第一章數據庫系統基礎知識1.1數據庫概述1.2數據庫系統的組成及特點1.3數據庫管理系統1.4基本數據模型1.5數據庫系統結構1.1數據庫概述1.1.1數據、信息和數據庫1.1.2數據管理技術的發展1.1數據庫概述1.1.1數據、信息和數據庫1.1.2數據管理技術的發展1.1.1數據、信息和數據庫數據（Data）信息（Information）數據庫（DataBase，簡稱DB）1.1.1數據、信息和數據庫數據（Data）數據在一般意義上被認為是對客觀事物特征所進行的一種抽象化、符號化表示。例如，某人出生日期是1988年6月28日，身高1.72m，體重66kg，其中1988年、6月、28日、1.72m、66kg等都是數據，它們描述了該人的某些特征。數據可以有不同的形式。例如，出生日期可以表示為“1988.6.28”、“{06/28/88}”等形式。數據的概念，不僅包括數字、字母、漢字及其他特殊字符組成的文本形式的數據，而且還包括圖形、圖像、聲音等多媒體數據。總之，凡是能夠被計算機處理的對象都稱為數據。1.1.1數據、信息和數據庫2.信息（Information）信息通常被認為是有一定含義的、經過加工處理的、對決策有價值的數據。例如：某排球隊中，每個隊員的身高數據為1.85m、1.97m、1.86m、…，經過計算得到平均身高為1.89m，這便是該排球隊的一條重要信息。數據與信息的聯系：信息＝數據＋處理

處理是指將數據轉換成為信息的過程，包括數據的收集、存儲、加工、排序、檢索等一系列活動。數據處理的目的是從大量的現有數據中，提取對人們有用的信息，作為決策的依據。1.1.1數據、信息和數據庫數據是信息的載體，它表示了信息；信息是數據的內涵，即數據的語義解釋3.數據庫（DataBase，簡稱DB）數據庫是指存儲在計算機存儲設備上、結構化的相關數據的集合。為了便于檢索和使用數據，數據庫中的大量數據必須按照一定的規則（即數據模型）來存放，這就是所說的“結構化”。存儲在數據庫中的數據彼此之間是有一定聯系的，而不是毫不相干的。數據庫不僅包括描述事物的數據，而且還要詳細準確反映事物之間的聯系。1.1.1數據、信息和數據庫數據庫例子：

有一家網上書店，為了給其會員提供優質的客戶服務以及自身的經營管理，該書店創建了基礎數據庫。數據庫中保留了每個會員的基本信息及其網上購書的銷售信息。

通過這些數據，書店可以推斷出不同會員的偏好，并有針對性地給會員提供在線新書導購，以提高網上圖書的銷售量。同時，數據庫中保存的圖書基本信息與銷售信息很好地控制了虛擬庫存的數量，極大程度地降低了企業成本。

該數據庫中存儲的數據包括：會員信息表、圖書信息表以及銷售信息表，如表1-1、表1-2和表1-3所示。1.1.1數據、信息和數據庫表1-1會員信息表會員編號姓名性別年齡工作單位聯系電話E_mail00001李國強男35和平醫院23529768lgq@263.net00002陳新生男27新都證券交易中心23661745cxs@00003劉麗娟女40南開大學23507583llj@00004趙曉航男33軟件開發公司27466953zxh@163.com00005徐彤彤女38新蕾出版社28289405xtt@1.1.1數據、信息和數據庫表1-2圖書信息表圖書編號書名出版社書類作者單價庫存量00001數據結構教程清華大學出版社計算機李春葆28.0010000002C++程序設計基礎南開大學出版社計算機李敏37.005000003數據庫原理與應用上海財經大學出版社計算機趙龍強34.0015000004信息技術與管理北京大學出版社管理陳麗華68.002000005項目管理學南開大學出版社管理戚安邦25.003000006電子商務概論高等教育出版社管理覃征33.001000007網絡營銷技術基礎機械工業出版社管理段建38.008500008網頁制作使用技術清華大學出版社計算機譚浩強22.00000009數據結構教程南開大學出版社計算機王剛懷28.0051.1.1數據、信息和數據庫表1-3銷售信息表會員編號圖書編號購買日期數量000030000106/02/200740000030000406/02/2007200000030000606/02/200770000030000706/02/200730000040000211/23/200625000040000311/23/200610000040000511/23/200610000040001211/23/200620000020000303/12/20071000020000703/12/20071000010000804/17/20072000010000904/17/20072000050001012/21/200625000050001112/21/2006301.1數據庫概述1.1.1數據、信息和數據庫1.1.2數據管理技術的發展1.1.2數據管理技術的發展人工管理階段文件系統階段數據庫系統階段1.1.2數據管理技術的發展人工管理階段-20世紀50年代中期以前，計算機主要用于科學計算。

