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1、第一章 数据库基本概念The Concepts of Database Systems,数据库系统的结构与性能数据模型关系数据库设计,2,1.1.1 数据处理技术的发展概况,1.人工管理阶段 20世纪50年代中期以前，计算机主要用于数值计算，只能使用卡片、纸带、磁带等来存储数据。数据是程序的组成部分，数据的输入、输出和使用都是用程序来控制的，使用时随程序一起进入内存，用完后完全撤出内存。,1.1 数据库系统的结构与性能,3,1.1.1 数据处理技术的发展概况,2.文件系统阶段 20世纪60年代中期。程序和数据有了一定的独立性。数据文件长期保存在外存储器上，可以多次存取，进行查询、修改、插入、删
2、除等操作，并可采用多种文件组成形式，如顺序文件、索引文件、随机文件等。,4,1.1.1 数据处理技术的发展概况,数据文件使数据的逻辑结构(用户所看到的数据结构)和物理结构(数据在物理设备上的存储结构)可以有一定的差别。例如，用户看到的数据文件是顺序排列的一连串记录，实际上这些记录却是分散存储在磁盘的不同扇区里，用链接方式组织在一起。在访问文件时，只需给出文件名和逻辑记录号，而不必关心记录在存储器上的地址以及内容和外存交换数据的过程。,5,文件方式的问题：数据的冗余和不一致数据访问困难数据孤立完整性问题原子性问题并发访问异常安全性问题,1.1.1 数据处理技术的发展概况,6,1.1.1 数据处理
3、技术的发展概况,3.数据库系统阶段 20世纪60年代后期。数据库是长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据的集合。是按照一定的组织方式来组织、存储和管理数据的“仓库”。,7,数据库管理系统DBMS-DataBase Management System 为数据库的建立、使用和维护而配置的软件，在操作系统支持下运行。如Microsoft Access。它是处理数据库访问的软件。它提供数据库的用户接口。DBMS的目的：提供一个可以方便地、有效地存取数据库信息的环境,1.1.1 数据处理技术的发展概况,8,1.1.1 数据处理技术的发展概况,数据库系统数据库系统是一种可以有组织、动态地存储大量关联
4、数据，方便用户访问的计算机软件和硬件资源组成的系统。它与文件系统的区别是：数据的结构化、最小的冗余度、多个用户对数据的共享。在数据库系统中，存储于数据库中的大量数据与应用程序是相互独立的；数据是按照某种规则，以能反映数据之间的内在联系的形式组织在库文件中的。,9,1.1.1 数据处理技术的发展概况,数据的变动不会影响到应用程序，反之亦然。数据库系统对数据的完整性、唯一性、安全性提供了统一而有效的管理手段。数据库系统提供了管理和控制数据的各种简单明了的操作命令及程序设计语言，使用户可以向数据库发出查询、修改、统计等各种命令，得到满足不同需要的信息。,10,数据库系统构成,11,1.1.1 数据处
5、理技术的发展概况,4.分布式数据库系统阶段 20世纪80年代中期。分布式数据库系统是数据库技术与计算机网络技术相结合的产物。是一个逻辑上统一、地域上分布的数据集合，是计算机网络环境中各个局部数据库的逻辑集合，同时受分布式数据库管理系统的控制和管理。,12,1.1.1 数据处理技术的发展概况,分布式数据库系统在逻辑上很像一个集中式数据库系统，但实际上数据存储于不同地点的计算机网络的各个结点上。每个结点的数据库都有独立处理本地事务的能力，而且各个结点之间也能够互相访问、有效配合，以便处理更复杂的事务。具有高度的透明性，每台计算机的用户不需要了解所访问的数据究竟在什么地方，就像使用集中式数据库一样。
6、,13,1.1.2 数据库系统的体系结构,ANSI/SPARS建议：三级模式和二级映射模式,14,1.1.2 数据库系统的体系结构,1.三种模式(1)概念模式简称模式。是数据库设计者综合所有用户数据，按照统一的观点构造的全局逻辑结构。它是用模式描述语言来描述的、由多种概念记录组成的数据库。概念模式是数据库的整个逻辑描述，是数据库采用的数据模型。它由数据库管理员统一组织管理，故又称为DBA视图。,15,1.1.2 数据库系统的体系结构,1.三种模式(2)外模式又称为子模式。是用户与数据库的接口，是应用程序可见的数据描述。从逻辑关系看，外模式是概念模式的一部分，或说是模式的一个逻辑子集。每个用户必
7、须使用一个外模式。用户通过子模式描述语言来描述用户级数据库的记录，还可以用数据操纵语言来操作这些数据。,16,1.1.2 数据库系统的体系结构,1.三种模式(3)内模式又称为物理模式或存储模式。它描述数据在存储介质上的安排和存储方式。内模式是由系统程序员设计和组织的，是系统程序员所看到和理解的数据库。物理数据库就是实际存放在外存储器上的数据库，实际上是许多物理文件的集合。,17,1.1.2 数据库系统的体系结构,1.三种模式无论哪一级模式都只是处理数据的一个框架，按这些框架填入的数据才是数据库的内容。以外模式、概念模式、物理模式为框架的数据库分别称为用户数据库、概念数据库、物理数据库。物理数据
