1、主講：劉輝主講：劉輝E-mail Password huiliu本章主要內容數據管理技術的發展數據管理技術的發展 數據處理及數據管理的概念數據處理及數據管理的概念 數據模型數據模型 數據庫系統組成數據庫系統組成 數據庫系統體系結構數據庫系統體系結構 1.1 數據處理概念數據處理概念 數據與信息數據與信息 1數據數據 從本質上說，數據是指描述事物的符號，可以有多種形式。數字、文從本質上說，數據是指描述事物的符號，可以有多種形式。數字、文字、圖形、圖像、動畫、聲音、影像等都是數據。字、圖形、圖像、動畫、聲音、影像等都是數據。2信息信息 信息是現實世界中的各種事物、事物的特征及其聯系等在人腦中的反信

2、息是現實世界中的各種事物、事物的特征及其聯系等在人腦中的反映，是經過處理、加工提煉而用于決策制定或其他應用活動的數據。映，是經過處理、加工提煉而用于決策制定或其他應用活動的數據。信息是經過處理的數據。信息是經過處理的數據。3數據管理數據管理 數據管理是指數據的收集、整理、組織、存儲、傳送、查詢等各種操數據管理是指數據的收集、整理、組織、存儲、傳送、查詢等各種操作，是數據處理的基本環節，是任何數據處理任務的共性部分。數據作，是數據處理的基本環節，是任何數據處理任務的共性部分。數據庫技術就是一門數據管理技術。庫技術就是一門數據管理技術。 n1.1.人工管理階段人工管理階段 n2.2.文件系統階段文

3、件系統階段 n3.3.數據庫系統階段數據庫系統階段 1.2 數據管理技術的發展數據管理技術的發展 1.2.1 人工管理階段人工管理階段 1時間時間 20世紀世紀50年代中期以前年代中期以前 。計算機提供給人們的只有簡單的硬件系統，外存也只有紙帶、磁帶和計算機提供給人們的只有簡單的硬件系統，外存也只有紙帶、磁帶和卡片，軟件上還沒有出現操作系統卡片，軟件上還沒有出現操作系統 。2硬軟件硬軟件 1.2 數據管理技術的發展數據管理技術的發展 1.2.1 人工管理階段人工管理階段 缺點：缺點： 人工管理方式是面向人工管理方式是面向某一具體應用的，程某一具體應用的，程序和數據組基本上是序和數據組基本上是綁

4、在一起的，因此數綁在一起的，因此數據的獨立性差，無法據的獨立性差，無法實現數據共享，數據實現數據共享，數據冗余度（同樣的數據冗余度（同樣的數據出現多次稱為冗余）出現多次稱為冗余）大。大。1.2 數據管理技術的發展數據管理技術的發展 1.2.2 文件系統階段文件系統階段 1時間時間 20世紀世紀60-70年代，計算機大量用于管理領域。年代，計算機大量用于管理領域。 在硬件方面出現了磁盤、磁鼓等直接存取的存儲設備，在軟件方面出在硬件方面出現了磁盤、磁鼓等直接存取的存儲設備，在軟件方面出現了簡單的數據文件管理系統（文件系統）。現了簡單的數據文件管理系統（文件系統）。 文件系統專門管理文件，用戶對數據

5、文件的存取都通過文件系統來進文件系統專門管理文件，用戶對數據文件的存取都通過文件系統來進行的。行的。 2硬軟件硬軟件 程序員在編程時不必考慮數據的存放形式，用戶存取數據只需通過應程序員在編程時不必考慮數據的存放形式，用戶存取數據只需通過應用程序與文件管理系統之間的接口來進行。用程序與文件管理系統之間的接口來進行。1.2 數據管理技術的發展數據管理技術的發展 1.2.2 文件系統階段文件系統階段數據冗余無法避免數據冗余無法避免面向應用，文件結構難以擴展面向應用，文件結構難以擴展1.2 數據管理技術的發展數據管理技術的發展 1.2.2 文件系統階段文件系統階段 2優點優點 實現了數據的文件級共享實