-還沒有專門用于管理數據的軟件。

-數據與計算或處理它們的程序放在一起。特點一：

信息處理主要是面向科學計算，數據不需要長期保存。當人們需要使用計算機處理某一課題時，就臨時將有關數據輸入內存。待計算機處理完畢后直接輸出處理結果，并釋放相應內存空間。特點二：

數據處理過程中，信息系統處理的數據需要在編寫的程序中加以描述及定義。即程序中不僅要編寫對數據處理的具體要求，還要花費大量篇幅對使用數據的結構、存取方法和輸入輸出方式等進行詳細敘述。

此時編寫應用程序不僅要書寫操作指令，還要書寫大量的數據說明性信息。

數據與程序不具有獨立性，應用程序不具有普遍性和通用性。特點三：

數據是面向應用的，不具有共享性。即每個應用程序中都只能使用自己定義的數據，即便是某些程序使用相同的數據，也必須在各自的應用程序中重新定義。

因此，各程序之間存在著大量的重復數據，稱之為數據冗余。總之，在人工管理階段，數據處理的特點歸納為：數據不保存不能共享冗余度極大數據與程序捆綁在一起數據不具有獨立性1.1.2數據管理技術的發展2.文件系統階段-20世紀50年代后期至60年代，計算機開始大量地用于數據處理工作。-在軟件方面，出現了高級語言和操作系統。操作系統中的文件系統是專門管理存放在外存中文件的軟件。此時，程序和數據可以分別存儲為程序文件和數據文件，因而程序與數據有了一定的獨立性。常用的高級語言FORTRAN、BASIC、C等都支持使用數據文件。1.1.2數據管理技術的發展主要特點：

計算機不僅用于科學計算，也開始應用到數據管理領域，計算機的應用迅速轉向信息管理。

此時管理的數據以文件形式長期保存在外存的數據文件中，并通過對數據文件的存取實現對信息的查詢、修改、插入和刪除等常見的數據操作。

出現了操作系統，而且操作系統中的文件系統有專門負責管理數據的軟件，并且可以提供有關數據的存取、查詢以及維護功能。但是，數據文件仍然是面向應用的，文件之間缺乏聯系，不同應用程序間不能共享數據文件。1.1.2數據管理技術的發展文件系統階段的數據管理方式如圖1-5。

應用需求1應用需求2應用需求5應用需求3數據集合應用需求4文件1文件2文件3文件4文件5其特點歸納為：-數據長期保存到文件中；-程序與數據分離，數據程序有一定的獨立性；實現了以文件為單位的數據共享。圖1-5傳統數據管理方式1.1.2數據管理技術的發展3.數據庫系統階段-從20世紀60年代后期開始，信息量迅速增長，需要計算機管理的數據量也在急劇增長，文件系統采用的一次存取一個記錄的訪問方式，以及不同文件之間缺乏相互聯系的存儲方式，越來越不能適應管理大量數據的需要。同時，人們對數據共享的需求日益增強。-計算機技術迅猛發展，特別是大容量磁盤開始使用。-在這種社會需求和技術成熟的條件下，數據庫技術應運而生，使得數據管理技術進入嶄新的數據庫系統階段。1.1.2數據管理技術的發展數據庫系統的管理方式如圖所示：應用程序1應用程序2應用程序n數據庫管理系統DBMS數據庫圖1-6應用程序與數據庫之間的關系

