数据库系统概论-绪论.ppt
数据库系统概论-绪论,1,引 言,为什么学习本课程：,数据的存储、使用和管理。,1）信息社会的重要基础技术，是计算机 科学领域发展最为迅速的分支;,2）计算机的主要应用领域之一;,3）将来的学习与工作。,本课程解决的问题：,数据库系统概论-绪论,2,数据库技术已成为计算机信息系统与应用系统的核心技术和重要基础。它不但是计算机专业学生的必修课程，同时也是非计算机专业学生必备的应用知识。数据库原理是计算机科学与工程及其他相关学科的一门骨干课程。,数据库系统概论-绪论,3,掌握数据库技术的基本概念和理论；掌握关系数据库系统的相关内容.能熟练使用关系代数和 SQL 语言；了解目前流行商用数据库产品及应用开发工具；能够在某种商用 DBMS 之上完成实际应用的数据库设计；掌握关系数据理论基础，能够使用相应算法进行数据库优化。掌握查询处理、事务管理、并发控制、故障恢复等DBMS核心技术；宏观上掌握 DBMS 的体系结构，了解国际上数据库技术的前沿研究课题。,数据库系统概论-绪论,4,数据库系统原理教材、参考书目一览表,一、教材萨师煊，王珊数据库系统概论（三版）高等教育出版社2003二、参考书目1、Don VilenSQL SEVER 数据库 原理系统设计与实现 清华大学出版社 20042、（美）著 孟小峰，王珊等译 数据库系统导论 机械工业出版社 20033刘韬，楼兴华SQL SERVER 2000数据库系统开发实例导航 人民邮电出版4、数据库系统概论习题、实验与考试辅导，史嘉权等，清华大学出版社2006，25、王亚平数据库系统工程师考试辅导 西安电子科技大学出版社 20046施伯乐，丁宝康 楼荣生主编。数据库系统导论 高等教育出版社7、白尚旺Power Designer 数据库建模技术 西安电子科技大学出版社2001 8、李春葆数据库原理习题与解析 清华大学出版社9、张龙祥等数据库原理与设计 人民邮电出版社 200210、汤庸等数据库理论及应用基础 清华大学出版社 200411、杨国强等ERWIN 数据库建模 电子工业出版社 200412、王能斌.数据库系统教程（上、下册）.北京:电子工业出版社,200213、龚涛Oracle 10g应用服务器管理与网格计算 中国水利水电出版社 200514、闪四清SQL Server2000简明教程(第2版).清华大学出版社 200515、唐学忠等.SQL Server2000实用教程.电子工业出版社.2005,数据库系统概论-绪论,5,刘韬，楼兴华SQL SERVER 2000数据库系统开发实例导航 人民邮电出版,数据库系统概论-绪论,6,数据库系统概论,讲解人：张冬丽 副教授 主任电话：,数据库系统概论-绪论,7,第一节 数据库系统概述,一、基本概念1、数据(Data):描述事物的符号记录称为数据。（王彤，9098135，女，1980，江苏，计算机系，1998）2、数据库(DataBase)：这个词起源于20世纪50年代，当时美国为了战争的需要，把各种情报集中在一起，存储在计算机里，成为Information Base或DataBase。指长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。,数据库系统概论-绪论,8,3、数据库管理系统(DBMS)：是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。主要功能：（1）数据定义功能(DDL数据定义语言)（2）数据组织、存储和管理（3）数据操纵功能(DML数据操纵语言)（4）数据库的事务和运行管理（5）数据库的建立和维护功能,数据库系统概论-绪论,9,数据库管理系统的功能,（1）数据定义功能(DDL数据定义语言)提供数据定义语言（DDL）定义源模式（外模式、内模式、模式）。（2）数据组织、存储和管理目的是提高存储空间利用效率和方便存取，提供多种存取方法（如索引，HASH查找，顺序查找）来提高存取效率。,数据库系统概论-绪论,10,数据库管理系统的功能,（3）数据操纵功能(DML数据操纵语言)DML有两类：嵌入主语言中的宿主型DML，如C，PASCAL等语言中要对数据操作，不能独立操作；交互式命令语言，可以独立使用，称为自含型或自主型DML，解释执行。,数据库系统概论-绪论,11,数据库管理系统的功能,（4）数据库的运行管理 并发控制避免并发程序之间互相干扰防止数据库被破坏杜绝提供给用户不正确的数据存取控制（安全性检查）完整性约束条件的检查和执行保护数据库始终包含正确的数据用户可以设计完整性规则以确保数据值的正确性 数据库内部的维护等（如索引、数据字典的自动维护）。,数据库系统概论-绪论,12,数据库管理系统的功能,（5）.数据库的建立和维护功能l 数据库的初始载入和转换l 数据库的转储和恢复l 数据库的重组织 l 性能监视、分析等。