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主讲：周铝,网络数据库web database,云南农业大学经济管理学院,课程作用,从数据结构到数据管理的必然性 数据结构主要解决如何存储和操纵数据。数据管理是在宏观角度上研究如何正确地存储和访问大量、持久、可靠、共享的数据。数据管理的核心是数据库系统。现代的管理信息系统几乎都是以数据库为核心的。,课程作用(续),现代数据库管理 计算机始于数值计算，却在非数值计算中得到广泛的应用，数据处理约占70-80%，数据库技术是数据处理的最新研究成果，它的出现，使得计算机应用更加广泛地渗透到各个领域。（举例：银行业务系统、超市销售业务系统、航空售票系统、工厂的管理信息系统、学校教学管理系统、图书管理系统等。）,与其它课程的关系,数据库系统作为一门综合性软件技术，是很多重要的软件技术的综合应用。首先数据库系统是操作系统OS(Operating System)支持下工作的。OS中用到的许多技术同样可以用到DBMS中.数据结构是软件的一门专业基础课，DBMS中均广泛用到队列、栈、排序、文件组织等数据结构中的内容与技术（如数据库系统中B+树结构建立索引等）,与其它课程的关系,编译技术 数据库系统中有许多语言，这些语言的编译、解释均是数据库系统的任务。程序设计 它是具体实现数据库系统应用开发最基本的技术。离散数学 数理逻辑是关系数据库的理论基础(主要包括关系代数、关系演算)算法分析 在数据库系统中是经常用到，至关重要的。软件工程 在设计DBMS中是不可缺少的确知识和技术，亦是数据库应用系统开发设计的较好方法与手段。,课程研究对象和研究目标,研究对象：信息、数据研究目标：数据库系统是信息处理的最高形式，其研究目标就是如何高效地巧妙地进行数据处理，而又花费最少。,学习方式,听课（启发式、讨论式）读书（预习、复习）报告（综合练习）,学习方法：,理论学习掌握基本概念，多看例题，多做习题理论指导实践，实践提高认识重视数据库设计实践学习勤思考，多动手重视上机实习环境坚持自学,学习方法：,学习过程中要注意理论结合实践。针对目前商用数据库产品和开发软件的特点，建议学习过程中，安装使用Visual Foxpro;Visual Basic，结合Access数据库系统;或安装PowerBuilder，结合SQL Server数据库软件进行综合实践，以此掌握相关的数据库理论知识。,考试成绩,平时成绩（考勤、提问、书面作业、上机练习）期中考试期末考试总评成绩=期末成绩*70%+平时成绩*15%+期中成绩*15%,教材及参考书,教材姚普选：数据库原理及应用（ACCESS）第二版王珊：数据库系统简明教程，高等教育出版社，2004 中国人民大学,教材及参考书(续),参考书萨师煊，王珊：数据库系统概论(第四版)，高等教育出版社，2007 中国人民大学数据库系统原理与应用教程（第版）闪四清编著现代数据库管理（第版）（美）Jeffry A.Hoffer Mary Prescott Fred R.McFaden 著刘伟琴张芳史新元译数据库系统基础（第3版）（美）Ramez Elmasri Shmakant B.Nanathe 著邵佩英张坤龙等译,教材及参考书(续),数据库原理（美）David M.Kroenke著丁炎炎余波译Date C J,An Introduction to Database System(Ed.7),Addison-Wesley,2000王珊，陈红：数据库系统原理教程，清华大学出版社，1998 上机软件ACCESS2003或SQL Server 2000/2005,内容安排(1),基础篇第一章：绪论第二章：数据模型第三章：关系数据库第四章：关系数据库标准语言SQL 系统篇第五章：数据库安全性第六章：数据库完整性,内容安排(2),第七章：数据库恢复技术第八章：并发控制 设计篇第九章：数据库设计概述第十章：概念模型与E-R方法第十一章：关系数据库设计理论第十二章：数据库设计步骤,内容安排(3),设计篇第十三章：嵌入式SQL第十四章：PL/SQL与存储过程第十五章：开放数据库互连（ODBC）,数据库原理Database Principles第一章 绪论,第一章 绪论,1.1 数据库系统概述1.2 数据库系统结构1.3 数据库系统的组成1.4 小结,1.1 数据库系统概述,1.1.1 数据库的地位 1.1.2 四个基本概念 1.1.3 数据管理技术的产生与发展,数据库的地位,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 数据库系统概述,1.1.1 数据库的地位 1.1.2 四个基本概念 1.1.3 数据管理技术的产生与发展,1.1.2 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，198906，江苏，计算机系，2009）数据的形式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，1989年6月出生，江苏人，2009年考入计算机系请给出另一个解释和语义,二、数据库（举例）,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的定义数据库(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,什么是DBMS数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。