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数据库基础知识
第1章数据库基础知识
随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展，人类社会已经进入了信息化时代。
数据库技术是计算机技术的重要分支，是数据库管理的实用技术。
数据库技术于20世纪60年代中期产生，是目前最活跃、发展最快的IT技术之一。
随着网络和多媒体技术的迅猛发展，数据库技术的应用也得到了最广泛的拓展，并进入了一个崭新的时期。
现代数据库技术融合了多种新技术，并正在不断地以超出我们想象的速度飞速发展。
如今，信息资源成为最重要和宝贵的资源之一，数据库技术已经成为信息社会中对大量数据进行组织与管理的信息系统核心技术和网络信息化管理系统的重要基础。
从某种意义来讲，建立一个行之有效的信息系统是企业组织生存和发展的重要前提条件，而数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用频率已经成为衡量一个企业甚至国家信息化的重要标志。
说到数据库，或许你并未真正意识到，你的很多信息早就成为数据库中信息的一部分，或者说你每天或多或少地都在与数据库直接或间接地打着交道：
身份证或户籍信息存储在居民信息管理中心的数据库中；手机或电话信息存储在电信公司信息管理中心的数据库中；银行（信用）卡信息存储在银行信息管理中心的数据库中；通过电话或网络订购机票或旅馆时，这些信息有相应的数据库存储和处理；去图书馆查阅书籍时，已经不需要翻阅书籍目录卡片了，而是通过相应的计算机软件直接搜索，搜索的信息也有相应的数据库支持；网络QQ号或网络邮箱帐号信息存储在网站信息管理中心的数据库中；上网聊天或购物交易的信息存储在各个网站的后台信息管理中心的数据库中；学籍信息存储在学校学籍信息管理中心的数据库中；职工信息存储在单位信息管理中心的数据库中。
我们再举个例子来说明这个问题：
每个人都有很多亲戚和朋友，为了保持与他们的联系，我们常常用一个笔记本将他们的姓名、地址、电话等信息都记录下来，这样要查谁的电话或地址就很方便了。
这个“通讯录”就是一个最简单的“数据库”，每个人的姓名、地址、电话等信息就是这个数据库中的“数据”。
我们可以在笔记本这个“数据库”中添加新朋友的个人信息，也可以由于某个朋友的电话变动而修改他的电话号码这个“数据”。
不过说到底，我们使用笔记本这个“数据库”还是为了能随时查到某位亲戚或朋友的地址、邮编或电话号码这些“数据”。
实际上“数据库”就是为了实现一定的目的按某种规则组织起来的“数据”的“集合”，在我们的生活中这样的数据库可是随处可见的。
因此，数据库应用已经与我们的工作或生活不可分割了。
1.1数据库系统概述
作为本课程学习的开始，我们首先要了解的是：
什么是数据库？
什么是数据库管理系统？
什么是Access呢？
因特网（Internet）的出现和发展，还有随之而来的企业内部网（Intranet）和企业外部网（Extranet）以及虚拟有网（VirtualPrivateNetwork,VPN）的产生和应用，已经将整个世界连成一个小小的地球村，人们可以跨越时空在网上交换信息和协同工作。
这样，展现在人们面前的不是局限于本部门、本单位和本行业的庞大数据库，而是浩瀚无垠地信息海洋。
所以说，现在的数据库系统通常是借助于计算机网络进行接收、传递和反馈信息的。
数据库技术是随着数据管理技术的需要和发展应运而生的，数据管理技术是指对数据的分类、组织、编码、存储、检索和维护的技术，其发展是和计算机技术及其应用的发展密不可分的。
简言之，数据库技术就是运用计算机进行数据管理的新技术。
数据库，顾名思义，是用来存储数据的仓库，但是数据应该以怎样的形式，以何种关系、以什么样的结构进行存储，可能使得原来看似无意义的、离散的原始数据变成有关联、有价值和寓意的信息，并便于信息的访问、查询、统计和输出？
这应该是数据库技术的关键所在，所以在介绍数据库的相关知识之前，首先了解一下数据库的基本组成元素—数据和信息，以及数据和信息的关系。
