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1、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 数据库系统组成,1.1 数据库系统概述,1.1.1 数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统数据(Data):数据实际上就是描述事物的符号记录。数据的种类：文字、图形、图象、声音 数据的特点：数据与其语义是不可分的，数据的形 式不能完全表达其内容,数据举例：学生档案中的某学生记录（李明，男，1972，江苏，计算机系，1999）,数据库：数据库是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的大量数据集合。,数据库的特征：数据按一定的数据模型组织、描述和储存;冗余度较小;数据独立性较高、易扩展;可共享。,数据库举例：学生登记
2、表,数据库管理系统:,用户,操作系统,主要功能：数据定义功能（DDL）数据组织、存储和管理数据操纵功能（DML）数据库的事务管理和运行功能数据库的建立和维护功能其它功能：数据库系统之间的通信,数据库系统,数据库,计算机系统,具有管理和控制数据库功能的计算机系统,构成：数据库 数据库管理系统 应用系统 数据库管理员和用户,图1.1 数据库系统,图1.2 数据库系统,图1.3 数据库在计算机系统中的地位,数据管理技术的产生与发展,数据管理 数据管理是指如何对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，它是数据处理的中心问题,数据管理三个阶段人工管理 文件系统 数据库系统,表1.1 数据管理3个阶段
3、的比较,数据库系统的特点,一、数据结构化 数据结构化是数据库与文件系统的根本区别。在描述数据时不仅要描述数据本身，还要描述数据之间的联系。,二、数据的共享性高，冗余度低，易扩充，保证了数据的一致性 可以被多个用户、多个应用共享使用；数据共享可以减少冗余，节约存储空间；数据共享可以减少数据之间的不相容性和不一致性。,三、数据独立性高 包括物理独立性和逻辑独立性,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的数据是相互独立的。,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。,四、数据由DBMS统一管理和控制,数据的安全性保护：数据的安全性是指保护数据，防止不合法使用数据造成数
4、据的泄密和破坏。,数据的完整性检查：数据的完整性指数据的正确性、有效性和相容性。,并发控制：多个用户的并发进程同时存取、修改数据库时，可能会发生相互干扰使得数据库的完整性遭到破坏,数据库恢复:计算机系统的硬件故障、软件故障、操作员的失误以及故意的破坏也会影响数据库中数据的正确性，甚至造成数据库部分或全部数据的丢失。,1.2 数据模型,数据模型(Data Model):数据模型用来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息，是对现实世界数据的模拟。数据模型应满足三个方面的要求：比较真实的模拟现实世界；容易为人们理解；便于计算机表达。,1.2.1 两类数据模型,概念模型：信息模型，它是按用户的观点来对
5、数据和信息建模，用于数据库设计，与具体的DBMS无关。逻辑模型与物理模型：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，它是按计算机系统的观点对数据建模。物理模型是对数据最低层的抽象，描述数据在系统内部及存储介质上的表示方式和存取方法，是面向计算机的。,图1.6 现实世界中客观对象的抽象过程,1.2.2 数据模型的组成要素,数据结构静态 描述数据库的组成对象以及对象之间的联系。数据操作动态 数据库主要有检索和更新两大类操作。定义操作的确切含义、操作符号、操作规则以及实现操作的语言。数据的完整性约束条件 完整性规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则，用以限定符合
6、数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。,1.2.3 概念模型,特点：1.具有较强的语义表达能力，能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识.2.简单、清晰、易于用户理解，是用户与数据库设计人员之间进行交流的语言。,一、信息世界中的基本概念,实体：客观存在并可以相互区别的事物称为实体；属性：实体所具有的某一特性。码：唯一标识实体的属性集。域：属性的取值范围。实体型:指用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体实体集：同型实体的集合称为实体集。联系：实体（型）内部的联系（组成实体的属性之间的联系）；实体（型）之间的联系（不同实体集之间的联系）,二、两个实体型之间的联系,一
