數據庫原理

PrincipleofDatabaseSystems劉潔liujie@2教材及參考書王珊,薩師煊：數據庫系統概論(第四版)，高等教育出版社，2006.5Jeffrey.D.Ullman,JenniferWidom.

AFirstCourseinDatabaseSystems(3rdEdition),2007C.J.Date.AnIntroductiontoDatabaseSystem(Ed.7),Addison-Wesley,20003內容安排基礎篇第一章緒論(2)第二章關系數據庫(6)第三章關系數據庫標準語言SQL(8)第四章數據庫安全性(2)第五章數據庫完整性(4)4內容安排設計與應用開發篇第六章關系數據理論(6)第七章數據庫設計(6)第八章數據庫編程(2)系統篇第九章關系查詢處理和查詢優化(4)第十章數據庫恢復技術(4)第十一章并發控制(4)5上課時間、地點周2/56節/7310周5雙周/34節/4604周5單周/34節/(周五34單從第三周開始在信南B317)6成績構成期末考試卷面成績70%平日成績10%作業10%實驗10%7第一章緒論1.1數據庫系統概述1.2數據模型1.3數據庫系統結構1.4數據庫系統的組成1.5小結8數據(Data)數據(Data)是數據庫中存儲的基本對象數據的定義描述事物的符號記錄數據的種類數字、文本、圖形、圖像、音頻、視頻……數據的語義數據的含義數據的特點數據與其語義是不可分的9數據庫(Database)定義數據庫是長期儲存在計算機內、有組織的、可共享的大量數據的集合。數據庫的基本特征數據按一定的數據模型組織、描述和儲存冗余度較小數據獨立性較高易擴展可為各種用戶共享10數據庫管理系統(DBMS)定義數據庫管理系統是位于用戶與操作系統之間的一層數據管理軟件。數據庫管理系統和操作系統一樣是計算機的基礎軟件，是一個大型復雜的軟件系統。11DBMS的主要功能數據定義功能數據定義語言(DDL)，定義數據庫中的數據對象數據組織、存儲和管理數據操縱功能數據操縱語言(DML)，實現對數據庫的基本操作

(查詢、插入、刪除和修改)數據庫的事務管理和運行管理數據庫的建立和維護功能其他功能，e.g.數據轉換12數據庫系統定義數據庫系統是指在計算機系統中引入數據庫后的系統。構成數據庫數據庫管理系統（及其開發工具）應用系統數據庫管理員13應用系統應用開發工具DBMS操作系統數據庫在計算機系統中的地位硬件編譯系統141.1.2數據管理技術的產生和發展什么是數據管理？對數據進行分類、組織、編碼、存儲、檢索和維護，數據管理是數據處理的中心問題。數據管理技術的發展動力應用需求的推動,計算機硬件的發展,計算機軟件的發展數據管理技術的發展過程人工管理階段(20世紀40年代中—50年代中)文件系統階段(20世紀50年代末—60年代中)數據庫系統階段(20世紀60年代末—現在)15人工管理階段20世紀40年代中—50年代中產生背景應用需求：科學計算硬件水平：無直接存取存儲設備軟件水平：沒有操作系統處理方式：批處理數據的管理者：用戶（程序員），數據不保存數據面向的對象：某一應用程序數據的共享程度：無共享、冗余度極大數據的獨立性：不獨立，完全依賴于程序數據的結構化：無結構數據控制能力：應用程序自己控制16二、文件系統階段20世紀50年代末—60年代中產生背景應用需求：科學計算、數據管理硬件水平：磁盤、磁鼓軟件水平：有文件系統處理方式：聯機實時處理、批處理數據的管理者：文件系統，數據可長期保存數據面向的對象：某一應用程序數據的共享程度：共享性差、冗余度大數據的結構化：記錄內有結構,整體無結構數據的獨立性：獨立性差，數據的邏輯結構改變必須修改應用程序數據控制能力：應用程序自己控制17數據庫系統階段20世紀60年代末以來產生背景應用背景：大