北京林業大學軟件教研室 1 第1章數據庫系統概述 北京林業大學軟件教研室 3 1 1信息 數據 數據處理與數據管理1 2數據庫技術的產生 發展1 3數據庫系統的組成1 4數據庫系統的模式結構1 5數據庫系統的外部體系結構1 6數據庫管理系統 DBMS 1 7數據模型1 8四種數據模型1 9數據庫系統的發展1 10數據庫技術與其他相關技術的結合 北京林業大學軟件教研室 4 通訊錄 圖書館 數據庫 數據的倉庫 即數據存放的地方 小數據庫可用手工管理 大型數據庫必須由計算機進行管理 計算機三大主要應用領域 科學計算 過程控制 數據處理 70 北京林業大學軟件教研室 5 信息的特征 1 1信息 數據 數據處理與數據管理 1 1 1數據與信息 信息 能源 材料 客觀世界的三大要素 采集并加工 傳遞 消息情報指令數據信號 學號 S1姓名 趙亦性別 女年齡 17歲所在系別 計算機 源于物質和能量 可以感知 可存儲 加工 傳遞和再生 北京林業大學軟件教研室 6 數據數據是信息的具體表現形式數據的表現形式數據與信息的聯系數據是信息的符號表示或載體信息是數據的內涵 是對數據的語義解釋 S1趙亦女17歲計算機 數字文字圖形圖象聲音等 北京林業大學軟件教研室 7 1 1 2數據處理與數據管理 信息 數據 數據處理 將數據轉換成信息包括數據的收集 管理 加工利用乃至信息輸出 數據的收集 整理 組織 編碼 存儲 維護 檢索 傳輸等操作 數據處理 數據管理 產出輸出結果 原料輸入 數據處理 的真正含義應該是為了產生信息而處理數據 北京林業大學軟件教研室 8 1 2數據庫技術的產生 發展 人工管理階段 文件系統階段 數據庫系統階段 數據不保存 不共享 無獨立性 無專用軟件管理數據 數據以文件形式長期保存 由文件系統管理數據 程序與數據間有一定獨立性 數據結構化 共享性高 冗余度低 獨立性高 有統一的數據控制功能 DBMS 數據的安全性控制數據的完整性控制并發控制數據恢復 北京林業大學軟件教研室 9 北京林業大學軟件教研室 10 北京林業大學軟件教研室 11 北京林業大學軟件教研室 12 1 3數據庫系統的組成 數據庫系統 DBS 數據庫 計算機軟件系統 數據庫用戶 計算機硬件系統 圖1 6數據庫系統 用戶1 用戶2 用戶n 用戶 應用系統 應用開發工具 DBMS 操作系統OS 數據庫 數據庫管理員 軟件系統 北京林業大學軟件教研室 13 數據庫數據庫 DB 是存儲在計算機內 有組織的 可共享的數據集合用戶 集成性 共享性 終端用戶 應用程序員 數據庫管理員 對數據庫進行存儲 維護和檢索 非計算機專業人員使用數據庫 設計和編制應用程序 負責設計 建立 管理和維護數據庫以及協調用戶對數據庫要求的個人或工作團隊 北京林業大學軟件教研室 14 軟件 Software 系統硬件 Hardware 系統硬件系統指存儲和運行數據庫系統的硬件設備 數據庫系統在整個計算機系統中的地位如圖所示 DBMS OS 應用系統 軟件系統 核心 DBMS在操作系統支持下工作 應用程序在DBMS支持下才能使用數據庫 北京林業大學軟件教研室 15 1 4數據庫系統的模式結構 1 4 1數據庫系統的三級模式結構數據庫系統內部的體系結構從邏輯上分為三級 型 值 模式 實例 外模式 模式 內模式 北京林業大學軟件教研室 16 圖1 8數據庫系統的三級模式結構 應用1 應用2 應用n 外模式1 外模式m 外模式 模式映象 模式 模式 內模式映象 內模式 數據庫 用戶級 概念級 物理級 北京林業大學軟件教研室 17 內模式是整個數據庫實際存儲的表示模式是整個數據庫實際存儲的抽象表示外模式是概念模式的某一部分的抽象表示 外模式 模式 內模式 數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述 數據庫用戶能看到并允許使用的那部分局部數據的邏輯結構和特征的描述 它是對數據庫存儲結構的描述 是數據在數據庫內部的表示方式 可有多個 