数据库系统原理第一章

第一章 数据库系统概述

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第一节 数据库基本概念

一、数据库基本概念

（1）、数据（Data）：描述事物的符号记录，是指用物理符号记录下来的，可鉴别的信息。
（2）、数据库（DB）：长期存储在计算机中的有组织的，可共享的数据集合，其中的数据按一定的数据模型组织、描述和共享，具有较小的冗余度、较高的数据独立性，易于扩展并可被用户共享。（被称为存储数据的仓库）

1、数据库中存储的数据具有三个特点：永久存储、有组织、可共享。

（3）、数据库管理系统（DBMS）：专门用于建立和管理数据库的一套系统软件，介于应用程序和操作系统之间。（选择题、填空题）

数据库管理系统的功能包括：
（1）、数据定义功能

通过数据库管理系统提供的数据定义语言（DDL），定义数据库中的数据对象，包括表、默认约束、视图、存储过程、触发器。

（2）、数据操纵功能

通过数据操作语言（DML）操纵数据库中的数据，实现查询、插入、删除、修改等基本操作。

（3）、数据库的运行管理功能

为保证数据的安全性、可靠性，提供了统一的控制和管理机制，使数据间不会互相干扰并发使用，且在发生故障时能对数据库进行恢复。

（4）、数据库的建立和维护功能

创建数据库及对数据库空间的维护、数据库的备份与恢复功能、数据库的重组织功能和性能监视、分析

（5）、数据组织、存储和管理功能

数据库管理系统需要对数据进行分类存储和管理，例如：索引查找、顺序查找

（6）、其他功能：

与其他软件的网络通信功能、不同数据库管理系统之间的数据传输。

（4）、数据库系统（DBS）：指计算机中引入数据库技术之后的系统。一般完整的数据库系统：数据库、数据库管理系统及相关实用工具、应用程序、数据库管理员和用户。

第二节 数据管理技术的发展

一、数据库设计的目标

（1）、人工管理阶段，此阶段数据管理的特点如下：

1、数据不保存
2、应用程序管理数据

逻辑结构、物理结构、存取方法等设计工作都由编写人员来完成。

3、数据面向应用

一组数据只能对应一个程序。程序与程序之间存在大量的冗余数据，数据的独立性差。

（2）、文件系统阶段，将数据的逻辑结构和物理结构分离，由存放方法实现逻辑结构与物理结构之间的映射。

数据可长期保存和专门管理的特点
提供了物理数据独立性
可实现文件级的数据共享。

（3）、数据库系统阶段，有如下特点

1、数据集成

数据的集成是数据库管理系统的主要目的。

2、数据共享性高
3、数据冗余小
4、数据一致性（引起数据不一致的根源是数据冗余）
5、数据独立性高
6、实施统一管理与控制

1）、数据的安全性是指保护数据，以防止不合法的使用而造成的数据泄密和破坏。

2）、数据的完整性是对数据的正确性、有效性和相容性的要求，保证输入到数据库中的数据满足相应约束条件。

3）、并发控制是指当多个用户的并发进程同时存取、修改数据库时，出现错误，因而对多用户的并发操作加以控制和协调。

4）、故障恢复，计算机产生的硬件故障、操作员的失误以及人为破坏都会影响数据库中数据的正确性，甚至造成数据库的数据丢失，DBMS必须具有将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态的功能。

7、减少应用程序开发与维护的工作量

第三节 数据库系统的结构

一、数据库系统的三级模式结构

三级体系结构：用户级、概念级、物理级
数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由模式、外模式和内模式。

（1）、模式（称为概念模式或逻辑模式，公共数据视图，概念视图，一个数据库只有一个模式，也是数据库的核心）

DBMS提供模式描述语言来定义模式、数据之间的联系、与数据相关的安全性、完整性等。（选择题）

模式定义数据的逻辑结构、数据之间的联系、数据相关的安全性、完整性。

数据库外模式的描述向用户提供数据，按内模式的描述存储数据，而模式是两者间的中间层。

（2）、外模式（称为子模式或用户模式，用户视图）
外模式是用于满足不同数据库用户需求的数据视图，是模式的子集，是对数据库整体数据结构的局部重构。

（3）、内模式（称为存储模式，对数据库中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形式。一个数据库只有一个内模式）

