第四章 信息系统的数据管理.docx
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第四章信息系统的数据管理
第四章信息系统的数据管理
导入语：
信息系统作为提供信息，辅助人们对环境进行控制的工具，是建立在大量数据的有效管理的基础上的。
数据库技术作为计算机信息系统与应用系统的核心技术和重要基础，把信息系统中大量的数据按照一定的模型组织起来，并提供存储、维护和检索数据的功能，帮助用户及时准确地从系统中获取相应的信息。
学完本章，应掌握以下内容：
⏹了解传统的文件组织和管理技术
⏹
⏹了解数据库系统的数据组织方式
⏹
⏹掌握四种数据模型的特点
⏹
⏹掌握关系型数据库的数据结构及完整性约束
⏹
⏹了解数据库的新发展
⏹
第一节数据结构与数据处理
第二节
作为国内葡萄酒产业的领军企业，自有葡萄种植仅能满足张裕制酒生产对葡萄需求的一部分，除此之外，张裕在山东半岛和全国各地还拥有几万家葡萄供应农户和若干家初榨葡萄原酒供应商，而对这些葡萄供应商的管理，已成为张裕葡萄酒品质的重要保障。
葡萄酒品质高低，是各种因素综合作用的结果，葡萄的品种、产区、年份、树龄以及橡木桶窖藏等等，都会对葡萄酒的品质产生影响。
事实上，在葡萄制酒行业，原材料采购对于产成品品质关系十分重大。
为了与葡萄供应商建立稳固的供应关系，最大限度地保证葡萄供应的质量，张裕十分重视对自己的葡萄种植农户提供葡萄种植技术指导，并根据葡萄质量进行优质优价地收购，并且，张裕还特别设定了最低保护收购价，以真正保证葡萄供应农户的利益。
张裕构建信息化供应商管理系统的实践始于上世纪90年代，当时的做法是首先建立供应商数据库，然后对每家供应商的葡萄供货进行种类、糖度、水分等指标的详细检测，这些葡萄指标数据经录入人员手工录入计算机后，系统会自动给出每一家供应商每一次供货的综合指标分析。
通过这一分析，一方面，决策层可以根据供货商和产出地准确分析葡萄供货质量，控制采购进度，及时发现并有效阻止不良供货进入生产环节，另一方面，也可以为技术部门进行产品工艺改进提供可靠依据，从而有效保证了葡萄酒产品的生产进度和质量。
一个有效的信息系统能给用户提供及时、准确和相关的信息，数据库作为系统的核心，就必须很好的组织和维护数据文件，帮助用户方便的实现对数据的访问和检索。
一、数据结构与数据存储
数据结构是数据组织和存储的框架，由若干个文件或表组成，文件和表中存放的是需要与系统交互的实体，包括人、地点、事情或事件。
数据资源的组织经历了文件系统管理和数据库管理。
（一）文件系统阶段
（二）
20世纪50年代后期至60年代中期，计算机不仅用于科学计算，还用于信息管理。
随着数据量的增加，数据的存储、检索和维护问题成为紧迫的需要，数据结构和数据管理技术迅速发展起来。
此时，外部存储器已有磁盘、磁鼓等直接存取存储设备。
软件领域中出现了专门管理外存的数据的文件系统。
数据处理的方式由单纯的批处理，发展到批处理和联机实时处理共用。
文件系统中数据管理的方法是利用文件进行管理，一个文件是相关记录的集合，与某特定应用相关的所有记录都可以收集在一个特定的应用文件中，数据管理就是对应用文件的管理。
多数组织都拥有大量的特定应用数据文件，每个文件与企业所完成的具体处理有关，要为每个应用程序分别创建和存储数据文件，即如图4-1所示。
图4-1文件数据管理
在文件管理阶段，组织往往是没有数据总体规划的，只是在应用过程中，各部门根据需要不断的开发自己的应用程序，以及与其对应的数据文件。
随着时间的推移，文件和应用程序会变得越来越多。
由于文件数量增多，需要有一系列的文档来管理其中的项目，而且，一些数据项会重复出现在不同部门的文件和文档中，整个文件系统会变得越来越复杂，需要专门的程序员分别维护各自的文件和程序。