規模數據管理硬件背景：大容量磁盤、磁盤陣列軟件背景：有數據庫管理系統處理方式：聯機實時處理、分布處理、批處理數據的管理者：數據庫管理系統數據面向的對象：現實世界數據的共享程度：共享性高、冗余度小數據的結構化：整體結構化，用數據模型描述數據的獨立性：具有高度的物理獨立性和一定的邏輯獨立性數據控制能力：DBMS提供數據安全性、完整性、并發控制和恢復能力181.1.3數據庫系統的特點數據結構化數據的共享性高，冗余度低，易擴充數據獨立性高數據由DBMS統一管理和控制19數據結構化整體數據的結構化是數據庫的主要特征之一整體結構化不再僅僅針對某一個應用，而是面向全組織不僅數據內部結構化，而且整體是結構化的，數據之間具有聯系數據庫中實現的是數據的真正結構化數據的結構用數據模型描述，無需程序定義和解釋數據可以變長數據的最小存取單位是數據項20數據的共享性高，冗余度低，易擴充數據庫系統從整體角度看待和描述數據，數據面向整個系統，可以被多個用戶、多個應用共享使用。數據共享的好處減少數據冗余，節約存儲空間避免數據之間的不相容性與不一致性使系統易于擴充21數據獨立性高物理獨立性指用戶的應用程序與存儲在磁盤上的數據庫中數據是相互獨立的。當數據的物理存儲改變了，應用程序不用改變。邏輯獨立性指用戶的應用程序與數據庫的邏輯結構是相互獨立的。數據的邏輯結構改變了，用戶程序也可以不變。數據獨立性是由DBMS的二級映像功能來保證的。22數據由DBMS統一管理和控制DBMS提供的數據控制功能數據的安全性(Security)保護，保護數據，以防止不合法的使用造成的數據的泄密和破壞。數據的完整性(Integrity)，檢查將數據控制在有效的范圍內，或保證數據之間滿足一定的關系。并發(Concurrency)控制，對多用戶的并發操作加以控制和協調，防止相互干擾而得到錯誤的結果。數據庫恢復(Recovery)，將數據庫從錯誤狀態恢復到某一已知的正確狀態。23第一章緒論1.1數據庫系統概述1.2數據模型1.3數據庫系統結構1.4數據庫系統的組成1.5小結241.2數據模型1.2.1兩大類數據模型1.2.2數據模型的組成要素1.2.3概念模型1.2.4最常用的數據模型1.2.5層次模型1.2.6網狀模型1.2.7關系模型25數據模型在數據庫中用數據模型這個工具來抽象、表示和處理現實世界中的數據和信息。通俗地講數據模型就是現實世界的模擬。數據模型應滿足三方面要求能比較真實地模擬現實世界容易為人所理解便于在計算機上實現261.2.1兩大類數據模型概念模型，也稱信息模型，它是按用戶的觀點來對數據和信息建模，用于數據庫設計。邏輯模型和物理模型邏輯模型主要包括層次模型、網狀模型、關系模型、面向對象模型和對象關系模型等，按計算機系統的觀點對數據建模，用于DBMS實現。物理模型是對數據最底層的抽象，描述數據在系統內部的表示方式和存取方法，在磁盤或磁帶上的存儲方式和存取方法。271.2.2數據模型的組成要素數據結構數據操作完整性約束條件28一、數據結構定義：描述數據庫的組成對象以及對象之間的聯系。描述的內容與對象的類型、內容、性質有關與數據之間聯系有關的對象刻畫數據模型性質最重要的方面數據結構是對系統靜態特性的描述29二、數據操作定義數據操作是對數據庫中各種對象(型)的實例(值)允許執行的操作及有關的操作規則。數據操作的類型查詢更新(包括插入、刪除、修改)30數據操作數據模型對操作的定義操作的確切含義操作符號操作規則（如優先級）實現操作的語言數據操作是對系統動態特性的描述31三、數據的完整性約束條件一組完整性規則的集合。完整性規則：給定的數據模型中數據及其聯系所具有的制約和依存規則用以限定符合數據模型的數據庫狀態以及狀態的變化，以保證數據的正確、有效、相容。