6、現了數據的文件級共享 。 程序和數據文件相互依存。程序和數據文件相互依存。數據冗余大、數據的不一致性。數據冗余大、數據的不一致性。 3缺點缺點 不能反映企業間的業務聯系。不能反映企業間的業務聯系。 4改進改進 為了更方便地實現各用戶對數據的共享，實現數據和程序的獨立性，為了更方便地實現各用戶對數據的共享，實現數據和程序的獨立性，就進入了數據處理的第三階段就進入了數據處理的第三階段數據庫系統階段。數據庫系統階段。 1.2 數據管理技術的發展數據管理技術的發展 1.2.3 數據庫系統階段數據庫系統階段 1數據庫技術的目標數據庫技術的目標 一是克服程序和文件的相互依存一是克服程序和文件的相互依存 。

7、 二是重在表現數據之間的聯系。二是重在表現數據之間的聯系。三是盡量克服數據冗余，解決數據的安全性和完整性保護問題。三是盡量克服數據冗余，解決數據的安全性和完整性保護問題。 2與文件系統的根本區別與文件系統的根本區別 數據庫系統是面向整個系統的，而文件系統是面向具體應用的。即數數據庫系統是面向整個系統的，而文件系統是面向具體應用的。即數據庫把一個機構中公用的數據綜合在一起，放在一個公用的數據庫中，據庫把一個機構中公用的數據綜合在一起，放在一個公用的數據庫中，并將各項的數據按照一定的邏輯結構構造在一起，使數據不僅存在于并將各項的數據按照一定的邏輯結構構造在一起，使數據不僅存在于數據庫中，而且還能反

8、映出各類數據之間的復雜關系。數據庫中，而且還能反映出各類數據之間的復雜關系。 說明：由于各部門公說明：由于各部門公用的數據存放在一個用的數據存放在一個公共的數據庫中，數公共的數據庫中，數據一般只有一個版本，據一般只有一個版本，從而盡可能地消除了從而盡可能地消除了數據冗余。但實際上數據冗余。但實際上數據冗余是不可能完數據冗余是不可能完全消除了，有時為了全消除了，有時為了應用上的方便，還必應用上的方便，還必須人為是增加數據冗須人為是增加數據冗余。余。 1.2 數據管理技術的發展數據管理技術的發展 1.2.3 數據庫系統階段數據庫系統階段 3數據庫系統階段的主要特點數據庫系統階段的主要特點 （1）數

9、據的結構化）數據的結構化 數據庫系統中的數據面向整個機構的全局應用，并采用一定的數據模型數據庫系統中的數據面向整個機構的全局應用，并采用一定的數據模型來進行描述和定義，數據具有整體結構化的特征。在描述數據結構的同來進行描述和定義，數據具有整體結構化的特征。在描述數據結構的同時，不但要描述數據的本身，同時還要描述數據之間的聯系。時，不但要描述數據的本身，同時還要描述數據之間的聯系。由于是從全局分析和描述數據，從而可以使數據可以被機構內的多個用由于是從全局分析和描述數據，從而可以使數據可以被機構內的多個用戶、多個應用所共享。由此可以顯著地減少數據冗余，節省存儲空間。戶、多個應用所共享。由此可以顯著

10、地減少數據冗余，節省存儲空間。由于數據沒有其它副本，故不會出現數據的不一致性。由于數據沒有其它副本，故不會出現數據的不一致性。 （2）數據共享性）數據共享性 除了共享的數據外，各部門還可以有自己的私有數據，這些數據也可以除了共享的數據外，各部門還可以有自己的私有數據，這些數據也可以存放在數據庫中，但它只是私有于某個部門，為了防止其它部門對它進存放在數據庫中，但它只是私有于某個部門，為了防止其它部門對它進行訪問，可加上各種保密限制，禁止非法獲得這些數據。行訪問，可加上各種保密限制，禁止非法獲得這些數據。1.2 數據管理技術的發展數據管理技術的發展 1.2.3 數據庫系統階段數據庫系統階段 3數據

11、庫系統階段的主要特點數據庫系統階段的主要特點 （3）數據與程序具有獨立性）數據與程序具有獨立性 所謂數據獨立性是指數據發生變化而應用程序可以不變。所謂數據獨立性是指數據發生變化而應用程序可以不變。1.2 數據管理技術的發展數據管理技術的發展 1.2.3 數據庫系統階段數據庫系統階段 （4）便于對數據實現集中統一的管理與控制）便于對數據實現集中統一的管理與控制 n安全性控制安全性控制n完整性控制完整性控制n并發控制并發控制n故障恢復故障恢復3數據庫系統階段的主要特點數據庫系統階段的主要特點 1.2 數據管理技術的發展數據管理技術的發展 1.2.3 數據庫系統階段數據庫系統階段 （4）便于對數據實