DBMS的用途科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据,DBMS的主要功能,数据定义功能 提供数据定义语言(DDL)定义数据库中的数据对象数据操纵功能:提供数据操纵语言(DML)操纵数据实现对数据库的基本操作(查询、插入、删除和修改),DBMS的主要功能,数据库的运行管理 保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用 发生故障后的系统恢复数据库的建立和维护功能(实用程序)数据库数据批量装载 数据库转储 介质故障恢复 数据库的重组织 性能监视等,四、数据库系统,什么是数据库系统数据库系统（Database System，简称DBS）是指在计算机系统中引入数据库后的系统构成。在不引起混淆的情况下常常把数据库系统简称为数据库。数据库系统的构成由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员（和用户）构成。,数据库系统(续),数据库系统构成图示参看教材page_6 图1.1数据库系统在计算机系统中的位置图示参看教材page_ 6 图1.2,1.1 数据库系统概述,1.1.1 数据库的地位 1.1.2 四个基本概念 1.1.3 数据管理技术的产生与发展,1.1.3 数据管理技术的产生和发展,什么是数据管理对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，是数据处理的中心问题数据管理技术的发展过程人工管理阶段(40年代中-50年代中)文件系统阶段(50年代末-60年代中)数据库系统阶段(60年代末-现在),数据管理技术的产生和发展(续),数据管理技术的发展动力应用需求的推动计算机硬件的发展计算机软件的发展,一、人工管理,时期40年代中-50年代中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(续),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的结构化：无结构数据控制能力：应用程序自己控制,应用程序与数据的对应关系(人工管理),二、文件系统,时期50年代末-60年代中产生的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,文件系统(续),特点数据的管理者：文件系统，数据可长期保存数据面向的对象：某一应用程序 数据的共享程度：共享性差、冗余度大数据的结构化：记录内有结构,整体无结构数据的独立性：独立性差，数据的逻辑结构改变必须修改应用程序数据控制能力：应用程序自己控制,应用程序与数据的对应关系(文件系统),文件系统中数据的结构,记录内有结构。数据的结构是靠程序定义和解释的。数据只能是定长的。可以间接实现数据变长要求，但访问相应数据的应用程序复杂了。文件间是独立的，因此数据整体无结构。可以间接实现数据整体的有结构，但必须在应用程序中对描述数据间的联系。数据的最小存取单位是记录。,三、数据库系统,时期60年代末以来产生的背景应用背景大规模管理硬件背景大容量磁盘软件背景有数据库管理系统处理方式联机实时处理,分布处理,批处理,数据库系统(续),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。(P12 图1.6)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,数据的安全性（Security）保护使每个用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。,第一章 绪论,1.1 数据库系统概述1.2 数据库系统结构1.3 数据库系统的组成1.4 小结,1.2 数据库系统结构,1.2.1数据库系统内部的模式结构 从数据库管理系统角度看1.2.2数据库系统外部的体系结构从数据库最终用户角度看,1.2.1 数据库系统的模式结构,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,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）该记录型的一个记录值：（900201，李明，男，计算机，22，江苏）,数据库系统模式的概念（续）,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,1.2.1 数据库系统的模式结构,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,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（续）,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：一对多同一外模式也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（续）,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（Internal 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,1.2.1 数据库系统的模式结构,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,三级模式与二级映象,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。