数据库系统原理教学PPT数据库概论.ppt

数据库系统原理,第一章 数据库概论,本课程解决的问题：如何有效的组织、管理计算机系统中的大量的数据？引出：DB的概念 方法 理论 技术本章的重点：DB的体系结构 DBS结构,第一节 数据管理技术发展,经历三个阶段：人工管理阶段（20世纪50年代中期以前）文件系统管理阶段（20世纪50年代后期至 60年代中期）数据库管理阶段（20世纪60年代末开始）,一 人工管理阶段,存储介质：磁带、卡片、纸带（无磁盘）主要用于科学计算 特点：数据量小、计算复杂。数据管理的特点：（1）数据不保存在计算机中。（2）只有程序的概念，无文件的概念。（3）没有专用的软件对数据进行管理。（4）数据面向应用，程序与数据不具有独立性。,二 文件系统管理阶段,存储介质：出现了磁盘和磁鼓。应用：由科学计算转向于信息管理。特点：计算简单，数据量大。数据管理的特点：（1）数据要求长期保存在磁盘上。（2）数据不再属于某个特定的程序，可重复使用。（3）数据逻辑结构和物理结构有区别；程序与数据之间具 有“设备独立”。（4）文件组织呈现多样化：索引文件，链接文件和散列文 件等。,文件系统管理数据的缺点：（1）数据冗余大。（2）数据操作具有不一致性。(3)数据缺乏独立性。（4）数据之间联系弱。（5）数据管理无法实施统一的标准。,三 数据库管理阶段,1、特点：(1)采用了复杂的数据模型表示数据结构。(2)有较高的数据独立性。数据的逻辑独立：当数据整体逻辑结构改变时，尽量不影响用户的 逻辑结构和应用程序。数据的物理独立：当数据的物理结构改变时，不影响整体的逻辑结 构以及应用程序。(3)减少了数据的无控冗余。(4)数据库系统为用户提供了方便的用户接口来使用数据库。(5)数据操作的基本单位是数据项而不是记录，增强了系统的灵活性。(6)系统提供了4个方面的数据控制功能：数据库的恢复、并发控制、数据完整性和数据的安全性。,2、4个重要的概念（1）数据库（Database）:能为多个用户所共享，具有最小冗余 度，数据间联系密切，而又有较高数据独立性的数据存储库。（2）数据库管理系统（DBMS）：位于用户与OS之间的一层数据管 理软件，它能为用户或应用程序提供访问DB的方法，包括DB 的建立、查询、更新及各种数据控制。（3）数据库系统（DBS）:实现有组织地，动态地存储大量关联数 据，方便多用户访问计算机软件、硬件和数据资源组成的系统.（4）数据库技术：是一门研究数据库的结构、存储、管理和使用的 软件科学。,第二节 数据描述,一 三个领域的数据描述 从事物的特性到计算机中的数据表示要经历三个领域：现实世界、信息世界和计算机世界。,（1）现实世界：人们头脑之外的客观世界用表格、报表、图表记录的数据。（2）信息世界：用文字和符号记载下来实现世界相关数据。常用术语：实体（entity）：客观存在并可相互区别的事物称为实体。实体集：同类、性质相同的实体的集合。属性（attribute）:实体的某种特性。实体标识符：能唯一标识每一个实体的属性或属性集。,(3)计算机世界：信息世界的信息在机内的数据存放形式。常用术语：字段（field）：标记实体属性的命名单位。记录（record）：字段的有序集合。文件（file）：同类记录的汇集。关键字（key）：能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集。,信息世界与计算机世界的术语对应关系 信息世界 计算机世界 实体 记录 实体集 文件 属性 字段 实体标识符 关键字,二 数据联系的描述,实体内部的联系：反映在数据上指记录内部字段间的联系实体联系有两类：实体间的联系：反映在数据上指记录之间的联系 同一实体集中各实体的联系（简单联系）实体间的联系：不同实体集中各实体的联系（复杂联系）1对1联系不同实体集之间的联系分为三类：1对多联系 多对多联系,1、1对1联系,如果实体集E1中每个实体至多与实体集E2中一个实体有联系，反之亦然，则E1对E2称为“1对1”的联系，记为：1:1。