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1、2023/6/29,1,数据库技术,教师：凌咏红 武汉理工大学计算机学院,2023/6/29,2,第1章 数据库系统概述,2023/6/29,3,1.1 概述,1.1.1 数据与信息一、信息（Information）二、数据(Data)数据是用来记录信息的可识别的符号，是信息的具体表现形式。三、数据与信息的联系数据是信息的符号表示或载体，信息则是数据的内涵，是对数据的语义解释。,2023/6/29,4,四、数据处理数据处理是将数据转换成信息的过程，包括对数据的收集、存储、加工、检索、传输等一系列活动。其目的是从大量的原始数据中抽取和推导出有价值的信息，作为决策的依据。可用下式简单的表示信息、数
2、据与数据处理的关系：信息=数据+数据处理数据是原料，是输入，而信息是产出，是输出结果。“信息处理”的真正含义应该是为了产生信息而处理数据。,2023/6/29,5,1.1.2 数据库、数据库管理系统、数据库系统,一、数据库（Database，简称DB）数据库是长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。二、数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）,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。,三、数据库系统（Database System，简称DBS）,数据库系统是指在计算机系统中引入数据库后的系统构成，一般由数据库、数据库管理系
3、统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员和用户构成。,2023/6/29,6,数据库系统管理数据的特点如下：1.数据共享性高、冗余少这是数据库系统阶段的最大改进，数据不再面向某个应用程序而是面向整个系统，当前所有用户可同时存取库中的数据。这样便减少了不必要的数据冗余，节约存储空间，同时也避免了数据之间的不相容性与不一致性。2.数据结构化按照某种数据模型，将全组织的各种数据组织到一个结构化的数据库中，整个组织的数据不是一盘散沙，可表示出数据之间的有机关联。,2023/6/29,7,3.数据独立性高数据的独立性是指逻辑独立性和物理独立性。数据的逻辑独立性是指当数据的总体逻辑结构改变时，数据的局部
4、逻辑结构不变，由于应用程序是依据数据的局部逻辑结构编写的，所以应用程序不必须修改，从而保证了数据与程序间的逻辑独立性。例如，在原有的记录类型之间增加新的联系，或在某些记录类型中增加新的数据项，均可确保数据的逻辑独立性。数据的物理独立性是指当数据的存储结构改变时，数据的逻辑结构不变，从而应用程序也不必改变。,2023/6/29,8,4.有统一的数据控制功能数据库为多个用户和应用程序所共享，对数据的存取往往是并发的，即多个用户可以同时存取数据库中的数据，甚至可以同时存取数据库中的同一个数据，为确保数据库数据的正确有效和数据库系统的有效运行，数据库管理系统提供下述四方面的数据控制功能。（1）数据的安
5、全性（security）控制：防止不合法使用数据造成数据的泄露和破坏，保证数据的安全和机密；例如，系统提供口令检查或其他手段来验证用户身份，防止非法用户使用系统；也可以对数据的存取权限进行限制，只有通过检查后才能执行相应的操作。,2023/6/29,9,（2）数据的完整性(integrity)控制：系统通过设置一些完整性规则以确保数据的正确性、有效性和相容性。正确性是指数据的合法性，如年龄属于数值型数据，只能含0,1,9，不能含字母或特殊符号；有效性是指数据是否在其定义的有效范围，如月份只能用112之间的正整数表示；相容性是指表示同一事实的两个数据应相同，否则就不相容，如一个人不能有两个性别。
6、（3）并发（concurrency）控制：多用户同时存取或修改数据库时，防止相互干扰而提供给用户不正确的数据，并使数据库受到破坏。,2023/6/29,10,（4）数据恢复（recovery）：当数据库被破坏或数据不可靠时，系统有能力将数据库从错误状态恢复到最近某一时刻的正确状态。数据库系统阶段，程序与数据之间的关系可用图1.1表示。,图1.1 数据库系统阶段,2023/6/29,11,1.2 数据模型,1.2.1 数据模型的组成要素1.数据结构,（静态特性）,2.数据操作（动态特性）,3.数据的约束条件,2023/6/29,12,二、信息世界中的基本概念1.实体（Entity）2.属性(At
