数据库系统概论(第五版) 课件.ppt

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1、课程安排总学时：32学时，其中24学时理论，8学时上机,关于教材,教材数据库系统概论(第五版)，王珊,萨师煊著 高等教育出版社，2014.12 参考书数据库系统导论(An Introduction to Database Systems)（第七版）C.J.Date著，机械工业出版社，数据库领域中的权威著作。(剑桥大学)数据库系统概念(Database System Concepts)（第六版）Silberschatz著，机械工业出版社。(耶鲁大学),学习方式及要求,听课 读书 独立完成作业 积极答疑按时上课认真完成上机实验,数据库系统概论An Introduction to Database

2、Systems第一章 绪论,第一章 绪论,1.1 数据库系统概述1.2 数据模型1.3 数据库系统结构1.4 数据库系统的组成1.5 小结,数据库的地位,数据库技术产生于六十年代末，是数据管理的最新技术，是计算机科学的重要分支。数据库技术是信息系统的核心和基础，它的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透。数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志。是学习动态网站课程的必不可少的知识；在毕业设计和以后的工作中都能用到；,第一章 绪论,1.1 数据库系统概述 1.1.1 四个基本概念 1.1.2 数据管理技术的产生和发展 1.1.3 数据库系统的特点,

3、1.1.1 四个基本概念,数据(Data)数据库(Database)数据库管理系统(DBMS)数据库系统(DBS),一、数据,数据(Data)是数据库中存储的基本对象数据的定义描述事物的符号记录数据的种类文本、图形、图像、音频、视频、学生的档案记录、货物的运输情况等数据的特点数据与其语义是不可分的,数据举例,数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的。例如 93是一个数据语义1：学生某门课的成绩语义2：某人的体重语义3：某个年级的学生人数语义4：请同学给出。,数据举例,学生档案中的学生记录（李明，男，197205，江苏南京市，计算机系，1990）语义：学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在

4、院系、入学时间解释：李明是个大学生，1972年5月出生，江苏南京市人，1990年考入计算机系请给出另一个解释和语义,二、数据库,数据库的定义数据库(Database,简称DB)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。数据库的基本特征数据按一定的数据模型组织、描述和储存可为各种用户共享冗余度较小数据独立性较高易扩展,三、数据库管理系统,什么是DBMS位于用户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 DBMS的用途科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据,DBMS的主要功能,数据定义功能 提供数据定义语言(DDL)定义数据库中的数据对象数据组织、存储

5、和管理 分类组织、存储和管理各种数据 确定组织数据的文件结构和存取方式 实现数据之间的联系 提供多种存取方法提高存取效率数据操纵功能 提供数据操纵语言(DML)实现对数据库的基本操作(查询、插入、删除和修改),DBMS的主要功能,数据库的事务管理和运行管理 数据库在建立、运行和维护时由DBMS统一管理和控制 保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用 发生故障后的系统恢复数据库的建立和维护功能(实用程序)数据库初始数据装载转换 数据库转储 介质故障恢复 数据库的重组织 性能监视分析等其它功能 DBMS与网络中其它软件系统的通信 两个DBMS系统的数据转换 异构数据库之间的互访和互操作,四

6、、数据库系统,什么是数据库系统（Database System，简称DBS）在计算机系统中引入数据库后的系统构成数据库系统。数据库系统的构成数据库数据库管理系统（及其开发工具）应用系统数据库管理员,数据库,应用系统,应用开发工具,操作系统,数据库管理系统,数据库管理员,用户,用户,用户,数据库系统,1.1 数据库系统概述,1.1.1 四个基本概念 1.1.2 数据管理技术的产生和发展 1.1.3 数据库系统的特点,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、检索和维护数据处理的中心问题数据管理技术的发展过程人工管理阶段(20世纪40年代中-50年代中)文件系统阶段

