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1、数据库原理与应用,第1章 数据库系统基本概念,1.1 数据库的特点及相关概念 1.1.1 信息与数据 1.1.2 数据管理与数据库 1.1.3 数据库管理系统与信息管理系统 1.2 数据库技术及发展 1.2.1 手工管理数据阶段的特点 1.2.2 文件系统阶段的数据管理特点和缺陷 1.2.3 数据库系统阶段的到来及其发展 1.2.4 数据库系统阶段的数据管理特点 1.3 数据库系统的结构 1.3.1 数据库系统的体系结构 1.3.2 数据库管理系统的功能结构 1.3.3 数据库系统的三级数据模式结构,1.1 数据库的特点及相关概念 1.1.1 信息与数据“信息”可以告诉我们有用的事实和知识，“
2、数据”可以更有效地表示、存储和抽取信息。1.信息（Information）、信息特征及作用,信息就是新的、有用的事实和知识。,信息具有四个基本特征：1)信息的内容是关于客观事物或思想方面的知识；2)信息是有用的，它是人们活动的必需知识；3)信息能够在空间和时间上被传递，在空间上传递信息称为信息通信，在时间上传递信息称为信息存储；4)信息需要一定的形式表示，信息与其表现符号不可分离。,信息的作用：1)它可以提高人们对事物的认识，减少人们活动的盲目性；2)信息是社会机体进行活动的纽带，社会的各个组织通过信息网相互了解并协同工作，使整个社会协调发展；3)信息又是管理活动的核心。,数据是用于载荷信息的
3、物理符号。数据的4个特征：1)数据有“型”和“值”之分。2)数据受数据类型和取值范围的约束。3)数据有定性表示和定量表示之分。4)数据应具有载体和多种表现形式。,2.数据（Data）、数据和信息的关系及数据的特征,1.1.2 数据管理与数据库,围绕着数据所做的工作均称为数据处理。数据处理是指对数据的收集、组织、整理、加工、存储和传播等工作。数据处理分为3类：1)数据管理：收集信息、将信息用数据表示并按类别组织保存，在需要的时候能够提供数据；2)数据加工：对数据进行变换、抽取和运算，通过数据加工会得到更有用的数据，以指导或控制人的行为或事物的变化趋势；3)数据传播：在空间或时间上以各种形式传播信
4、息，而不改变数据的结构、性质和内容，使更多的人得到信息。,1.数据处理（Data Processing）及分类,数据管理工作包括：组织和保存数据，即将收集到的数据合理地分类组织，将其存储在物理载体上，使数据能够长期地被保存；进行数据维护，即根据需要插入新数据、修改原数据和删除失效数据的操作；提供数据查询和数据统计功能，以便快速地得到需要的正确数据，满足各种使用要求。,3.数据库（Database）及数据库中数据的性质,数据库（DB）是一个按数据结构来存储和管理数据的计算机软件系统。数据库方法与文件方法相比，具有以下两个特征。1)数据库中的数据具有数据整体性。2)数据库中的数据具有数据共享性。不
5、同的用户可以按各自的用法使用数据库中的数据。多个用户可以同时共享数据库中的数据资源。,数据库管理系统是提供数据库管理的计算机系统软件，数据库应用系统是实现某种具体信息管理功能的计算机应用软件。数据库管理系统为数据库应用系统提供了数据库的定义、存储和查询方法，数据库应用系统通过数据库管理系统管理其数据库。数据库管理系统不是应用软件，它不能直接用于诸如工资管理、人事管理或资料管理等事务管理工作，但数据库管理系统能够为事务管理提供技术和方法、应用系统的设计平台和设计工具，使相关的事务管理软件很容易设计。,1.1.3 数据库管理系统与数据库应用系统,数据库管理系统（DBMS）是专门用于管理数据库的计算
6、机系统软件。数据库管理系统能够为数据库提供数据的定义、建立、维护、查询和统计等操作功能，并完成对数据完整性、安全性进行控制的功能。,2.数据库应用系统（Information System）及分类,凡使用数据库技术管理数据（信息）的系统都称为数据库应用系统（Database Application System）。一个信息系统应携带有足够的信息量。信息系统可以被划分为数据传递系统、数据处理系统和管理信息系统。,1.数据库管理系统（Database Management System）的功能及作用,4.数据库系统（Database System）,使用数据库技术设计的计算机系统称为数据库系统。一
7、个数据库系统应由计算机硬件、数据库、数据库管理系统、应用软件和数据库管理员等5部分构成。,3.管理信息系统（Management Information System）及特点,1)管理信息系统是以数据库技术为基础的。2)管理信息系统一般采用功能选单方式控制程序。,1.2 数据库技术及发展,数据管理技术的发展动力应用需求的推动计算机硬件的发展计算机软件的发展,1)手工管理阶段不保存大量的数据。2)手工管理阶段没有软件系统对数据进行管理。在手工管理阶段，由于没有专门的软件管理数据，程序员不仅要规定数据的逻辑结构，而且还要在程序中设计物理结构，即要设计数据的存储结构、存取方法和输入输出方法等。3)手