7、tributes)3.实体型（Entity Type）4.实体集(Entity Set)5.键（Key）6.域（Domain）7.联系（Relationship）,2023/6/29,13,两个实体型之间的联系：（1）一对一联系（1:1）（2）一对多联系（1:n）（3）多对多（m:n）,2023/6/29,14,实际上，一对一联系是一对多联系的特例，而一对多联系又是多对多联系的特例。可以用图形来表示两个实体型之间的这三类联系A B A B A B(a)(b)(c)图1.3 不同实体集实体之间的联系,2023/6/29,15,三、计算机世界中的基本概念信息世界中的实体抽象为计算机世界中的数据，存
8、储在计算机中。在计算机世界中，常用的主要概念：1.字段（Field）2.记录（Record）3.文件（File）,2023/6/29,16,现实世界是设计数据库的出发点，也是使用数据库的最终归宿。实体模型和数据模型是现实世界事物及其联系的两级抽象。而数据模型是实现数据库系统的根据。三个世界中各术语的对应关系如图1.4所示。现实世界信息世界 计算机世界事物总体实体集 文件事物个体实体 记录特征属性 字段事物间联系实体模型 数据模型 图1.4三个世界各术语的对应关系,2023/6/29,17,1.2.3 E-R模型的结构,实体-联系模型也称为E-R图（1）实体集:（2）属性:（3）联系集:,202
9、3/6/29,18,课程、学生和已开课程的联系的E-R模型,2023/6/29,19,1.2.3.2 几种特殊的实体联系的表示,（）表示两个以上的实体集之间的联系。例如，一个售货员（Salesperson）可以将多种商品（Goods）售给一个顾客（Customer），而一个售货员也可以将一种商品售给多个顾客；一个顾客的一种商品可以由多个售货员经售。售货员、商品和顾客三个实体集之间的联系是多对多的三元联系，其E-R模型表示见图1.11,2023/6/29,20,表示三个以上的实体集之间的联系,2023/6/29,21,（2）表示一个实体集内部的联系例如，雇员（EMP）这个实体集中，总经理下设多个
10、部门经理，而部门经理下面有多个雇员。因此，雇员这个实体集中实体之间存在一对多的联系，其E-R模型如图1.12所示。（3）表示二个实体集之间的多种联系例如，雇员（EMP）和设备（EQUIP）之间可以有多种联系，一种联系是一个设备可以由多个雇员操作(operation)，另一种联系是一个雇员可以维修(maintain)多个设备，其E-R模型如图1.13所示。,2023/6/29,22,2023/6/29,23,1.2.3.3 作E-R图的步骤,（）确定实体和实体的属性（）确定实体之间的联系及联系的类型（）给实体和联系加上属性,2023/6/29,24,划分实体及其属性的两个参考原则：1、作为实体属
11、性的事物本身没有再需要刻画的特征而且和其它实体没有联系。2、属性的一个值可以和多个实体对应，而不是相反。尽管E-R模型中的属性可以是单值属性也可以是多值属性，为简单计，多值属性常常被作为多个属性或作为一个实体（见第6章弱实体）。,2023/6/29,25,例如，职工和部门，一般情况下，一个部门有多个职工，而一个职工仅属于一个部门。所以职工应作为实体，而部门既可作为职工的属性部门本身仅有一个名称；也可以作为实体部门具有部门号、部门名称及电话等，如图1.14所示,职工,2023/6/29,26,划分实体和联系也有一个参考原则：,当描述发生在实体集之间的行为时，最好采用联系集。例如，读者和图书之间的
12、借、还书行为，顾客和商品之间的购买行为，均应该作为联系集。如何划分联系的属性：一是发生联系的实体的标识属性应作为联系的缺省属性，二是和联系中的所有实体都有关的属性。例如，学生和课程的选课联系中的成绩属性，顾客、商品和雇员之间的销售联系中的商品的数量等。,2023/6/29,27,工种,职工,2023/6/29,28,四、数据模型的分类目前最常用的数据模型层次模型（Hierarchical Model）网状模型（Network Model）关系模型（Relational Model）。,2023/6/29,29,（一）.关系模型1970年美国IBM公司的研究员E.F.Codd首次提出了数据库系统
13、的关系模型。他发表了题为“大型共享数据银行数据的关系模型”（A Relation Model of Data for Large Shared Data Banks）,他为此获得了1981年的图灵奖。1977年IBM公司研制的关系数据库的代表System R开始运行，其后又进行了不断的改进和扩充，出现了基于System R的数据库系统SQL/DB。,2023/6/29,30,常见数据库管理系统FoxproAccessOracleInformixSybaseDB2SQL Server,2023/6/29,31,1.关系模型的基本概念（1）关系（Relation）（2）元组（Tuple）（3）属性
