数据库技术产生于六十年代末.docx

1、数据库技术产生于六十年代末数据库技术产生于六十年代末，是数据管理的最新技术，是计算机科学的重要分支数据库技术是信息系统的核心和基础，它的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志1.1.1 四个基本概念数据(Data)数据库(Database)数据库管理系统(DBMS)数据库系统(DBS)一、数据数据(Data)是数据库中存储的基本对象数据的定义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举例学生档案中的学生记录（李明，男，1972，江苏，计算机系，1990）数据的形式

2、不能完全表达其内容数据的解释语义：学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在系别、入学时间解释：李明是个大学生，1972年出生，江苏人，1990年考入计算机系（请给出另一个解释和语义）二、数据库(续)人们收集并抽取出一个应用所需要的大量数据之后，应将其保存起来以供进一步加工处理，进一步抽取有用信息数据库(Database,简称DB)是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据集合二、数据库(续)数据库的特征数据按一定的数据模型组织、描述和储存可为各种用户共享冗余度较小数据独立性较高易扩展三、数据库管理系统DBMSDataBase Management System是操纵和管理数据库的一组软件，位

3、于用户与操作系统之间。系统软件一组用以管理、维护、访问数据库的程序基本目标提供一个可以方便地、有效地存取数据库信息的环境即提供数据定义语言（Data Definition language），通过它，可以定义数据对象提供数据操纵语言（Data Manipulation language）实现用户对数据操作，如对数据的增、删、改和查询。分为两种：嵌入到宿主语言中，如嵌入在、Java 、Delphi、PowerBuilder等高级语言中，称为宿主型可以独立交互使用的，称为自主型或自含型，常用的有Transact-SQL，SQL Plus等对数据库的保护主要包括四个方面：数据安全性控制：数据安全性控

4、制的作用是防止未被授权的用户破坏或存取数据库中的数据数据完整性控制完整性控制的目的是保证进入数据库中数据的语义的正确性和有效性，防止操作对数据的修改会违反其语义并发控制 一般允许多个用户并发地访问数据库，即数据共享但是多个用户同时对数据库进行访问可能会破坏数据的正确性，因此中必须有并发控制的机制，解决多用户下的并发冲突恢复功能 数据库在运行中可能会出现各种故障，必须把处于故障中的数据库恢复到以前的某个正确状态，保持数据库的一致性提供一系列的实用程序来完成包括数据库的初始数据的装入、转化功能，数据库的存储、恢复功能，数据库的重新组织功能和性能监视、分析功能等常用的DBMS:OracleIBM D

5、B2SybaseMicrosoft SQL ServerInformixInterBaseMicrosoft Access（用于微机）四、数据库系统（DBS)在计算机系统中引入数据库后的系统数据库DBMS(以及应用开发工具)应用系统数据库管理员应用程序员最终用户1.1.2 数据管理技术的演变1.人工管理阶段（世纪年代中期）产生的背景应用需求 科学计算 硬件水平 无直接存取存储设备 软件水平 没有操作系统 处理方式 批处理 人工管理阶段（世纪年代中期）特点：数据的管理者：应用程序，数据不保存。数据面向的对象：某一应用程序 数据的共享程度：无共享、冗余度极大数据的独立性：不独立，完全依赖于程序数据

6、的结构化：无结构数据控制能力：应用程序自己控制缺点：数据存在着大量的重复存储现象 2 文件系统阶段（20世纪50年代后期到60年代中期）文件系统阶段背景应用需求 科学计算、管理 硬件水平 磁盘、磁鼓 软件水平 有文件系统 处理方式 联机实时处理、批处理特点 （1）数据以文件的形式可长久保存在外设 （2）由专门的数据管理软件(提供数据存取、查询 及维护功能 （3）数据文件具有多样性 （4）数据按文件名访问，按记录进行存取特点数据的管理者：DBMS数据面向的对象：现实世界 数据的共享程度：共享性高 数据的独立性：高度的物理独立性和一定的逻辑独立性 数据的结构化：整体结构化数据控制能力：由DBMS统

7、一管理和控制应用程序与数据的对应关系(数据库系统)数据的高共享性的好处降低数据的冗余度，节省存储空间避免数据间的不一致性使系统易于扩充数据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数据是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。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。数据的逻辑结构改变了，用户程序也可以不变。数据结构化整体数据的结构化是数据库的主要特征之一。数据库中实现的是数据的真正结构化数据的结构用数据模型描述，无需程序定义和解释。数据可以变长。数据的最小存取单位是数据项。DBMS对数据的控制功能（见前）数据的安全性（Security）保护使每个用