8、库是实际存放在外存储器里的数据库，而概念数据库和用户数据库只不过是物理数据库的抽象的逻辑描述而已。用户数据库是概念数据库的部分抽取，概念数据库是物理数据库的抽象表示，物理数据库是概念数据库的具体实现。,18,1.1.2 数据库系统的体系结构,2.二级映射映射用来指定映射双方进行数据转换的规则。(1)子模式/模式映射 表达了用户数据库和概念数据库之间的对应关系(2)模式/物理模式映射 表达了概念数据库和物理数据库之间的对应关系,19,1.1.2 数据库系统的体系结构,2.二级映射 用户根据子模式来操纵数据库时，数据库系统通过子模式/模式映射使用户数据库与概念数据库相联系，又通过模式/物理模式映射
9、与物理数据库相联系，从而使用户实际使用物理数据库中的数据。实际的转换工作是由数据库管理员来完成的。,20,1.2 数据模型,1.两个实体间联系的模型(1)一对一的联系 设有两个实体集，如果一个实体集中的每个实体至多和另一个实体集中的一个实体相联系，则为一对一的联系，记做1:1。如，一个公司只有一个总经理，一个总经理也只能管理一个公司。,1.2.1 数据和信息1.2.2 数据间的联系,21,1.两个实体间联系的模型(2)一对多的联系 如果一个实体集中的每个实体都可以和另一个实体集中的多个实体相联系，而另一个实体集中的每个实体只能和该实体集中的一个相联系，则为一对多的联系，记做1:n。如，一个父亲
10、可以有多个孩子，而一个孩子只能有一个父亲。,1.2.2 数据间的联系,22,1.两个实体间联系的模型(3)多对多的联系 如果一个实体集中的每个实体都可以和另一个实体集中的多个实体相联系，反之亦然，则为多对多的联系，记做m:n。如，一个学生可以选修几门课程，一门课程可以被多个学生选修。实际上，一对一是一对多联系的特例，而一对多又是多对多联系的特例。,1.2.2 数据间的联系,23,2.E-R模型即实体-联系数据模型。设计这种模型的本义是有效、自然地模拟现实世界。E-R模型可用E-R图来表示，它具有三个要素。(1)实体(型)用矩形框表示，框内为实体名称。(2)属性 用椭圆型来表示，并用线与实体连接
11、。属性较多时也可以将实体及其属性单独列表。(3)实体间的联系 用菱形框表示，框内填写菱形的名称。用线将菱形框与实体相连，并在线上标注联系的类型。,1.2.2 数据间的联系,24,1.2.2 数据间的联系,25,1.2.2 数据间的联系,26,1.2.3 数据模型,E-R模型在数据世界中的数据化结果就是数据模型。数据模型的任务之一是指出数据的构造，即如何表示数据。具体来说，就是指出：什么是实体，它包含哪些属性等。这就要求对实体命名，同时还要求对所有的属性命名。将属性数据化后可以得到数据元素，即数据项，也称为字段。此外，字段的数据类型和最大长度也应该表示出来。,27,1.2.3 数据模型,数据模型
12、的另一个重要任务是指出数据间的联系。具体来说，就是要指出：在哪两个实体间有什么基本联系？这些实体集和联系就构成了一个数据模型。较常见的数据模型有：关系模型层次模型网状模型,28,1.2.3 数据模型,1.关系模型关系模型将数据组织成表格的形式，这种表格在数学上称为关系。表中存放两类数据：实体本身的数据和实体间的联系。数据本身自然地建立起相互间的联系。,29,1.2.3 数据模型,三个关系S、P、SP分别为供应厂表、零件表和仓库表，分别描述了三个不同的实体集。,30,1.2.3 数据模型,表中的每一行称为一个记录，每个记录又由若干字段组成。一个记录描述一个事物，记录的各字段是事物的各种性质，在关
13、系数据库中这些字段称为属性。每个关系(一张表)都由同一种记录组成。不同的关系可以有相同的属性，它表示了关系间的联系。,31,1.2.3 数据模型,上图中S和P的关系是多对多的关系，各关系之间的联系是：S和SP有一个共同的属性：供应厂号P和SP也有一个共同的属性：零件号SP联系S和P这两个关系所有关系的集合称为一个关系数据库，而关系定义的集合就是关系模型。在关系数据库中可以方便地进行添加记录、修改记录和删除记录等操作。,32,1.2.3 数据模型,2.层次模型 用树型结构来表示实体及实体之间的联系的模型称为层次模型。它是由若干个基本层次联系组成的一棵倒放的树，树的每个结点代表一个记录型。层次模型