,数据库系统概论-绪论,13,数据库系统概述基本概念,4、数据库系统(DBS)：指在计算机系统中引入数据库后的系统，一般由数据库、数据库管理系统、应用系统、数据库管理员构成。数据库系统图,数据库系统概论-绪论,14,二数据库技术的产生和发展人工管理阶段(1),1、背景：计算机刚刚问世，主要用于科学计算。硬件：这一阶段外存储器有磁带、卡片、纸带，没有磁盘等直接存取设备，输入的数据和程序都是二进制代码，只有专业人员才能操作，而且 极易出错，不便于输入大量数据。软件：没有操作系统，也没有管理数据的软件，数据处理方式是批处理。,数据库系统概论-绪论,15,人工管理阶段,2、人工管理阶段 特点：数据不保存 应用程序管理数据:程序员不仅要设计程序中数据的逻辑结构，而且要设计程序中的物理结构 数据不共享 数据不具有独立性,数据库系统概论-绪论,16,人工管理阶段,数据库系统概论-绪论,17,数据库技术的产生和发展文件管理阶段(2),1、背景：计算机不仅用于科学计算，还大量用于管理。硬件：外存储器有了磁盘、磁鼓等直接存取的设备，使用户不必为存取数据而烦恼。软件：出现操作系统，其中有专门管理数据的软件，称其为文件系统。处理方式有文件批处理和联机实时处理。特点,数据库系统概论-绪论,18,2、文件管理阶段,优点：数据可以长期保存 由文件系统管理数据缺点：数据共享性差，冗余度大 数据独立性差程序与数据的关系见p8图1.4,数据库系统概论-绪论,19,文件系统阶段,数据库系统概论-绪论,20,数据库技术的产生和发展数据库系统阶段(3),1、背景：计算机用于管理的规模更为庞大，应用越来越广泛，数据量急剧增长。硬件：大容量磁盘。价格下降。软件：价格上升。联机实时处理要求增加，开始考虑分布处理。,数据库系统概论-绪论,21,数据库技术的产生和发展(3)数据库系统阶段,2、计算机数据管理的特点：在这样的背景下，多用户、多应用共享数据的需求，使数据尽可能为多个应用服务，此时数据管理的特点为：面向全组织的复杂数据结构。数据冗余度小，共享性高，易于扩充。具有较高的程序和数据的独立性。统一的数据控制功能（安全控制、完整性控制、并发控制、数据库恢复）。,数据库系统概论-绪论,22,数据库阶段,数据库系统概论-绪论,23,文件系统与数据库系统比较,文件系统一般只考虑记录内部的联系，而不去考虑记录之间的联系因而整体上看，文件之间缺乏联系，数据的整体结构差数据库技术不但考虑记录内部的联系，而且还要考虑记录之间的联系记录之间的联系比较复杂，相应的数据结构也很复杂,数据库系统概论-绪论,24,数据库阶段,数据库系统概论-绪论,25,第二节 数据模型,定义:是现实世界数据特征的抽象。分类：根据模型应用的不同目的，模型分为两类：概念模型（信息模型）、逻辑模型（数据模型）和物理模型。,数据库系统概论-绪论,26,概念模型、数据模型,概念模型：也称信息模型，是按用户的观点来对数据和信息建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，是用户和数据库设计人员交流的语言，主要用于数据库设计。数据模型：是按计算机的观点对数据建模，是现实世界数据特征的抽象。主要包括层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型。主要用于DBMS的实现（DBS的核心和基础，DBMS基于某种数据模型）。物理模型：对数据最低层的抽象，它描述数据在系统内部的表示方法和存取方法，是面向计算机系统的。物理模型的具体实现是DBMS的任务，数据库设计人员要了解和选择物理模型，一般用户不必考虑物理级的细节。,数据库系统概论-绪论,27,准备：三个世界的假设,数据库系统概论-绪论,28,准备：三个世界的假设,现实世界、信息世界和数据世界（计算机世界）。1、现实世界：存在于人脑之外的客观世界，是具体事物与抽象概念及其相互联系的综合。（1）事物（个体）：一个实际存在的且可以被识别的事物（2）特征：区别不同个体的依据a.个体的某些特征是相对固定的。b.个体可能有许多特征（3）全体：共有相同特征项目要求的个体为同类个体，所有同类个体构成一个集合称为“全体”。例学校的所有学生。（4）关联：个体间的相互关系。,数据库系统概论-绪论,29,三个世界的假设,2、信息世界是现实世界在人们头脑中的反映，是从后者到前者的抽象。（1）实体：每一个被认识了的个体在信息世界中成为实体。（2）属性：个体每个特征在人脑中形成的认识。（3）实体集：对应于现实世界中的全体。相同型的实体集合成为实体集。如所有学生元组构成的教工集合。（4）联系：现实世界中事物间的关联在信息世界中反映为实体间的联系。,数据库系统概论-绪论,30,三个世界的假设,3、计算机世界（数据世界）（1）数据项：对应与属性项（2）记录：同一实体的所有数据项按一定的方式组织在一起构成表达实体的数据总和，成为记录。