,E1,E2,图形表示为：,E1,E2,E1,E2,或,1:1,2、1对多的联系,如果实体集E1中每个实体与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联系，而E2中每个实体至多和E1中一个实体有联系，则称E1与E2的联系为“1对多”联系，记为：1:m。,E1,E2,图形表示为：,E1,E1,E2,E2,或,1:m,3、多对多的联系,如果实体集E1中每个实体与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联系，反之亦然，则称E1与E2的联系是“多对多”的联系，记为n:m。,E1,E2,图形表示为：,E1,E2,E2,E1,或,n:m,注：,记录中的字段之间（属性之间）也存在这三种联系。三种联系的联系：实体集之间的复杂联系：,1:1,1:n,n:m,航班,驾驶员,飞机,零件,一个零件由若干个子零件组成，而一个零件又是其他零件的子零件。,第三节 数据模型,表示实体类型及实体间联系的模型。,一、数据模型的分类,概念模型（语义模型）：独立于计算机，用来描述特定组织关心的信息结构，着重信 信息之间的语义表达，如：实体联系模型（ER模型）。结构模型：面向DB逻辑结构的模型，如：层次、网状、关系和面向对象型。,两大类：,结构模型的组成数据结构：实体类型和联系表达与实现；数据操作：检索与更新操作；数据完整性约束：数据及联系应具有的约束和依赖规则。,二、E R模型,ER模型：ER图表示现实世界中实体及实体间联系的模型。用途：用于DB概念设计阶段，描述DB概念模式。构成：矩形框：其内写上实体名，表示实体类型；菱形框：其内写上联系名，表示联系类型；椭圆框：其内写上属性名，表示实体或联系的属性；直线：连接实体，联系及属性框，傍边可标注联系的种类（1:1,1:n或n:m）。,例：,有语义：“一个部门拥有多个仓库，仓库中存放了多种零件，多种零件存放在不同的仓库中。”画出该语义的E-R图。,部门号,部门名,电话号,仓库名,地址,电话号码,零件号,零件名,数量,型号,部门,拥有,储存,仓库,零件,1,n,n,m,实体间联系的特殊情况：,三元联系：回路表示的实体集内部的联系：语义（概念）模型描述的优点：在高层上直接表达实体间联系的语义，容易理解；不涉及数据组织的具体结构，与计算机无关。,供应者,工程,零件,零件,M,组装,m,n,k,m,n,三、结构模型,层次模型传统的结构模型：网状模型 关系模型,用树型结构或森林表表示实体及实体联系的模型。层次模型树型结构：树的结点是记录类型，有且仅有一个无父的结点（树的根），其它结点仅有一个父结点；父子结点之间只能是1对多或则1对1的联系，不能是多对多。,1、层次模型,例：,d#dname,t#tname,c#cname credit,s#sname,dept,teacher,student,course,特点：层次性：实体 之间的联系是单向的树任一结点只有唯一一条自根到达 它的路径；有序性：从左到右的顺序规则了任一结点所有子树的先后次序；原子性：结点中记录的任何属性均不可再分的简单类型数据；父子结点之间是1对多（或则1对1）的联系。优点：层次模型的DB中，结点记录之间是通过指针联系，查询效率高。缺点：结点之间的联系只能是1对多，因此，对于多对多联系需要转变且转换较为复杂。由于树的层次性和顺序性的要求，引起数据查询和更新操作较为复杂。典型的层次DB系统：IMS。,2、网状模型,网状模型DB的结构（DBTG报告中的网状模型，简单模型）用记录类型为结点的网状来表示实体与实体间1对多联系的模型。,例：,A,C,D,B,去掉层次模型中的下列限制：最多只有一个无父的结点的根（有多个无父结点）其它的所有结点只有一个父结点（可能有多个父结点）所以，层次DB模型是DBTG中网状模型的特殊形式。