求和：SELECTSUM(Num)FROMData

求最大值：SELECTMAX(Num)FROMData

1.1.2數據管理技術的發展數據庫系統克服了文件系統的種種弊端，它能夠有效地儲存和管理大量的數據，使數據得到充分共享，數據冗余大大減少，數據與應用程序彼此獨立，并提供數據的安全性和完整性統一機制。數據的安全性是指防止數據被竊取和失密，數據的完整性是指數據的正確性和一致性。用戶可以以命令方式或程序方式對數據庫進行操作，方便而高效。數據庫系統的優越性使其得到迅速發展和廣泛應用。從大型機到微型機，從UNIX到Windows，推出了許多成熟的數據庫管理軟件，如ORACLE、SYBASE、VisualFoxPro和Access等等。

當今，數據庫系統已經成為計算機數據管理的主流方式，而由文件系統支持的數據文件，僅在數據量較小的場合下使用。1.2數據庫系統的組成及特點1.2.1數據庫系統的組成1.2.2數據庫系統的特點1.2數據庫系統的組成及特點1.2.1數據庫系統的組成1.2.2數據庫系統的特點1.2.1數據庫系統的組成

通常把引進了數據庫技術的計算機系統稱為數據庫系統（DataBaseSystem，簡稱DBS）。數據庫系統主要由數據庫、數據庫管理系統、相應的計算機軟硬件、數據庫管理員及其他人員幾部分組成。1.計算機硬件系統

需要有容量足夠大的內存和外存，用來運行操作系統、數據庫管理系統核心模塊和應用程序，以及存儲數據庫。2.數據庫集合

數據庫系統中的數據庫集合（DataBase，簡稱DB）是存儲在計算機外存上的若各個設計合理、滿足應用需求的數據庫。3.數據庫管理系統

這是運行在操作系統之上的系統軟件，是數據庫系統的核心。它不僅可以幫助用戶創建、維護和使用數據庫，而且數據庫系統中的各種功能和特性都是由DBMS提供的。流行的DBMS有Sybase、Oracel、Informix、VisualFoxPro、Access等。4.相關的軟件系統

包括操作系統、編譯系統、應用開發工具軟件和計算機網絡軟件等。較大型的數據庫系統，通常是建立在多用戶系統或網絡環境中的。5.數據庫管理員及其他人員

數據庫管理員系統分析和設計人員應用程序員用戶專業用戶：側重于設計數據庫、開發應用系統程序最終用戶：側重于對數據庫的使用1.2數據庫系統的組成及特點1.2.1數據庫系統的組成1.2.2數據庫系統的特點1.2.2數據庫系統的特點

數據庫技術是在文件系統的基礎上發展起來的技術。數據庫系統克服了文件系統的缺陷，它不僅可以實現對數據的集中統一管理，而且還可以使數據的存儲和維護不受任何用戶的影響，為用戶提供了對數據更高級、更有效的管理手段。數據庫系統的主要特點是：1.數據冗余度小、數據共享性高2.具有較高的數據獨立性3.數據結構化4.具有統一的數據控制功能1.2.2數據庫系統的特點數據冗余度小、數據共享性高數據共享是指數據庫中的數據可以被多個用戶、多種應用訪問，這是數據庫系統最重要的特點。由于數據庫中的數據被集中管理、統一組織、定義和存儲，可以避免不必要的冗余，因而也避免了數據的不一致性。與此同時，這種處理模式便于數據的靈活應用，可以取整體數據的各種合理子集用于不同的應用系統。1.2.2數據庫系統的特點2.具有較高的數據獨立性

