數據庫系統原理

DatabaseSystemPrinciples

教材：《數據庫系統基礎教程》，岳麗華等譯任課教師：陳思光南京郵電大學物聯網學院課程教材教材岳麗華等譯.數據庫系統基礎教程（據原書第3版譯出）.機械工業出版社，2009.參考教材楊冬青等譯.數據庫系統概念（據原書第6版譯出）.機械工業出版社,2012.王珊等.數據庫系統概論（第5版）.高等教育出版社，2014.Page2課時安排及考核方式3.5學分，總學時56，其中講課44學時，實驗8學時，習題及討論4學時。考試、閉卷，總成績=平時成績*30%+期末成績*70%。平時成績包括實驗、作業、考勤及課堂表現等.答疑時間：每周五上午第5節課，教3-518。Page3課程性質、目的及授課計劃課程性質：《數據庫系統原理》是物聯網工程和網絡工程專業的專業基礎課。課程的目的:通過本課程的學習，讓學生能夠掌握關系數據模型、關系代數、XML數據模型和數據庫設計的基本理論；掌握SQL數據庫語言、約束與存儲過程/函數、視圖與索引、服務器環境下的SQL等數據庫編程與應用技術；了解關系數據庫的新課題；理解半結構化數據的建模和程序設計。為建立數據庫系統應用奠定基礎。授課計劃：第2、5、6章是重點要講解的內容，大概占講課44課時中的20個課時。Page4任課教師信息任課教師：陳思光電話-mail:sgchen@Page5第1章數據庫系統世界

1.1數據庫系統的發展1.2數據庫系統概述1.3本書概述Page61.1數據庫系統的發展

數據庫是什么?數據庫是數據（信息）的集合。數據庫可以存儲大量的數據。數據庫中的數據可能需要存儲很長時間。數據庫中的數據可以為多用戶多應用服務。數據庫中的數據按特定的結構存儲。數據庫中的數據需要進行定義、存取、控制等有效的管理。數據庫是由數據庫管理系統（databasemanagementsystem，簡稱DBMS）管理的數據集合。Page71.1數據庫系統的發展數據庫應用:銀行：客戶，賬戶，交易，貸款等航空：飛機，航班，客戶，預定等學校：學生，教師，課程，成績等銷售：產品，顧客，訂單，進貨，售后等人力資源：職工，考勤，業績，工資等

Databasestouchallaspectsofourlives.Page81.1數據庫系統的發展數據庫管理系統（DBMS）應具有以下功能:提供數據定義語言(DDL,DataDefinitionLanguage)用以建立數據庫并說明它們的模式(schema)。一個數據庫的模式是一組用DDL表達的語句集合，完整描述該數據庫數據的邏輯結構。提供數據查詢語言(DQL,DataQueryLanguage)和數據操作語言(DML,DataManipulationLanguage)以支持數據查詢或數據更新的能力。支持超大量數據的長時間存儲，manyterabytes(1012bytes)ormore,

并且在數據查詢和更新時支持對數據的有效存取。Page91.1數據庫系統的發展數據庫管理系統（DBMS）應具有以下功能:具有持久性，在遇到各種故障、錯誤或用戶的錯誤使用時，提供數據庫的恢復功能。支持數據共享，控制多個用戶對數據的同時存取，不允許一個用戶的操作影響另一個用戶，也不允許對數據的不完整操作。Page10對數據的管理經歷了以下三個階段：人工管理階段；文件系統階段；數據庫管理系統。1.1數據庫系統的發展Page11人工管理階段(20世紀50年代中期前)1.1數據庫系統的發展Page12人工管理階段特點：數據不保存；系統沒有專用的軟件對數據進行管理；數據不共享；數據不具有獨立性。1.1數據庫系統的發展Page13文件系統階段(20世紀50年代后期～60年代中期)1.1數據庫系統的發展Page14文件系統階段特點：數據以文件形式可長期保存下來；文件系統可對數據的存取進行管理；文件形式多樣化；程序與數據間有一定獨立性。1.1數據庫系統的發展Page15例如：圖書管理系統

讀者文件應用程序→

A1A3書目文件出借文件A2A4F1F3F2圖書借閱讀者維護催還通知圖書維護1.1數據庫系統的發展Page1660年代后期，計算機應用于管理的規模更加龐大，數據量急劇增加；硬件方面出現了大容量磁盤，使計算機聯機存取大量數據成為可能；硬件價格下降，而軟件價格上升，使開發和維護系統軟件的成本增加；文件系統的數據管理方法已無法適應開發應用系統的的需要；為解決多用戶、多個應用程序共享數據的需求，出現了統一管理數據的專門軟件系統，即數據庫管理系統(DBMS)。1.1數據庫系統的發展Page17數據庫系統階段(20世紀60年代末期～)1.1數據庫系統的發展Page18圖書管理系統1.1數據庫系統的發展Page19數據庫系統管理數據的特點如下：數據共享性高、冗余少；數據結構化；數據獨立性高；有統一的數據控制功能。1.1數據庫系統的發展Page20年代研究成果名稱研制者意義1963IDS（IntegratedDataStore）美國通用電氣公司C.W.Bachman等第一個DBMS73年獲圖靈獎1968IMS(InformationManagementSystem)美國IBM公司和Rockwell公司合作第一個實用數據庫管理系統（里程碑1）1969數據庫建議書(數據描述語言DDL）(數據操縱語言DML)美國數據系統語言委員會的數據庫任務組DBTG提供了網狀數據庫完整的系統設計和語言規范（里程碑2）1970論文（ARelationalModelofDataforSharedDataBanks）IBM公司SanJose研究所的E.F.Codd提出關系模型，為關系數據庫的開發奠定了理論基礎（里程碑3）1981年獲圖靈獎類型網狀數據庫層次數據庫網狀數據庫關系數據庫1.1數據庫系統的發展Page21E.F.Codd提出關系模型關系數據庫是關系（或表）的集合每個關系是由屬性（或列）組成關系包含一系列的元組（行）沒有重復行1.1數據庫系統的發展Page22學籍管理數據庫sidnamesexB12070101劉夢女B12070102朱正潔女B12070103閆文柯女B12070104季曉倩女B12070105吳塵女B12070106曹雪寧女………………………………studentssidcidB12070101B1801020SB12070101B1801081SB12070101B1801090SB12070101B1801471S…………enroll1.1數據庫系統的發展Page23特點：數據的結構化數據的共享性數據的獨立性數據的完整性數據的靈活性數據的安全性1.1數據庫系統的發展Page24出現了運行在PC上的DBMS：MySQLPostgreSQL1.1數據庫系統的發展Page25出現了運行在傳感器網絡上的DBMS：TinyDBCOUGAR1.1數據庫系統的發展Page26隨著互聯網的發展，數據庫中存儲的信息越來越大(包含各種多媒體信息)KB(103字節)MB(106字節)GB(109字節)TB(1012字節)PB(1015字節)1.1數據庫系統的發展Page27隨著網絡的發展，需要將一個個獨立的系統組合成更大的系統；將多個數據庫融合成更大的的數據庫；分布式數據庫、數據庫倉庫、中間件等技術1.1數據庫系統的發展Page281.2數據庫管理系統概述