,优点：记录之间用指针连接，联系容易，查询效率高.缺点：编写应用程序复杂，程序员必须熟知DB的逻辑结构。,典型网状DBS：TOTAL DMS1100 IDMS IDS/,3、关系模型,用二维表格结构表达实体集，用外关键字表示实体间联系的模型。关系模型：关系模式组成的集合。,1、关系模型的物理概念 关系就是俗称的二维表：,学生登记表,属性（字段）,元组（记录值）,属性值集,表头：称为关系的框架，即为属性集。构成模式：学生（学号，姓名，性别，系名，专业名）,必须满足下列条件的二维表：表中的每一列是不可再分的基本数据项（初等项）。每列指定一个相异的名称，类型相同。各行相异不允许重复（无重元组）。列行次序无关紧要。,例：,描述边、点组成的空间封闭的多边形的关系：,x,y,z,E3,E1,E2,V3(4,3,6),V2(5,2,1),V1(0,0,0),模式：s(s#,line)v(v#,x,y,z)sv(s#,v#),关系模型的数学概念：笛卡尔积中有意义的子集称为关系。,边/点关系,描述边/点之间的多对多的联系,边关系,点关系,2、关系模型与层次模型，网状模型的差别：用关键字而不是用指针导航数据（建立联系）；关系模型具有严密的数学基础和操作的代数性质，网状、层次无；简单灵活地表达实体间的复杂关系；表格简单、易懂，编程方便，不涉及到存储结构，访问的细节。,主要的关系DBMS产品：DB2，ORACLE，FOXPRO，ACCESS等。,4、面向对象模型（object-oriented-model）,对于复杂的数据对象，如CAD数据，图形数据等需要新的概念及方法描述。面向对象模型最基本的概念是：对象和类。,对象（object）对象是现实世界中实体的模型化。组成：每个对象有唯一的标识符，把状态和行为封装在一起。其中：状态是对象的属性值集；行为是在状态上操作的方法集。,类（class）类：将属性集和方法集相同的所有对象组合在一起，构成一个类。其中：类的属性值域可以是基本数据类型（整，实，字符串），也可以是 记录型或集合型（嵌套）。,类层次：系统中所有的类组成一个有根的有向无环图。一个类可以从类层次中直接或间接祖先那里继承所有的属性和方法。（实现软件重用）,例如：有E-R模型：,J#,jname,date,P#,pname,color,weight,saddr,sname,S#,total,project,part,supplier,pp,ps,quantity,m,n,m,n,根据上面的E-R图，设计如下面向对象模型：,PRPATOTAL,PA PSQUANTITY,j#Jnamedate,p#PnameColorweight,S#Snamesaddr,类pp,类ps,类project,类part,类supplier,其中：PR取值为类project中的对象 PA取值为类part中的对象 PA取值为类part中的对象 PS取值为类supplier中的对象,类PP,类PS,5、E-R模型与结构模型的关系。,E-R模型属于语义模型，独立与机器，用于信息世界描述试题及实体之间的联系。E-R模型用于DB设计阶段的概念设计阶段。E-R模型很方便地转换成结构模型中之一个模型：,E-R模型：,E1,E2,R,关系模型,层次模型,网状模型,面向对象模型,转换规则,第四节 DB的体系结构一、三级模式和两级变换结构,三级模式和两级变换结构,外模式1,外模式2,外模式n,概念模式,内模式,DBMS,OS,DB,外模式/模式映象1,外模式/模式映象2,外模式/模式映象n,模式/内模式映象,I/O视图,DBA建立和维护,DBS的体系结构,1、三级模式结构 外模式（子模式，用户模式）概念模式（模式）内模式（物理模式，存储模式）,外模式（external schema）外模式：是用户与DBS的接口，是单个用户所使用的那一部分数据视图的描述。程序员表现形式：DB局部数据的逻辑结构，由若干外部记录类型组成。