321.2.3概念模型信息世界中的基本概念兩個實體型之間的聯系兩個以上實體型之間的聯系單個實體型內的聯系概念模型的一種表示方法：實體—聯系方法一個實例33概念模型用途概念模型用于信息世界的建模現實世界到機器世界的一個中間層次數據庫設計的有力工具數據庫設計人員和用戶之間進行交流的語言概念模型的基本要求較強的語義表達能力能夠方便、直接地表達應用中的各種語義知識簡單、清晰、易于用戶理解34一、信息世界中的基本概念實體（Entity）客觀存在并可相互區別的事物稱為實體具體的人、事、物抽象的概念或聯系屬性（Attribute）實體所具有的某一特性稱為屬性一個實體可以由若干個屬性來刻畫碼（Key）唯一標識實體的屬性集稱為碼35信息世界中的基本概念域（Domain）屬性的取值范圍稱為該屬性的域實體型（EntityType）用實體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實體稱為實體型實體集（EntitySet）同一類型實體的集合稱為實體集36信息世界中的基本概念聯系（Relationship）現實世界中事物內部以及事物之間的聯系在信息世界中反映為實體內部的聯系和實體之間的聯系。實體內部的聯系通常是指組成實體的各屬性之間的聯系。實體之間的聯系通常是指不同實體集之間的聯系。37二、兩個實體型之間的聯系一對一聯系（1:1）如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中至多有一個（也可以沒有）實體與之聯系，反之亦然，則稱實體集A與實體集B具有一對一聯系，記為1:1。一對多聯系（1:n）如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個實體（n≥0）與之聯系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中至多只有一個實體與之聯系，則稱實體集A與實體集B有一對多聯系，記為1:n。38兩個實體型之間的聯系多對多聯系（m:n）如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個實體（n≥0）與之聯系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中也有m個實體（m≥0）與之聯系，則稱實體集A與實體B具有多對多聯系，記為m:n。39三、兩個以上實體型之間的聯系一對多聯系若實體型E1，E2，...，En存在聯系，對于實體型Ej（j=1，2，...，i-1，i+1，...，n）中的給定實體，最多只和Ei中的一個實體相聯系，則我們說Ei與E1，E2，...，Ei-1，Ei+1，...，En之間的聯系是一對多的。40兩個以上實體型之間的聯系課程、教師與參考書三個實體型一門課程可以有若干個教師講授每一個教師只講授一門課程每門課程使用若干本參考書每一本參考書只供一門課程使用41四、單個實體型內的聯系一對一聯系一對多聯系多對多聯系42五、概念模型的一種表示方法實體－聯系方法(E-R方法)用E-R圖來描述現實世界的概念模型E-R方法也稱為E-R模型43E-R圖實體型用矩形表示，矩形框內寫明實體名。屬性用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應的實體連接起來。學生教師學生學號姓名年齡專業44E-R圖聯系用菱形表示，菱形框內寫明聯系名，并用無向邊分別與有關實體連接起來，同時在無向邊旁標上聯系的類型（1:1、1:n或m:n）。45聯系的表示方法46聯系的屬性聯系本身也是一種實體型，也可以有屬性。如果一個聯系具有屬性，則這些屬性也要用無向邊與該聯系連接起來。