1.1.1数据与信息
数据的概念包括两个方面：
其一是描述事物特性的数据内容：
其二是存储在某一种媒体上的数据形式。
任何事物的属性是通过数据来表示的。
数据是信息的物理表示和载体，数据经过处理、组织并赋予一定关联和意义后即可成为信息。
数据的特点是具有一定的结构，有型与值之分。
数据的型给出了数据表示的类型，如整型、实型、字符型等。
而数据的值给出了符合给定型的值，如整型（INT）值15。
又如：
在学生档案中，学生的姓名、性别、年龄、出生年月、籍贯、所在系别、入学时间；可以描述为：
（赵辉，男，21，1986，河南，旅游系，2012）
一个简单的例子可以用来理解数据与信息处理的关系。
“2011010101”“123”“90”这是三个数据，两个字符号，一个数值数据，如果不赋予其含义和关联，它们没有任何意义，只是一些离散的数据而已。
若对上述数据作这样的解释：
学号为“2011010101”的学生，课程编号为“123”的课程期未成绩为90分，于是它便成了一条有意义的信息。
在数据库中，如果将相关数据关联起来，还可以得出更详尽的信息：
学号为“2011010101”的“旅游管理”专业的“男”学生“赵辉”其课程编号为“123”，“第一学期”学分为4的“必修课”课程“数据库技术”的期未成绩为90分。
数据是描述事物的符号记录。
描述事物的符号可以是通过特定设备输入到计算机中，并可以进行储存、处理和传输的各种数字、字母、文字、声音、图片和视频等。
数据需要经过解释才能产生有意义的内容，数据的解释是指对数据的含义的说明，数据的含义称为数据的语义，数据和数据的语义是不可分的。
人们通过解释、揄、归纳、分析和综合等方法，从数据中获得的有意义的内容称为信息。
数据是信息存在的和种表现形式，且只有通过解释或处理的数据才能真正成为有用的信息。
1.1.2计算机数据管理的发展
数据处理的中心问题是数据管理。
计算机对数据的管理是指如何对数据分类、组织、编码、存储、检索和维护。
数据处理的一个重要方面就是数据管理，计算机对数据的管理是指对数据的组织、分类、编码、存储、检索和维护提供操作手段和途径。
数据管理经历了由低级向高级的发展过程，随着计算机硬件和软件技术的发展而不断提高，数据管理技术的发展大体分为三个阶段：
人工管理阶段、文件系统阶段和数据库系统阶段。
数据库技术产生于60年代末、70年代初，它的出现使计算机应用进入了一个新的时期——社会的每一个领域都与计算机应用发生了联系。
数据库是计算机的最重要的技术之一，是计算机软件的一个独立分支，数据库是建立管理信息系统的核心技术，当数据库与网络通信技术、多媒体技术结合在一起时，计算机应用将无所不在，无所不能。
1、人工管理阶段
在20世纪50年代中期以前，由于计算机硬件技术发展水平的限制，计算机系统中没有对数据进行管理的软件。
数据管理任务，包括存储结构、存取方法、输入输出方式等，都是针对每个具体应用，由编程人员单独设计解决的。
学习过计算机高级语言（C或VB等）的读者并不难理解人工管理阶段的特点。
举例如下：
要编写一个程序（学生处），求一个班N个学生每个人M门课程的平均成绩并排序。
那么这M×N个成绩必须在编写程序时考虑其输入方式和存储形式（数组），输入随程序的运行而完成，输出无法长期保存。
要再编写一个程序（教务处），求某一门课程需要参加补考的学生人数。
那么这门课程所有学生的成绩必须在编写这个程序时考虑其输入方式和存储形式（简单变量），输入随程序的运行而完成（尽管这个数据与前面程序中的数据有重复，但无法共享），输出结果同样也无法长期保存。
人工管理阶段有如下几个特点：
（1）数据不保存。
计算机系统不提供对用户数据的管理功能。
应用程序包含自己要用到的全部数据，用户编写程序时，必须全面考虑好相关的数据，包括数据的定义、存储及存取方法等。
程序和数据是一个不可分割的整体。
数据脱离程序就无任何存在的价值，数据无独立性。
（2）数据不能共享。