（I/O与视图区别：数据，命名，组合，次序，种类等不同）外模式通过“外模式DDL”定义，并通过数据库操纵语言DML操纵。一个DB由若干个子模式,为多个应用程序共享。,概念模式（conceptual schema）概念模式（conceptual schema）:DB中全部的整体数据逻辑视图的描述。DBA表现形式：概念模型（E-R模型）描述：概念、记录、类型、记录间的联系，操作，完整性，安全性要求。概念模式通过“模式DDL”定义：子模式是模式的逻辑子集；DBS中只有一个概念模型它是子模式的合成。均不涉及存储结构及访问技术等细节。子模式与模式可能有若干差别：数据名，次序，数据的类型等。模式/子模式之间映象由DBMS完成。,内模式（internal schema）内模式：DB在物理存储方面的描述是物理存储数据视图的描述。表现形式：DB内部记录类型，索引和文件组织方式及控制的的描述细节。内模式通过“内模式DDL”定义。内模式只有一个，内模式/模式映象由DBMS完成。,2、两级变换外模式/模式映象：DBMS定义外模式与概念模式间的对应性（内部记录与外 部记录的对应性）外模式/模式映象都是在外模式中描述。模式/内模式映象：定义模式与内模式之间的对应性。由于数据中记录类型，字段类型，命名组成可能不一样，需要说明概念记录和内 部记录的对应关系。模式/内模式映象一般在内模式中描述。,二、数据两级独立性,数据的物理独立性 数据的逻辑独立性,分为：,1、数据的物理独立性DBS中对DB的内模式的修改尽量不影响概念模式的修改，称数据具有物理独 立性。如：DB的存储设备和存取方法有所变化，使模式/内模式映象进行相应修改，但概念模式尽可能保持不变。2、数据的逻辑独立性对DB 的概念模式的修改，尽量不影响外模式和应用程序的变化，称数据具有逻辑独立性。概念模式修改如增加记录类型或数据项，外模式/概念模式映象随之相应修改，但使外模式尽可能保持不便。,三、用户界面,I/O视图是用户的界面，通过数据操纵语言（DML）编程序完成其方式。,自含型DML：编程语言本身含有DML语句，DML两种方式：如：FoxPro。宿主型DML：DML嵌入到高级语言（如C等）中使用，如：SQL语言。,第五节 数据库系统（DBS）一、DBS的构成,数据库（DB）硬件：DBS的物理支持。DBMS：DBS管理功能的体现 其它软件（OS等）：DBS的软件支持 数据库管理员（DBA：database administrator）:程序员 DBS责任的承担者和其它人员：用户 专业人员,软件：,DBS的构成：,1、DB一个组织中,与各项应用有关的全部数据集合。应用数据的集合，称为物理库。各项数据结构的描述，称为描述库，由DD系统管理。,组成：,2、硬件包括：CPU、内存、外存、I/O设备、数据通讯设备等。DBS关注的是：内存、外存、I/O存取速度，可支持终端数和性能稳定 性等指标。,3、软件OS：支持DBMS存取数据。宿主语言及对应的编译系统。数据通讯软件 用户开发的应用程序 集成的DB管理软件：报表生成器，DB辅助设计工具软件，数据库测试工具，图形系统，I/O交换设施等。DBMS系统（下面介绍）,包括：,关系：,硬件,OS,DBMS/编译系统,集成的DB管理软件,应用程序,4、DBA承担创建，监控和维护整个DB结构的责任：模式定义 内模式定义 修改DB的模式和内模式 对DB访问的授权 完整性约束的说明,通过一系列使用程序完成：DBMS装载、重组、日志、恢复、统计分析。通过DD系统，掌握系统的工作情况。,DBA：,二、DBMS,1、DBMS的主要功能DBMS是DBS中重要的核心软件。DBMS的主要功能：,（1）DB的定义功能：DBMS提供的数据定义语言（DDL）定义DB的三级模式：外模式，概念模式，内模式及相互之间的映象。定义数据完整性，安全性约束。说明DBMS中有对应的DDL编译程序。