一章数据库系统概述.ppt

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1、2023/7/14,1,主讲人 徐万万,数据库及其应用系统开发,Access 2003,张迎新 主编,2023/7/14,2,第一章,数据库系统概述,2023/7/14,3,1.1 数据处理,数据处理技术的发展阶段 人工管理阶段 文件系统阶段 数据库系统阶段 分布式数据库系统 面向对象数据库系统,2023/7/14,4,1.2.1 数据库 数据库（Database，简称为DB）是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的、统一管理的相关数据的集合。,1.2 数据库基本概念,2023/7/14,5,1.2.2 数据库管理系统 1、数据库管理系统（Database Management System，

2、简称DBMS）是位于用户与数据库之间的一个数据管理软件。即用户不能直接接触数据库，只能通过DBMS来操作数据库。,2023/7/14,6,2数据库管理系统的功能,(1)数据定义功能DBMS提供了数据描述语言(Data Description Language，DDL)来定义数据库的结构、数据之间的联系等。(2)数据操纵功能DBMS提供了数据操纵语言(Data Manipulation Language，DML)来完成用户对数据库提出的各种操作要求，实现数据的插入、检索、删除、修改等任务。,2023/7/14,7,(3)数据库运行管理DBMS可以完成对数据库的安全性控制、完整性控制、多用户环境下

3、的并发控制等。(4)数据库维护功能DBMS还可以对已经建立好的数据库进行维护，比如数据字典的自动维护，数据库的备份、恢复等。(5)数据库通信功能DBMS应提供网络环境的数据库通信功能。,2023/7/14,8,1数据库系统的概念数据库系统（DataBase System，简称DBS）是指采用了数据库技术的计算机应用系统。实际上是一个集合体。,1.2.3 数据库系统,2023/7/14,9,(1)数据库(2)数据库管理系统（核心组成部分）(3)计算机硬件、软件（操作系统及各种配套实用程序）环境(4)管理和使用数据库系统的人员，可以分为四类：终端用户、应用程序员、系统分析员、数据库管理员,数据库系

4、统通常由四个部分组成：,2023/7/14,10,终端用户:（End User）按照用户需求信息及获得信息方式的不同，可将终端用户分为操作层、管理层和决策层，他们通过应用系统的用户接口使用数据库。应用程序员:（Application Programmer）应用程序员根据数据库系统的功能需求，设计和编写应用系统的程序模块，并参与对程序模块的测试。系统分析员:系统分析员是数据库系统建设期的主要参与人员，负责应用系统的需求分析和规范说明，确定系统的基本功能，数据库结构和应用程序的设计，以及软硬件的配置，并组织整个系统的开发。数据库管理员:（Dadabase Administrator）简称DBA。全

5、面负责建立、维护、管理和控制数据库系统。,2023/7/14,11,数据冗余度低、共享性高。数据独立性高。数据的独立性包括逻辑独立性和物理独立性。(见下页),2、数据库系统的特点,2023/7/14,12,数据的逻辑独立性指当数据的总体逻辑结构改变时，数据的局部逻辑结构不变，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关系，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。,2023/7/14,13,数据的物理独立性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。例如：改

6、变存储设备和增加新的存储设备，或改变数据的存储组织方式，均可确保数据的物理独立性。,2023/7/14,14,有统一的数据控制功能。数据的安全性（security）控制 数据的完整性(integrity)控制 并发（concurrency）控制 数据恢复（recovery）,2023/7/14,15,三个概念：数据库、数据库管理系统、数据库系统是三个不同的概念。数据库强调的是数据，数据库管理系统是管理数据库的工具软件，数据库系统强调的则是一个整体系统。,2023/7/14,16,根据美国标准化协会和标准计划与需求委员会(ANSI/SPARS)提出的建议，数据库系统的内部体系结构是三级模式结构：