47六、一個實例用E-R圖表示某個工廠物資管理的概念模型(Page17)工作職工n1領導n1供應商項目供應mnp供應量倉庫零件庫存mn庫存量481.2.4最常用的數據模型非關系模型層次模型(HierarchicalModel)網狀模型(NetworkModel)關系模型(RelationalModel)面向對象模型(ObjectOrientedModel）對象關系模型(ObjectRelationalModel)491.2.5層次模型層次模型是數據庫系統中最早出現的數據模型層次數據庫系統的典型代表是IBM公司的IMS(InformationManagementSystem)數據庫管理系統層次模型用樹形結構來表示各類實體以及實體間的聯系50一、層次數據模型的數據結構在數據庫中滿足下面兩個條件的基本層次聯系的集合為層次模型有且只有一個結點沒有雙親結點，這個結點稱為根結點根以外的其它結點有且只有一個雙親結點層次模型中的幾個術語根結點，雙親結點，兄弟結點，葉結點51層次模型的示例52層次模型的特點結點的雙親是唯一的只能直接處理一對多的實體聯系每個記錄類型可以定義一個排序字段，也稱為碼字段任何記錄值只有按其路徑查看時，才能顯出它的全部意義沒有一個子女記錄值能夠脫離雙親記錄值而獨立存在53二、多對多聯系在層次模型中的表示用層次模型間接表示多對多聯系方法將多對多聯系分解成一對多聯系分解方法冗余結點法虛擬結點法54三、層次模型的數據操縱查詢插入刪除更新55層次模型的完整性約束條件無相應的雙親結點值就不能插入子女結點值如果刪除雙親結點值，則相應的子女結點值也被同時刪除更新操作時，應更新所有相應記錄，以保證數據的一致性56四、層次數據模型的存儲結構鄰接法按照層次樹前序遍歷的順序把所有記錄值依次鄰接存放，即通過物理空間的位置相鄰來實現層次順序。鏈接法用指針引來反映數據之間的層次聯系子女－兄弟鏈接法層次序列鏈接法57層次數據模型的存儲結構子女-兄弟鏈接法每個記錄設兩類指針，分別指向最左邊的子女（每個記錄型對應一個）和最近的兄弟58層次數據模型的存儲結構層次序列鏈接法按樹的前序穿越順序鏈接各記錄值A1B1B4B6C3C5C7C14C2C959五、層次模型的優缺點優點層次模型的數據結構比較簡單清晰查詢效率高，性能優于關系模型，不低于網狀模型層次數據模型提供了良好的完整性支持缺點現實世界中很多聯系是非層次的，e.g.多對多聯系對插入和刪除操作的限制多，應用程序的編寫比較復雜查詢子女結點必須通過雙親結點由于結構嚴密，層次命令趨于程序化601.2.6網狀模型網狀數據庫系統采用網狀模型作為數據的組織方式典型代表是DBTG系統亦稱CODASYL系統70年代由DBTG提出的一個系統方案奠定了數據庫系統的基本概念、方法和技術611.網狀數據模型的數據結構網狀模型滿足兩個條件的基本層次聯系的集合允許一個以上的結點無雙親一個結點可以有多于一個的雙親62網狀數據模型的數據結構表示方法(與層次數據模型相同)實體型：用記錄類型描述，每個結點表示一個記錄類型（實體）屬性：用字段描述，每個記錄類型可包含若干個字段聯系：用結點之間的連線表示記錄類型（實體）之間的一對多的父子聯系63網狀數據模型的數據結構網狀模型與層次模型的區別網狀模型允許多個結點沒有雙親結點網狀模型允許結點有多個雙親結點網狀模型允許兩個結點之間有多種聯系網狀模型可以更直接地去描述現實世界層次模型實際上是網狀模型的一個特例64網狀數據模型的數據結構網狀模型中子女結點與雙親結點的聯系可以不唯一，要為每個聯系命名，并指出與該聯系有關的雙親記錄和子女記錄。