8、工管理阶段基本上没有“文件”概念。4)手工管理阶段一组数据对应一个程序。手工管理阶段的数据是面向应用的，即使两个应用程序涉及某些相同的数据，也必须各自定义，无法相互利用、互相参照。所以程序与程序之间有大量重复数据。,1.2.1 手工管理数据阶段的特点,1.2.2 文件系统阶段的数据管理特点和缺陷,1.文件管理阶段的数据管理特点,1)管理的数据以文件的形式长久地被保存在计算机的外存中。2)文件系统有专门的数据管理软件提供有关数据存取、查询及维护功能。它能够为程序和数据之间提供存取方法，为数据文件的逻辑结构与存储结构提供转换方法。这样程序员在设计程序时可以把经历集中到算法上，而不必过多地考虑物理细
9、节。3)文件系统中的数据文件已经具有多样化。文件系统中不仅有索引文件、链接文件、直接存储文件等多种形式。4)文件系统的数据存取是以记录为单位的。在文件系统中，只有通过对整条记录的读写操作，才能获得其中数据项的信息，不能直接对记录的数据项进行数据存取操作。,2.文件系统在数据管理上的主要缺点,文件系统的数据冗余度（Redundancy）大。文件系统采用面向对象的设计思想，系统中的数据文件都是与应用程序相对应的。当不同的应用程序所需要的数据有部分相同时，也必须建立各自的文件，而不能共享相同的数据。2)文件系统中缺乏数据与程序独立性。文件系统中的数据文件是为某一特定应用服务的，数据文件的可重复利用率
10、非常低。当数据的逻辑结构改变时，必须修改它的应用程序，同时也要修改文件结构的定义。应用程序的改变将影响到文件数据结构的改变。,1.2.4 数据库系统阶段的数据管理特点,数据库系统和文件系统相比具有以下主要特点:,数据库设计时面向数据模型对象 数据库设计的基础是数据模型。在进行数据库设计时，要站在全局需要的角度抽象和组织数据；要完整地、准确地描述数据自身和数据之间联系的情况；要建立适合整体需要的数据模型,2.数据库系统的数据冗余度小、数据共享度高,数据冗余度小是指重复的数据少。减少冗余数据可以节约存储空间、避免数据的不一致问题、避免数据统计错误。数据共享度高的优点：1)系统现有用户或程序可以共同
11、享用数据库中的数据。2)当系统需要扩充时，新用户或新程序还可以共享原有的数据资源。3)多用户或多程序可以在同一时刻共同使用同一数据。,3.数据库系统的数据和程序之间具有较高的独立性,由于数据库中的数据定义功能（即描述数据结构和存储方式的功能）和数据管理功能（即实现数据查询、统计和增删的功能）是由DBMS提供的，所以数据对应用程序的依赖程度大大降低，数据和程序之间具有较高的独立性。（1）数据的物理独立性 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。（2）数据的逻辑独立性 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，
12、用户程序也可以不变。,4.数据库系统通过DBMS进行数据安全性、完整性、并发控制和数据恢复控制数据的安全性（Security）保护使每个用户只能按指定方式使用和处理指定数据，保护数据以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。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。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。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。,5.数据库中数据的最小存取单位是数据项,1.3 数据库系统的结构 1.3.1 数据库系统的体系结构,1.数据
13、库系统需要的硬件资源及对硬件的要求,持数据库系统的计算机硬件资源包括CPU、内存、外存及其他外部设备。1)计算机内存要尽量大。2)计算机外存也要尽量大。3)计算机的数据传输速度要快。,2.数据库系统的软件组成,软件中包括操作系统（OS）、数据库管理系统（DBMS）、主语言系统、应用程序软件和数据库。,3.数据库系统的人员组成及数据库管理员的职责,数据库系统的人员由软件开发人员、软件使用人员及软件管理人员组成。软件管理人员称为数据库管理员（Data Base Administrator，简称DBA），职责为：1)DBA应参与数据库和应用系统的设计。2)DBA应参与决定数据库的存储结构和存取策略的