7、(20世纪50年代末-60年代中)数据库系统阶段(20世纪60年代末-现在),一、人工管理阶段,时期20世纪40年代中-50年代中产生的背景应用需求科学计算硬件水平无直接存取存储设备软件水平没有操作系统处理方式批处理,人工管理阶段(续),特点数据的管理者：用户（程序员），数据不保存数据面向的对象：某一应用程序 数据的共享程度：无共享、冗余度极大数据的独立性：不独立，完全依赖于程序数据的结构化：无结构数据控制能力：应用程序自己控制,应用程序与数据的对应关系(人工管理阶段),人工管理阶段应用程序与数据之间的对应关系,二、文件系统阶段,时期20世纪50年代末-60年代中产生的背景应用需求科学计算、管

8、理硬件水平磁盘、磁鼓软件水平有文件系统处理方式联机实时处理、批处理,文件系统阶段(续),特点数据的管理者：文件系统，数据可长期保存数据面向的对象：某一应用程序 数据的共享程度：共享性差、冗余度大数据的结构化：记录内有结构,整体无结构数据的独立性：独立性差，数据的逻辑结构改变必须 修改应用程序数据控制能力：应用程序自己控制,应用程序与数据的对应关系(文件系统阶段),文件系统阶段应用程序与数据之间的对应关系,文件系统中数据的结构,记录内有结构。数据的结构是靠程序定义和解释的。数据只能是定长的。可以间接实现数据变长要求，但访问相应数据的应用程序复杂了。文件间是独立的，因此数据整体无结构。可以间接实现

9、数据整体的有结构，但必须在应用程序中对描述数据间的联系。数据的最小存取单位是记录。,三、数据库系统阶段,时期20世纪60年代末以来从文件系统到数据库系统标志着数据管理技术的飞跃产生的背景应用背景大规模管理硬件背景大容量磁盘、磁盘阵列软件背景有数据库管理系统处理方式联机实时处理,分布处理,批处理,1.1 数据库系统概述,1.1.1 四个基本概念 1.1.2 数据管理技术的产生和发展 1.1.3 数据库系统的特点,1.1.3 数据库系统的特点,整体数据结构化数据的共享性高，冗余度低，易扩充数据独立性高数据由DBMS统一管理和控制,数据结构化,整体数据的结构化是数据库的主要特征之一 整体结构化不再仅

10、仅针对某一个应用，而是面向全组织不仅数据内部结构化，整体是结构化的，数据之间具有联系,文件系统的记录示例,学生文件的记录结构课程文件的记录结构学生选课文件的记录结构文件中记录内部有结构，但记录间无联系,数据库整体数据结构化,数据库系统实现整体数据结构化,数据的共享性高，冗余度低，易扩充,数据库系统从整体角度看待和描述数据，数据面向整个系统，可以被多个用户、多个应用共享使用。数据共享的好处减少数据冗余，节约存储空间避免数据之间的不相容性与不一致性 使系统易于扩充,数据独立性高,物理独立性指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中数据是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。逻辑独立性

11、指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，用户程序也可以不变。数据独立性是由DBMS的二级映像功能来保证的,数据由DBMS统一管理和控制,DBMS提供的数据控制功能(1)数据的安全性（Security）保护保护数据，以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。(2)数据的完整性（Integrity）检查将数据控制在有效的范围内，或保证数据之间满足一定的关系。(3)并发（Concurrency）控制对多用户的并发操作加以控制和协调，防止相互干扰而得到错误的结果。(4)数据库恢复（Recovery）将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。,应用程序与数据的对应关系(数

12、据库系统),数据库系统阶段应用程序与数据之间的对应关系,第一章 绪论,1.1 数据库系统概述1.2 数据模型1.3 数据库系统结构1.4 数据库系统的组成1.5 小结,1.2 数据模型,1.2.1 两大类数据模型 1.2.2 数据模型的组成要素 1.2.3 概念模型 1.2.4 最常用的数据模型 1.2.5 层次模型 1.2.6 网状模型 1.2.7 关系模型,数据模型,在数据库中用数据模型这个工具来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟。数据模型应满足三方面要求能比较真实地模拟现实世界容易为人所理解便于在计算机上实现,1.2.1 两大类数据模型,数据模型分