8、户只能按指定方式使用和处理指定数据，保护数据以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。数据的完整性（Integrity）检查将数据控制在有效的范围内，或保证数据之间满足一定的关系。DBMS对数据的控制功能并发（Concurrency）控制对多用户的并发操作加以控制和协调，防止相互干扰而得到错误的结果。数据库恢复（Recovery）将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。1.2.4 高级数据库阶段（20世纪70年代）数据库方法：面向对象方法和思想应用于各种计算机系统。商用数据库系统的运行：使数据库技术日益广泛地应用到各方面，深入到生产，生活的各个领域关系方法的理论研究和软件系统的研制取得了很

9、大成果分布式数据库面向对象数据库多媒体数据库数据仓库 模型 是现实世界特征的模拟和抽象。数据模型应满足三方面要求：一是能比较真实地模拟现实世界；二是容易为人所理解；三是便于在计算机上实现。 数据模型分成两个不同的层次 (1) 概念模型 (2) 数据模型（逻辑模型和物理模型） 1.2.2 数据模型的组成要素数据结构 数据操作 数据的约束条件 1. 数据结构什么是数据结构对象类型的集合两类对象与数据类型、内容、性质有关的对象与数据之间联系有关的对象数据结构是对系统静态特性的描述 2.数据操作 数据操作对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作及有关的操作规则数据操作的类型检索更新（包括插入

10、、删除、修改）数据模型对操作的定义操作的确切含义操作符号操作规则（如优先级）实现操作的语言数据操作是对系统动态特性的描述。 3.数据的约束条件 数据的约束条件一组完整性规则的集合。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储存规则，用以限定符合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。数据模型对约束条件的定义反映和规定本数据模型必须遵守的基本的通用的完整性约束条件。例如在关系模型中，任何关系必须满足实体完整性和参照完整性两个条件。提供定义完整性约束条件的机制，以反映具体应用所涉及的数据必须遵守的特定语义约束条件。1.2.2 概念模型1. 概念模型2. 信息世

11、界中的基本概念3. 概念模型的表示方法1. 概念模型概念模型的用途概念模型用于信息世界的建模是现实世界到机器世界的一个中间层次是数据库设计的有力工具数据库设计人员和用户之间进行交流的语言对概念模型的基本要求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简单、清晰、易于用户理解。3. 实体联系模型（模型）表示方法模型的三要素：实体、属性、实体间的联系1.2.4 数据模型的分类实体联系模型层次模型（树型结构）网状模型（网状结构）关系模型1.2.5 层次模型层次模型定义 满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型。1. 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根 结点2. 根以外

12、的其它结点有且只有一个双亲结点层次数据模型的数据结构图表示方法实体型：用记录类型描述。每个结点表示一个记录类型。属性：用字段描述。每个记录类型可包含若干个字段。联系：用结点之间的连线表示记录（类）型之间的一对多的联系实例：教员-学生数据模型（P21）层次数据模型的特点结点的双亲是唯一的只能直接处理一对多的实体联系每个记录类型定义一个排序字段，也称为码字段任何记录值只有按其路径查看时，才能显出它的全部意义没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在多对多联系在层次模型中的表示用层次模型间接表示多对多联系方法将多对多联系分解成一对多联系分解方法冗余结点法虚拟结点法2. 层次模型的数据操纵 查询

13、插入 删除 更新3. 层次模型的完整性约束无相应的双亲结点值就不能插入子女结点值如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除更新操作时，应更新所有相应记录，以保证数据的一致性4.层次数据模型的存储结构邻接法按照层次树前序遍历的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引元来反映数据之间的层次联系子女兄弟链接法 P26层次序列链接法 P265. 层次模型的优缺点优点层次数据模型简单，对具有一对多的层次关系的部门描述自然、直观，容易理解性能优于关系模型，不低于网状模型层次数据模型提供了良好的完整性支持缺点多对多联系表示不自然对插入和删除操作的限制多查询子女

14、结点必须通过双亲结点层次命令趋于程序化6. 典型的层次数据库系统IMS数据库管理系统第一个大型商用DBMS1968年推出IBM公司研制网状模型满足下面两个条件的基本层次联系的集合为网状模型。1. 允许一个以上的结点无双亲；2. 一个结点可以有多于一个的双亲。网状数据模型的数据结构实例：特点只能直接处理一对多的实体联系每个记录类型定义一个排序字段，也称为码字段任何记录值只有按其路径查看时，才能显出它的全部意义网状模型与层次模型的区别网状模型允许多个结点没有双亲结点网状模型允许结点有多个双亲结点网状模型允许两个结点之间有多种联系（复合联系）网状模型可以更直接地去描述现实世界层次模型实际上是网状模型