12、現集中統一的管理與控制）便于對數據實現集中統一的管理與控制 n安全性控制：數據的安全性是指保護數據以防止不安全性控制：數據的安全性是指保護數據以防止不合法的使用所造成的數據泄密或破壞。系統一般用合法的使用所造成的數據泄密或破壞。系統一般用檢查口令或其它手段來驗證用戶身份，只有合法用檢查口令或其它手段來驗證用戶身份，只有合法用戶才能進入數據庫系統；可以通過定義保密級別和戶才能進入數據庫系統；可以通過定義保密級別和數據存取權限來控制進入系統的用戶只能使用允許數據存取權限來控制進入系統的用戶只能使用允許他使用的數據。他使用的數據。 3數據庫系統階段的主要特點數據庫系統階段的主要特點 1.2 數據管理

13、技術的發展數據管理技術的發展 1.2.3 數據庫系統階段數據庫系統階段 （4）便于對數據實現集中統一的管理與控制）便于對數據實現集中統一的管理與控制 n完整性控制完整性控制 ：數據的完整性是指數據的正確性、有：數據的完整性是指數據的正確性、有效性。數據庫中的數據是對客觀世界中事物性質的效性。數據庫中的數據是對客觀世界中事物性質的反映，必須要符合一定的語義。數據庫系統應提供反映，必須要符合一定的語義。數據庫系統應提供必要的功能，保證數據庫中的數據在輸入、修改過必要的功能，保證數據庫中的數據在輸入、修改過程中始終符合原來的含義或規定。程中始終符合原來的含義或規定。 3數據庫系統階段的主要特點數據庫

14、系統階段的主要特點 1.2 數據管理技術的發展數據管理技術的發展 1.2.3 數據庫系統階段數據庫系統階段 （4）便于對數據實現集中統一的管理與控制）便于對數據實現集中統一的管理與控制 n并發控制：當多個用戶的應用程序同時存取、修改并發控制：當多個用戶的應用程序同時存取、修改數據庫時，可能會發生相互干擾而得到錯誤的結果，數據庫時，可能會發生相互干擾而得到錯誤的結果，并使數據庫的完整性受到破壞，因此必須對多用戶并使數據庫的完整性受到破壞，因此必須對多用戶的并發存取操作加以控制和協調。的并發存取操作加以控制和協調。 3數據庫系統階段的主要特點數據庫系統階段的主要特點 1.2 數據管理技術的發展數據

15、管理技術的發展 1.2.3 數據庫系統階段數據庫系統階段 （4）便于對數據實現集中統一的管理與控制）便于對數據實現集中統一的管理與控制 n故障恢復：雖然我們希望數據庫中的數據總是正確故障恢復：雖然我們希望數據庫中的數據總是正確的、可靠的，但計算機系統故障卻是無法保證不出的、可靠的，但計算機系統故障卻是無法保證不出現的。故障出現時，可能會影響到數據庫中數據的現的。故障出現時，可能會影響到數據庫中數據的正確性與有效性，甚至會破壞整個數據庫，使數據正確性與有效性，甚至會破壞整個數據庫，使數據庫中的數據部分或全部丟失。當發生這種情況時，庫中的數據部分或全部丟失。當發生這種情況時，系統應該能夠根據故障類

16、型把數據庫恢復到正確狀系統應該能夠根據故障類型把數據庫恢復到正確狀態。態。 3數據庫系統階段的主要特點數據庫系統階段的主要特點 1.3 數據模型數據模型 把信息世界中的實體及其聯系轉化為數據庫中的數據，需要借助于實把信息世界中的實體及其聯系轉化為數據庫中的數據，需要借助于實施數據模型（一般簡稱數據模型）這個工具。數據模型是數據庫中用施數據模型（一般簡稱數據模型）這個工具。數據模型是數據庫中用于提供信息表示和操作手段的形式框架，是將信息世界轉化為數據世于提供信息表示和操作手段的形式框架，是將信息世界轉化為數據世界的橋梁。目前常用的數據模型有層次模型、網狀模型、關系模型和界的橋梁。目前常用的數據模

