第01章

數(shù)據(jù)庫概論1.1數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展1、人工管理階段2、文件系統(tǒng)階段3、數(shù)據(jù)庫階段4、高級數(shù)據(jù)庫階段1.1.1人工管理階段人工管理階段的數(shù)據(jù)管理有下列特點：計算機主要用于科學(xué)計算，而不用于保存數(shù)據(jù)。沒有專用的軟件對數(shù)據(jù)進行管理。只有程序（program）的概念，沒有文件（file）的概念。數(shù)據(jù)的組織方式必須由程序員自行設(shè)計與安排。數(shù)據(jù)面向程序。即一組數(shù)據(jù)對應(yīng)一個程序。1.1.2文件系統(tǒng)階段（一）文件系統(tǒng)階段的數(shù)據(jù)管理有以下特點：數(shù)據(jù)以“文件”形式可長期保存在外部存儲器的磁盤上。數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)有了區(qū)別，但比較簡單。文件組織已多樣化。有索引文件、鏈接文件和直接存取文件等。數(shù)據(jù)不再屬于某個特定的程序，可以重復(fù)使用，即數(shù)據(jù)面向應(yīng)用。對數(shù)據(jù)的操作以記錄為單位。1.1.2文件系統(tǒng)階段（二）隨著數(shù)據(jù)管理規(guī)模的擴大，數(shù)據(jù)量急劇增加，文件系統(tǒng)顯露出三個缺陷：數(shù)據(jù)冗余（redundancy）數(shù)據(jù)不一致（inconsistency）數(shù)據(jù)聯(lián)系弱（poordatarelationship）1.1.3數(shù)據(jù)庫階段（一）數(shù)據(jù)管理技術(shù)進入數(shù)據(jù)庫階段的標志是20世紀60年代末的三件大事：1968年美國IBM公司推出層次模型的IMS系統(tǒng)。1969年美國CODASYL組織發(fā)布了DBTG報告，總結(jié)了當時各式各樣的數(shù)據(jù)庫，提出網(wǎng)狀模型。1970年美國IBM公司的E.F.Codd

連續(xù)發(fā)表論文，提出關(guān)系模型，奠定了關(guān)系數(shù)據(jù)庫的理論基礎(chǔ)。1.1.3數(shù)據(jù)庫階段（二）數(shù)據(jù)庫階段的數(shù)據(jù)管理具有以下特點：采用數(shù)據(jù)模型表示復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。有較高的數(shù)據(jù)獨立性。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為用戶提供了方便的用戶接口。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供以下四方面的數(shù)據(jù)控制功能：數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制，數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)，數(shù)據(jù)的完整性和數(shù)據(jù)安全性。增加了系統(tǒng)的靈活性1.1.3數(shù)據(jù)庫階段（四）應(yīng)用程序n應(yīng)用程序1…數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS數(shù)據(jù)庫圖1.3程序和數(shù)據(jù)間的聯(lián)系

輸入程序輸出圖1.4(a)文件系統(tǒng)階段信息處理的傳統(tǒng)方式實體集E1實體集E2只有程序（program）的概念，沒有文件（file）的概念。數(shù)據(jù)庫語言分成DDL和DML兩類。1概念設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是在文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，同時又克服了文件系統(tǒng)的三個缺陷：數(shù)據(jù)的冗余、不一致性和聯(lián)系弱。2、物理存儲中的數(shù)據(jù)描述2、DBMS的查詢處理器－有四個主要成分：DDL編譯器，DML編譯器，嵌入式DML的預(yù)編譯器及查詢運行核心程序。1、“交互式SQL”直接使用數(shù)據(jù)庫；1970年美國IBM公司的E.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隨著數(shù)據(jù)管理規(guī)模的擴大，數(shù)據(jù)量急劇增加，文件系統(tǒng)顯露出三個缺陷：數(shù)據(jù)模型分成概念模型和結(jié)構(gòu)模型兩大類。實體集E1實體集E2接受應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)請求和處理請求1DBMS的工作模式（一）1.1.3數(shù)據(jù)庫階段（五）圖1.4(b)數(shù)據(jù)庫階段信息處理方式的演變