只有一個 北京林業大學軟件教研室 18 1 4 2數據庫系統的二級映象與數據獨立性 DBMS在三級模式之間提供了二級映象功能 保證了數據庫系統中的數據能夠具有較高的邏輯獨立性與物理獨立性 外模式 模式映象 模式 內模式映象 保證了數據與程序間的邏輯獨立性 確保了數據的物理獨立性 北京林業大學軟件教研室 19 1 5數據庫系統的外部體系結構 單用戶結構的數據庫系統 主從式結構的數據庫系統 分布式結構的數據庫系統 客戶 服務器結構的數據庫系統 瀏覽器 服務器結構的數據庫系統 一臺計算機 不能共享數據 大型主機帶多個終端 主機處理 終端輸出 是分布在計算機網絡上的多個邏輯相關的數據庫的集合 把DBMS的功能與應用程序分開 管理數據的節點稱為服務器應用DBMS的節點稱為客戶機 將客戶端運行的應用程序轉移到應用服務器上 充當了客戶機和數據庫服務器的中介 北京林業大學軟件教研室 20 DBS 1 6數據庫管理系統 DBMS 1 6 1DBMS的主要功能數據定義功能定義數據的模式 外模式和內模式三級模式結構定義模式 內模式和外模式 模式二級映象定義有關的約束條件 DBMS 核心 數據定義查詢更新各種控制 北京林業大學軟件教研室 21 數據操縱功能數據庫的基本操作 檢索 更新 包括插入 修改 刪除 等 DML有兩類 自主型宿主型數據庫運行管理功能對數據庫運行的管理是DBMS運行的核心部分 DBMS對數據庫的控制主要通過四個方面實現 數據的安全性控制 數據的完整性控制 多用戶環境下的并發控制和數據庫的恢復 獨立使用 嵌入在如Fortran Pascal C等高級語言中 北京林業大學軟件教研室 22 數據庫的建立和維護功能數據庫的建立包括數據庫的初始數據的裝入與數據轉換等 數據庫的維護包括數據庫的轉儲 恢復 重組織與重構造 系統性能監視與分析等 數據通信接口數據組織 存儲和管理 北京林業大學軟件教研室 23 1 6 2DBMS的組成 語言編譯處理程序 系統運行控制程序 系統建立 維護程序 數據字典 數據定義語言DDL編譯程序 數據操縱語言DML編譯程序 系統總控程序安全性控制程序完整性控制程序并發控制程序數據存取和更新程序通信控制程序 裝配程序重組程序系統恢復程序 描述數據庫中有關信息的數據目錄 北京林業大學軟件教研室 24 1 6 3DBMS的數據存取的過程 DBMS對數據的存取通常需要以下幾個步驟 1 用戶使用某種特定的數據操作語言向DBMS發出存取請求 2 DBMS接受請求并將該請求解釋轉換成機器代碼指指令 3 DBMS依次檢查外模式 外模式 模式映象 模式 模式 內模式映象及存儲結構定義 4 DBMS對存儲數據庫執行必要的存取操作 5 從對數據庫的存取操作中接受結果 6 對得到的結果進行必要的處理 如格式轉換等 7 將處理的結果返回給用戶 北京林業大學軟件教研室 25 應用程序 數據庫 DBMS 數據請求 處理結果 低層指令 結果 圖1 11DBMS的工作方式 應用程序 應用程序 DBMS 操作系統 外模式 模式 內模式 數據庫 圖1 12DBMS存取數據的過程示意圖 北京林業大學軟件教研室 26 1 7數據模型 數據模型是數據庫的框架數據模型是數據庫系統的核心和基礎1 7 2三個世界的劃分及其有關概念三個世界的劃分首先將現實世界的事物及聯系抽象成信息世界的信息模型然后再抽象成計算機世界的數據模型數據加工經歷了現實世界 信息世界和計算機世界三個不同的世界 經歷了兩級抽象和轉換 組織方式表達方式存取路徑 數據及其聯系 北京林業大學軟件教研室 27 現實世界 概念模型 認識抽象 DBMS支持的數據模型 圖1 13數據處理的抽象和轉換過程 北京林業大學軟件教研室 28 現實世界現實世界即客觀存在的世界人們總是選用感興趣的最能表征該事物的若干特征來描述該事物信息世界及其有關基本概念實體客觀存在并且可以相互區別的 事物 稱為實體實體可以是具體的人 事 物 也可以是抽象的事件屬性實體所具有的某一特性稱為屬性 型 值 屬性名 具體值 