这造成了传统文件环境下，数据冗余严重，程序与数据独立性差，缺乏灵活性，安全性差等问题。
数据冗余是指相同的数据在两个或多个数据文件中重复出现。
例如在企业，当不同部门对销售信息进行收集时，都会涉及到产品的名称，规格，数量，单价等细节信息，但是不同部门对这些信息的定义和应用都不同，即使不同应用程序所需数据有部分相同时，仍需建立各自的数据文件，不能共享，这也造成了数据维护困难，各数据文件的一致性难以保证。
数据与程序独立性仍不高，文件基本上面向应用。
数据文件和维护它的相关应用程序之间过分依赖，每个应用程序都得对它所处理的数据位置和性质进行描述，有时这种描述可能比实际的数据处理部分更长。
数据的任何改变都需要对使用它的应用程序作相应的修改。
为了满足新应用程序的数据需求，程序员要编写复杂的程序从已有的文件记录中抽取数据建立新的文件以满足需要。
这种依赖性也使得系统不易扩充，无论数据逻辑结构改变，还是应用程序的变化都将导致文件的修改。
另外，由于传统文件管理是借助操作系统的文件管理功能进行数据文件的管理，对数据几乎没有特定的控制手段，任何人都可以方便的进行数据文件的拷贝，在数据的存取安全上难以控制。
（三）数据库系统阶段
（四）
60年代后期，计算机在管理中的应用更加广泛，数据量急剧增大，对数据共享的要求越来越迫切；为了解决多用户、多应用共享数据的需求，使数据为尽可能多的应用程序服务，逐渐出现了数据库系统。
数据库将逻辑相关的记录和文件整合在一起进行统一管理。
通过对数据的集中管理和最小化的数据冗余，以有效地服务于多个应用程序。
在数据库中，数据不再仅仅服务于某个应用程序或用户，而成为一个组织甚至组织之间的共享资源。
有数据库管理系统的统一管理，实现了数据与程序的真正独立，并且最大限度的降低了数据冗余，充分做到了数据为多个用户共享，提高了数据的一致性，并且支持多用户、多任务的访问。
通过数据库管理系统进行数据的访问，对数据安全的保密性和完整性要求提供了保证。
数据库系统解决了传统文件系统的不足，满足日益发展的数据处理的需要，是在文件系统的基础上发展起来的一种理想的数据管理技术。
数据库系统（DatabaseSystem，简记为DBS）是由计算机硬件、软件和DB、DBMS、应用程序、数据库管理员和用户等数据资源组成，实现有组织地、动态地存储大量关联数据、方便多用户访问的系统。
（五）数据管理的进展
（六）
数据管理历经两个阶段（表4-1），数据库系统是在文件系统的基础上发展而成的，同时又解决了文件系统中，用户必须自己处理其所用的全部文件的物理组织和存储细节的缺陷。
数据库将这些工作交给DBMS来做，使信息系统从以加工数据为主转向了数据共享管理的新阶段。
表4-1不同数据管理阶段的比较
文件系统
数据库系统
时间
50年代后期到60年代中期
60年代后期开始
基本特征
具有面向应用的数据管理功能，工作方式是仍然是分散、非手工的。
支持多用户、多应用共享数据的需求
应用背景
硬件：
外存有了很大的发展，除了磁带机，还出现了大容量的硬盘和灵活的软磁盘
软件：
出现了操作系统、文件管理系统和多用户的分时系统，专用于商业事务管理的高级语言COBOL
硬件：
大容量磁盘已经出现、硬件价格大幅下降
软件：
联机实时处理业务增多、面向组织的复杂数据结构、数据冗余度小，易于扩充、数据与程序独立、统一的数据控制功能。
主要特点
数据管理方面，实现了数据对程序的一定的独立性，数据不再是程序的组成部分，修改数据不必修改程序，数据有结构，被组织到文件内，存储在磁带、磁盘上，可以反复使用和保存。
文件逻辑结构向存储结构的转换由软件系统自动完成，系统开发和维护工作得到减轻。
