模型，它是对现实世界数据特征的抽象。

1.2.1 两类数据模型

根据模型应用的不同目的，可以将这些模型划分为两大类，它们分别属于不同的层次。第一类是概念模型，第二类是逻辑模型和物理模型。

• 概念模型(conceptual model)，也称信息模型，它是按用户观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计。
• 逻辑模型主要包括：
  • 层次模型(hierarchical model)
  • 网状模型(network model)
  • 关系模型(relational model)
  • 面向对象数据模型(object oriented data model)
  • 对象关系数据模型(object relational data model)
  • 半结构化数据模型(semistructured data model)
• 物理模型，是对数据最低层的抽象，它描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，或在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法，是面向计算机系统的。

1.3 数据库系统的结构

1.3.1 数据库系统的三级模式结构

数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成，如图所示。

1. 模式(schema)
也称逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。它是数据库系统模式结构的中间层，既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，又与具体的应用程序、所使用的应用开发工具及高级程序设计语言无关。
数据库管理系统提供模式数据定义语言(模式DDL)来严格地定义模式。
2. 外模式(external schema)
外模式也称子模式(subschema)或用户模式，它是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是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。
外模式是保证数据库安全性的一个有力措施。每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据，数据库中的其余数据是不可见的。
3. 内模式(internal schema)
内模式也称存储模式(storage schema)，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组织方式。

1.3.2 数据库的二级映像功能与数据独立性

为了能够在系统内部实现这三个抽象层次的联系和转换，数据库管理系统再这三级模式之间提供了两层映像：外模式/模式映像和模式/内模式映像。
1. 外模式/模式映像
当模式改变时（例如增加新的关系、新的属性、改变属性的数据类型等），由数据库管理员对各个外模式/模式映像作相应改变，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，从而应用程序不必修改，保证了数据域程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。
2. 模式/内模式映像
当数据库的存储结构改变时（例如选用了另一种存储结构），有数据库管理员对模式/内模式映像作相应改变，可以使模式保持不变，从而应用程序也不必改变。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。

在数据库的三级模式结构中，数据库模式即全局逻辑结构是数据库的中心与关键，它独立于数据库的其他层次。因此设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式。

数据库的内模式依赖于它的全局逻辑结构，但独立于数据库的用户视图，即外模式，也独立于具体的存储设备。它是将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储策略进行组织，已达到较好的时间与空间效率。

数据库的外模式面向具体的应用程序，它定义在逻辑模式之上，但独立于存储模式和存储设备。当应用需求发生较大变化，相应的外模式不能满足其视图要求时，该外模式就得做相应改动，所以设计外模式时应充分考虑到应用的扩充性。

数据与程序之间的独立性使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去。另外，由于数据的存取由数据库管理系统管理，从而简化了应用程序的编制，大大减少了应用程序的维护和修改。

1.4 数据库系统的组成

在本章一开始介绍了数据库系统一般由数据库、数据库管理系统

1. 硬件平台及数据库
2. 软件
3. 人员