13、为两类（分属两个不同的层次）(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 逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面向对象模型等，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，描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法。,两大类数据模型(续),客观对象的抽象过程-两步抽象现实世界中的客观对象抽象为概念模型；把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型。,两大类数据模型(续),DBMS支持的数据模型,概念模型,认识抽象,信息世界,机器世界,现实世界中客观对象的抽象过程

14、,现实世界,1.2 数据模型,1.2.1 两大类数据模型 1.2.2 数据模型的组成要素 1.2.3 概念模型 1.2.4 最常用的数据模型 1.2.5 层次模型 1.2.6 网状模型 1.2.7 关系模型,1.2.2 数据模型的组成要素,数据结构：描述数据库的组成对象以及对象之间的联系。数据操作：对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则。主要是查询和更新两大类操作。完整性约束条件：一组完整性规则。,1.2.3 概念模型,信息世界中的基本概念两个实体型之间的联系两个以上实体型之间的联系单个实体型内的联系概念模型的一种表示方法一个实例,一、信息世界中的基本概念,(1

15、)实体（Entity）(2)属性（Attribute）(3)码（Key）(4)域（Domain）(5)实体型（Entity Type）(6)实体集（Entity Set）(7)联系（Relationship）,二、两个实体型之间的联系,用图形来表示两个实体型之间的这三类联系,二、两个实体型之间的联系（续）,一对一联系（1:1）实例一个班级只有一个正班长一个班长只在一个班中任职定义：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个（也可以没有）实体与之联系，反之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一联系，记为1:1,两个实体型之间的联系(续),一对多联系（1：n）实例一个班级中有若干名学生，

16、每个学生只在一个班级中学习定义：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对多联系，记为1:n,两个实体型之间的联系(续),多对多联系（m:n）实例课程与学生之间的联系：一门课程同时有若干个学生选修一个学生可以同时选修多门课程定义：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体（m0）与之联系，则称实体集A与实体B具有多对多联系，记为m:n,三、两个以上实体型之间的联系,两个以上的实体型之间也

17、存在着一对一、一对多和多对多的联系。,两个以上实体型之间的联系(续),实例 一对多 课程、教师与参考书三个实体型一门课程可以有若干个教师讲授，使用若干本参考书，每一个教师只讲授一门课程，每一本参考书只供一门课程使用,两个以上实体型之间的联系(续),两个以上实体型间的多对多联系实例 供应商、项目、零件三个实体型一个供应商可以供给多个项目多种零件每个项目可以使用多个供应商供应的零件每种零件可由不同供应商供给,四、单个实体型内的联系,一对多联系实例 职工实体型内部具有领导与被领导的联系某一职工（干部）“领导”若干名职工一个职工仅被另外一个职工直接领导这是一对多的联系一对一联系 请举例,五、概念模型的

18、一种表示方法,实体联系方法(E-R方法)用E-R图来描述现实世界的概念模型E-R方法也称为E-R模型,E-R图,实体型用矩形表示，矩形框内写明实体名。属性用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来,学生,教师,E-R图(续),联系联系的本身：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n）,联系的表示方法示例,联系的属性,联系的属性：联系本身也是一种实体型，也 可以有属性。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来,六、一个实例,用E-R图表示某个工厂物资管理的概念模型实体仓库：仓库号、面积、电话号

19、码零件：零件号、名称、规格、单价、描述供应商：供应商号、姓名、地址、电话号码、帐号项目：项目号、预算、开工日期职工：职工号、姓名、年龄、职称,一个实例,实体之间的联系如下：(1)一个仓库可以存放多种零件，一种零件可以存放在多个仓库中。仓库和零件具有多对多的联系。用库存量来表示某种零件在某个仓库中的数量。(2)一个仓库有多个职工当仓库保管员，一个职工只能在一个仓库工作，仓库和职工之间是一对多的联系。(3)职工之间具有领导-被领导关系，即仓库主任领导若干保管员。职工实体型中具有一对多的联系(4)供应商、项目和零件三者之间具有多对多的联系,联系属性,一个实例,例题某企业集团有若干工厂，每个工厂生产多