7、分别为模式、外模式和内模式。,1.3 数据库系统的体系结构,2023/7/14,17,1、模式一个数据库只有一个模式！也称为概念模式。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，是建立数据库的依据。定义模式时不仅要定义数据的逻辑结构（例如：数据记录由哪些数据项构成，数据项的名字、类型、取值范围等），而且要定义与数据有关的安全性、完整性要求，还定义这些数据之间的联系。,2023/7/14,18,2、外模式 也称子模式或用户模式。它是数据库用户（包括应用程序员和最终用户）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数据的逻辑表示。,

8、2023/7/14,19,3、内模式 也称存储模式或物理模式。它是数据物理结构和存储结构的描述，是数据在存储介质上的保存方式。例如：记录的存储方式是顺序存储、还是按照B树结构存储；索引按照什么方式组织；数据是否压缩存储，是否加密等。一个数据库只有一个内模式！,2023/7/14,20,三个模式反映了数据库的三种不同层面 模式：表示了概念级数据库，体现了数据库操作的接口层；内模式：表示了物理级数据库，体现了数据库操作的存储层；外模式：表示了用户级数据库，体现了数据库操作的用户层。,2023/7/14,21,2023/7/14,22,这里以职工管理数据库为例，进一步说明三级模式和数据库的三种层面，

9、以此加深理解。（见P6）,2023/7/14,23,(1)某单位建立职工管理数据库，包含职工基本情况和工资情况，如表所示的两张二维表，把它们看作是从物理数据库中抽象出来的概念数据库。,2023/7/14,24,(2)在数据库中，需了解“文化程度”是“大专”的职工基本情况（左）；需了解职工的岗位工资情况（右）。把它们（查询结果）看作是用户数据库，是概念数据库的一个个子集。,(3)存储在存储介质上的职工数据库就是物理数据库。,2023/7/14,25,4、模式间的映射 三级模式之间的联系是通过二级映射来实现的。实际的转换工作由数据库管理系统来完成。,2023/7/14,26,(1)外模式模式映射定

10、义了外模式与模式之间的对应关系。当模式改变时，由数据库管理员对各个外模式模式的映射作相应改变，可以使外模式保持不变，从而应用程序不必修改，保证了数据的逻辑独立性。,2023/7/14,27,(2)模式内模式映射模式内模式映射是唯一的，它定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。当数据库的存储结构改变了（例如：采用了更先进的存储结构），由数据库管理员对模式内模式映射作相应改变，可以使模式保持不变，从而保证了数据的物理独立性。,2023/7/14,28,1.4 数据模型,模型是对客观世界中复杂对象的抽象描述。例如：航模、车模。在数据库中用数据模型这个工具来描述现实世界中数据的结构、性质之间的

11、联系等。数据模型分成两个不同的层次：概念模型和实施模型（也称数据模型）,2023/7/14,29,计算机不能直接处理现实世界中的具体事物，首先将现实世界的事物及联系抽象成信息世界的概念模型;然后再抽象成计算机世界的数据模型。这一转换经历了现实世界、信息世界和计算机世界三个不同的世界。,2023/7/14,30,现实世界 现实世界中的事物由它的性质来表征。例如：学校教学管理系统中，学院、系部、教师、班级、学生、课程是主要构成元素。现实世界中事物与事物之间并非孤立，而是存在一定联系的。例如：教师授课、学生选课，教师、学生、课程是相互关联的。,1.4.1 现实世界、信息世界和计算机世界,2023/7

12、/14,31,信息世界 信息世界是对现实世界中事物及事物之间联系的抽象描述。例如：一个教师用编号、姓名、性别、职称、学历等来表征；一门课程用课程编号、课程名称、学时、学分、课程性质等来表征。计算机世界 计算机世界是将信息世界中的事物数据化后存入计算机系统。,2023/7/14,32,1.4.2 概念模型,概念模型用于信息世界的建模，也称信息模型。它是按用户的观点，在概念上表示数据库中存储什么事物以及事物之间的联系，而不管事物和联系如何在数据库中存储。,2023/7/14,33,1、概念模型中的基本概念(1)实体 客观存在并可相互区别的事物称为实体。实体可以是具体的人、事、物，也可以是抽象的概念