在數據庫系統中，數據與應用程序之間的相互依賴大大減小，數據的修改對程序不會產生大的影響或沒有影響，數據具有較高的獨立性。

應用程序1應用程序2應用程序n數據庫管理系統DBMS數據庫圖1-6應用程序與數據庫之間的關系1.2.2數據庫系統的特點

從圖1.6中可以看出，無論應用程序要對數據（數據保存在數據庫DB中）進行何種操作，都是通過DBMS（數據庫管理系統）來完成的。也就是說，由于DBMS提供了數據定義功能，以及數據管理功能，程序中所需要的數據定義、查詢、刪除、插入、修改等操作，都是由DBMS完成的，應用程序中不用再包含這方面的內容。因此，當數據的結構（無論是物理結構即存儲方式，還是邏輯界結構即數據項之間的關系）發生變化時，應用程序都是不變的。這樣一來，數據和程序相互之間的依賴性很低、獨立性很高，這種特性就是我們所說的數據獨立性高。

數據獨立性高給應用程序的開發、維護、擴充帶來極大的方便，從而大大減輕了程序設計的負擔。1.2.2數據庫系統的特點3.數據結構化

數據庫中的數據是有結構的，這種結構是由數據庫管理系統所支持的數據模型表現出來的。數據庫系統不僅可以表示事物內部各數據項之間的聯系，而且可以表示事物與事物之間的聯系。

這一特點決定了利用數據庫實現數據管理的設計方法，即系統設計時應該先準確地規劃出數據庫中數據的結構（數據模型），然后再設計具體的處理功能程序。4.具有統一的數據控制功能數據并發操作：多個用戶同時使用同一個數據庫。數據庫系統必須提供必要的保護措施，主要包括如下數據控制功能：⑴數據安全性控制

⑵數據完整性控制

⑶數據的并發控制

⑷數據的恢復

1.2.2數據庫系統的特點⑴數據安全性控制

數據安全性遭到破壞：是指信息系統中出現用戶看到了不該看的數據、修改了無權修改的數據、刪除了不能刪除的數據等現象。

數據安全性控制：數據庫系統設置了一整套安全保護措施，只有合法用戶才能進行指定權限的操作，有了數據安全控制就可以保護數據庫，防止對數據庫進行非法操作，避免引起數據丟失、泄露和破壞。1.2.2數據庫系統的特點⑵數據完整性控制

數據的完整性控制是指數據庫系統提供了一種機制，這種機制可以保證系統中數據的正確性、有效性和相容性，以防止不符合系統語義要求的數據輸入系統或者輸出系統。此外，當計算機系統發生故障而破壞了數據或對數據的操作發生錯誤時，系統能提供相應機制，將數據恢復到正確狀態。例1：（數據的相容性）圖書銷售系統，其中銷售信息表（表1-3）中的圖書編號必須是圖書信息表（表1-2）中存在的圖書編號，同樣，表1-3中的會員編號必須是會員信息表（表1-1）中存在的會員編號。例2：規定性別數據項只能存入“男”或“女”兩種值；規定單價這類的數值型數據的取值范圍等等。1.2.2數據庫系統的特點⑶數據的并發控制

當多個用戶的并發進程同時存取、修改數據庫時，可能會相互干擾而得到錯誤的結果，并使數據庫的完整性遭到破壞。因此，必須對多用戶的并發操作予以控制和協調。

事務（Transaction）是并發控制的基本單位與控制對象。事務是一系列的操作。這些操作要么都做，要么都不做。兩事務的并發操作可能造成數據的錯誤。

通常采用封鎖措施來保證數據的正確性。例如，事務T1要修改數據A，首先封鎖它，執行完讀寫操作之后才解鎖A。在事務T1的執行過程中，如果事務T2也提出對數據A的封鎖要求，則必須等待，直到事務T1解鎖數據A后，事務T2才能獲得對數據A的控制權。1.2.2數據庫系統的特點⑷數據的恢復