20、种产品，且每一种产品可以在多个工厂生产，每个工厂按照固定的计划数量生产产品；每个工厂聘用多名职工，且每名职工只能在一个工厂工作，工厂聘用职工有聘期和工资。工厂的属性有工厂编号、厂名、地址，产品的属性有产品编号、产品名、规格，职工的属性有职工号、姓名。根据上述语义画出ER图，在ER图中需注明实体的属性、联系的类型及实体的标识符。,学生成绩E-R图，找找其中的问题,1.2 数据模型,1.2.1 两大类数据模型 1.2.2 数据模型的组成要素 1.2.3 概念模型 1.2.4 最常用的数据模型 1.2.5 层次模型 1.2.6 网状模型 1.2.7 关系模型,1.2.4 最常用的数据模型,非关系模型

21、层次模型(Hierarchical Model)网状模型(Network Model)关系模型(Relational Model)面向对象模型(Object Oriented Model）对象关系模型(Object Relational Model)半结构化数据模型（Semistructure Data model）,1.2 数据模型,1.2.1 两大类数据模型 1.2.2 数据模型的组成要素 1.2.3 概念模型 1.2.4 最常用的数据模型 1.2.5 层次模型 1.2.6 网状模型 1.2.7 关系模型,1.2.7 关系模型,关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式 1970年美国I

22、BM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 计算机厂商新推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型,一、关系数据模型的数据结构,在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。,学生登记表,属性,元组,关系数据模型的数据结构（续）,关系（Relation）元组（Tuple）属性（Attribute）主码（Key）域（Domain）分量关系模式对关系的描述关系名（属性1，属性2，属性n）学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级）,关系数据模型的数据结构（续）,例1学生、系、系与学生之间的一对多联系：学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）

23、系(系号，系名，办公地点)例2学生、课程、学生与课程之间的多对多联系：学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）课程（课程号，课程名，学分）选修（学号，课程号，成绩）,关系数据模型的数据结构（续）,关系必须是规范化的，满足一定的规范条件最基本的规范条件：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 图1.27中工资和扣除是可分的数据项,不符合关系模型要求,图1.27 一个工资表(表中有表)实例,关系数据模型的数据结构（续）,表1.2 术语对比,二、关系数据模型的操纵与完整性约束,数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合查询插入删除更新,关系数据模型的操纵与

24、完整性约束（续）,关系的完整性约束条件 实体完整性参照完整性用户定义的完整性,三、关系数据模型的存储结构,实体及实体间的联系都用表来表示表以文件形式存储有的DBMS一个表对应一个操作系统文件有的DBMS自己设计文件结构,四、关系数据模型的优缺点,优点建立在严格的数学概念的基础上概念单一关系模型的存取路径对用户透明,关系数据模型的优缺点（续）,缺点存取路径对用户透明导致查询效率往往不如非 关系数据模型为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化 增加了开发DBMS的难度,第一章 绪论,1.1 数据库系统概述1.2 数据模型1.3 数据库系统结构1.4 数据库系统的组成1.5 小结,1.3 数据库系统

25、结构,数据库管理系统角度数据库最终用户角度,1.3.1 数据库系统模式的概念,“型”和“值”的概念型(Type)值(Value)例如学生记录型：（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）一个记录值：（900201，李明，男，计算机，22，江苏）,数据库系统模式的概念（续）,模式（Schema）实例（Instance）,数据库系统模式的概念（续）,例如：在学生选课数据库模式中，包含学生记录、课程记录和学生选课记录 2003年的一个学生数据库实例，包含：2003年学校中所有学生的记录学校开设的所有课程的记录所有学生选课的记录 2002年度学生数据库模式对应的实例与 2003年度学生数据库模式对应的实例