北京林業大學軟件教研室 29 實體型具有相同屬性的實體必然具有共同的特征實體集同型實體的集合稱為實體集鍵能惟一標識一個實體的屬性或屬性集稱為實體的鍵域屬性的取值范圍稱為該屬性的域 學生 學號 姓名 年齡 性別 系 北京林業大學軟件教研室 30 聯系實體型內部的聯系通常是指組成實體的各屬性之間的聯系實體型之間的聯系通常是指不同實體集之間的聯系兩個實體型之間的聯系有如下三種類型 A B A B A B a 一對一聯系 b 一對多聯系 c 多對多聯系 北京林業大學軟件教研室 31 計算機世界及其有關基本概念字段 Field 標記實體屬性的命名單位稱為字段 記錄 Record 字段的有序集合稱為記錄 如 一個學生 990001 張立 20 男 計算機 為一個記錄 文件 File 同一類記錄的集合稱為文件 所有學生的記錄組成了一個學生文件 關鍵字 Key 能惟一標識文件中每個記錄的字段或字段集 稱為記錄的關鍵字 北京林業大學軟件教研室 32 北京林業大學軟件教研室 33 1 7 3數據模型的分類 概念模型它是按用戶的觀點對數據和信息建模用來描述某個特定組織所關心的信息結構概念模型屬于信息世界中的模型邏輯模型 或稱數據模型 和物理模型邏輯模型是屬于計算機世界中的模型邏輯模型主要包括層次模型 網狀模型 關系模型 面向對象模型等物理模型描述數據在磁盤或磁帶上的存儲方式和存取方法 E R模型 北京林業大學軟件教研室 34 1 7 4實體聯系模型及E R圖 E R圖的基本成分 學生 學號 選修 a 實體 b 屬性 c 聯系 1 11 nm n 北京林業大學軟件教研室 35 E R圖的幾種基本形式 兩個實體之間的聯系 系主任 成績 領導 系 學生 屬于 系 學生 選修 課程 1 1 1 n n m 北京林業大學軟件教研室 36 兩個以上實體間的聯系 數量 供應商 供應 零件 n m 項目 n 領導 職工 1 n 同一實體集內部各實體之間的聯系 北京林業大學軟件教研室 37 設計一個圖書館數據庫對每個借閱者保存記錄 讀者號 姓名 地址 性別 年齡 單位對每本書保存記錄 書名 作者 出版社對每一本被借出的書保存 讀者號 借出日期 應還日期 歸還日期 北京林業大學軟件教研室 38 1 7 5數據模型的組成要素 數據結構 數據操作 數據的完整性約束 層次結構 網狀結構 關系結構 查詢 插入 刪除 修改 更新 正確 有效 相容 北京林業大學軟件教研室 39 1 8四種數據模型 1 8 1層次模型層次模型的數據結構 無雙親 根節點 根以外的其他結點有且僅有一個雙親結點 父子結點之間的聯系是一對多 1 n 的聯系 北京林業大學軟件教研室 40 具有四個記錄型 D R S TS與T是葉結點 它們沒有子女結點由D到R R到T 由D到S均是一對多的關系 北京林業大學軟件教研室 41 層次模型的數據操縱與數據完整性約束進行插入操作時 如果沒有相應的雙親結點值就不能插入子女結點值 進行刪除操作時 如果刪除雙親結點值 則相應的子女結點值也被同時刪除 修改操作時 應修改所有相應的記錄 以保證數據的一致性 層次模型的優缺點 結構簡單 層次分明 查詢效率高 提供良好的數據完整性支持 不能直接表示多對多聯系 插入和刪除數據限制太多 查詢子女結點必須通過雙親結點 優點 缺點 北京林業大學軟件教研室 42 1 8 2網狀模型 網狀模型的數據結構網狀模型是采用有向圖結構表示記錄型與記錄型之間聯系的數據模型 每個結點表示一個記錄型 每個記錄型可包含若干個字段 記錄型描述的是實體 結點間的帶箭頭的連線 或有向邊 表示記錄型間的1 n的父子聯系 網狀模型的特點 有一個以上的結點沒有雙親結點 允許結點有多個雙親結點 允許兩個結點之間有多種聯系 復合聯系 北京林業大學軟件教研室 43 網狀模型的數據操縱與完整性約束插入數據時 允許插入尚未確定雙親結點值的子女結點值 刪除數據時 允許只刪除雙親結點值 修改數據時 只需更新指定記錄即可 網狀模型的優缺點 可表示實體間的多種復雜聯系 