要求報表查詢處理程序報表生成程序數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序應(yīng)用程序輸入輸出輸入輸出聯(lián)機終端1.1.4高級數(shù)據(jù)庫技術(shù)階段（一）1、分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)2、對象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)3、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)4、新決策支持系統(tǒng)1.1.4高級數(shù)據(jù)庫技術(shù)階段（二）分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要有下面三個特點數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)物理上分布在各個場地，但邏輯上是一個整體。每個場地既可以執(zhí)行局部應(yīng)用（訪問本地DB），也可以執(zhí)行全局應(yīng)用（訪問異地DB）。各地的計算機由數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系。本地計算機單獨不能勝任的處理任務(wù)，可以通過通信網(wǎng)絡(luò)取得其它DB和計算機的支持。1.1.4高級數(shù)據(jù)庫技術(shù)階段（三）分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)全局終端數(shù)據(jù)庫局部處理機局部處理機局部終端局部終端數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫通信網(wǎng)1.1.4高級數(shù)據(jù)庫技術(shù)階段（四）對象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要有以下兩個特點對象數(shù)據(jù)模型能完整地描述現(xiàn)實世界地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能表達數(shù)據(jù)間嵌套、遞歸的聯(lián)系。具有面向?qū)ο蠹夹g(shù)的封裝性（把數(shù)據(jù)與操作定義在一起）和繼承性（繼承數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作）的特點，提高了軟件的可重用性。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)新決策支持系統(tǒng)(DSS<DW、OLAP、DM>)1.1.5數(shù)據(jù)庫技術(shù)的基本術(shù)語（一）定義1.1數(shù)據(jù)庫（Database，簡記為DB） DB是長期存儲在計算機內(nèi)、有組織的、統(tǒng)一管理的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合。DB能為各種用戶共享，具有較小冗余度、數(shù)據(jù)間聯(lián)系緊密而又有較高的數(shù)據(jù)獨立性等特點。1.1.5數(shù)據(jù)庫技術(shù)的基本術(shù)語（二）定義1.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DatabaseManagementSystem，簡記為DBMS)DBMS是位于用戶與操作系統(tǒng)(OS)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件，它為用戶或應(yīng)用程序提供訪問DB的方法，包括DB的建立、查詢、更新及各種數(shù)據(jù)控制。DBMS總是基于某種數(shù)據(jù)模型，可以分為層次型、網(wǎng)狀型、關(guān)系型和面向?qū)ο笮偷取BMSOS用戶圖1.5系統(tǒng)層次圖1.1.5數(shù)據(jù)庫技術(shù)的基本術(shù)語（三）定義1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DatabaseSystem，簡記為DBS) DBS是實現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲大量關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、方便多用戶訪問的計算機硬件、軟件和數(shù)據(jù)資源組成的系統(tǒng)，即它是采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)的計算機系統(tǒng)。定義1.4數(shù)據(jù)庫技術(shù)是研究數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)、存儲、設(shè)計、管理和使用的一門軟件學(xué)科。1.2數(shù)據(jù)描述 在數(shù)據(jù)處理中，數(shù)據(jù)描述將涉及到不同的范疇。從事物的特性到計算機中的具體表示，實際上經(jīng)歷了三個階段——概念設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述、