15、的一个特例多对多联系在网状模型中的表示用网状模型间接表示多对多联系方法将多对多联系直接分解成一对多联系2. 网状模型的数据操纵查询插入删除更新3.网状数据模型的完整性约束网状数据库系统（如DBTG）对数据操纵加了一些限制，提供了一定的完整性约束码双亲结点与子女结点之间是一对多联系允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值允许只删除双亲结点值4.网状数据模型的存储结构关键实现记录之间的联系常用方法(P27)单向链接双向链接环状链接向首链接5.网状模型的优缺点优点能够更为直接地描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲具有良好的性能，存取效率较高缺点结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得

16、越来越复杂，不利于最终用户掌握DDL、DML语言复杂，用户不容易使用6. 典型的网状数据库系统DBTG系统，亦称CODASYL系统由DBTG提出的一个系统方案奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术70年代推出实际系统Cullinet Software Inc.公司的 IDMSUnivac公司的 DMS1100Honeywell公司的IDS/2HP公司的IMAGE 1.2.7 关系模型 1.2.7 关系模型最重要的一种数据模型。也是目前主要采用的数据模型1970年由美国IBM公司San Jose研究室的研究员E.F.Codd提出本课程的重点关系数据模型的数据结构 在用户观点下，关系模型中数据的逻

17、辑结构是一张二维表，它由行和列组成。关系模型的基本概念关系（Relation）一个关系对应通常说的一张表。元组（Tuple）表中的一行即为一个元组。属性（Attribute）表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名。关系模型的基本概念主码（Key）表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。域（Domain）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1，属性2，属性n）学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级）实体及实体间的联系的表示方法实体型：直接用关系（表）表示。属性：用属性名表示。一对一联系：隐含在实体对应的关系中。一对多联系：隐含在实体对应的关系

18、中。多对多联系：直接用关系表示。例1学生、系、系与学生之间的一对多联系：学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）系 (系号，系名，办公地点)例2系、系主任、系与系主任间的一对一联系系 (系号，系名，系主任姓名)例3学生、课程、学生与课程之间的多对多联系：学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）课程（课程号，课程名，学分）选修（学号，课程号，成绩）关系必须是规范化的，满足一定的规范条件最基本的规范条件：关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项。2.关系模型的数据操纵查询、插入、删除、更新数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”

19、，不必详细说明“怎么干”3.关系模型的完整性约束实体完整性参照完整性用户定义的完整性4.关系数据模型的存储结构表以文件形式存储有的DBMS一个表对应一个操作系统文件有的DBMS自己设计文件结构5.关系模型的优缺点优点建立在严格的数学概念的基础上概念单一，数据结构简单、清晰，用户易懂易用。实体和各类联系都用关系来表示。对数据的检索结果也是关系。关系模型的存取路径对用户透明具有更高的数据独立性，更好的安全保密性简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作关系模型的优缺点（续）缺点存取路径对用户透明导致查询效率往往不如非关系数据模型为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化增加了开发数据库管理系统的难度6

20、. 典型的关系数据库系统ORACLESYBASEINFORMIXDB/2COBASEPBASEEasyBaseDM/2OpenBase1.3 数据库系统的系统结构数据库系统模式的概念数据库系统的三级模式结构数据库的二级映象功能与数据独立性小结1.3.1数据库系统模式的概念“型” 和“值” 的概念型（Type）对某一类数据的结构和属性的说明值（Value）是型的一个具体赋值例如：学生记录记录型：（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）记录值：（900201，李明，男，计算机，22，江苏）“型” 和“值”的区别模式（Schema）数据库逻辑结构和特征的描述是型的描述反映的是数据的结构及其联系模式是相

21、对稳定的模式的一个实例（Instance）模式的一个具体值反映数据库某一时刻的状态同一个模式可以有很多实例实例随数据库中的数据的更新而变动1.3.2.数据库系统的三级模式结构1）模式（Schema）模式（也称逻辑模式）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数据视图，综合了所有用户的需求一个数据库只有一个模式模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层与数据的物理存储细节和硬件环境无关与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关模式的定义数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）数据之间的联系数据有关的安全性、完整性要求2） 外模式（External Schema）外模式（也

22、称子模式或用户模式）数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述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外模式的地位：介于模式与应用之间模式与外模式的关系：一对多外模式通常是模式的子集一个数据库可以有多个外模式。反映了不同的用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同外模式与应用的关系：一对多同一外模式可以为某一用户的多个应用系统所使用，但一个应用程序只能使用一个外模式。外模式的用途保证数据库安全性的一个有力措施。每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据3)内模式（Inter