面向全组织的复杂数据结构。
数据库中的数据结构不仅描述了数据自身，而且描述了整个组织数据之间的联系，实现了整个组织数据的结构化。
文件类型
有了索引文件、链接文件、直接存取文件等，而且能对排序文件进行多码检索。
主要以表的形式存放在数据库里
数据存取
以记录为单位
以表为单位
一、数据存储方式
二、
在系统中，数据是按一定层次组织数据的。
首先是位组成字节，字节组成字段，向上依次组成记录、文件和数据库。
位是计算机中最小的数据单位，其值为0或1；多个位组成字节，一个字节代表一个字符，字符可以是字母、数字或其他符号；多个字符组成一个词或一个完整的数字，称为字段；若干个相关的字段，如学生姓名、性别、专业组成一个记录；若干个相同类型记录组成一个文件；若干相关文件的集合组成一个数据库。
数据库的数据组织层次如图4-2所示，比特、字符、字段、记录、文件和数据库就构成了数据层次。
数据库中不仅包括了所有这些数据层次，还包括了它们之间的关系。
图4-2数据组织层次
三、数据库管理模式
四、
数据库管理系统（DatabaseManagementSystem，简记为DBMS）是位于用户与操作系统（OS）之间的一层数据管理软件。
如图4-3所示，它为用户或应用程序提供访问DB的方法，包括DB的建立、查询、更新及各种数据控制。
DBMS总是基于某种数据模型，可以分为层次型、网状型、关系型和面向对象型等。
图4-3数据库管理系统所属层次关系
（七）数据库管理的特点
（八）
数据冗余度小，易于扩充。
由于数据库从组织的整体来看待数据，数据不再是面向某一特定的应用，而是面向整个系统，减少了数据冗余和数据之间不一致现象。
在数据库系统下，可以根据不同的应用需求选择相应的数据加以使用，使系统易于扩充。
数据与程序独立。
数据库系统提供了数据的存储结构与逻辑结构之间的映射功能及总体逻辑结构与局部逻辑结构之间的映射功能，从而使得当数据的存储结构改变时，逻辑结构保持不变，或者当总体逻辑结构改变时，局部逻辑结构可以保持不变，从而实现了数据的物理独立性和逻辑独立性，把数据的定义和描述与应用程序完全分离开。
统一的数据控制功能。
数据库系统提供了数据的安全性控制（Security）和完整性控制（Integrity），允许多个用户同时使用数据库资源。
数据库的上述特点，使得信息系统的研制从围绕加工数据的以程序为中心转移到围绕共享的数据库来进行，实现了数据的集中管理，提高了数据的利用率和一致性，从而能更好地为决策服务。
因此，数据库技术在信息系统应用中正起着越来越重要的作用。
（九）数据库管理系统功能
（一十）
定义数据库的功能。
包括定义数据的整体逻辑功能（模式）、局部逻辑结构（外模式）、存储结构（内模式），还包括保密定义及信息格式定义等，并把数据库所描述的对象、属性及其联系的自然语言含义与计算机内描述形式的对照各种模式、外模式的宣言及说明存放在数据库内以备查阅（称为数据词典）。
管理数据库的功能。
包括控制数据库系统的运行，控制用户的并改性访问（即同时有两个或多个用户访问一个对象）；执行对数据库的安全性、保密性、完整性检验，实施对数据的检索、插入、删除、修改等操作。
维护数据库的功能。
此功能包括初始时装入数据库、运行时记录工作日志、监视数据库性能、在性能变坏时重新组织数据库。
在用户要求或系统设备发生变化时修改和更新数据库，在系统软硬件发生变化时修改和更新数据库。
在软、硬件系统出现故障时恢复数据库。
数据通信的功能。
负责数据传输这一部分工作，通常与操作系统协同完成。
此外，实现分时系统和远程作业输入的接口。
第三节数据库系统（DBS）
第四节
五、数据库系统的构成
六、