不同的程序均有各自的数据，这些数据对不同的程序通常是不相同的，不可共享；即使不同的程序使用相同的一组数据，这些数据也不能共享，程序中仍然需用各自加入这些数据，谁也不能省略。
数据的不可共享性必然导致程序与程序之间的数据均不单独保存。
（3）数据具有不独立性。
基于数据与程序是一个整体，数据只为本程序所使用，数据只有与相应程序一起保存才有价值，即数据面向应用，否则就毫无用处。
所以，所有程序的数据均不单独保存。
2、文件系统阶段
20世纪50年代后期至60年代中后期，数据管理工作开始借助计算机完成，大量数据存储、检索和维护工作提上议事日程。
此时，在硬件方面可直接存取的磁鼓、磁带、磁盘逐渐变成主要外存。
软件方面出现了高级语言和操作系统。
操作系统中的文件管理模块（即输入输出控制模块）的重要功能之一是管理外存储器中的数据。
在文件系统的支持下，数据开始从程序中逐步地独立出来，数据文件可以独立地、长期地存储，数据的逻辑结构和物理结构有了一定的区别；数据的逻辑结构是指呈现在用户面前的数据结构形式；数据的物理结构是指数据在计算机存储设备上的实际存储结构。
例如，用户看到的记录是按照记录号顺序排列的，实际上这些记录可能是分散存储在磁盘的不同扇区里，用链接的方式组织起来的。
逻辑结构与物理结构之间的转换由文件系统的存取方式来实现。
用户访问记录时只需给出文件名、逻辑记录号，而不必关心记录在存储器上的地址和内、外存交换数据的过程。
理解这个阶段的特点，同样可以利用计算同高级语言（C或VB）的（文件操作）编程经验。
文件系统对计算数据管理能力的提高虽然起了很大的作用，但是仍然存在许多根本性问题。
文件系统管理数据有如下特点：
（1）数据可以长期保存。
数据以文件形式可长期保存在外部存储器的磁盘上。
（2）应用程序管理数据。
数据的逻辑结构与物理结构有区别，但比较简单。
程序与数据之间具有设备独立性，即程序只需用文件名就可与数据打交道，不必关心数据的物理位置。
由操作系统的文件系统提供存取方法（读/写）对数据的操作以记录为单位；文件中只存储数据，不存储文件记录的结构描述信息。
文件的建立、查询、插入、删除、修改等所有操作，都要用程序来实现。
3．数据库系统阶段
前面提到从文件组合成数据库是非常诱人的，但却无法深入。
实际上，在数据库处理之前，确实采用的文件管理方式，即用数据文件来存放数据，并通过高级语言完成对数据文件的操作。
一个数据文件包含若干个“记录（Record）”，一个记录又包含若干个“数据项（DataItem）”，用户通过对文件的访问实现对记录的存取。
通常称支持这种数据管理方式的软件为“文件管理系统”，它一直是操作系统的重要组成部分。
随着计算机处理的数据量不断增加，文件管理系统采用的一次最多存取一个记录的访问方式，以及在不同文件之间缺乏相互联系的结构，不能适应管理大量数据的需要，于是数据库管理系统应运而生，并在上世纪60年代末诞生了第一个商业化的数据库系统——IBM的IMS（InformationManagementSystem）。
与文件系统比较，数据库系统有下列特点：
⑴数据的结构化。
文件系统中单个文件的数据一般是有结构的，但从整个系统来看，数据在整体上没有结构，数据库系统则不同，在同一数据库中的数据文件是有联系的，且在整体上服从一定的结构形式。
⑵数据的共享性。
在文件系统中，数据一般是由特定的用户专用，数据库系统中的数据可以为不同部门、不同单位甚至不同用户所共享。
⑶数据的独立性。
在文件系统中，数据结构和应用程序相互依赖，一方的改变总是要影响到另一方的改变。
数据库系统中的数据文件与应用程序之间的这种依赖关系已大大减小。
⑷数据的完整性。
在数据库系统中，可以通过对数据的性质进行检查而管理它们，使之保持完整正确。
如商品的价格不能为负数，一场电影的定票数不能超过电影院的座位数。
⑸数据的灵活性。
数据库系统不是把数据简单堆积，而是在记录数据信息的基础上具有多种管理功能，如输入、输出、查询、编辑、修改等。
⑹数据的安全性。
数据库系统中的数据具有安全管理功能。
⑺数据可控冗余度。