邏輯設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述、

物理存儲介質(zhì)中的數(shù)據(jù)描述。本節(jié)先介紹這三個階段的數(shù)據(jù)描述，再介紹數(shù)據(jù)之間聯(lián)系如何描述。1.2.1概念設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述實體(entity)：客觀存在，可以相互區(qū)別的事物稱為實體。實體集(entityset)：性質(zhì)相同的同類實體的集合，稱為實體集。屬性(attribute)：實體有很多特性，每一個特性稱為屬性。每一個屬性有一個值域，其類型可以是整數(shù)型、實數(shù)型、字符串型等。實體標識符(identifier)：能惟一標識實體的屬性或?qū)傩约Q為實體標識符。有時也稱為關(guān)鍵碼(key)，或簡稱為鍵。1.2.2邏輯設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述（一）字段(field)：標記實體屬性的命名單位稱為字段，或數(shù)據(jù)項。它是可以命名的最小信息單位，所以又稱為數(shù)據(jù)元素或初等項。記錄(record)：字段的有序集合稱為記錄。文件(file)：同一類記錄的集合稱為文件。關(guān)鍵碼(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(guān)鍵碼（簡稱為鍵）。1.2.2邏輯設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述（二）術(shù)語的對應(yīng)關(guān)系概念設(shè)計邏輯設(shè)計實體………記錄屬性………字段（數(shù)據(jù)項）實體集………文件實體標識符………關(guān)鍵碼1.2.3存儲介質(zhì)層次及數(shù)據(jù)描述1、物理存儲介質(zhì)層次－目前流行的是磁盤存儲器2、物理存儲中的數(shù)據(jù)描述(1)位(bit，比特)：一個二進制位稱為“位”。一位只能取0或1兩個狀態(tài)。(2)字節(jié)(byte)：8個比特稱為一個字節(jié)，可以存放一個字符所對應(yīng)的ASCII碼。(3)字(word)：若干個字節(jié)組成一個字。一個字所含的二進制位的位數(shù)稱為字長。1.2.3存儲介質(zhì)層次及數(shù)據(jù)描述(4)塊(block)：又稱為物理塊或物理記錄。塊是內(nèi)存和外存交換信息的最小單位，每塊的大小，通常為210~214字節(jié)。(5)桶(bucket)：外存的邏輯單位，一個桶可以包含一個物理塊或多個在空間上不一定連續(xù)的物理塊。(6)卷(volume)：一個輸入輸出設(shè)備所能裝載的全部有用信息，稱為“卷”。1.2.4數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述（一）定義1.5聯(lián)系（relationship）是實體之間的相互關(guān)系。與一個聯(lián)系有關(guān)的實體集個數(shù)，稱為聯(lián)系的元數(shù)。定義1.6二元聯(lián)系有以下三種類型：一對一聯(lián)系：如果實體集E1中每個實體至多和實體集E2中的一個實體有聯(lián)系，反之亦然，那么實體集E1和E2的聯(lián)系稱為“一對一聯(lián)系”，記為“1:1”。1.2.4數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述（二）一對多聯(lián)系：如果實體集E1中每個實體可以與實體集E2中任意個（零個或多個）實體間有聯(lián)系，而E2中每個實體至多和E1中一個實體有聯(lián)系，那么稱E1對E2的聯(lián)系是“一對多聯(lián)系”，記為“1:N”。多對多聯(lián)系：如果實體集E1中每個實體可以與實體集E2中任意個（零個或多個）實體有聯(lián)系，反之亦然，那么稱E1和E2的聯(lián)系是“多對多聯(lián)系”，記為“M:N”。1.2.4數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述（三）例1.2實體集E1實體集E2座位E1乘客E2圖1.7一對一聯(lián)系(1:1)實體集E1實體集E2E1E2車間工人圖1.8一對多聯(lián)系(1:n)實體集E1實體集E2E1E2學(xué)生課程圖1.9多對多聯(lián)系(m:n)1.2.4數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述（四）例1.3飛機駕駛員1PN航行班次圖1.10三元聯(lián)系MN圖1.11一元聯(lián)系零件1.3數(shù)據(jù)抽象的級別1.3.1數(shù)據(jù)抽象的過程數(shù)據(jù)模型的簡單定義:能表示實體類型及實體間聯(lián)系的模型稱為“數(shù)據(jù)模型”。根據(jù)數(shù)據(jù)抽象的級別定義了4種模型：