数据库系统是实现有组织、动态的存储尤其是关联数据、方便多用户访问的计算机软件、硬件和数据资源组成的系统，，简单地说，就是采用了数据库技术的计算机应用系统。
1．硬件
带有数据库的计算机系统对其硬件的性能要求更高，要有足够在的内存以存放操作系统、数据库管理系统的例行程序、应用软件、系统缓冲区中的数据库的各种表格等内容。
需要有大容量的直接存取的外存储设备，此外，还应有较强的通道能力。
2．软件
操作系统：
在数据库系统中，一般管理数据库的软件（DBMS）是借助于操作系统实现数据处理过程中的内外存数据交换的，所以这里的操作系统应能支持数据库管理系统的工作。
数据库管理系统（DBMS）：
数据库管理系统是对计算机的再一次扩充，它完成对数据的定义、管理、维护及各个层次之间的映像等。
具体功能后面还将专门介绍。
应用软件包和应用程序：
与一般计算机系统类似，为了适应应用的需要，可以在数据库管理系统的基础上建立应用软件包，提供给数据库的应用程序员和数据库管理人员使用。
同时，用户则通过其应用程序来使用数据库，完成数据处理工作，获得所需信息。
3．人员
数据库系统中的人员主要有四类。
系统分析员：
他们负责系统的需求分析、规范说明。
他们必须与业务部门即各个用户和其他工作人员，特别是数据库管理人员密切配合，以决定数据库系统的具体构成。
系统程序员：
负责设计、实现和维护系统程序，特别是DBMS，实现数据组织与存取的各种功能。
应用程序员：
负责编制和维护应用程序，应用程序员也是系统的用户。
数据库管理员（DBA）：
负责全面的管理数据库的工作。
七、数据库的逻辑结构
八、
DBMS允许用户逻辑地、抽象地处理数据而不必关心数据在计算机中的存放方式，主要依靠其建立在三层模式结构上的二级映射，如图4-4所示。
数据库的三级模式结构主要包括外模式、模式和内模式。
图4-4数据库的三层模式结构
（一十一）数据库的三级模式结构
（一十二）
1.模式
2.
模式也称逻辑模式，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。
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，定义这些数据之间的联系。
3.外模式
4.
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。
5.内模式
6.
内模式也称存储模式，它是数据物理结构和存储结构的描述，是数据在数据库内部的表示方式。
例如，记录的存储方式是顺序存储、还是随机存储；索引按照什么方式组织；数据是否压缩存储，是否加密；数据的存储记录结构有何规定。
一个数据库只有一个内模式，它物理存在于各种存储设备上。
（一十三）三个模式间的映射
（一十四）
7.外模式／模式映射
8.
这层映射定义了该外模式与模式之间的对应关系。
模式描述的是数据的全局逻辑结构，外模式描述的是数据的局部逻辑结构，外模式是模式的部分抽取，因此对应同一个模式可以有任意多个外模式，当模式改变时，由数据库管理员对各个外模式／模式的映象作相应改变，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。
9.模式／内模式映射
10.
模式／内模式映射定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系，内模式是模式的物理实现，模式则是内模式的逻辑表示。
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／内模式映象作相应改变，可以使模式保持不变，从而保证了数据的物理独立性。
11.三模式间的关系
12.
