数据库概述

一、相关定义

1.数据库

• 数据库（database），缩写为db，是按照一定规则存放在计算机存储设备上，可供应用程序或用户访问的数据仓库。

• 数据库具有持久化存储数据的特性，即使关机数据也不会丢失。

2.数据库管理系统

• 数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）是一种用于操作和管理数据库的软件。
• 开发者可以通过使用数据库管理系统来访问数据库中的数据。
• DBMS通常基于某种数据模型，常见的有层次型、网状型、关系型和面向对象型等。

3.数据库技术

• 数据库技术研究数据库的结构、存储、设计、管理和使用等方面的学科。

• DBMS依赖于操作系统来提供数据存储和访问的基本功能。

• 数据库技术还涉及到数据结构和算法，如链表、树和图等，用于有效地组织和处理数据。

二、数据描述

1.概念设计中的数据描述

在概念设计中，我们使用一些相关术语来描述数据：

• 实体：指现实世界中的一个具体对象，例如一个学生。
• 实体集：是具有相同属性的实体的集合，例如所有男同学的集合。
• 属性：描述实体的特征或属性，例如学生的学号、姓名等。
• 实体标识符：也称为关键码或键，是唯一标识实体的属性，例如学生的学号。

2.逻辑设计中的数据描述

在逻辑设计中，我们使用以下术语来描述数据：

• 字段：是数据的基本单元，例如学生的学号、姓名、性别等字段。
• 记录：是字段的有序集合，例如包含学生学号、姓名、性别等字段的学生记录。
• 文件：是记录的集合，例如包含所有学生记录的学生文件。
• 关键码（键）：是用来唯一标识每条记录的字段或字段集，例如学号作为学生记录的关键码。

对应关系如下：

概念设计	逻辑设计
实体	记录
实体集	文件
属性	字段
实体标识符	关键码

3.物理设计中的数据描述

在物理设计中，我们使用以下术语来描述数据：

• 位（bit）
• 字节（Byte）
• 字（Word）
• 块（Block）
• 桶（Bucket）
• 卷（Volume）

这些术语描述了数据在物理存储介质上的存储单位和组织方式。

三、数据联系

数据联系指的是实体之间的相互关系，联系的元数是指与一个联系相关的实体集的个数。

1.一对一（1:1）

• 一对一联系表示实体集E1中的每个实体至多与实体集E2中的一个实体有关系，即两个实体集之间的每个实体都是唯一匹配的。

• 例如飞机乘客和座位、人和身份证。

2.一对多（1:N）

• 一对多联系表示实体集E1中的一个实体可以与实体集E2中的任意个（0个或多个）实体有关系，而实体集E2中的每个实体至多与实体集E1中的一个实体有关系。
• 换句话说，实体集E1中的一个实体可以与实体集E2中的多个实体关联，但实体集E2中的每个实体只能与实体集E1中的一个实体关联。
• 例如作者和书籍（不合著）、车间和工人。

3.多对多（N:M）

• 多对多联系表示实体集E1中的一个实体可以与实体集E2中的任意个（0个或多个）实体有关系，反之亦然。

• 例如学生和课程。

四、数据库的模型

数据库模型用于描述和组织数据库中的数据，这里主要介绍概念模型和逻辑模型。

1.概念模型

• 概念模型主要使用实体-关系（ER）模型来描述数据。
• ER模型通过绘制ER图来表示实体、属性和实体之间的关系。ER图是一种图形化表示工具，可以将现实世界中的概念和关系转化为易于理解和分析的形式。

2.逻辑模型

逻辑模型是对数据进行抽象和组织的一种方式。常见的逻辑模型包括层次模型、网状模型、关系模型和对象模型。

• 层次模型：以树结构表示记录之间的联系，通过指针实现查询效率高，但只能表示一对多的联系，且层次顺序严格和复杂，编程复杂。常见的层次模型是IBM的IMS。
• 网状模型：以有向图表示记录之间的联系，通过指针实现查询效率高，但结构复杂，编程复杂。常见的网状模型是IDMS。
• 关系模型：以二维表表示实体集和属性之间的关系，不使用指针导航，通过共同属性联系实体，结构简单，用户操作容易。常见的关系模型有MySQL、Oracle等。
• 对象模型：以对象为基本单位，继承、封装、多态性，结构清晰，数据关系直观。常见的对象模型有MongoDB、PostgreSQL等。

五、DBMS

1. 工作模式

DBMS的工作模式涵盖以下几个方面：

• 接收应用程序的数据请求并处理请求。
• 将用户的高级指令转换为底层的复杂机器代码。
• 实现对数据库的操作，包括数据的读取、插入、更新和删除。
• 接收查询的结果，并对结果进行处理和格式转换。
• 将结果返回给用户，使用户能够获取所需的数据。

下图展示了DBMS的工作模式示意图：

2. 主要功能

数据库定义功能

• DBMS提供DDL（数据定义语言），用于定义数据库的结构和组织方式。
• 它允许用户创建表、定义关系和数据类型，并设置数据的完整性约束、保密限制等。

数据库的操纵功能

• DBMS支持DML（数据操作语言），包括过程性DML和非过程性DML。
• 过程性DML描述了执行何种操作以及如何执行，而非过程性DML仅描述执行何种操作。

数据库的保护功能

• DBMS提供了多种保护功能，包括数据库恢复、并发控制、数据完整性控制和数据安全性控制。
• 它可以通过备份和恢复机制保护数据，通过并发控制技术处理并发访问的问题，并通过权限控制和加密等手段保障数据的安全性。

数据库的维护功能

• DBMS支持数据库的维护和管理，包括性能监控和调优、数据库备份和恢复、数据字典管理等。
• 它提供了诊断工具和优化技术，用于监控数据库性能、发现潜在问题并进行调整，以提高数据库的响应速度和效率。

数据库的查询功能

• DBMS提供了强大的查询语言（如SQL），用户可以使用查询语句从数据库中检索所需的数据。
• DBMS通过查询优化技术，如索引选择和查询重写，来提高查询的效率。

数据库的分布式处理

• 对于分布式数据库系统，DBMS能够管理跨多个节点的数据分布、查询优化和事务处理。
• 它提供了分布式数据库管理和协调机制，以实现数据的高可用性、可扩展性和负载均衡