数据专用时，每个用户拥有使用自己的数据，难免会出现数据相互重复，这就是数据冗余。
实现数据共享后，不必要的数据重复将全部消除，有时为了提高查询效率，也保留少量的重复数据，其冗余度可以由设计者控制。
1.1.3数据库系统
1、什么是数据库（DataBase）
数据库这个词有多种解释，简单的定义是这样的：
数据库（DataBase）是结构化数据的集合。
从广义上讲，数据库就是数据或信息的集合，相当于一个数据仓库。
具体来说，数据库是一组经过计算机整理后的数据，在关系数据库中，它由许多数据表组成。
DavidM.Kroenke关于数据库的定义是：
数据库是指自描述的完整记录的集合。
它表达了三层含义：
⑴数据库是自描述的。
数据库除了包含用户的源数据以外，还包含关于它本身结构的描述，这个描述称作数据词典（或数据目录、元数据）。
从这个意义上讲，数据库与作为一个自描述的书的集合的图书馆相似：
除了书籍以外，图书馆还包含一个描述它们的卡片目录。
⑵数据库是集成记录的集合。
数据的标准结构如下：
位—>字节—>域—>记录—>文件,按这种模式说，文件组合成数据库是非常诱人的，但却无法深入，数据库将包含四种数据：
用户数据文件、元数据、索引、应用元数据。
用户数据大多表示为表格，称之为数据表，它存放了用户的各种有用资料和数据。
元数据是关于用户数据的结构的描述，称之为系统表。
索引数据改进了数据库的性能和可访问性，称之为概括数据。
应用元数据用来存储用户表格、报表、查询、媒体数据和其它形式的应用组件。
并非所有的DBMS都支持应用组件，支持应用组件的DBMS也不一定把全部组件的结构作为应用元数据存储在数据库中。
⑶数据库是模型的模型。
数据库是用户关于现实世界的模型的模型。
具体解释是：
非计算机操作数据的情况下，人们所建立的一套文件、表格、数字等的处理内容和规则是人们关于现实世界的模型，在计算机操作数据的情况下，数据库设计者将在人们关于现实世界的模型的基础上再次建模，从而建立一个适用于计算机处理的数据库模型。
三个世界的划分：
现实世界（客观世界）：
实体、实体集、属性、实体标识符
信息世界（观念世界）：
记录、文件、字段、关键字
数据世界（计算机世界）：
位、字节、字、块、卷
2、数据库管理系统
图书管理员在查找一本书时，首先要通过目录检索找到那本书的分类号和书号，然后在书库找到那一类书的书架，并在那个书架上按照书号的大小次序查找，这样很快就能找到我所需要的书。
数据库里的数据像图书馆里的图书一样，也要让人能够很方便地找到才行。
如果所有的书都不按规则，胡乱堆在各个书架上，那么借书的人根本就没有办法找到他们想要的书。
同样的道理，如果把很多数据胡乱地堆放在一起，让人无法查找，这种数据集合也不能称为"数据库"。
数据库的管理系统就是从图书馆的管理方法改进而来的。
人们将越来越多的资料存入计算机中，并通过一些编制好的计算机程序对这些资料进行管理，这些程序后来就被称为"数据库管理系统"，它们可以帮我们管理输入到计算机中的大量数据，就像图书馆的管理员。
实际上，数据库是存于某种存储介质上的相关数据有组织的集合，为了在计算机中对数据库进行定义、描述、建立、管理和维护，应通过特定的数据库语言进行，这就需要一套支持该数据库语言的系统软件，称作数据库管理系统（DBMS）。
DBMS通常由以下4部分组成：
（1）数据定义语言及其翻译处理程序
（2）数据操纵语言及其编译（或解释）程序
（3）数据库运行控制程序
（4）实用程序
一般说，数据库管理系统具有下列功能：
⑴数据定义功能。
DBMS向用户提供“数据定义语言（DDL）”，用于描述数据库的结构，在关系数据库中其标准语言是SQL（StructuredQueryLanguage），它提供了DDL语句。
⑵数据操作功能。
对数据库进行检索和查询，是数据库的主要应用。
为此DBMS向用户提供“数据操纵语言（DML）”，用于对数据库中的数据进行查询，同样SQL也提供了DML语句。
⑶控制和管理功能。
除了DDL和DML两类语句外，DBMS还具有必要的控制和管理功能。