14、工作。3)DBA要负责定义数据的安全性要求和完整性条件。4)DBA负责监视和控制数据库系统的运行，负责系统的维护和数据恢复工作。5)DBA负责数据库的改进和重组。,1.3.2 数据库管理系统的功能结构,1.数据定义功能,2.数据操纵功能,3.数据库的建立和维护功能,4.数据库的运行管理功能,1.3.3 数据库系统的三级数据模式结构,数据库的三级模式是指逻辑模式、外模式（子模式）、内模式（物理模式）。,1.数据库的三级模式结构,(1)逻辑模式（Schema）及概念数据库,逻辑模式是对数据库中数据的整体逻辑结构和特征的描述。以逻辑模式为框架的数据库为概念数据库。(2)外模式（External Sc
15、hema）及用户数据库外模式也称子模式（Subschema），它是对各个用户或程序所涉及到的数据的逻辑结构和数据特征的描述。以子模式为框架的数据库为用户数据库。,(3)内模式（Internal Schema）及物理数据库内模式也叫存储模式（Access Schema）或物理模式（Physical Schema），它是数据的内部表示或底层描述。以物理模式为框架的数据库为物理数据库。,2.数据库系统的二级映象技术及作用,1)外模式/模式的映象：定义并保证了外模式与数据模式之间的对应关系。2)模式/内模式的映象及作用：定义并保证了数据的逻辑模式与内模式之间的对应关系。,数据库系统模式的概念,“型”和
16、“值”的概念型（Type）对某一类数据的结构和属性的说明值（Value）是型的一个具体赋值例如：学生记录记录型：（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）该记录型的一个记录值：（900201，李明，男，计算机，22，江苏）,数据库系统模式的概念（续）,模式的概念模式（Schema）数据库逻辑结构和特征的描述是型的描述反映的是数据的结构及其联系模式是相对稳定的,数据库系统模式的概念（续）,模式的概念（续）模式的一个实例（Instance）模式的一个具体值反映数据库某一时刻的状态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,数据库系统的三级模式结构,数据库,1模式（Schema）,模式（也
17、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模式的定义数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）数据之间的联系数据有关的安全性、完整性要求,2.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，是与某一应用有关的数据的逻辑表示,外模式（续）,外模式的地位：介于模式与应用之间模式与外
18、模式的关系：一对多外模式通常是模式的子集一个数据库可以有多个外模式。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同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同外模式与应用的关系：一对多同一外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（续）,外模式的用途保证数据库安全性的一个有力措施。每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据保证数据独立性的一个有力措施。,3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
19、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,三级模式与二级映象,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,二级映象功能,1外模式模式映象2模式内模式映象,1外模式模式映象,什么是外模式模式映象定义外模式与模式之间的对应关系每一个外模式都对应一个外模式模式映象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）,外模式模式映象的用途：保证数据的逻辑独立性当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式模式映象，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模式内模式映象,什么是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）,模式内模式映象的用途：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，使模式保持不变应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。,
