数据库系统原理

第一讲：初识数据库系统

引言

• 数据库系统的发展经历了三代演变
  层次/网状数据库系统、关系数据库系统、新一代数据库系统
• 造就了四位图灵奖得主
  C.W.Bachman、E.F.Codd、James Gray、M.R.Stonebraker
• 发展了一门计算机基础学科
  数据建模和DBMS核心技术为主，内容丰富领域宽广
• 带动了一个巨大软件产业
  DBMS及其相关工具产品、应用套件、解决方案
  数据库技术和系统已经成为信息系统的核心技术和重要基础设施。

第一章：绪论

1.1 数据库系统概述

1.1.1 数据库的四个基本概念

1. 数据（Data）：描述事物的符号记录。
   数据的种类：数字、文字、图形、视频、档案记录等
   计算机中常常用记录来描述数据，比如学生档案中的学生记录：
   （李明，男，199505，江苏南京市，计算机系，2013）
   数据是有结构的：记录是计算机存储数据的一种格式或方法。
2. 数据库（Database，DB）：长期存储在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。
   为什么要建立数据库？
   收集并抽取出一个应用所需要的大量数据，将其保存，以供进一步加工处理，抽取有用信息，转换为有价值的知识。
   数据库的基本特征：

• 数据按一定的数据模型组织、描述和储存
• 可谓各种用户共享、冗余度较小、易扩展
• 数据独立性较高

3. 数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）
   位于用户应用与操作系统之间的一层数据管理软件
   是基础软件，是一个大型复杂的软件系统
   （1）数据库管理系统的用途
   科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据
   （2）数据库管理系统的主要功能
   数据定义功能
   数据组织、存储和管理
   数据操纵功能（提供数据操纵语言DML）
   数据库的事务管理和运行管理（保证多用户对数据的并发使用）
   数据库的建立和维护功能
   其他功能
4. 数据库系统（DataBase System，DBS）：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（DataBase Administrator，DBA）
   所以说，数据库系统包括数据库和数据库管理系统。

1.1.2 数据管理技术的产生和发展

• 什么是数据管理？
  对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护
• 数据管理技术的发展过程
  人工管理阶段（科学计算）
  文件系统阶段（科学计算、管理）
  数据库系统阶段（大规模数据管理）

1.1.3 数据库系统的特点

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. 数据由数据库管理系统统一管理和控制

• 数据库的定义：
• 数据库是长期存储在计算机内有组织的共享的大量的数据集合。
• 可以供各种用户共享，具有最小冗余度和较高的数据独立性。
• 数据库管理系统在数据库建立、运用和维护时对数据库进行统一控制，以保证数据的完整性、安全性，并在多用户同时使用数据库时进行并发控制，在发生故障后对数据库进行恢复。

1.2 数据模型

数据模型是对现实世界数据特征的抽象。

1.2.1 两大类数据模型

数据模型分为两类（两个不同的层次）
（1） 概念模型，也称信息模型
它是按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计。
（2） 逻辑模型和物理模型
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
物理模型：是对数据最底层的抽象
描述数据在系统内的表示方式和存取方法。

1.2.2 概念模型

信息世界中的基本概念：
（1）实体（Entity）
图中的学生
（2）属性（Attribute）
学号、姓名等
（3）码（Key）
属性的集合
（4）实体型（Entity Type）
实体名及其属性名集合
（5）实体集（Entity Set）
实体的集合

（6）联系（Relationship）
现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体（型）内部的联系和实体（型）之间的联系。
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）【n叉树】和多对多（m:n）【学生选课】等多种类型
概念模型的一种表示方法：
实体-联系方法

1.2.3 数据模型的组成要素

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
(Integrity Constraints)。
数据模型由三部分组成

1. 数据结构–描述系统的静态特性
   描述数据库的组成对象–对象的类型、内容、性质
   
2. 数据操作–描述系统的动态特性
   对数据库中各种对象的实例允许执行的操作（如查询、插入、删除、修改）的集合。
3. 完整性约束
   一组完整性规则的集合。
   数据模型对完整性约束条件的定义，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，如公司规定60岁退休。

1.2.4 常用的数据模型

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（Semi-struture Data Model）—如XML
非结构化数据模型、图模型

1.2.5 层次模型

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

1.2.6 网状模型

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

1.2.7 关系模型

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。

1.3 数据库系统的结构

从数据库应用开发人员角度看：数据库系统采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构。

1.3.1 数据库系统模式的概念

模式（Schema）：是对数据库逻辑结构和特征的描述，是型的描述，不涉及具体值，模式是相对稳定的。

实例（Instance）：数据库某一时刻的状态——模式的一个具体值，同一个模式可以有很多实例，实例随数据库中的数据的更新而变动。（每一年学生选课数据库都不一样，所以说实例随数据库中的数据的更新而变动。）

1.3.2 数据库系统的三级模式结构

模式（也称逻辑模式）：
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

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。

• 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，反映了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。
• 外模式与应用的关系
  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。
• 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。

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。
• 一个数据库只有一个内模式。

1.3.3 数据库的二级影响功能与数据独立性

数据库管理系统内部提供二级映像

• 外模式／模式映像
• 模式／内模式映像

外模式／模式映像：保证数据的逻辑独立性，定义外模式与模式之间的对应关系

• 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
• 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。

模式／内模式映象：保证数据的物理独立性。
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。
保证数据的物理独立性

• 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。
• 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。

1.4 数据库系统的组成

1. 硬件平台及数据库

数据库系统对硬件资源的要求：

• 足够大的内存。
• 足够的大的磁盘或磁盘阵列等外部设备。
• 较高的通道能力，提高数据传送率。

2. 软件

• 数据库管理系统
• 支持数据库管理系统运行的操作系统
• 与数据库接口的高级语言及其编译系统
• 以数据库管理系统为核心的应用开发工具
• 为特定应用环境开发的数据库应用系统

3. 人员