具有良好的性能和存儲效率 數據結構復雜 數據定義語言 數據操縱語言復雜 用戶需要了解系統結構的細節 優點 缺點 北京林業大學軟件教研室 44 1 8 3關系模型 關系模型的數據結構及有關概念 小型數據庫系統 Foxpro Access 大型數據庫系統 Oracle SQLServer Informix Sybase 關系 二維表 元組 屬性 域 屬性的取值范圍 男 女 北京林業大學軟件教研室 45 分量每一行對應的列的屬性值 即為元組中的一個屬性值 關鍵字 Key 可惟一標識一個元組的屬性或屬性集 也稱為關系鍵或主碼 如S表中學號可以惟一確定一個學生 為學生關系的主碼 關系模式關系模式是對關系的描述 是關系模型的 型 一般表示為 關系名 屬性1 屬性2 屬性n 如 學生 學號 姓名 性別 年齡 系別 關系實例關系實例是關系模式的 值 是關系的數據 相當于二維表中的數據 北京林業大學軟件教研室 46 關系模型的數據操縱與完整性約束關系模型中的數據操作是集合操作 操作對象和操作結果都是關系 即若干元組的集合 關系模型把對數據的存取路徑隱蔽起來 用戶只要指出 干什么 而不必詳細說明 怎么干 從而大大地提高了數據的獨立性 提高了用戶操作效率 關系模型的優缺點 有嚴格的數學理論根據 用關系描述實體間的聯系 具有更高的數據獨立性 更好的安全保密性 優點 查詢效率不如非關系模型 缺點 北京林業大學軟件教研室 47 1 8 4面向對象模型 對象和對象標識對象是現實世界中實體的模型化 對象標識獨立于對象的內容和存儲位置 是一種邏輯標識符 通常由系統產生 它在整個系統范圍內是惟一的 兩個對象即使內部狀態值和方法都相同 如標識符不同 仍認為是兩個相等而不同的對象 每個對象都包含一組屬性和一組方法 一個學生一門課程一次考試記錄 對象 屬性 方法 對象 屬性 方法 北京林業大學軟件教研室 48 類 Class 和繼承 Inheritance 具有同樣屬性和方法集的所有對象構成了一個對象類 一個對象是某一類的實例 類的屬性域可以是基本數據類型 如整型 實型 字符型等 也可以是類 類的表示具有層次性和繼承性 對象 類 型 值 北京林業大學軟件教研室 49 面向對象模型的優缺點 能完整地描述現實世界的數據結構 具有豐富的表達能力 優點 模型相對比較復雜 缺點 涉及的知識比較多 因此 面向對象數據庫尚未達到關系數據庫的普及程度 北京林業大學軟件教研室 50 1 9數據庫系統的發展 關系數據模型 格式化數據模型 層次數據模型和網狀數據模型 面向對象的數據模型 支持三級模式的體系結構 用存取路徑來表示數據之間的聯系 獨立的數據定義語言 導航的數據操縱語言 概念單一 實體以及實體之間的聯系都用關系來表示 以關系代數為基礎 形式化基礎好 數據獨立性強 數據的物理存取路徑對用戶隱蔽 關系數據庫語言是非過程化的 大大降低了用戶編程的難度 支持面向對象的數據模型 保持或繼承第二代數據庫系統的優點 具有開放性 第一代 第二代 第三代 傳統數據庫缺點 面向機器的語法數據模型 數據類型簡單 固定 結構與行為完全分離 被動響應 事務處理能力較差 北京林業大學軟件教研室 51 1 10數據庫技術與其他相關技術的結合 數據庫技術與分布處理技術相結合 出現了分布式數據庫 數據庫技術與人工智能技術相結合 出現了演繹數據庫 主動數據庫和知識庫等 數據庫技術與多媒體技術相結合 出現了多媒體數據庫 1 10 1分布式數據庫集中式系統和分布式系統集中式數據庫就是集中在一個中心場地的電子計算機上 以統一處理方式所支持的數據庫 集中控制處理效率高 可靠性好 數據冗余少 數據獨立性高 易于支持復雜的物理結構去獲得對數據的有效訪問 北京林業大學軟件教研室 52 分散式數據庫系統 北京林業大學軟件教研室 53 分布式數據庫的定義分布式數據庫是一組結構化的數據集合 它們在邏輯上屬于同一系統而在物理上分布在計算機網絡的不同結點上 分布式數據庫的特點 自治與共享 冗余的控制 分布事務執行的復雜性 數據的獨立