負責數據庫存取、維護和管理的軟件系統，通常稱為數據庫管理系統（DataBaseManagementSystem，DBMS）。數據庫系統的各類用戶對數據庫的各種操作請求，都是由DBMS完成的。數據庫系統的核心軟件。Page291.2數據庫管理系統概述

Page301.2數據庫管理系統概述

Application1Application2...ApplicationnDBMSdatabaseDatabaseManagementSystemPage31read/writepagesStoragemanagerStorageindex,file,andrecordrequestsindex/file/recordmangerDDLcommandsQueries,updatesQuerycompilerUser/applicationDDLcompilerDatabaseadministratorLocktableLoggingandrecoveryConcurrencycontrollogpagespagecommandsBuffermanagerbuffersdata,metadata,indexsmetadataQueryplanExecutionengineMetadata,statistics單線框系統成分雙線框內存中的數據結構實線控制和數據流虛線數據流P4圖1-1數據庫管理系統組成TransactionmanagerTransactioncommandsPage321.2數據庫管理系統概述

兩種用戶:普通用戶和應用程序：發出查詢或修改命令。數據庫管理員(databaseadministrator，DBA):負責數據庫結構或模式。三種數據庫指令:Queries,updates:commandstoaffectthecontentofthedatabaseorextract(提取)datafromthedatabase.

Transaction(事務)commands:commandstotellthetransactionmanagerwhentransactionsbeginandend.DDLcommands:由DBA發出的修改數據庫模式或建立新數據庫的指令.Page331.2數據庫管理系統概述

存儲和緩沖區管理器:Thestoragemanagerandthebuffermanager:存儲管理器:控制數據在磁盤上的位置及其在磁盤和主存之間的移動,跟蹤文件在磁盤上的位置，根據緩沖區管理器的請求獲取包含請求文件的一個或多個磁盤塊。緩沖區管理器:負責將可用主存分割成不同的緩沖區并對之進行管理。Page341.2數據庫管理系統概述

信息的種類:數據:thecontentsofthedatabaseitself.元數據(Metadata):描述數據庫的結構及約束(constraints)的數據庫模式。索引(Indexes):支持對數據庫中數據進行有效存取的數據結構。統計數據:由DBMS收集存儲的關于數據特征的數據。日志記錄:數據庫新近修改的信息,該信息支持數據庫的持久性(durability)。

Page351.2數據庫管理系統概述

事務處理:事務(Transaction):一個或一組數據庫操作。事務管理器:接收來自應用的事務命令，負責系統數據的完整性，保證并發運行的多個SQL命令相互不沖突；保證系統出現故障時不丟失不損壞數據。并發控制管理器(調度器):保證事務的原子性(atomcity)和隔離性(isolation)。Lock.日志和恢復管理器:保證事務的持久性(durability)。

Logging.Page361.2數據庫管理系統概述

ACID性質Atomicity(原子性):eitherallofatransactionbeexecutedornoneofitis.Consistency(一致性):keepconsistentstate.Isolation(獨立性):Whentwoormoretransactionsrunconcurrently,theireffectsmustbeisolatedfromoneanother.Durability(持久性):Ifatransactionhascompleteditswork,itseffectshouldnotgetlostwhilethesystemfail,evenifitfailsimmediatelyafterthetransactioncompletes.

Page371.2數據庫管理系統概述

查詢處理器：Querycompiler(編譯器):將查詢轉換成某種內部形式，稱為查詢計劃.

Queryparser(分析器):構造查詢樹.

Querypreprocessor(預處理器):生成初始查詢計劃

Queryoptimizer(優化器):利用統計數據及索引Executionengine:執行選定查詢計劃的每一步，為了對數據進行操作，它必須將數據由數據庫

讀入緩沖區，必須與調度器交流以避免讀到加鎖的數據，它還要與日志管理器交互以保證所有數據庫的改變都被日志正確地記錄。Page381.2數據庫管理系統概述

Client/Server(C/S)architectureDBClientDBClientDBServerJavaC/C++PowerBuilderDelphiVB…MSAccessMSSQLServerSybaseMySQLOracleIBMDB2…sqlrequestsqlrequestreplyreplyClient(客戶):發出查詢或其它指令的用戶進程