数据库系统概论--第一章 绪论

绪论

数据库是管理的有效技术，是计算机科学的重要分支。

数据库系统概述

数据库的四个基本概念

1、数据

数据是数据库中存储的基本对象，与信息不可分割，既有区别，又有联系。

可以对数据作如下定义：描述事物的符号记录称为数据。描述事物的符号可以是数字，也可以是文字、图形、图像、音频、视频等，是信息的载体。

数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的。

2、数据库

人们手机并抽取出的一个应用所需要的大量数据之后，应该将其保存起来，以供进一步加工处理，抽取有用信息。

严格来讲，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 存储，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和与扩散性，并可为各种用户共享。数据库数据具有永久存储、有组织、可共享三个基本特点。

3、数据库管理系统

数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。它的主要功能有：数据定义功能、数据组织、存储和管理、数据操纵功能、数据库的事物管理和运行功能、数据库的建立和维护功能、其他功能。

4、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组成的存储、管理、处理和维护数据的系统。

数据库系统如下图所示：

 引入数据库后计算机的系统结构层次：

 数据管理技术的产生与发展

数据管理指对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护。数据管理技术经理了人工管理、文件系统、数据库系统三个阶段。

1、人工管理阶段

 特点：

        1）数据不保存 

        2）应用程序管理数据

        3）数据不共享

        4）数据不具有独立性

2、文件系统阶段

20世纪50年代后期到60年代中期，这时硬件方面已经有了磁盘、磁鼓等直接存取存储的设备；软件方面，操作系统中已经有了专门的数据管理软件，一般称为文件系统：处理方式上不仅有了批处理，而且能够联机实时处理。

特点：

        1）数据可以长期保存

        2）由文件系统管理数据

        3）数据共享性差、冗余度大

        4）数据独立性差

3、数据库系统阶段

 用数据库系统来管理数据比文件系统具有明显的优点，从文件系统到数据库系统标志这数据管理技术的飞跃。

数据库系统的特点：

        1）数据结构化：数据库系统实现整体数据的结构化，这是数据库的主要特征之一，也是数据库系统与文件系统的本质区别。

        2）数据的共享性高、冗余度低且易扩充 ：数据库共享可以大大减少数据冗余，节约存储空间。数据共享还能够避免数据之间的不相容性与不一致性。这使得数据库系统的弹性大，易于扩充，可以适应各种用户的扩充。

        3）数据独立性高：包括物理独立性和逻辑独立性。物理独立性是指用户的应用程序与数据库中的数据的物理存储时相互独立的。逻辑独立性是指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。

        4）数据由数据库管理系统统一管理和控制。因此数据库管理系统必须提供数据的安全性保护、数据的完整性检查、并发控制、数据库恢复等几个方面的数据控制功能。

数据模型

数据模型也是一种模型，他是对现实世界数据特征的抽象。通俗的讲，数据模型就是现实世界的模拟。

数据模型是数据库系统的核心和基础。

两类数据模型

数据模型应该满足三方面的要求：一是比较真实的模拟现实世界；而是容易为人所理解；三是便于在计算机上实现。

根据模型应用的不同目的，可以分为两类，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：也称信息模型，它是按照用户的观点来对数据和信息进行建模，主要用于数据库设计。

逻辑模型：主要包括层次模型、网状模型、关系模型、面向对象数据模型和对象关系数据模型、办结构化数据模型等。它是按照计算机系统的观点对数据建模，主要用于数据库管理系统的实现。

物理模型：是是对数据最底层的抽象，描述了数据在系统内部的表示方法和存取方法，或是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。

为了把现实世界中的事物抽象、资质 某一数据库管理系统支持的数据模型，人们常首先将现实世界抽象为信息世界，然后将信息使劲儿转换为机器世界。

概念模型

概念模型用于信息世界的建模，是现实世界到信息实际的第一层抽象，是数据库设计人员进行数据库设计的有力工具，也是数据库设计人员和用户之间进行交流的语言。因此具有较强的语义表达能力，能够方便、直接的表达应用中的各种语义知识，另一方面它还应简单、清晰、易于用户理解。