14、实际存储的数据由链接指针来体现联系。,33,1.2.3 数据模型,34,1.2.3 数据模型,层次模型有两点限制：(1)有且仅有一个无父结点，称为树的根结点(2)其它结点有且仅有一个父结点 这使得用层次模型表示1:n的联系很容易，但不能直接表示m:n的联系，必须要设法转换成1:n的联系才能进行。在层次模型中两个实体间的联系总是唯一的而且是向下的。对于层次模型定义的数据库只能按照层次路径存取数据。,35,1.2.3 数据模型,3.网状模型：用网状结构来表示实体及实体间的联系的模型称为网状模型。网中每个结点代表一个记录型，结点间的联系用记录指针来实现。网状模型取消了层次模型的两个限制：允许结点有多
15、于一个的父结点，可以有一个以上的结点没有父结点。一般情况下，网中的每一个联系都是一对多的联系；如果是多对多的联系，则常要演变成一对多的联系。,36,1.2.3 数据模型,把层次结构中同一层次的记录连通后就构成了网状模型。20世纪70年代起，关系数据库系统逐步占领了市场。,37,1.2.3 数据模型,4.面向对象数据模型 面向对象数据库是面向对象概念与数据库技术相结合的产物。该模型中最基本的概念是对象和类。(1)对象(2)类和类的实例(3)类的层次结构和继承,38,1.2.3 数据模型,(4)对象的标识 每个对象都有一个在系统内唯一的和不变的标识符，称为对象标识符。对象标识符一般由系统产生，用户
16、不得修改。对象标识符是区别对象的唯一标志。如果一个对象的属性值被修改了但标识符未变，则认为是同一个对象，同样，如果两个对象的属性值和方法相同但标识符不同，则认为是两个相等但不相同的对象。,39,1.2.3 数据模型,目前，面向对象数据模型已被用作某些DBMS的数据模型。由于它语义丰富、表达自然，因此也适合作为数据库概念设计的数据模型。虽然面向对象的数据库比层次、网状和关系数据库使用方便，但其模型复杂，系统实现的难度较大。,40,1.3 关系数据库的设计1.3.1 关系定义,关系数据库的基本结构是关系。关系理论建立在集合代数的理论基础上，因此可以用集合代数定义作为二维表的关系。1.基本术语(1)
17、元组、域和属性 表的每一行代表一个元组，每一列代表一个属性。属性的个数称为关系的度。一个关系可以存储为一个文件，因此有如下对应关系：关系文件，元组记录，属性字段,41,1.3.1 关系定义,属性取值的变化范围称为属性值的域。每个属性值对应一个值域。属性是一种变量，属性值是变量所取的值，而域是变量的变化范围。属性是一种多值变量,42,1.3.1 关系定义,(2)关键字 在一个关系模式中，存在这样一个属性组，当它的值确定以后，关系中别的属性值就唯一确定了。这个属性组就是该关系模式的关键字，或称为码。候选关键字如果关系模式中不止一个关键字，称其为候选关键字。指定其中一个关键字作为关系演算的操作变量，
18、则该关键字成为主关键字。,43,1.3.1 关系定义,合成关键字 如果某个候选关键字包含多个属性，称为合成关键字。外部关键字如果关系模式R1中的属性X1不是R1的关键字，而是另一个关系R2的关键字，则称X1为的R1外部关键字。合成关键字和外部关键字提供了表示关系间联系的手段。,44,1.3.1 关系定义,2.关系的数学定义(1)笛卡尔积 给定一组域D1,D2,Dn则 D1 D2,Dn=(d1,d2,dn)|di Di,i=1,2,n称为D1,D2,Dn的笛卡尔积。其中每个(d1,d2,dn)称为一个n元组，元组中的每个di是Di域中的一个值,称为一个分量。当n=1时，称为单元组；n=2时，称为
19、二元组，。,45,1.3.1 关系定义,例如，设有域D1=张金，王银，李玉，D1=20,21,22，则笛卡尔积D1 D2=(张金,20),(张金,21),(张金,22),(王银,20),(王银,21),(王银,22),(李玉,20),(李玉,21),(李玉,22)把它看作一个二维表时，如下图所示。,46,1.3.1 关系定义,47,1.3.1 关系定义,48,1.3.1 关系定义,49,1.3.2 关系运算,50,1.3.2 关系运算,51,1.3.2 关系运算,52,1.3.2 关系运算,53,1.3.2 关系运算,54,1.3.2 关系运算,55,1.3.2 关系运算,56,1.3.2 关
20、系运算,57,1.3.2 关系运算,58,1.3.2 关系运算,59,1.3.2 关系运算,60,1.3.3 函数依赖,61,1.3.3 函数依赖,62,1.3.3 函数依赖,63,1.3.3 函数依赖,64,1.3.3 函数依赖,65,1.3.4 关系规范化方法,66,1.3.4 关系规范化方法,67,1.3.4 关系规范化方法,68,1.3.4 关系规范化方法,69,1.3.4 关系规范化方法,70,1.3.4 关系规范化方法,71,1.3.4 关系规范化方法,72,1.3.4 关系规范化方法,73,1.3.4 关系规范化方法,74,1.3.5 关系规范化的过程和原则,75,1.3.5 关系规范化的过程和原则,76,1.3.5 关系规范化的过程和原则,77,1.3.5 关系规范化的过程和原则,78,1.3.5 关系规范化的过程和原则,79,1.3.5 关系规范化的过程和原则,