13、或联系。例如：一个学生，一门课，一辆汽车；也可以是抽象的事件，如一堂课，一次比赛等。,2023/7/14,34,(2)属性 实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。例如：一个学生实体有学号、姓名、年龄、性别、班级等方面的属性。属性有型和“值”之分，型即为属性名，如姓名、年龄是属性的型；“值”即为属性的具体内容。,2023/7/14,35,(3)键（主键）唯一标识实体的属性或属性集称为键。例如：学号可以作为学生实体的键，但学生姓名可能有重名，因此不能作为学生实体的键。(4)域 属性的取值范围称为该属性的域。例如：学号的域为10位整数，姓名的域为字符串集合，性别的域为男和女。

14、,2023/7/14,36,(5)实体型 若干个属性型组成的集合是一实体型。例如：学生（学号，姓名，年龄，性别，所在系）就是一个实体型。(6)实体集 同型实体的集合称为实体集。例如：所有的学生、所有的课程等。,2023/7/14,37,(7)联系 现实世界中事物内部以及事物之间是有联系的，在信息世界中反映为实体内部的联系和实体之间的联系。实体内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系。实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系。,2023/7/14,38,2、两个实体间联系的类型(1)一对一联系（1:1）实体集A中的一个实体至多与实体集B中的一个实体相对应，反之亦然，则称实体集A与实体集B为

15、一对一的联系，记作1:1。例如：一个班级只有一个班长，一个班长只能管理一个班级。,2023/7/14,39,(2)一对多联系（1:n）如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有多个实体与之对应，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对应，则称实体集A与实体B有一对多联系，记为1:n。例如：学校的一个系有多名教师，而一个教师只属于一个系。,2023/7/14,40,(3)多对多联系（m:n）如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有多个实体与之对应，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有多个实体与之对应，则称实体集A与实体B具有多对多联系，记为m:n。例如

16、：一个学生可以选修多门课程，一门课程可以被多名学生选修。,2023/7/14,41,3、实体-联系（Entity-Relationship）方法 实体-联系方法是最广泛使用的概念模型设计方法，该方法用E-R图来描述现实世界的概念模型。,2023/7/14,42,E-R图提供了表示实体型、属性和联系的方法(1)实体型：用矩形表示，矩形框内写明实体名。(2)属性：用椭圆形表示，并用连线将其与相应的实体连接起来。(3)联系：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用连线分别与有关实体连接起来，同时在连线旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n）。,2023/7/14,43,E-R图,2023/7/14,4

17、4,1.4.3 实施模型,概念模型是“概念”上的，而实施模型是按计算机系统的观点对数据建模，与具体的数据库管理系统有关，侧重于数据和联系的表示或存储方法。实施模型主要有层次模型、网状模型、关系模型，这三种数据模型的区别在于数据结构不同，即实体之间联系的表示方式不同。,2023/7/14,45,层次模型：用“树结构”来表示实体之间的联系；网状模型：用“图结构”来表示实体之间的联系；关系模型：用“二维表”来表示实体之间的联系。关系模型建立在严格的数学概念基础上，结构简单、清晰。因此，是数据模型的主流。,2023/7/14,46,1.5 关系数据库,1.5.1 关系模型和基本术语 1、关系模型 关系

18、模型的数据结构是一个“二维表框架”组成的集合，每个二维表又可称为关系，由行和列组成。,2023/7/14,47,2、关系术语(1)关系 一个关系就是一张二维表。(2)元组 表中第二行开始的每一行称为“元组”，即通常所说的“记录”，是构成关系的一个个实体。(3)属性 二维表中的一列即为一个属性，又称为字段，第一行列出的是属性名（字段名）。,2023/7/14,48,即“关系”是“元组”的集合，“元组”是属性值的集合。一个关系模型中的数据就是这样逐行逐列组织起来的。(4)域 属性的取值范围。(5)分量 元组中的一个属性值。关系模型要求关系必须是规范化的，最基本的条件就是，关系的每一个分量必须是一个