7、对一联系（1:1）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。,图1.8(a)1:1的联系,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B有一对多联系。记为1:n。,图1.8(b)1:n的联系,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
8、对多联系。记为m:n。,图1.8(c)m:n的联系,三、多个实体型之间的关系,一般地，两个以上实体型之间存在着一对一、一对多和多对多的联系,四、单个实体型内的联系,同一实体集内的各实体之间可以有某种联系,图1.10 同一实体集内一对多联系,五、概念模型的一种表示方法：实体联系方法,Entity-Relationship Approach，E-R方法 E-R图提供了表示实体型、属性和联系的方法 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 联系：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
9、、1:n或m:n）。联系也可以有属性：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。,图1.7(a)实体及属性,姓名,性别,出生年月,学生,学号,图1.7(b)实体及属性,六、举例：用E-R图表示某个工厂的物资管理的概念模型,实体有：仓库：属性有仓库号、仓库面积、电话号码。零件：属性有零件号、名称、规格、单价、描述。供应商：属性有供应商号、姓名、地址、电话号、帐号。项目：属性有项目号、预算、开工日期。职工：属性有职工号、姓名、年龄、职称。,图1.11(a)仓库实体及其属性,职工,职称,供应商,账号,电话号码,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。某种零件在某个
10、仓库中的数量用库存量描述。(m:n)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。(1:n)职工之间具有领导被领导的关系，即仓库主任领导若干保管员。(1:n)供应商、项目和零件三者之间具有多对多的联系。(m:n:p),图1.11(b)实体及其联系图,实体之间的联系如下：,图1.11(c)完整的实体-联系图,供应,供应量,库存,库存量,领导,m,n,p,m,1,n,供应商,仓库,职工,工作,1,n,项目,零件,n,供应商号,姓名,地址,帐号,电话号码,仓库号,电话号码,面积,职工号,姓名,年龄,职称,零件号,规格,名称,单价,描述,项目号,预算,开工日期,1.2.4 最常用的数据模
11、型,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),1.2.5 层次模型,一、层次数据模型的数据结构 用树形结构表示各类实体以及实体之间的联系。只有一个根结点；除结点外的其它结点只有一个双亲结点。,图1.12 一个层次模型的示例,二、数据操纵及完整性约束,层次数据模型的操纵主要有:查询、插入、删除和更新。进行插入操作时，如果没有相应的双亲结点值就不能插入子女结点值。进行删除操作时，如果删除双亲
12、结点值，则相应的子女结点值也被同时删除。进行更新操作时，应更新所有相应记录，以保证数据的一致性。,三、层次数据模型的存储结构,邻接法：按照层次树的一定顺序把所有记录值依次邻接存放，即通过物理空间的位置相邻来实现层次顺序。链接法：用指针来反映数据之间的层次联系。,四、层次数据模型的优缺点,优点：数据模型比较简单清晰，操作简单。查询效率高。提供良好的完整性支持。缺点：不适合于表示非层次性的联系。对插入和删除操作的限制比较多。查询子女结点必须通过双亲结点。由于结构严密，层次命令趋于程序化,1.2.6 网状模型,一、网状数据模型(Network Model)的数据结构 网状数据模型是一种比层次模型更具
13、普遍性的结构，该模型允许多个结点没有双亲结点，允许结点有多个双亲结点，允许两个结点之间有多种联系(称之为复合联系)。,二、网状模型的操纵及完整性约束,网状数据模型的操纵主要包括查询、插入、删除和更新数据。插入操作允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值。删除操作允许只删除双亲结点值。更新操作时只需更新指定记录即可。查询操作可以有多种方法，可根据具体情况选用。,三、网状模型的存储结构,网状数据模型的存储结构依具体系统不同而不同，常用的方法是链接法，包括单向链接、双向链接、环状链接等。,四、网状数据模型的优缺点,优点：能够更为直接地描述现实世界；具有良好的性能，存取效率较高。缺点：结构复杂；其DDL