三个模式反映了数据库的三种不同的层面：
模式表示了概念级数据库，是数据库连接用户和存储设备的接口层；内模式表示了物理数据库，是数据库的存储层；外模式表示了用户数据库，是实现数据库操作的用户层。
接口层和存储层只有一个，而用户层可有多个，一个应用对应一个用户层，如图4-5所示。
图4-5数据库的三层应用结构
九、数据模型
一十、
为了使数据库中的数据客观真实地反映事物及事物之间的关系，人们往往要借助数据模型来抽象表示现实世界中的内容，再按照计算机系统的观点对数据建模。
数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成。
由于数据结构是刻画一个数据模型性质最重要的方面，所以通常根据数据结构特征来命名数据类型。
这种定义的数据模型是表示实体类型及实体间联系的模型。
（一十五）层次模型
（一十六）
用树型（层次）结构表示实体类型及实体间联系的数据模型称为层次模型（hierarchicalmodel）。
这种结构可以非常直观地描述现实世界中存在的各种层次关系，譬如上级与下级，总厂与分厂等。
层次模型主要包括结点和连线，每个结点表示一个实体集，连线表示上下层实体之间的联系。
在图4-6中，位于层次模型最上层的起始结点“院系”，称为根结点，它是惟一没有上层结点的结点；下层的专业和研究所是院系的子结点，院系是它们的父结点；由于二者共有一个父结点，它们是兄弟结点的关系；没有子结点的称为叶结点，研究所、教师和学生都是叶结点。
图4-6层次模型结构
层次模型的特点是：
（1）根结点惟一；
（2）除了根结点以外的结点有惟一的父结点。
按照层次模型存储的实体值，只有按照一定的路径找寻才能显示出其全部意义，既包括结点的记录值，也包括与上层结点之间的内在联系。
在硬盘上，记录之间的联系通过指针来实现，如图4-7所示。
与文件系统的数据管理方式相比，层次模型的查询效率较高，用户和设计者面对的是逻辑数据而不是物理数据，用户不必花费大量的精力考虑数据的物理细节。
逻辑数据与物理数据之间的转换由DBMS完成。
图4-7层次模型的链接实例
层次模型有个缺点：
除根结点以外，所有结点都只有惟一的父结点，所以只能表示1：
N联系，面临M：
N联系时，必须设法将其分解为多个1：
N联系，才能用层次模型来表示。
但是这种辅助手段实现较复杂。
（一十七）网状模型
（一十八）
由于现实世界中事物之间的联系更多的是纵横交错的非层次关系，取消层次模型中父结点和根结点惟一的限制，就得到了一个网络结构的模型。
这种用网络结构表示实体间联系的数据模型称为网状模型（networkmodel）。
没有层次模型中结点限制的网状模型可以直接表示M：
N联系。
由于M：
N联系包含了1：
N联系，所以层次模型可以看作是网状模型的特殊形式，网络模型也是用连线来表示实体间的关系，结点表示实体集。
由于网状模型中父结点与子结点之间的关系不惟一，所以在模型中应指明每一个联系并为其命名。
为了清晰的表达实体间的M：
N联系，可以引入一个相关实体，如图4-8所示，为了说明学生和课程之间的M：
N联系，引进了一个学生选课的联结记录，将原来的M：
N联系转变为学生-选课和课程-选课的两个1：
N联系进行说明，即一个学生可以选择多门课程，同时一门课也可以同时被多个学生选择。
图4-8网络模型结构
网状模型的记录之间联系也是通过指针实现，但模型中的连线或指针的连接更加复杂。
比如对于学生（学号，姓名，年龄，性别）和课程（课程号，课程名）之间的M：
N联系，通过引入相关实体——选课（学号，课程号，成绩），分拆成两个1：
N联系后，建立了学生-选课和课程-选课之间的指针连接，如图4-9所示。
图4-9网状模型实例
网状模型的缺点是数据结构复杂和编程复杂。
（三）关系模型
关系模型（relationalmodel）的主要特征是用二维表格表达实体集。
与前两种模型相比，关系模型的数据结构简单，容易为初学者理解。
关系模型是由若干个关系模式组成的集合。
关系模式相当于前面提到的记录类型，它的实例称为关系。
在层次模型和网状模型中，数据存储在文件中，实体之间的联系是通过指针来连接的。
在关系模型中，实体本身的数据和实体之间的联系均用二维表来表示，并存储于文件中。