包括记录型和记录值（3）文件：同型的一组记录组合在一起构成文件。（4）数据模型：ER模型在数据世界中的进一步抽象。,数据库系统概论-绪论,31,类型和值,在数据库中，每个概念都有类型（type）类型是概念的内涵值（value）值是概念的外延例如学生实体集中，学生是一个实体类型，而具体的人张三、李四是实体值学号、姓名、年龄是属性而3567、张三、19是对应的属性值,数据库系统概论-绪论,32,物理存储中的数据描述,计算机存储器中的术语位（bit）一个二进制位称为“位”，一位只能取0或1状态字节（byte）8个二进制位称为一个字节字（word）若干个字节组成一个字，一个字所含的二进制位的位数称为字长（有8位、16位、24位、32位等）,数据库系统概论-绪论,33,物理存储中的数据描述,块（block）或物理块、物理记录每块的大小为28 212 字节块是内存和外存交换信息的最小单位卷（volume）一台输入输出设备所能装载的全部有用信息如磁带机的一盘磁带就是一卷,数据库系统概论-绪论,34,逻辑数据和物理数据,数据的描述形式物理描述是指数据在存储设备上的存储方式，物理数据是实际存储在存储设备上的数据物理联系，物理结构、物理文件、物理记录等术语，都是描述物理数据的细节逻辑描述是指程序员或用户用来操作的数据形式，是抽象的概念逻辑联系、逻辑结构、逻辑文件、逻辑记录等术语，都是用户观点的数据描述,数据库系统概论-绪论,35,逻辑数据和物理数据,逻辑数据与物理数据之间的关系用户看到的数据结构和数据与存储器中的数据结构和数据可能完全不同应用数据管理软件把逻辑数据转换成物理数据，或把物理数据转换成逻辑数据,数据库系统概论-绪论,36,三个世界的术语有所不同,数据库系统概论-绪论,37,一、概念模型的基本概念,概念模型：是现实世界到机器世界的中间层次。信息世界中的基本概念：实体(Entity)：客观存在并相互区别的事物。属性(Attribute)：实体所具有的某一特征。码(Key)：唯一标识实体的属性集。域(Domain)：属性的取值范围为该属性的域。实体型(Entity Type)：用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体，称为实体型。实体集(Entity Set)：同型实体的集合。联系(Relationship),数据库系统概论-绪论,38,二、概念模型的表示方法(1),概念模型的表示方法:最著名的方法是1976年由提出的实体-联系方法(E-R方法)。实体型：用矩形表示，框内写明实体名。属性：用椭圆表示，并用无向边和相应实体相连。例:联系：用菱形表示，框内写明联系名，并用无向边和有关实体相连，边旁标明联系的类型。例:,学号,学生,数据库系统概论-绪论,39,概念模型的表示方法(2),两个实体之间的联系类型：一对一：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个实体与之联系，反之亦然。一对多：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体(n0)与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有1个实体与之联系。多对多：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体(n0)与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体(m0)与之联系。,数据库系统概论-绪论,40,实体间的联系一对一联系,数据库系统概论-绪论,41,实体间的联系一对多联系,图1.9 一对多联系,数据库系统概论-绪论,42,实体间的联系多对多联系,图1.10 多对多联系,数据库系统概论-绪论,43,概念模型的表示方法(3),两个实体型之间联系的表示方法 1 1 m 1 n n 1:1 1:n m:n,数据库系统概论-绪论,44,概念模型的表示方法(4),两个以上实体型之间也存在着一对一、一对多、多对多联系。表示方法：1 m m n n p,数据库系统概论-绪论,45,概念模型的表示方法(5),同一实体集内的各实体之间也可存在一对一、一对多、多对多的联系。表示方法：1 n,数据库系统概论-绪论,46,概念模型的表示方法(6),数据库系统概论-绪论,47,概念模型的表示方法(7),实体及其联系图 1 n m m 1 n n p n,数据库系统概论-绪论,48,概念模型的表示方法(8),完整E-R图 1 n m m 1 n n p n,数据库系统概论-绪论,49,三、数据模型的组成要素,数据模型应满足的条件：能比较真实的模拟现实世界容易为人所理解便于在计算机上实现数据结构：是所研究的对象类型的集合。