（4）、三级模式结构的两层映像与数据独立性

1、数据库系统三级模式结构的三级模式分别是对数据的三级抽象，有如下特点：

1）、一个数据库的整体逻辑结构和特征的描述（概念模式）是独立于数据库其他层次结构（内/外模式）的描述，是数据库的核心和设计的关键。
2）、一个数据库的内部存储模式依赖于概念模式，但存储模式独立于外部模式，也独立于具体的存储设备。
3）、用户逻辑结构（外模式）是在全局逻辑结果描述的基础上定义的，面向具体的应用程序，独立于内部模式和存储设备。
4）、特定的应用程序是外模式的逻辑结构上编写的，依赖于特定的外模式，与数据库的模式和存储结构独立。

2、两层映像

1）、外模式/模式映像

定义了各个外模式与概念模式之间的映像关系，在外模式中描述。数据库系统的模式如若发生改变，数据库管理员通常会对各个外模式/模式的映像做出相应的改变，但是保持外模式不受影响，并保证数据与程序的逻辑独立性。

2）、模式/内模式映像，是唯一的。

定义了数据库全局逻辑结构与物理存储之间的对应关系，在模式中描述。数据库系统的物理存储如若发生改变，数据库管理员通常会对各个模式/内模式的映像做出相应的改变，但是保持概念模式不受影响，并保证数据与程序的逻辑独立性。

二、数据库系统的运行与应用结构

（1）、客户/服务器结构（Clinet/Sever,C/S）

命令行客户端、图形化界面管理工具、应用程序等称为“客户端”、“前台”、“表示层”，主要完成与数据库使用者交互任务，数据库管理系统则称为“服务器”、“后台”、“数据层”，其主要负责数据管理。

（2）、浏览器/服务器结构（Browser/Sever,B/S）

第四节 数据模型

一、数据特征与数据模型组成要素

数据模型是用来描述数据的结构定义在结构上的操作以及数据间的约束的一组概念和定义。（数据模型通常由数据结构、数据操作和数据约束三要素组成）
（1）、数据结构（反应了数据模型最基本特征）

数据结构描述的是系统的静态特性，即数据对象的数据类型、内容、属性以及数据对象之间的联系。

（2）、数据操作

数据操作描述的是系统的动态特征，是对各种对象的实例允许执行的操作集合，包括操作及有关的操作规则。有更新和检索两大类数据操作。

（3）、数据约束（数据完整性约束、安全性约束以及并发控制约束）

数据约束描述数据结构中数据间的语法和语义关联，包括相互制约与依存关系以及数据动态变化规则，以保证数据的正确性、有效性与相容性。

二、数据模型的分类

（1）、概念层数据模型

概念层是数据抽象级别的最高层，其目的是按用户的观点来对世界建模。概念层数据模型，也称为概念模型或信息模型

1、信息世界中的基本概念

1）、实体：客观存在并可相互区别的事物称为实体。
2）、属性：实体所具有的某种特性称为实体的属性。
3）、码或键：可唯一标识实体的属性集称为码或键
4）、域：属性的取值范围称为该属性的域。
5）、实体型：具有相同属性的实体必然具有共同的特征和性质。（实体名与属性名集合来构成实体型）
6）、实体集：同型实体的集合称为实体集。
7）、联系：实体内部的联系通常是指实体各属性之间的联系。

2、概念模型的表示方法

实体-联系方法，用E-R图，也称为E-R方法或E-R模型
实体型，用矩形表示
属性，用椭圆形表示
联系，用菱形表示

（2）、逻辑层数据模型（数据的逻辑模型）

逻辑层是数据抽象的中间层，描述数据整体的逻辑结构。
逻辑数据模型：层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型
1、层次模型
特点：有且仅有一个结点没有父节点，其他结点有且仅有一个父节点。
2、网状模型
3、关系模型
关系模型用二维表结构来表示实体及实体间联系的模型，并以二维表格的形式组织数据库中数据。

关系模型有以下优点：
1）、关系模型是建立在严格的数学概念的基础上的。
2）、关系模型的概念单一，统一用关系来表示实体以及实体之间的联系，对数据的检索和更新结果同样也是用关系来表示，其简单、清晰、用户易懂、易用。
3）、关系模型的存取路径对用户透明，有更高的数据独立性、更好的安全保密性，简化部分工作。

4、面向对象模型
面向对象模型是概念模型又是逻辑模型

（3）、物理层数据模型（称为数据的物理模型）

每一种逻辑模型在实现时都有与其相对应的物理模型。物理模型是数据库最底层的抽象，确定数据的物理存储结构、数据存取路径以及调整、优化数据库的性能。
物理模型的设计目标：提高数据库性能和有效利用存储空间。