概念數(shù)據(jù)模型－表達用戶需求觀點的DB全局邏輯結(jié)構(gòu)的模型；

邏輯數(shù)據(jù)模型－表達計算機實現(xiàn)觀點的DB全局邏輯結(jié)構(gòu)的模型；1.3.1數(shù)據(jù)抽象的過程

外部數(shù)據(jù)模型－表達用戶使用觀點的DB局部邏輯結(jié)構(gòu)的模型；

內(nèi)部數(shù)據(jù)模型－表達DB物理結(jié)構(gòu)的模型；數(shù)據(jù)抽象的過程，即數(shù)據(jù)庫設(shè)計的過程： 概念設(shè)計－概念模型 邏輯設(shè)計－邏輯模型、外部模型 物理設(shè)計－內(nèi)部模型1.3.2概念模型（一）目前采用的概念模型主要是實體聯(lián)系(EntityRelationship,ER)模型。定義，ER圖有三個基本成分：矩形框，用于表示實體類型（考慮問題的對象）。菱形框，用于表示聯(lián)系類型（實體間聯(lián)系）。橢圓形框，用于表示實體類型和聯(lián)系類型的屬性。在ER圖中屬于關(guān)鍵碼的屬性名下畫一條橫線。1.3.2概念模型－實體聯(lián)系模型(二)例1.4首先確定實體類型。本問題有三個實體類型：學(xué)生STUDENT，課程COURSE，教師TEACHER。確定聯(lián)系類型。學(xué)生與課程之間是M:N聯(lián)系，教師與課程之間是1:N聯(lián)系，分別命名為SC和TC.把實體類型和聯(lián)系類型組合成ER圖。確定實體類型和聯(lián)系類型的屬性。確定實體類型的鍵，在關(guān)鍵碼的下面畫一條橫線。1.3.2概念模型－實體聯(lián)系模型(三)

SC

TC

COURSETEACHER

MMNNSTUDENT圖1.13ER圖實例1.3.3邏輯模型邏輯數(shù)據(jù)模型主要有：1、層次模型(hierarchicalmodel)－用樹型（層次）結(jié)構(gòu)表示實體類型及實體間聯(lián)系的數(shù)據(jù)模型；2、網(wǎng)狀模型(networkmodel)－用有向圖結(jié)構(gòu)表示實體類型及實體間聯(lián)系的數(shù)據(jù)模型；3、關(guān)系模型(relationalmodel)－用二維表格表達實體集；4、對象模型(objectmodel)－用類模擬實體，用關(guān)聯(lián)模擬聯(lián)系；1.3.3邏輯模型－關(guān)系模型（二）關(guān)系模型（relationalmodel）的主要特征是用二維表格表達實體集。關(guān)系模型是由若干個關(guān)系模式組成的集合。關(guān)系模式相當于前面提到的記錄類型，它的實例稱為關(guān)系，每個關(guān)系實際上是一張二維表格。1.3.3邏輯模型－關(guān)系模型（三）例1.7從ER圖到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換方法：把ER圖中的實體類型和M:N的聯(lián)系分別轉(zhuǎn)換成模式；TEACHER模式 (T#，TNAME，TITLE)COURSE模式(C#，CNAME，T#)STUDENT模式 (S#，SNAME，AGE，SEX)SC模式 (S#，C#，SCORE)圖1.16關(guān)系模型的例子聯(lián)系類型的關(guān)系模式：由與之關(guān)聯(lián)的實體類型的鍵和本身的屬性組成1.3.3邏輯模型－關(guān)系模型（三）T#TNAMETITLET2SHI教授T3LI副教授T1DAI講師T4GU講師C#CNAMET#C1CT2C2DBT3C3OST3C4C++T2TEACHER關(guān)系COURSE關(guān)系1.3.3邏輯模型－關(guān)系模型（四）S#SNAMEAGESEXS1WANG20MS4LIU18FS2HU17MS3XIA19FS#C#SCORES1C180S1C260S1C370S4C490S2C185S2C275STUDENT關(guān)系SC關(guān)系1.3.3邏輯模型－四種模型比較層次模型網(wǎng)狀模型關(guān)系模型面向?qū)ο竽Ｐ蛣?chuàng)始1968年IBM公司的IMS系統(tǒng)1969年CODASYL的DBTG報告(71年通過)1970年F.Codd提出關(guān)系模型20世紀80年代數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜（樹結(jié)構(gòu)）復(fù)雜（有向圖結(jié)構(gòu)）簡單（二維表）復(fù)雜（嵌套遞歸）數(shù)據(jù)聯(lián)系通過指針通過指針通過表間的公共屬性通過對象標識查詢語言過程性語言過程性語言非過程性語言面向?qū)ο笳Z言典型產(chǎn)品IMSIDS/ⅡIMAGE/3000IDMSTOTALOracleSybaseDB2SQLServerInformixONTOSDB盛行期20世紀70年代70年代至80年代中期80年代至現(xiàn)在90年代至現(xiàn)在1.3.4外部模型外部模型中的模式稱為“視圖(view)”，視圖只是一個定義，其中的數(shù)據(jù)從邏輯模型的數(shù)據(jù)庫中得到。在實際使用中，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，設(shè)計不同的外部模型。如學(xué)生視圖、教師視圖等。1.3.5內(nèi)部模型內(nèi)部模型又稱為物理模型，描述數(shù)據(jù)的存儲方式、存取設(shè)備、存取方法等。關(guān)系模型以邏輯級為目標，不必考慮內(nèi)部級的設(shè)計細節(jié)。1.3.6高度的數(shù)據(jù)獨立性