例如前面图中所示学生和课程的M：
N联系可用图4-10中的三张表来表达，学生登记表和课程登记表用来存储学生和课程两个实体集的数据，实体之间的关系则用学习登记表来表示。
学习登记表中的学号和课程号是两个实体集的关键字，关键字可惟一确定某个具体的学生或某门课程，从而说明学生选择了哪些课程以及每门课程的选修情况。
图4-10关系模型实例
（四）面向对象模型
面向对象数据库OODB（ObjectOrientedDataBase），是面向对象技术与数据库技术的有机结合。
OODB既需要具备传统数据库的必备功能，也需要具有面向对象方法的基本特征。
面向对象数据模型使用面向对象观点来描述现实世界实体、实体间联系等内容的模型。
对象是以对象名封装的数据结构和可施加在这些数据上的私有操作。
与前面的数据模型相比，面向对象模型不仅描述实体的一系列静态值，而且包含了对这些静态值上的操作的集合，即每一个对象是其状态与行为的封装。
该模型是用对象和类来表示实体类型和实体间联系的数据模型（图4-11）。
关于对象和
类将在第八章详述。
图4-11面向对象模型实例
“学生”类具有属性“姓名”、“性别”和“年龄”，其中“大学生”类属性在继承“学生”类属性的基础上，还有“系别”和“专业”两个属性。
“中学生”类的属性在继承“学生”类属性的基础上，还有“班级”和“特长”两个属性。
四种模型比较见下表：
表4-2四种模型比较
层次模型
网状模型
关系模型
面向对象模型
数据结构
复杂的树结构
复杂的有向图结构
简单的二维表结构
复杂的嵌套递归
数据联系
通过指针
通过指针
通过表间的公共属性
通过对象标识
查询语言
过程性语言
过程性语言
非过程性语言
面向对象语言
典型产品
IMS
IDS/Ⅱ
IMAGE/3000
IDMS
TOTAL
Oracle
Sybase
DB2
SQLServer
ONTOSDB
盛行期
20世纪70年代
70年代至80年代中期
80年代至今
90年代至今
第五节关系数据库概述
第六节
一十一、关系型数据库特点
一十二、
（一十九）关系模型重要组成部分
（二十）
13.数据结构
14.
关系数据库是支持关系模型的数据库系统。
它的数据结构非常简单，不论是实体还是实体间的联系，在关系型数据库中一律用二维表，即关系来表达。
关系模型基本的数据结构是关系。
15.数据操纵
16.
在关系型数据库中，数据的操作是以集合为单位进行的，关系模型提供一组完备的高级关系运算，以支持对数据库的各种操作。
关系运算分成关系代数、关系演算和关系逻辑等三类。
17.数据完整性规则
18.
数据库中数据必须满足实体完整性，参照完整性和用户定义的完整性等三类完整性规则。
（二十一）关系模型特点
（二十二）
与其它数据模型相比，关系模型突出的优点如下：
1．关系模型提供单一的数据结构形式，具有高度的简明性和精确性。
各类用户都能很容易地掌握和运用基于关系模型的数据库系统，使得数据库应用开发的生产率显著提高。
2．关系模型的逻辑结构和相应的操作完全独立于数据存储方式，具有高度的数据独立性。
用户完全不必关心物理存储细节。
3．关系模型使数据库的研究建立在比较坚实的数学基础上。
关系运算的完备性和设计规范化理论为数据库技术的成熟奠定了基础。
4．关系数据库语言与一阶谓词逻辑的固有内在联系，为以关系数据库为基础的推理系统和知识库系统的研究提供了方便，并成为新一代数据库技术不可缺少的基础。
一十三、关系模型的术语
一十四、
图4-12关系模型的二维表实例
对现实世界的内容我们主要用实体及其属性来描述：
实体（Entity）：
客观存在，可以相互区别的事物。
任何事或物都可以定义为一个实体。
属性（Attribute）：
实体有很多特性，每一个特性称为属性。
对于实体的描述是通过定义其属性值来实现的。
例如描述一个学生可以用学号，姓名，专业，年龄等属性。
实体集：
性质相似的同类实体的集合，称为实体集。
这类实体通常使用相同的属性来描述，所有学生的识别都可以用上例中的四个属性来说明。
将实体、属性以及属性上的取值用关系模型进行定义，就得到如图4-12所示的二维表结构
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