14、（Attribute）（4）关键字（Key）（5）域（Domain）（6）分量（7）关系模式,2023/6/29,32,T（教师表）,2023/6/29,33,S（学生表）,2023/6/29,34,C（课程表）,2023/6/29,35,SC（选课表）TC（授课表）,2023/6/29,36,在关系模型中，实体是用关系来表示的，如：学生（学号，姓名，性别，年龄，系别）课程（课程号，课程名，课时）实体间的关系也是用关系来表示的，如:学生和课程之间的关系选课关系（学号，课程号，成绩）,2023/6/29,37,2.关系模型的数据操纵与完整性约束数据操纵主要包括查询、插入、删除和修改数据，这些操作
15、必须满足关系的完整性约束条件，即实体完整性、参照完整性和用户定义的完整性。在非关系模型中，操作对象是单个记录，而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，即若干元组的集合；用户只要指出“干什么”，而不必详细说明“怎么干”，从而大大地提高了数据的独立性，提高了用户的生产率。,2023/6/29,38,3、关系模型的优缺点优点：（1）与非关系模型不同，它有较强的数学理论根据。（2）数据结构简单、清晰，用户易懂易用，不仅用关系描述实体，而且用关系描述实体间的联系。（3）关系模型的存取路径对用户透明，从而具有更高的数据独立性、更好的安全保密性，也简化了程序员的工作和数据库建立和开发的
16、工作。缺点：由于存取路径对用户透明，查询效率往往不如非关系模型，因此，为了提高性能，必须对用户的查询表示进行优化，增加了开发数据库管理系统的负担。,2023/6/29,39,1.3 数据库系统的组成和结构,1.3.1 数据库系统的组成数据库系统通常是指数据库和相应的软硬件系统。主要由硬件、软件、数据（库）、用户组成。一、硬件（Hardware）数据库服务器客户端机器,2023/6/29,40,二、软件(Software)操作系统数据库管理系统应用开发工具数据库应用程序三、数据（库）,2023/6/29,41,四、用户用户是指使用数据库的人，即对数据库的存储、维护和检索等操作。终端用户（End
17、User）应用程序员（Application Programmer）3.数据库管理员（Dadabase Administrator，简称DBA）,2023/6/29,42,DBA的主要职责：（1）参与数据库设计的全过程，决定数据库的结构和内容；（2）定义数据的安全性和完整性，负责分配用户对数据库的使用权限和口令管理；（3）监督控制数据库的使用和运行，改进和重新构造数据库系统。（4）当数据库受到破坏时，应负责恢复数据库；当数据库的结构需要改变时，完成对数据结构的修改。,2023/6/29,43,数据库系统层次结构图如下图由上图看出：DBMS在操作系统（OS）的支持下工作，应用程序在DBMS支持下
18、才能使用数据库。,2023/6/29,44,1.4.数据库系统的结构可以从多种不同的角度考查数据库系统的结构。从数据库管理系统的角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，这是数据库系统内部的体系结构；从数据库最终用户的角度看，数据库系统的结构分为集中式结构、分布式结构和客户/服务器结构，这是数据库系统外部的体系结构。,2023/6/29,45,一、数据库系统的三级模式结构1.模式2.外模式3.内模式,2023/6/29,46,图 1.5 数据库系统的三级模式结构,2023/6/29,47,4.三级结构的优点（1）保证数据的独立性。将模式和内模式分开，保证了数据的物理独立性；将外模式和模式分开，保
19、证了数据的逻辑独立性。（2）简化了用户接口。按照外模式编写应用程序或敲入命令，而不需了解数据库内部的存储结构，方便用户使用系统。（3）有利于数据共享。在不同的外模式下可有多个用户共享系统中数据，减少了数据冗余。（4）利于数据的安全保密。在外模式下根据要求进行操作，不能对限定的数据操作，保证了其他数据的安全。,2023/6/29,48,二、数据库系统的二级映象1.模式/内模式映象数据库中的模式和内模式都只有一个，所以模式/内模式映象是唯一的。它确定了数据的全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。2.外模式/模式映象数据库中的同一模式可以有任意多个外模式，对于每一个外模式，都存在一个外模式/模式映象
20、。它确定了数据的局部逻辑结构与全局逻辑结构之间的对应关系。,2023/6/29,49,1.5 数据库管理系统（DBMS）,数据库管理系统是对数据进行管理的大型系统软件，它是数据库系统的核心组成部分，用户在数据库系统中的一切操作，包括数据定义、查询、更新及各种控制，都是通过DBMS进行的。DBMS就是实现把用户意义下的抽象的逻辑数据处理转换成计算机中的具体的物理数据的处理软件，这给用户带来很大的方便。,2023/6/29,50,1.4.1 DBMS的主要功能 1.数据定义DBMS提供数据定义语言DDL（Data Define Language），定义数据的模式、外模式和内模式三级模式结构，定义模