是对系统静态特性的描述。数据操作：是指对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作的集合。是对系统动态特性的描述。数据的约束条件：是一组完整性规则的集合。,数据库系统概论-绪论,50,四、最常用的数据模型,层次摸型网状模型关系模型,数据库系统概论-绪论,51,层次模型的数据结构,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。（一对多联系）有且只有一个结点没有双亲结点，称为根结点。根以外的其他结点有且只有一个双亲结点。在层次模型中，每个结点表示一个记录类型，记录之间的联系用结点之间的连线(有向边)表示。,数据库系统概论-绪论,52,举例（学校系的教课模型）系 教研室 课程教师 数据模型 系 教研室 课程教师 数据模型的一个值,数据库系统概论-绪论,53,多对多联系在层次模型中的表示,冗余结点法：两个实体的多对多联系通过增设两个冗余结点将其转换成两个一对多联系。优点是结构清晰，允许结点改变存储位置。缺点是需要额外占用存储空间，有潜在的不一致性 m 1 1 n m m,数据库系统概论-绪论,54,多对多联系在层次模型中的表示,虚拟结点法：将冗余结点转换为虚拟结点，虚拟结点是一个指引元，指向所替代的结点。优点是减少对存储空间的浪费,避免产生潜在的不一致性。缺点是结点改变存储位置可能引起虚拟结点中指针的修改。,数据库系统概论-绪论,55,层次模型的数据操纵与完整性约束,进行插入操作时，没有相应的双亲结点值就不能插入子女结点的值。进行删除操作时，如删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除。进行修改操作时，应修改所有相应记录。,数据库系统概论-绪论,56,层次模型的存储结构,邻接法：按照层次树前序穿越的顺序把所有记录值依次邻接的存放，通过物理空间的位置来体现层次关系。链接法：用指引元来反映数据之间的层次关系。孩子兄弟链接法层次序列链接法,数据库系统概论-绪论,57,层次模型的特点,层次模型的优点：层次数据模型本身比较简单。对实体间的联系固定。提供了良好的完整性支持。层次模型的缺点：只能表示1：N的联系。对插入和删除操作的限制较多。查询子女结点必须通过双亲结点。由于结构严密，层次命令趋于程序化。,数据库系统概论-绪论,58,网状模型的数据结构,网状模型：典型代表DBTG系统。满足下面两个条件的基本层次联系集合称为网状模型：允许一个以上的结点无双亲；一个结点可以由多于一个的双亲。使 维 S-SC C-SC 用 护,数据库系统概论-绪论,59,网状数据模型的数据结构,数据库系统概论-绪论,60,网状数据模型的数据结构(续）,数据库系统概论-绪论,61,网状数据模型的数据结构(续）,数据库系统概论-绪论,62,网状模型的操纵、完整性、存储结构,网状数据模型的操纵与完整性约束支持记录码的概念保证一个联系中双亲记录和子女记录之间是一对多的联系可以支持双亲记录和子女记录之间的某些约束条件网状数据模型的存储结构:链接法,数据库系统概论-绪论,63,网状数据模型的数据结构(续）,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,数据库系统概论-绪论,64,网状数据模型的特点,网状数据模型的优点：能够更为直接的描述现实世界具有良好的性能，存取效率较高网状数据模型的缺点：结构比较复杂。不利于最终用户使用其DDL、DML语言复杂，用户不宜使用,数据库系统概论-绪论,65,层次模型和网状模型的区别,网状模型中子女结点与双亲结点的联系不唯一，因此需要为每个联系命名。网状模型允许复合链，即两个结点之间有两种以上的联系。,数据库系统概论-绪论,66,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,数据库系统概论-绪论,67,关系模型的数据结构,关系模型：1970年IBM研究员E.F,Codd提出.是建立在严格的数学概念的基础上的。在用户观点下，其逻辑结构为一张二维表。,数据库系统概论-绪论,68,关系模型的数据结构,关系模型的基本概念关系(Relation)：一个关系对应一张二维表元组(Tuple)：二维表中的一行属性(Attribute)：二维表中的一列主码(Key)：能够唯一标识元组的属性组域(Domain)：属性的取值范围分量：元组中的一个属性值关系模式：关系名(属性1，属性2，属性n)注：关系的每一个分量必须是一不可分的数据项,数据库系统概论-绪论,69,关系数据模型的数据结构(续）,例学生、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）,数据库系统概论-绪论,70,关系数据模型的数据结构(续）,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。