65網狀數據模型的數據結構多對多聯系在網狀模型中的表示用網狀模型間接表示多對多聯系方法：將多對多聯系直接分解成一對多聯系66網狀數據模型的操縱與完整性約束網狀數據庫系統（如DBTG）對數據操縱加了一些限制，提供了一定的完整性約束碼：唯一標識記錄的數據項的集合一個聯系中雙親記錄與子女記錄之間是一對多聯系支持雙親記錄和子女記錄之間某些約束條件67三、網狀數據模型的存儲結構關鍵如何實現記錄之間的聯系常用方法：鏈接法單向鏈接(Page27)雙向鏈接環狀鏈接向首鏈接68網狀數據模型的優缺點優點能夠更為直接地描述現實世界，如一個結點可以有多個雙親具有良好的性能，存取效率較高缺點結構比較復雜，而且隨著應用環境的擴大，數據庫的結構就變得越來越復雜，不利于最終用戶掌握DDL、DML語言復雜，用戶不容易使用691.2.7關系模型關系數據庫系統采用關系模型作為數據的組織方式1970年美國IBM公司SanJose研究室的研究員E.F.Codd首次提出了數據庫系統的關系模型計算機廠商新推出的數據庫管理系統幾乎都支持關系模型70一、關系數據模型的數據結構在用戶觀點下，關系模型中數據的邏輯結構是一張二維表，它由行和列組成。關系（Relation）一個關系對應通常說的一張表元組（Tuple）表中的一行即為一個元組屬性（Attribute）表中的一列即為一個屬性，給每一個屬性起一個名稱即屬性名71關系數據模型的數據結構碼（Key）表中的某個屬性組，它可以唯一確定一個元組域（Domain）屬性的取值范圍分量元組中的一個屬性值關系模式對關系的描述關系名（屬性1，屬性2，…，屬性n）學生（學號，姓名，年齡，性別，系，年級）72關系數據模型的數據結構關系必須是規范化的，滿足一定的規范條件最基本的規范條件：關系的每一個分量必須是一個不可分的數據項,不允許表中還有表73術語對比74二、關系數據模型的操作數據操作是集合操作，操作對象和操作結果都是關系，即若干元組的集合查詢插入刪除更新存取路徑對用戶隱蔽，用戶只要指出“做什么”，不必詳細說明“怎么做”75關系數據模型的完整性約束實體完整性參照完整性用戶定義的完整性76三、關系數據模型的存儲結構實體及實體間的聯系都用表來表示表以文件形式存儲有的DBMS一個表對應一個操作系統文件有的DBMS自己設計文件結構77四、關系數據模型的優點建立在嚴格的數學概念的基礎上概念單一實體和實體之間的聯系都用關系來表示對數據的檢索結果也是關系關系模型的存取路徑對用戶透明具有更高的數據獨立性，更好的安全保密性簡化了程序員的工作和數據庫開發建立的工作78關系數據模型的缺點存取路徑對用戶透明導致查詢效率往往不如非關系數據模型為提高性能，必須對用戶的查詢請求進行優化增加了開發DBMS的難度79第一章緒論1.1數據庫系統概述1.2數據模型1.3數據庫系統結構1.4數據庫系統的組成1.5小結801.3數據庫系統結構1.3.1數據庫系統模式的概念1.3.2數據庫系統的三級模式結構1.3.3數據庫的二級映像功能與數據獨立性811.3.1數據庫系統模式的概念“型”和“值”的概念型(Type)：對某一類數據的結構和屬性的說明值(Value)：型的一個具體賦值學生記錄型：（學號，姓名，性別，系別，年齡，籍貫）一個記錄值：（900201，李明，男，計算機，22，江蘇）82數據庫系統模式的概念模式（Schema）數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述型的描述模式是相對穩定的反映的是數據的結構及其聯系實例（Instance）模式的一個具體值反映數據庫某一時刻的狀態同一個模式可以有很多實例實例隨數據庫中的數據的更新而變動831.3.2數據庫系統的三級模式結構數據庫系統的三級模式結構是指數據庫系統是由外模式（ExternalSchema）、模式（Schema）、內模式（InternalSchema）三級構成。