1、信息世界的基本概念

1）实体

客观存在并可相互区别的事物称为实体‘

2）属性

实体所具有的某一特性称为属性

3）码

唯一标识实体的属性称为码

4）实体型

用实体名及其属性集合来抽象和刻画同类实体，称为实体型。

5)实体集

同一类型实体的集合称为实体集

6）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、一对多、多对多。

概念模型的一种表示方法：实体-联系方法：该方法用E-R图来描述现实世界的概念模型。

数据模型的组成要素

1）数据结构：数据机构描述数据库的组成对象以及对象之间的联系

2）数据操作：数据操作是指对数据库中的各种对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及忧患的操作规则（增删改查）。

3）数据的完整性约束条件：是一组完整性规则，保证数据的正确、有效和相容

常用的数据模型

数据库领域中主要的逻辑数据模型有：层次模型、网状模型、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。

主要讲一下关系模型：

关系模型：

1970年，美国IBM公司San Jose研究室的研究员E.F.Codd首次提出了数据库系统的关系模型。

1、关系模型的数据结构

关系模型是建立在严格的数学概念的基础上的，从用户的观点来看，关系模型由一组关系组成。每个关系的数据结构是一张规范的二维表。

 关系：一个关系对应通常说的一张表

元组：表中的一行即为一个元组

属性：表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即为属性名

码：也称为码键，表中的某个属性组，它可以唯一的确定一个元组

域：域是一组具有相同数据类型的值的集合

分量：元组的一个属性值

关系模式：对关系模式的描述：一般表示为：关系名（属性1，属性2，...，属性n）

关系模型要求关系必须是规范化的，关系的每一个分量都是不可分的数据量。

2、关系模型的数据操纵与完整性约束

关系模型的数据操纵主要包括查询、插入、删除和更新数据。这些操作必须满足关系的完整性约束条件。关系的完整性约束条件包括三个类：实体完整性、参照完整性和用户定义的完整性。

关系模型中的数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，关系模型存取路径向用户隐蔽起来，用户只要指出“干什么”或“找什么”，不必详细说明“怎么干”或“怎么找”，从而大大的提高了数据的独立性，提高用户生产率。

数据库系统的结构

数据库系统通常采用三级模式结构，这是数据库系统的内部结构。从数据库最终用户的角度看，数据库系统的机构分为单用户结构、主从式结构、分布式结构、客户-服务器、浏览器-应用服务器/数据库服务器多层结构等，这是数据库系统外部的体系结构。

数据库系统模式的概念

在数据模型中有“型”和“值”的概念。型是指对某一类数据的结构和属性的说明，值是型的一个赋值。模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，模式的一个具体值称为模式的一个实例。反应数据库某一时刻的状态，一个模式可以有多个实例。

模式是相对稳定的，但是实例是相对变动的。

数据库系统的三级模式结构

 1）模式：

模式也称逻辑模式，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。是型的描述，反应的是数据的机构及其联系，模式是相对稳定的。一个数据库只有一个模式，数据库模式以一种数据模型为基础，统一综合的考虑了所有用的需求，并将这些需求有机的结合成一个逻辑实体。定时模式时不仅要定义数据的逻辑结构，例如数据记录了哪些数据项构成，数据项的名字、类型和取值范围等；而且要定义数据之间的联系，定义与数据相关的安全性、完整性要求。

2、外模式:

外模式也称子模式或用户模式，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逻辑表示。

外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式，如果不同的用户在应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求等方面存在差异，则其外模式的描述是不同的。另外，同一模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用，但一个应用程序只能使用一个外模式。

外模式是闹正数据库安全的一个有力措施，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

内模式也称存储模式，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。

数据库的二级映像功能与数据的独立性

1、外模式/模式映像

对于每一个外模式，数据库系统都有一个外模式/模式映像，它定义了该外模式与模式之间的对应关系，这些定义通常包含在各自外模式的描述中。

当模式改变时，由数据库管理员对各个外模式/模式映像作相应的改变，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

数据库中只有一个模式，也只有一个内模式，所以模式/内模式映像是唯一的。当数据库中的存储结构发生改变时，由数据库管理员对模式/内模式映像作相应的改变，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。

数据与程序之间的独立性使得数据的定义和描述可以从程序中分离出去，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。

数据库系统的组成

数据库系统一般由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用程序和数据库管理员组成。下面分别介绍这几个部分的内容：

1、硬件平台及数据库

整个数据库系统对硬件资源提出了较高的要求：

足够大的内存、足够大的磁盘或磁盘阵列等设备存储数据库、系统有较高的通道能力

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、具有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

数据库管理员、系统分析员和数据库设计人员、应用程序员、用户