19、不可再分的数据项，即不允许表中还有表。,2023/7/14,49,(6)关系模式 对关系的描述，一般表示为：关系名（属性1，属性2，属性n）(7)关系数据库 对应于一个关系模型的所有关系的集合称为关系数据库。(8)候选关键字 关系中的某个属性组（一个或几个属性的集合），它可以唯一标识一个元组，这个属性组称为候选关键字。,2023/7/14,50,(9)主关键字 一个关系中有多个侯选关键字，可以选择其中一个作为主关键字，也称为主码或主键。(10)外部关键字 如果一个属性组不是所在关系的关键字，但是其他关系的关键字，则该属性组称为外部关键字，也称为外码或外键。(11)主属性 包含在任一候选关键字中

20、的属性称为主属性。,2023/7/14,51,1.5.2关系的数学定义,1、域 域是一组具有相同数据类型的值的集合。例如：教师职称的集合助教，讲师，副教授，教授就是一个域。,2023/7/14,52,2、笛卡儿积D1，D2，Dn为一组域，那么D1，D2，Dn的笛卡儿积为：D1D2Dn(d1，d2，dn)|diDi，i=1，2，n 其中每一个元素(d1，d2，dn)叫做一个n元组或简称元组，元组中的每一个值di叫做一个分量。,2023/7/14,53,例如：设D1=张三，李四，王五，赵六 D2=讲师，教授则D1D2=(张三,讲师),(张三,教授),(李四,讲师),(李四,教授),(王五,讲师),

21、(王五,教授),(赵六,讲师),(赵六,教授)笛卡儿积实际上就是一张二维表。,2023/7/14,54,3、关系的定义笛卡儿积D1D2Dn的任何一个子集称为D1，D2，Dn上的一个n 元关系。关系是笛卡儿积的有限子集，所以关系也是一个二维表。,2023/7/14,55,4、关系的性质 关系是一个二维表，但并不是所有的二维表都是关系。,2023/7/14,56,关系应具有以下性质：1)每一列中的分量是同一类型的数据，来自同一个域。2)不同的列要给予不同的属性名。3)列的顺序无所谓，即列的次序可以任意交换。4)任意两个元组不能完全相同。5)行的顺序无所谓，即行的次序可以任意交换。6)每一个分量都必

22、须是不可再分的数据项。,2023/7/14,57,1.5.3 关系模型的完整性约束,关系模型的完整性约束包括实体完整性、参照完整性和用户定义完整性。其中实体完整性和参照完整性统称为关系完整性规则，是对关系主键和外键的约束条件。,2023/7/14,58,1、实体完整性 实体完整性规则：若属性A是基本关系R的主属性，则属性A不能取空值。例1：学生关系：学生（学号，姓名，性别，班级）其中学号是主关键字，因此不能为空值，不能有重复值。,2023/7/14,59,1、实体完整性例2：学生选课关系：学生选课（学号，课程编号，学年，学期，成绩）其中学号和课程编号共同构成主关键字，因此学号和课程编号都不能为

23、空值，而且学号和课程编号这个整体不能有重复值。,2023/7/14,60,2、参照完整性 参照完整性规则：若属性（或属性组）F是基本关系R的外键，它与关系S的主关键字K相对应，则对于关系R中每个元组在F上的值必须为：或者取空值（F的每个属性值均为空值）；或者等于S中某个元组的主关键字的值。,2023/7/14,61,2、参照完整性例1：“班级编号”是班级表的主键、学生表的外键。学生表中的“班级编号”必须是班级表中一个存在的值，或者是空值。例2：“学院代码”是学院表的主键、系部表的外键。系部表中的“学院代码”必须是学院表中一个存在的值，或者是空值。,2023/7/14,62,3、用户定义的完整性