21、式/内模式和外模式/模式二级映象，定义有关的约束条件，例如，为保证数据库安全而定义的用户口令和存取权限，为保证正确语义而定义完整性规则。2.数据操纵DBMS提供数据操纵语言DML（Data Manipulation Language）实现对数据库的基本操作，包括检索、插入、修改、删除等。SQL语言就是DML的一种。,2023/6/29,51,3.数据库运行管理数据的安全性控制数据的完整性控制多用户环境下的并发控制数据库的恢复以确保数据正确有效和数据库系统的正常运行。4.数据库的建立和维护功能包括数据库的初始数据的装入，数据库的转储、恢复、重组织，系统性能监视、分析等功能。5.数据通信DBMS提
22、供与其他软件系统进行通信的功能。实现用户程序与DBMS之间的通信，通常与操作系统协调完成。,2023/6/29,52,1.4.2 DBMS的组成DBMS是许多“系统程序”所组成的一个集合。每个程序都有自己的功能，共同完成DBMS的一件或几件工作。1.语言编译处理程序（1）数据定义语言DDL及其编译程序它把用DDL编写的各级源模式编译成各级目标模式，这些目标模式是对数据库结构信息的描述，而不是数据本身，它们被保存在数据字典中，供以后数据操纵或数据控制时使用。（2）数据操纵语言DML及其编译程序，实现对数据库的基本操作。DML有两类，一类是宿主型，嵌入在高级语言中，不能单独使用；另一类是自主型或自
23、含型，可独立地交互使用。,2023/6/29,53,2.系统运行控制程序，主要包括以下几部分：系统总控程序：是DBMS运行程序的核心，用于控制和协调各程序的活动；安全性控制程序：防止未被授权的用户存取数据库中的数据；完整性控制程序：检查完整性约束条件，确保进入数据库中的数据的正确性、有效性和相容性；并发控制程序：协调多用户、多任务环境下各应用程序对数据库的并以操作，保证数据的一致性；数据存取和更新程序：实施对数据库数据的检索、插入、修改、删除等操作；通信控制程序：实现用户程序与DBMS间的通信。,2023/6/29,54,3.系统建立、维护程序，主要包括以下几部分：装配程序：完成初始数据库的数
24、据装入；重组程序：当数据库系统性能变坏时（如查询速度变慢），需要重新组织数据库，重新装入数据；系统恢复程序：当数据库系统受到破坏时，将数据库系统恢复到以前某个正确的状态。4.数据字典（Data Dictionary，简称DD）用来描述数据库中有关信息的数据目录，包括数据库的三级模式、数据类型、用户名、用户权限等有关数据库系统的信息，起着系统状态的目录表的作用，帮助用户、DBA、DBMS本身使用和管理数据库。,2023/6/29,55,1.4.3 DBMS的数据存取的过程在数据库系统中，DBMS与操作系统、应用程序、硬件等协同工作，共同完成数据各种存取操作，其中DBMS起着关键的作用。DBMS对
25、数据的存取通常需要以下四步：1.用户使用某种特定的数据操作语言向DBMS发出存取请求；2.DBMS接受请求并解释；3.DBMS依次检查外模式、外模式/模式映象、模式、模式/内模式映象及存储结构定义；4.DBMS对存储数据库执行必要的存取操作；上述存取过程中还包括安全性控制、完整性控制，以确保数据的正确性、有效性和一致性。,2023/6/29,56,1.5 数据库技术的研究领域数据库学科的研究范围主要包括以下三个领域:1.数据库管理系统软件的研制DBMS是数据库系统的基础。DBMS 的研制包括研制 DBMS 本身及以 DBMS 为核心的一组相互联系的软件系统，包括工具软件和中间件。研制的目标是提
26、高系统的性能和提高用户的生产率。2.数据库设计数据库设计的研究范围包括：数据库的设计方法、设计工具和设计理论的研究，数据模型和数据建模的研究，计算机辅助数据库设计及其软件系统的研究，数据库设计规范和标准的研究等。,2023/6/29,57,3.数据库理论数据库理论的研究主要集中于关系规范化理论、关系数据理论等。近年来，随着人工智能与数据库理论的结合以及并行计算技术的发展，数据库逻辑演绎和知识推理、并行算法等都成为新的研究方向。随着数据库应用领域的不断扩展，计算机技术的迅猛发展，数据库技术与人工智能技术、网络通信技术、并行计算技术等到相互渗透、相互结合，使数据库技术不断涌现新的研究方向。,2023/6/29,58,本章概述了信息、数据与数据处理的基本概念，介绍了数据管理技术发展的三个阶段，说明了数据库系统的优点。通过介绍数据库系统的组成，DBMS的功能与组成，了解数据库系统实质是一个人机系统，人的作用特别是DBA的作用非常重要。数据库系统的三级模式和二级映象保证了数据库系统的逻辑独立性和物理独立性。另外介绍了三种数据模型的区别，其中关系模型为广泛应用。,小 结,