,数据库系统概论-绪论,71,关系模型的操纵、完整性、存储结构,关系数据模型的操纵与完整性约束操作主要包括查询、插入删除和修改数据。完整性约束条件包括实体完整性、参照完整性和用户定义完整性。关系模型的存储结构：实体及实体间的联系都用表来表示。表以文件形式存储。,数据库系统概论-绪论,72,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”，不必详细说明“怎么干”,数据库系统概论-绪论,73,关系模型的特点,关系模型的优点：关系模型是建立在严格数学概念的基础上的；关系模型的概念单一；关系模型的存取路径对用户透明，具有更高的数据独立性和安全保密性，简化了工作。关系模型的缺点：查询效率不如非关系模型，必须进行优化。,数据库系统概论-绪论,74,数据库系统的特点,数据库系统阶段的特点：数据结构化 数据的共享性高,冗余度低,易扩充数据独立性高 数据由DBMS统一管理和控制数据的安全性(Security)保护数据的完整性(Integrity)检查并发控制(Concurrency)数据库恢复(Recovery),数据库系统概论-绪论,75,第三节 数据库系统结构,一、数据库系统模式的概念型：指对某一类数据的结构和属性的说明。值：型的一个具体赋值模式(Schema):是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述,仅涉及到型。实例(Instance)：模式的一个具体值。模式反映的是数据的结构及其联系，实例反映的是数据库某一时刻的状态。,数据库系统概论-绪论,76,数据库的三级体系结构,特点它是数据的三个抽象级别它把数据的具体组织留给DBMS去做用户只要抽象的处理数据不必关心数据在计算机中的表示和存储减轻了用户使用系统的负担DBMS在这三级结构之间提供了两个层次的映象外模式/模式模式/内模式,数据库系统概论-绪论,77,数据库的三级体系结构,图1.23 数据库系统的体系结构,数据库系统概论-绪论,78,外模式/模式映像 内模式/模式映像,数据库系统概论-绪论,79,二、数据库系统的三级模式结构(1),数据库系统的三级模式结构：指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成。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。一个数据库只有一个模式。外模式：也称子模式或用户模式，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。,数据库系统概论-绪论,80,数据库系统的三级模式结构(2),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。一个数据库只有一个内模式。,数据库系统概论-绪论,81,数据库的二级映像功能与数据独立性,外模式/模式映像：定义某一个外模式和模式之间的对应关系，这些映象通常包含在各自的外模式中。当模式改变时，外模式/模式映象要作相应的改变，以保证外模式保持不变，保证了数据与程序的逻辑独立性。映象的定义通常包含在各自的外模式中。,数据库系统概论-绪论,82,模式/内模式映像：是唯一的，定义数据逻辑结构和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。当数据的存储结构改变了，模式/内模式映象也要作相应的变化，保持模式不变。保证了数据与程序的物理独立性。,数据库系统概论-绪论,83,数据库系统的三级模式结构(3),模式独立与数据库的其他层次；内模式独立于外模式，也独立于具体的存储设备；外模式定义在逻辑模式之上，独立于存储模式和存储设备。特定应用程序依赖于特定的外模式，与数据库的模式和存储结构独立。,数据库系统概论-绪论,84,3个模式反映了数据库的3种不同观点:（1）模式表示了概念级的数据库，体现了对数据库的总体观；（2）内模式表示了物理级的数据库，体现了对数据库的存储观；（3）外模式表示了用户级的数据库，体现了对数据库的用户观；,数据库系统概论-绪论,85,2.数据库的二级映象,1）外模式/模式映象定义了外模式与模式之间的对应关系。是数据的全局逻辑结构和数据的局部逻辑结构之间的映象；外模式/模式映象不唯一；模式改变映象改变外模式不变应用程序不变保证数据的逻辑独立性。2）模式/内模式映象定义了模式与内模式之间的对应关系。是数据的全局逻辑结构与存储结构之间的映象。模式/内模式映象是唯一的；存储结构改变映象改变模式不变保证数据的物理独立性。,