17、型有層次模型、網狀模型、關系模型和面向對象數據模型四大類面向對象數據模型四大類 。層次數據模型是三大經典數據模型中出現最早的一個，它用樹型結構層次數據模型是三大經典數據模型中出現最早的一個，它用樹型結構來表示實體集與實體集間的聯系。樹中的節點，表示實體集，樹中的來表示實體集與實體集間的聯系。樹中的節點，表示實體集，樹中的連線用來表示實體集間的聯系，這種聯系只能是連線用來表示實體集間的聯系，這種聯系只能是1:1或或1:n的聯系。的聯系。 1層次層次模型模型 層次模型是指滿足下列條件的基本層次聯系的集合：層次模型是指滿足下列條件的基本層次聯系的集合：（1）有且僅有一個節點無父結點，此結點稱為根結點

18、；）有且僅有一個節點無父結點，此結點稱為根結點；（2）根結點以外的其它結點有且僅有一個父結點。）根結點以外的其它結點有且僅有一個父結點。層次模型的優點層次模型的優點是層次分明，結是層次分明，結構清晰，適用于構清晰，適用于描述客觀存在的描述客觀存在的事物中有主細目事物中有主細目之分的之分的層次結構層次結構聯聯系，比如部門的系，比如部門的組織結構圖。典組織結構圖。典型的層次模型數型的層次模型數據庫管理系統是據庫管理系統是IBM公司在公司在1986開發研制的開發研制的IMS（Information Management System）。）。 1.3 數據模型數據模型 現實世界廣泛存在著非層次聯系，對

19、于這類聯系，用層次模型來描述現實世界廣泛存在著非層次聯系，對于這類聯系，用層次模型來描述往往很不直觀，也難以理解。因此人們又提出了另一種數據模型往往很不直觀，也難以理解。因此人們又提出了另一種數據模型網狀模型。網狀模型。 2網狀模型網狀模型 1.3 數據模型數據模型 2網狀模型網狀模型 1.3 數據模型數據模型 關系數據模型是三大經典模型（層次、網狀、關系）中最晚發展關系數據模型是三大經典模型（層次、網狀、關系）中最晚發展起來的一種，是相對建模能力最強的一種，也是目前使用得最多的一起來的一種，是相對建模能力最強的一種，也是目前使用得最多的一種模型。它的產生是與科迪的努力分不開的。種模型。它的產

20、生是與科迪的努力分不開的。1970年，科迪年，科迪（E.F.Codd）首次描述了關系數據模型，后來他與戴特（）首次描述了關系數據模型，后來他與戴特（C.J.Date）一起將關系數據模型建立在嚴格的數學基礎（笛卡爾積與關系代數）一起將關系數據模型建立在嚴格的數學基礎（笛卡爾積與關系代數）上，為關系數據庫的誕生奠定了理論基礎。上，為關系數據庫的誕生奠定了理論基礎。 3關系模型關系模型 若干個名詞：關系、關系數據庫、屬性、元組若干個名詞：關系、關系數據庫、屬性、元組 、關、關鍵字鍵字 、值域、值域 1.3 數據模型數據模型 （1）關系中元組的個數是有限的；）關系中元組的個數是有限的；（2）關系中不允

21、許有相同的元組；）關系中不允許有相同的元組；（3）關系中不允許有相同的屬性名；）關系中不允許有相同的屬性名；（4）關系的每一屬性的數據類型必須相同，且取自于同一個域；）關系的每一屬性的數據類型必須相同，且取自于同一個域；（5）關系的行的順序和列的順序可以任意交換；）關系的行的順序和列的順序可以任意交換；（6）關系的任何一個屬性都必須是不可再分的元素；）關系的任何一個屬性都必須是不可再分的元素；（7）關系的結構相對固定，但元組的值與數目是隨時間的推移而經）關系的結構相對固定，但元組的值與數目是隨時間的推移而經常變化的。常變化的。3關系模型關系模型關系的性質關系的性質 關系模型是以人們日常生活中司