－－數(shù)據(jù)庫的三級體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型用DDL描述的稱呼外模型外模式是用戶與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的接口，是用戶用到的那部分數(shù)據(jù)的描述概念模型(概念)模式全部數(shù)據(jù)的整體邏輯結(jié)構(gòu)的描述內(nèi)模型內(nèi)模式是數(shù)據(jù)庫在物理存儲方面的描述，定義記錄類型、索引和文件的組織方式，以及數(shù)據(jù)控制方面的細節(jié)1.3.6高度的數(shù)據(jù)獨立性定義1.8數(shù)據(jù)獨立性（dataindependence）是指應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間相互獨立，不受影響。數(shù)據(jù)獨立性分成物理數(shù)據(jù)獨立性和邏輯數(shù)據(jù)獨立性兩個級別。對內(nèi)模式的修改盡量不影響邏輯模式對邏輯模式的修改盡量不影響外模式和應(yīng)用程序1.3.6體系結(jié)構(gòu)中的五個要素定義模式／邏輯內(nèi)模式映象存在于概念級和內(nèi)部級之間，用于定義概念模式和內(nèi)模式之間的對應(yīng)性。定義外模式／邏輯模式映象存在于外部級和概念級之間，用于定義外模式和概念模式之間的對應(yīng)性。1.4數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)1.4.1DBMS的工作模式（一）應(yīng)用程序DBMSDB數(shù)據(jù)請求低層指令數(shù)據(jù)（處理結(jié)果）數(shù)據(jù)（查詢結(jié)果）圖1.19DBMS的工作模式1.4.1DBMS的工作模式（一）接受應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)請求和處理請求將用戶的數(shù)據(jù)請求（高級指令）轉(zhuǎn)換成復(fù)雜的機器代碼（低層指令）實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作從對數(shù)據(jù)庫的操作中接受查詢結(jié)果對查詢結(jié)果進行處理（格式轉(zhuǎn)換）將處理結(jié)果返回給用戶1.4.1DBMS的工作模式（二）應(yīng)用程序DB的系統(tǒng)緩沖區(qū)外模式模式內(nèi)模式DBDBMS數(shù)據(jù)字典OS圖1.20用戶訪問數(shù)據(jù)的過程1.4.2DBMS的主要功能數(shù)據(jù)庫的定義功能－DDL；數(shù)據(jù)庫的操縱功能－DML；數(shù)據(jù)庫的保護功能－數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)、并發(fā)控制、完整性控制、安全性控制；數(shù)據(jù)庫的維護功能－數(shù)據(jù)載入、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)儲、數(shù)據(jù)庫改組、性能監(jiān)控等；數(shù)據(jù)字典－存放三級結(jié)構(gòu)定義的數(shù)據(jù)庫；1.5數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1.5.1DBS的組成（一）DBS是采用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)的計算機系統(tǒng)。DBS是一個實際可運行的，按照數(shù)據(jù)庫方法存儲、維護和向應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持的系統(tǒng)，它是數(shù)據(jù)庫、硬件、軟件和數(shù)據(jù)庫管理員的集合體。1、數(shù)據(jù)庫(DB)是與一個企業(yè)組織各項應(yīng)用有關(guān)的全部數(shù)據(jù)的集合。1.5.1DBS的組成（二）2、硬件－CPU、內(nèi)存、外存、I/O設(shè)備等；3、軟件－DBMS、OS