84數據庫系統的三級模式結構數據庫內模式模式外模式1外模式2外模式3應用A應用B應用C應用D應用E內模式/模式映像外模式/模式映像85一、模式（Schema）模式（也稱邏輯模式）數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述所有用戶的公共數據視圖，綜合了所有用戶的需求一個數據庫只有一個模式模式的地位：數據庫系統模式結構的中間層與數據的物理存儲細節和硬件環境無關與具體的應用程序、開發工具及高級程序設計語言無關86模式的定義數據的邏輯結構數據項：數據項的名字、類型、取值范圍等數據之間的聯系數據有關的安全性、完整性要求87二、外模式（ExternalSchema）外模式（也稱子模式或用戶模式）數據庫用戶（包括應用程序員和最終用戶）能夠看見和使用的局部數據的邏輯結構和特征的描述數據庫用戶的數據視圖與某一應用有關的數據的邏輯表示88外模式外模式的地位：介于模式與應用之間模式與外模式的關系：一對多外模式通常是模式的子集一個數據庫可以有多個外模式。反映了不同的用戶的應用需求、看待數據的方式、對數據保密的要求對模式中同一數據，在外模式中的結構、類型、長度、保密級別等都可以不同89外模式外模式與應用的關系：一對多同一外模式也可以為某一用戶的多個應用系統所使用但一個應用程序只能使用一個外模式外模式的用途保證數據庫安全性的一個有力措施每個用戶只能看見和訪問所對應的外模式中的數據，數據庫中的其余數據是不可見的。90三、內模式（InternalSchema）內模式（也稱存儲模式StorageSchema）數據物理結構和存儲方式的描述數據在數據庫內部的表示方式記錄的存儲方式索引的組織方式數據是否壓縮存儲數據是否加密數據存儲記錄結構的規定一個數據庫只有一個內模式91內模式例如：學生記錄按堆存儲(a)、按學號升序存儲(b)、按照學生年齡聚簇存放(c)。921.3.3數據庫的二級映像功能與數據獨立性三級模式是對數據的三個抽象級別二級映像在DBMS內部實現這三個抽象層次的聯系和轉換外模式／模式映像模式／內模式映像93一、外模式／模式映像模式：描述的是數據的全局邏輯結構外模式：描述的是數據的局部邏輯結構同一個模式可以有任意多個外模式每一個外模式，數據庫系統都有一個外模式／模式映像，定義外模式與模式之間的對應關系映像定義通常包含在各自外模式的描述中94外模式／模式映像如何保證數據的邏輯獨立性當模式改變時，數據庫管理員修改有關的外模式／模式映像，使外模式保持不變應用程序是依據數據的外模式編寫的，從而應用程序不必修改，保證了數據與程序的邏輯獨立性，簡稱數據的邏輯獨立性。95二、模式／內模式映像模式／內模式映像定義了數據全局邏輯結構與存儲結構之間的對應關系。數據庫中模式／內模式映像是唯一的該映像定義通常包含在模式描述中96模式／內模式映像如何保證數據的物理獨立性當數據庫的存儲結構改變了（例如選用了另一種存儲結構），數據庫管理員修改模式/內模式映像，使模式保持不變。應用程序不受影響。保證了數據與程序的物理獨立性，簡稱數據的物理獨立性。97模式／內模式映像數據庫模式即全局邏輯結構是數據庫的中心與關鍵獨立于數據庫的其他層次設計數據庫模式結構時應首先確定數據庫的邏輯模式98模式／內模式映像數據庫的內模式依賴于它的全局邏輯結構獨立于數據庫的用戶視圖，即外模式獨立于具體的存儲設備將全局邏輯結構中所定義的數據結構及其聯系按照一定的物理存儲策略進行組織，以達到較好的時間與空間效率99模式／內模式映像數據庫的外模式面向具體的應用程序定義在邏輯模式之上獨立于存儲模式和存儲設備當應用需求發生較大變化，相應外模式不能滿足其視圖要求時，該外模式就得做相應改動設計外模式時應充分考慮到應用的擴充性100特定的應用程序在外模式描述的數據結構上編制的依賴于特定的外模式與數據庫的模式和存儲結構獨立不同的應用程序有時可以共用同一個外模式101模式／內模式映像數據庫的二級映像保證了數據庫外模式的穩定性從底層保證了應