22、空見慣的二維表的形式表示實關系模型是以人們日常生活中司空見慣的二維表的形式表示實體集與實體集之間的聯系，非常直觀，同時又由于其理論嚴格、體集與實體集之間的聯系，非常直觀，同時又由于其理論嚴格、使用方便等特點，所以被廣泛地接受和使用。使用方便等特點，所以被廣泛地接受和使用。 1.5 數據庫系統組成數據庫系統組成 數據庫系統（數據庫系統（Database SystemDBS）是指實際可運行的、）是指實際可運行的、具有管理和控制數據庫功能并向應用程序提供數據或信息支持的系統。具有管理和控制數據庫功能并向應用程序提供數據或信息支持的系統。一個完整的數據庫系統由計算機支持系統、數據庫（一個完整的數據庫系

23、統由計算機支持系統、數據庫（DatabaseDB）、數據庫管理系統（）、數據庫管理系統（Database Management systemDBMS）、數據庫應用程序以及相關人員組成。）、數據庫應用程序以及相關人員組成。 1計算機支持系統計算機支持系統 (1)硬件支持系統硬件支持系統 (2)軟件支持系統軟件支持系統 2數據庫（數據庫（DB） 數據庫一般是指按一定的數據模型組織的，長期存放在外存上的一組數據庫一般是指按一定的數據模型組織的，長期存放在外存上的一組可共享的相關數據集合?？梢园阉闯墒菙祿膫}庫，這個可共享的相關數據集合?？梢园阉闯墒菙祿膫}庫，這個“倉庫倉庫”中的中的數據彼此之間

24、是有聯系的、有規則的，不是獨立的、雜亂無章的。數據彼此之間是有聯系的、有規則的，不是獨立的、雜亂無章的。1.5 數據庫系統組成數據庫系統組成3數據庫管理系統（數據庫管理系統（DBMS） 為了使用數據庫中的數據，必須有一個對這些數據進行訪問和控制為了使用數據庫中的數據，必須有一個對這些數據進行訪問和控制的機構，這個機構就是數據庫管理系統，它是基于某種數據模型對數據的機構，這個機構就是數據庫管理系統，它是基于某種數據模型對數據庫進行管理的系統軟件，是數據庫系統的核心。數據庫系統的一切操作，庫進行管理的系統軟件，是數據庫系統的核心。數據庫系統的一切操作，包括按數據模式來創建數據庫對象、用戶或應用程序

25、對數據對象的操作包括按數據模式來創建數據庫對象、用戶或應用程序對數據對象的操作（如檢索、插入、修改、刪除等）以及數據管理和控制等，都是通過（如檢索、插入、修改、刪除等）以及數據管理和控制等，都是通過DBMS進行的。進行的。4數據庫應用程序數據庫應用程序 數據庫應用程序是為了完成特定的功能而由編程人員編寫的，它數據庫應用程序是為了完成特定的功能而由編程人員編寫的，它與一般的計算機系統中的用戶程序基本相同。數據庫應用程序可以由與一般的計算機系統中的用戶程序基本相同。數據庫應用程序可以由高級程序設計語句編寫，如使用高級程序設計語句編寫，如使用Visual Basic編寫編寫1.5 數據庫系統組成數據

26、庫系統組成5人員人員 （1）數據庫管理員（）數據庫管理員（Database Management Administrator） 數據庫管理員是指一組熟悉計算機數據處理業務、負責設計和維護數據庫數據庫管理員是指一組熟悉計算機數據處理業務、負責設計和維護數據庫的技術人員。這些專業人員在數據庫的整個生命周期中處于十分重要的地位，的技術人員。這些專業人員在數據庫的整個生命周期中處于十分重要的地位，也是數據庫系統中不可缺少的一部分。也是數據庫系統中不可缺少的一部分。 （2）系統分析設計和開發人員）系統分析設計和開發人員 系統分析設計和開發人員的主要任務是設計和開發數據庫系統。他們根據系統分析設計和開發人員的主要任務是設計和開發數據庫系統。他們根據用戶需求與用戶需求與DBA一起確定系統硬、軟件配置，參與概念結構設計、邏輯結構設一起確定系統硬、軟件配置，參與概念結構設計、邏輯結構設計和物理結構設計，并在此基礎上編寫應用程序，進行調試和安裝系統。計和物理結構設計，并在此基礎上編寫應用程序，進行調試和安裝系統。（3）用戶）用戶 用戶是指數據庫系統的最終用戶。不同層次的用戶按其業務工作的要求，用戶是指數據庫系統的最終用戶。不