在讨论可视化的数据库管理系统（如VFP、Access）时，一般而言，从组成结构上看，DBMS的特点和功能可以分为三个子系统：
设计工具子系统、运行子系统和DBMS引擎。
设计工具子系统提供设计工具，包括表生成、窗体生成、查询生成、报表生成和过程语言编译器等工具，设计工具子系统与开发人员相关联。
运行子系统提供对设计时产生的程序的执行，它与用户接口。
DBMS引擎介于设计工具及运行子系统与数据本身之间。
实际上，它将根据以上组件的请求，将其翻译成对操作系统的命令，以实现对物理介质上的数据的读写。
除此之外，DBMS引擎还涉及事务管理、锁定、备份和恢复等工作。
数据库系统的基本特点包括如下四个方面：
（1）数据的高集成性。
数据结构化是数据库与文件系统的根本区别。
（2）数据的共享性高，冗余度低，易扩充。
（3）数据独立性。
数据独立性是数据与程序间的互不依赖性，即数据库中数据独立于应用程序而不依赖于应用程序。
也就是说，数据的逻辑结构、存储结构与存取方式的改变不会影响应用程序。
数据独立性一般分为物理独立性与逻辑独立性两级。
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。
逻辑独立性：
是指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。
（4）数据由DBMS统一管理和控制
数据库的共享是并发的共享，即多个用户可以同时存取数据库中的数据甚至可同时存取数据库中的同一个数据。
数据统一管理与控制主要包含以下方面：
数据的完整性检查。
检查数据库中数据的正确性、有效性和一致性以保证数据的完整。
数据的安全性保护。
是指保护数据以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破环。
并发控制。
对这种并发操作施行控制，排除和避免这种错误的发生，保证数据的正确性。
数据库故障恢复。
DBMS必须具有将数据库从运行时出现物理或逻辑上的错误状态恢复到某一已知的正确状态的功能。
3、数据库应用系统
数据库应用系统（DataBaseApplicationSystem、DBAS）专指基于数据库的应用系统。
一个DBAS通常由数据库和应用程序在DBMS支持下开发。
这二者亦是相互关联的。
数据库应用系统由数据库系统、应用软件及应用界面三者组成。
数据库技术的根本目标是解决数据的共享问题。
4．数据库管理员（DBA）
数据库管理员是负责全面地管理和控制数据库系统的专业管理人员。
具体的职责包括决定数据库的信息内容和结构、定义数据的安全性要求和完整性约束条件、监督和控制数据库的使用和运行、数据库系统的改进和重组。
5．数据库系统（简称DBS）
数据库系统由数据库（数据）、数据库管理系统（软件）、数据库管理员（人员）、硬件平台（硬件）、软件平台（软件）五个部分构成的运行实体。
数据库系统（DataBaseSystem,DBS）可分为三代。
⑴非关系型数据库系统。
是对第一代数据库系统的总称，包括层次型数据库系统和网状型数据库系统。
其主要特点是：
采用“记录”作为基本数据结构，在不同“记录型”之间，允许存在相互联系，一次查询只能访问数据库中的一个记录。
（P3）
⑵关系型数据库系统（RDBS）。
1970年，E.F.Codd在一篇名为“ARelationalModelofDataForLargeSharedDatabanks（大型共享数据库数据的关系模型）”文章提出了“关系模型”的概念。
70年代中期，商业化的RDBS问世，数据库系统进入第二代，目前PC机上使用的数据库系统主要是第二代数据库系统。
其主要特点是：
采用“表格”作为基本数据结构，在不同的表之间，允许存在相互联系，一次查询可以访问整个表格中的数据。
⑶对象—关系模型数据系统（ORDBS）。
将数据库技术与面向对象技术相结合，以实现对多媒体数据和其它复杂对象数据的处理，这就产生了第三代数据库系统。
其主要特点是：