14、语言极其复杂；数据独立性较差。由于实体间的联系本质上通过存取路径指示的，因此应用程序在访问数据时要指定存取路径。,1.2.7 关系模型,一、关系数据模型的数据结构 一个关系模型的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。表中的一行即为一个元组；表中的一列即为一个属性。,关系模型中的主要术语：关系：一个关系对应于我们平常讲的一张表元组：表中的一行称为一个元组属性：表中的一列称为属性，每列的名称为属性名主码：表中的某个属性组，它们的值唯一的标识一个元组域：属性的取值范围分量：元组中的一个属性值关系模式：对关系的描述,关系名（属性名1，属性名2，属性名n）来表示,关系名：学生关系模式：学生（学号，姓名，
15、年龄.）,二、操纵及完整性约束关系数据模型的操纵：查询、插入、删除和更新 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。关系模型把存取路径向用户隐蔽起来，用户只要指出“干什么”，不必详细说明“怎么干”，从而大大地提高了数据的独立性。关系数据库标准操作语言是SQL语言。,三、关系数据模型的存储结构 关系数据模型中，实体及实体间的联系都用表来表示。在数据库的物理组织中，表以文件形式存储，每一个表通常对应一种文件结构。,四、关系数据模型的优缺点,优点：关系模型是建立在严格的数据概念的基础上的。无论实体还是实体之间的联系都用关系来表示。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
16、性。,缺点：由于存取路径对用户透明，查询效率往往不如非关系数据模型。因此为了提高性能，必须对用户的查询请求进行优化。,1.3 数据库系统结构,从数据库管理系统角度看，数据库系统结构分为三级模式结构：外模式、模式和内模式,从数据库最终用户角度看，数据库系统结构分为：单用户结构、主从式结构、分布式结构和客户/服务器结构,1.3.1 数据库系统的模式,模式：是数据库全体数据的逻辑整体结构和特征的描述，它仅涉及到型的描述，而不涉及到具体的值。,型是指对某一类数据的结构和属性的说明，值是型的一个具体赋值模式的具体值称为实例，同一模式可以有很多实例；模式是相对稳定的，而实例是相对变动的。模式反映的是数据结
17、构及其关系，而实例反映的是数据库某一时刻的状态。,数据库系统的模式结构,数据库,内模式,模式,外模式1,应用A,外模式2,外模式3,应用C,应用B,应用D,外模式/模式映象,模式/内模式映象,1.3.2 数据库系统的三级模式结构,逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述;所有用户的公共视图;描述的数据库中的实体和属性的名字及他们之间的关系;是个可以放进数据项值的框架;一个数据库只有一个模式。,模式,外模式,也称子模式或用户模式;是数据库用户看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述;和某个应用相关的数据的逻辑表示,只有相同的数据视图的用户，共享一个子模式;一个子模式可以为多个用户使用
18、它是模式的逻辑子集。一个数据库可以有多个外模式。,存储模式,是数据物理结构和存储结构的描述，是数据库的内部表示方式;规定数据项、记录、数据集、索引和存取路径在内的一切物理组织方式，以及优化性能、响应时间和存储空间需要，还规定记录的位置、块的大小与溢出区的方式;一个数据库只有一个内模式.,内模式,1.3.3 数据库系统的二级映象功能和数据独立性,数据库,内模式,模式,外模式1,应用A,外模式2,外模式3,应用C,应用B,应用D,外模式/模式映象,模式/内模式映象,外模式/模式映象：一个模式可以有多个外模式，对于每一个外模式，都有一个外模式/模式映象，它定义了数据全局数据结构与局部数据结构之间的对
19、应关系。当模式改变时，由DBA对各个外模式/模式的映象作相应的改变，可以使外模式保持不变。,模式/内模式映象：数据库中此映象是唯一的。定义了数据库全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。当存储结构变化时，DBA只对此模式/内模式映像做相应变动，使模式保持不变，保证了数据的物理独立性。,1.4数据库系统的组成,硬件平台及数据库：内存；辅存；通道能力软件：DBMS；操作系统；高级语言及编译系统；应用开发工具人员：数据库管理员DBA；系统分析员和数据库设计人员；应用程序员；最终用户,本章重点,掌握数据、数据库、数据库管理系统和数据库系统的概念了解数据管理的三个阶段掌握数据模型的三要素掌握两类数据模型理解并掌握信息世界中的基本概念会画E-R图（重点掌握）理解数据库系统结构（三级模式和两个映象）了解数据库管理系统的功能和组成,