23、nal Schema）内模式（也称存储模式）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记录的存储方式（顺序存储，按照B树结构存储，按hash方法存储）索引的组织方式数据是否压缩存储数据是否加密数据存储记录结构的规定一个数据库只有一个内模式1.3.3数据库的二级映象与数据独立性三级模式是对数据的三个抽象级别二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换数据库系统的三级模式结构1）外模式模式映象定义外模式与模式之间的对应关系每一个外模式都对应一个外模式模式映象映象定义通常包含在各自外模式的描述中外模式模式映象的用途保证数据的逻辑独立性当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式

24、模式映象，使外模式保持不变应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。2模式内模式映象模式内模式映象定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的数据库中模式内模式映象是唯一的该映象定义通常包含在模式描述中模式内模式映象的用途保证数据的物理独立性当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），数据库管理员修改模式内模式映象，使模式保持不变应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。1.4 数据库系统的组成硬件软件人员一、硬件平台及数据库数据库系统对硬件资源

25、的要求(1) 足够大的内存操作系统DBMS的核心模块数据缓冲区应用程序(2) 足够大的外存 磁盘操作系统DBMS应用程序数据库及其备份 光盘、磁带、软盘数据备份(3) 较高的通道能力，提高数据传送率二、软件DBMS操作系统与数据库接口的高级语言及其编译系统以DBMS为核心的应用开发工具为特定应用环境开发的数据库应用系统三、人员数据库管理员系统分析员数据库设计人员应用程序员(最终用户)1. 数据库管理员(DBA)决定数据库中的信息内容和结构决定数据库的存储结构和存取策略定义数据的安全性要求和完整性约束条件数据库管理员(续)监控数据库的使用和运行周期性转储数据库数据文件日志文件系统故障恢复介质故障

26、恢复监视审计文件数据库管理员(续)数据库的改进和重组性能监控和调优数据重组数据库重构2. 系统分析员负责应用系统的需求分析和规范说明与用户及DBA协商，确定系统的硬软件配置参与数据库系统的概要设计3. 数据库设计人员参加用户需求调查和系统分析确定数据库中的数据设计数据库各级模式4. 应用程序员设计和编写应用系统的程序模块进行调试和安装5. 用户偶然用户企业或组织机构的高中级管理人员简单用户银行的职员、机票预定人员、旅馆总台服务员用户（续）复杂用户工程师、科学家、经济学家、科技工作者等直接使用数据库语言访问数据库，甚至能够基于数据库管理系统的API编制自己的应用程序小结数据库系统概述数据库的基本

27、概念（掌握）数据管理的发展过程（了解）数据库系统的研究领域（了解）数据模型数据模型的三要素（掌握）概念模型， E-R 模型（掌握）三种主要数据模型（了解）小结(续)数据库系统的结构（掌握）数据库系统三级模式结构数据库系统的体系结构数据库系统的组成（掌握） 第二章 关系数据库第二章 关系数据库2.1 关系数据结构及形式化定义2.2 关系操作2.3 关系的完整性2.4 关系代数2.5 关系演算2.6 小结关系数据库简介系统而严格地提出关系模型的是美国IBM公司的E.F.Codd1970年提出关系数据模型E.F.Codd, “A Relational Model of Data for Large

28、Shared Data Banks”, Communication of the ACM,1970之后，提出了关系代数和关系演算的概念1972年提出了关系的第一、第二、第三范式1974年提出了关系的BC范式关系数据库简介关系数据库应用数学方法来处理数据库中的数据80年代后，关系数据库系统成为最重要、最流行的数据库系统关系数据库简介典型实验系统System RUniversity INGRES典型商用系统ORACLESYBASEINFORMIXDB2INGRES第二章 关系数据库2.1 关系数据结构及其形式化定义2.2 关系操作2.3 关系的完整性2.4 关系代数2.5 关系演算2.6 小结2.1 关系数据结构及其形式化定义2.1.1 关系2.1.2 关系模式2.1.3 关系数据库2.1.1 关系 域（Domain） 2. 笛卡尔积（Cartesian Product） 3. 关系（Relation） 域（Domain）域是一组具有相同数据类型的值的集合。例:整数实数介于某个取值范围的整数长度指定长度的字符串集合男，女介于某个取值范围的日期2. 笛卡尔积（Cartesian Product）1) 笛卡尔积给定一组域D1，D2，Dn，这些域中可以有相同的。D1，D2，Dn的笛卡尔