數據恢復是通過記錄數據庫運行的日志文件和定期做數據備份工作，保證當數據庫中的數據由于種種原因（如系統故障、介質故障、計算機病毒等）遭到破壞導致不正確，或者部分甚至全部丟失時，系統有能力將數據庫恢復到最近某個時刻的一個正確狀態。1.3數據庫管理系統1.數據定義語言2.數據操作語言3.數據控制語言1.數據定義語言

數據定義語言

(DataDefinitionLanguage，簡稱DDL)，用于描述數據庫的結構。DDL子系統幫助人們在數據庫中建立和維護數據字典，并且定義數據庫中的文件結構，也就是說DDL主要用于描述數據庫中信息的邏輯結構。例如信息的名稱、信息的類型和格式等特性都屬于邏輯結構的范疇。例：關系數據庫標準語言SQL的DDL語言，一般設置有createtable/index，altertable，droptable/index等語句，可以分別用于建立、修改或刪除關系數據庫的二維表結構、定義或刪除數據庫表的索引。2.數據操作語言數據操作語言(DataManipulationLanguage，簡稱DML)，支持用戶對數據庫中的數據進行查詢、追加、插入、刪除、修改等操作,支持用戶對數據庫中的數據進行各種基本操作。在大多數的DBMS中，都包含各種各樣的數據操作工具。

例如，視圖、報表生成器、范例查詢工具以及結構化查詢語言等工具，這些工具協助用戶對數據庫中的數據進行各種操作。數據操作語言（按語法格式的實現方法分類）自含型或自主型語言數據操作語言可以獨立使用，不依賴于任何其他程序設計語言宿主型數據操作語言需要嵌入宿主語言（例如FORTRAN，COBOL，C等）中使用在使用高級語言編寫應用程序時，如果需要調用數據庫中的數據，則需要用宿主型數據操作語言的語句來實現。因此，數據庫管理系統必須包含數據操作語言的編譯或解釋程序。3.數據控制語言數據庫管理系統必須具有控制和管理功能來保障數據不被破壞，其中包括：在多用戶使用數據庫時對數據進行的“并發控制”；對用戶權限實施監督的“安全性檢查”；數據的備份、恢復和轉儲功能；對數據庫運行情況的監控和報告等。數據庫系統的規模越大，這類功能就越強，大型機數據庫管理系統的管理功能一般比微型機數據庫管理系統更強。3.數據控制語言數據庫管理系統能夠向用戶提供數據控制語言

(DataControlLanguage，簡稱DCL)，用于安全性、完整性、并發性、故障恢復等控制功能。

關系型數據庫管理系統：它們提供的數據庫語言都具有“一體化”的特點，即集數據定義語言DDL、數據操作語言DML和數據控制語言DCL于一體，在數據庫管理系統的統一管理下完成上述各種功能。1.4基本數據模型1.4.1基本數據模型1.4.2面向對象模型1.4基本數據模型1.4.1基本數據模型1.4.2面向對象模型1.4.1基本數據模型層次模型網狀模型關系模型1.4.1基本數據模型1.層次模型：利用樹型結構表示實體及其之間聯系的模型。現出實體之間一對多的聯系。××大學專業學院1專業學院2專業學院n系所1系所m圖1-7層次結構數據模型1.4.1基本數據模型2.網狀模型：利用網狀結構表示實體及實體之間聯系的模型。體現多對多的聯系，具有很大的靈活性。圖1-8網狀結構數據模型系所教師學生課程歸屬歸屬開設講授選修師從1.4.1基本數據模型3.關系模型：用二維表結構表示實體以及實體之間聯系的模型。關系模型把各種聯系都統一描述成一些二維表，即由若