26、是不同的,1.3.2 数据库系统的三级模式结构,模式（Schema）外模式（External Schema）内模式（Internal Schema）,一、模式（Schema）,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，综合了所有用户的需求一个数据库只有一个模式模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层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,二、外模式（External Schema）,外模式（也称子模式或用户模式）数据库用户（包括应用程序员和最终用户）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

27、某一应用有关的数据的逻辑表示,三、内模式（Internal Schema）,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记录的存储方式（顺序存储，按照B树结构存储，按hash方法存储）索引的组织方式数据是否压缩存储数据是否加密数据存储记录结构的规定一个数据库只有一个内模式,数据库系统的三级模式结构（续）,图 数据库系统的三级模式结构,1.3.3 数据库的二级映像功能与数据独立性,三级模式是对数据的三个抽象级别二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换外模式模式映像模式内模式映像,一、外模式模式映象,模式：描述的是数据的全局逻辑结构外模式：描述的是数

28、据的局部逻辑结构 同一个模式可以有任意多个外模式 每一个外模式，数据库系统都有一个外模式模式映象，定义外模式与模式之间的对应关系映象定义通常包含在各自外模式的描述中,外模式模式映象（续）,保证数据的逻辑独立性,二、模式内模式映象,模式内模式映象定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的数据库中模式内模式映象是唯一的该映象定义通常包含在模式描述中,模式内模式映象（续）,保证数据的物理独立性,数据库系统的三级模式结构（续）,图1.28 数据库系统的三级模式结构,第一章 绪论,1.1 数据库系统概述1.2 数据模型1.3 数据库系统结构1.4 数据库系

29、统的组成1.5 小结,1.4 数据库系统的组成,数据库数据库管理系统（及其开发工具）应用系统数据库管理员,1.4数据库系统的组成,硬件平台及数据库 软件 人员,人 员（续）,图1.30 各种人员的数据视图,不同的人员涉及不同的数据抽象级别，具有不同的数据视图，如下图所示,人 员（续）,1.数据库管理员(DBA)具体职责：1.决定数据库中的信息内容和结构2.决定数据库的存储结构和存取策略3.定义数据的安全性要求和完整性约束条件4.监控数据库的使用和运行5.数据库的改进和重组s,人员（续）,2.系统分析员和数据库设计人员:系统分析员 负责应用系统的需求分析和规范说明与用户及DBA协商，确定系统的硬

30、软件配置参与数据库系统的概要设计,人员（续）,2.系统分析员和数据库设计人员 数据库设计人员参加用户需求调查和系统分析确定数据库中的数据设计数据库各级模式,人员（续）,3.应用程序员设计和编写应用系统的程序模块进行调试和安装,人员（续）,4.用户是指最终用户（End User）。最终用户通过应用系统的用户接口使用数据库。1)偶然用户不经常访问数据库，但每次访问数据库时往往需要不同的数据库信息 企业或组织机构的高中级管理人员,人员（续）,2)简单用户主要工作是查询和更新数据库 银行的职员、机票预定人员、旅馆总台服务员3)复杂用户工程师、科学家、经济学家、科技工作者等直接使用数据库语言访问数据库，

31、甚至能够基于数据库管理系统的API编制自己的应用程序,第一章 绪论,1.1 数据库系统概述1.2 数据模型1.3 数据库系统结构1.4 数据库系统的组成1.5 小结,1.5 小结,数据库系统概述数据库的基本概念数据管理的发展过程数据模型数据模型的三要素概念模型，E-R 模型三种主要数据库模型,小结(续),数据库系统的结构数据库系统三级模式结构数据库系统两层映像系统结构数据库系统的组成,课堂练习：图书馆系统,计划为图书馆建立一个关于图书、读者、书架的数据库系统。相同的书要放在同一个书架上，一个书架可以放多种书，一个读者可以借多种书，一种书可以被多个读者借阅。图书的属性有：书号、图书名、作者、出版社、单价；书架的属性有：架号、容量；读者的属性有：读者编号、姓名、出生日期、工作单位。请画出此图书馆的E-R图。,