24、 实体完整性和参照完整性是关系数据模型必须要满足的。而用户定义的完整性是与应用密切相关的数据完整性的约束，不是关系数据模型本身所要求的。它的作用是保证数据库中数据的正确性。例如：限定属性的取值范围。学生成绩的取值必须在0100，学院代码的取值必须在0099。,2023/7/14,63,1.6 关系代数,关系代数是一种抽象的查询语言，是关系数据操纵语言的一种传统表达方式，它是用对关系的运算来表达查询要求的。关系代数的运算对象是关系，运算结果也是关系。关系代数的运算可以分为两大类：传统的集合运算和专门的关系运算。,2023/7/14,64,1.6.1 传统的集合运算,设R和S均是n元关系（元数相同

25、），且两个关系属性的性质相同。下面以教师A（如表1-5）和教师B（如表1-6）两个关系为例，来说明传统的集合运算：并运算、交运算和差运算。（P14）,2023/7/14,65,1、并运算,两个关系的并运算记作RS，运算结果是将两个关系的所有元组组成一个新的关系，若有完全相同的元组，只留下一个。（见P14）,2023/7/14,66,2、交运算,两个关系的交运算记作RS，运算结果是两个关系中公共元组组成一个新的关系。,2023/7/14,67,3、差运算,两个关系的差运算记作RS，运算结果是由属于R，但不属于S的元组组成一个新的关系。,2023/7/14,68,4、集合的广义笛卡儿积运算,设R和

26、S是两个关系，如果R是m元关系，有i个元组，S是n元关系，有j个元组，则笛卡儿积RS是一个m+n元关系，有ij个元组。,2023/7/14,69,1.6.2 专门的关系运算,在关系代数中，有4种专门的关系运算：选择、投影、连接和除运算。,2023/7/14,70,1.6.2 专门的关系运算,1、选择运算 从指定的关系中选择出满足指定条件的元组组成一个新关系。通常选择运算符记作：（R），其中，是选择运算符，R是关系名。例如：选出性别为“男”的教师名单，记成：性别=男（教师A）,2023/7/14,71,2、投影运算 从指定关系中选择某些属性的所有值组成一个新关系，通常投影运算符记作：A（R）。其

27、中是投影运算符，A是被投影的属性或属性组。例如：列出所有教师的姓名、性别，记成：姓名，性别（教师A）,2023/7/14,72,3、连接运算 用来连接相互之间有联系的两个或多个关系，从而组成一个新的关系。连接运算是一个复合型的运算，包含了笛卡儿积、选择和投影3种运算。通常记作：RS。,2023/7/14,73,3、连接运算 每一个连接操作都包括一个连接类型和一个连接条件。连接条件决定运算结果中元组的匹配和属性的去留；连接类型决定如何处理不符合条件的元组。有内连接、自然连接、左外连接、右外连接、全外连接等。（见P1618）,2023/7/14,74,内连接按照公共属性值相等的条件连接，并且不消除

28、重复属性。自然连接按照公共属性值相等的条件连接，并且消除重复属性，这是最常用的一种连接，自然连接的运算符用表示。左外连接在内连接的基础上，保留左关系中不能匹配条件的元组，并将右关系的属性填为空值。右外连接（与左外连接反向）全外连接左外连接与右外连接的组合。,2023/7/14,75,4、除运算除法运算表示为RS。除法运算应满足的条件是：关系S的属性全部包含在关系R中，关系R的一些属性不包含在关系S中。除法运算的结果也是关系，关系中的属性由R中除去S中的属性之外的全部属性组成，元组由R与S中在所有相同属性上有相等值的那些元组组成。,2023/7/14,76,例如：从学生选课表中挑出选了C23、C24和C25三门课的学生的学号。,2023/7/14,77,本章小结,数据库的三种模式对应了数据库的结构，模式、内模式和外模式分别是数据库的全局逻辑结构、物理结构和局部逻辑结构。数据模型有三种：网状、层次和关系型。关系型数据库的模式是静止的，关系是关系模式某一时刻的取值，是动态的。关系型数据库从三方面考虑完整性，一是实体完整性，二是参照完整性，三是用户定义完整性。关系代数是关系数据库操作的理论基础，尤其是选择、投影和连接运算。,2023/7/14,78,本章作业,一、选择题（P20-1,3,5,10,13,18）二、判断题（P21）三、简答题（P22-1，3）,