包含第二代数据库系统的功能，支持正文、图形图像、声音等新的数据类型，支持类、继承、方法等对象机制，提供高度集成的、可支持客户/服务器应用的用户接口。
6.数据库系统内部结构
（1）数据库系统的三级模式
逻辑模式：
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。
一个数据库只有一个逻辑模式。
外模式：
也称为子模式或用户模式，它是数据库用户能够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。
一个数据库可以有多个外模式。
内模式：
又称物理模式或存储模式，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。
一个数据库只有一个内模式。
内模式的物理性主要体现在操作系统及文件级上，它还未深入到设备级上（如磁盘及磁盘操作）。
（2）数据库系统的两级映射
逻辑模式/内模式的映射：
是唯一的。
它定义了数据库全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。
当数据库的存储结构发生变化时，通过修改相应的逻辑模式/内模式的映射，使得数据库的逻辑模式不变，其外模式不变，应用程序不用修改，从而保证数据具有很高的物理独立性。
外模式/逻辑模式的映射：
实现了外模式到逻辑模式之间的相互转换。
当逻辑模式发生变化时，通过修改相应的外模式/逻辑模式映射，使得用户所使用的那部分外模式不变，从而应用程序不必修改，保证数据具有较高的逻辑独立性。
1.1.4实体与联系
E-R模型是由P.P.Chen于1976年首先提出的。
它提供不受任何DBMS约束的面向用户的表达方法，在数据库设计中被广泛用作数据建模的工具。
现实世界中存在各种事物，事物与亊物之间存在着联系。
这种联系是客观存在的，是由事物本身的性质所决定的。
例如，在学校的教学管理系统中有教师、学生和课程，教师为学生授课，学生选修课程取得成绩；在图书馆中有图书和读者，读者借阅图书；在体育竞赛中有参赛队、竞赛项目，代表队中的运动员参加特定项目的比赛等。
如果管理的对象较多或者比较特殊，事物之间的联系就可能较为复杂。
1．E-R模型的基本概念
（1）实体：
客观存在并相互区别的事物称为实体。
实体可以是实际的事物，也可以是抽象的事物。
也称为实例，能够相互区分的“事件”或“事物”。
例如，学生、课程、读者等都是属于实际的事物；学生选课、借阅图书等都是比较抽象的事物。
（2）属性：
用来描述实体特征的一组性质，其中每一个特征就称为实体的一个属性。
。
例如，学生实体用学号、姓名、性别、出生年份、系、入学时间等属性来描述；图书实体用图书编号、分类号、书名、作者、单价等多个属性来描述。
（3）实体集：
是具有相同类型及相同性质实体的集合。
（4）实体型：
是实体集中每个实体所具有的共同性质的集合。
属性值的集合表示一个实体，而属性的集合表示一种实体的类型，称为实体型。
同类型的实体的集合，称为实体集。
例如，学生（学号，姓名，性别，出生年份，系，入学时间）就是一个实体型。
对于学生来说，全体学生就是一个实体集，（980102，刘力，男，1980，自动控制，1997）就是代表学生名单中的一个具体的学生；在图书实体集中，（098765，TP298，Access教程，张三，30.50）则代表一本具体的书。
在Access中，用“表”来存放同一类实体，即实体集。
例如，学生表、教师表、成绩表等。
Access的一个“表”包含若干个字段，“表”中的字段就是实体的属性。
字段值的集合组成表中的—条记录，代表一个具体的实体，即每一条记录表示一个实体。
（5）联系：
是指实体集之间或实体集内部实例之间的连接。
实体集的关系有一对一、一对多、多对多的联系。
E-R模型的基本成分是实体型（实体）、属性和联系。
2．E-R模型的图示法
（1）实体型：
用矩形表示，矩形框内写明实体名。
（2）
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