,1.2.1 数据库系统的模式结构,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,小结,模式是数据库的中心与关键独立于数据库的其它层次设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式,小结（续）,内模式依赖于全局逻辑结构，但独立于数据库的用户视图即外模式，也独立于具体的存储设备。它将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储策略进行组织，以达到较好的时间与空间效率。,小结（续）,外模式面向具体的应用程序，定义在逻辑模式之上，但独立于存储模式和存储设备设计外模式时应充分考虑到应用的扩充性。当应用需求发生较大变化，相应外模式不能满足其视图要求时，该外模式就得做相应改动,小结（续）,应用程序在外模式描述的数据结构上编制的，它依赖于特定的外模式，与数据库的模式和存储结构独立。不同的应用程序有时可以共用同一个外模式。,小结（续）,二级映象保证了数据库外模式的稳定性，从而从底层保证了应用程序的稳定性，除非应用需求本身发生变化，否则应用程序一般不需要修改。数据与程序之间的独立性，使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去。,1.2 数据库系统结构,1.2.1数据库系统内部的模式结构 从数据库管理系统角度看1.2.2数据库系统外部的体系结构从数据库最终用户角度看,1.2.2 数据库系统外部的体系结构,单用户结构主从式结构分布式结构客户/服务器结构浏览器/应用服务器/数据库服务器结构,1.单用户数据库系统,整个数据库系统(应用程序、DBMS、数据)装在一台计算机上，为一个用户独占，不同机器之间不能共享数据。早期的最简单的数据库系统,2.主从式结构的数据库系统,一个主机带多个终端的多用户结构数据库系统，包括应用程序、DBMS、数据，都集中存放在主机上，所有处理任务都由 主机来完成各个用户通过主机的终端并发地存取数据库，共享数据资源,主从式结构的数据库系统,主机,终端,主从式结构的数据库系统(续）,优点易于管理、控制与维护。缺点当终端用户数目增加到一定程度后，主机的任务会过分繁重，成为瓶颈，从而使系统性能下降。系统的可靠性依赖主机,当主机出现故障时，整个系统都不能使用。,3.分布式结构的数据库系统,数据库中的数据在逻辑上是一个整体，但物理地分布在计算机网络的不同结点上。网络中的每个结点都可以独立处理本地数据库中的数据，执行局部应用同时也可以同时存取和处理多个异地数据库中的数据，执行全局应用,分布式结构的数据库系统（续）,优点适应了地理上分散的公司、团体和组织对于数据库应用的需求。缺点数据的分布存放给数据的处理、管理与维护带来困难。当用户需要经常访问远程数据时，系统效率会明显地受到网络传输的制约。,4客户服务器结构的数据库系统,把DBMS功能和应用分开网络中某个（些）结点上的计算机专门用于执行DBMS功能，称为数据库服务器，简称服务器其他结点上的计算机安装DBMS的外围应用开发工具，用户的应用系统，称为客户机,客户服务器数据库系统的种类,集中的服务器结构 一台数据库服务器，多台客户机分布的服务器结构在网络中有多台数据库服务器分布的服务器结构是客户服务器与 分布式数据库的结合,客户服务器结构的优点,客户端的用户请求被传送到数据库服务器，数据库服务器进行处理后，只将结果返回给用户，从而显著减少了数据传输量数据库更加开放客户与服务器一般都能在多种不同的硬件和软件平台上运行可以使用不同厂商的数据库应用开发工具,客户服务器结构的缺点,“胖客户”问题：系统安装复杂，工作量大。应用维护困难，难于保密，造成安全性差。相同的应用程序要重复安装在每一台客户机上，从系统总体来看，大大浪费了系统资源。系统规模达到数百数千台客户机，它们的硬件配置、操作系统又常常不同，要为每一个客户机安装应用程序和相应的工具模块，其安装维护代价便不可接受了。,浏览器/应用服务器/数据库服务器结构,客户端：浏览器软件、用户界面 浏览器的界面统一，广大用户容易掌握 大大减少了培训时间与费用。服务器端分为两部分：Web服务器、应用服务器数据库服务器等大大减少了系统开发和维护代价能够支持数万甚至更多的用户,嵌入式数据管理系统的结构,第一章 绪论,1.1 数据库系统概述1.2 数据库系统结构1.3 数据库系统的组成1.4 小结,1.3 数据库系统的组成,数据库数据库管理系统（及其开发工具）应用系统数据库管理员（用户）,一、硬件平台及数据库,数据库系统对硬件资源的要求(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,数据库系统对硬件资源的要求,(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,第一章 绪论,1.1 数据库系统概述1.2 数据库系统结构1.3 数据库系统的组成1.4 小结,小结,数据库系统概述数据库的基本概念数据管理的发展过程数据库系统的研究领域,小结(续),数据库系统的结构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,下课了。,追求,休息一会儿。,