,（2）DB的操作功能 DBMS提供数据操作语言DML，实现对DB中的数据操纵。（需要DML编译程序或解释程序）查询 更新（插入，删除，修改）过程性DML（指出“做什么”和“如何做”）：层次和网状DB中用。非过程性DML（只指出“做什么”）：关系DB中采用。DML的使用方式分为：自含型和宿主型（嵌入型）（3）DB的保护功能DB的恢复:DB被破坏，则利用DBMS提供的恢复子系统，将DB恢复到正确状态。DB的并发控制：解决多个用户对DB中数据操作的共享问题。DB的完整性控制：保证DB中数据及语义的正确性和有效性。DB的安全性控制：防止未授权的用户窃取数据。,基本操作分为：,DML分为：,（4）DB的存取管理把各种DML语句转换成低层的文件系统命令，交OS存取磁盘中的DB数据。（5）DB的维护和通信功能 数据的装载 数据的备份 文件重组 性能的监控 通信功能：实现用户程序与DBMS之间的通信与OS协调完成。,维护功能：,2、DBMS组成 DBMS由一些功能程序组成。查询处理器 存储管理器,DBMS分为两大部分：,（1）查询处理器组成 DDL翻译程序：把源模式翻译成目标模式：即编译或解释DDL语句，并 把它们登陆到数据字典中。DML处理程序 DML预编译程序 查询运行的核心程序：执行由DML编译器产生的低层指令。,把程序中的DML语句翻译成可执行程序。,（2）存储管理器的组成 授权和完整性管理器：测试访问是否满足完整性约束，检查用户访问数 据是否合法。事务管理器：负责并发事务的正确执行，保证DB一致性。文件管理器：负责磁盘空间的分配，管理物理文件的存储结构和存取方法。缓冲区管理器：为应用程序开辟DB的系统缓冲区，负责从磁盘读取数据通过 缓冲区进入内存。,3、用户访问数据的过程例如：应用程序从DB中读取一个记录。,系统缓冲区,应用程序A子模式,模式,内模式,DBMS,OS,DB,运行日志,数据字典系统,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,步骤：应用程序A向DBMS发出一个读记录命令（通过DML语句）。DBMS分析程序A中的操作命令：按子模式名从DD中调出对应的子模式，并检查A的存取权限，决定是否执行A的命令。DBMS通过子模式调出相应的模式描述，并将子模式记录格式映象模式中的对应逻辑记录格式，确定在概念模式中应该读取哪些记录。DBMS调出内模式描述，并将模式的内部记录映象成内模式记录，从而决定所读取的记录及相应地址。DBMS向OS发出读取记录值的命令。OS执行读命令，并把数据外存送到内存的系统缓冲区中。DBMS将读入到系统缓冲区的记录转换成概念记录，外部记录。DBMS将导出的外部记录从DB缓冲区送到程序A的工作区。DBMS向运行日志DB写入读一条记录的信息，以备今后查询，如：取数据，日期，记录个数等。DBMS将读记录是否成功信息返回程序A。程序A根据返回的状态信息，决定是否使用工作区的变量值。,4、数据字典(DD)数据库系统中存放DB的三级结构定义的数据库称为DD。（1）DD的主要内容子模式，模式，内模式定义的结构。数据项名，长度，类型，数据之间的联系。用户的标识符，口令，密码，安全性和完整性的约束等信息。DB运行时的统计信息，如：记录个数模仿问次数等。被动DD：只能被用户和DBA访问，不能被DBMS软件访问。主动DD：用户，DBA，DBMS都能访问。DD系统：管理DD的实用程序，称为DD系统。,（2）DD分为两类：,（3）DD的作用 供DBMS快速查询有关对象的信息；DBA用DD可以了解和掌握DB的运行情况；支持DB的设计与系统分析。,第一章练习题,一.选择题1.在数据库管理技术的发展过程中,数据独立性最高的是（）阶段。A.数据库系统 B.文件系统 C.人工管理2.三大经典的数据结构模型是（）。A.层次、网状和实体联系模型 B关系、层次和E-R模型 C.关系、层次和网状模型3.单个用户使用的数据视图的描述，称为（），它是用户与DBS的接口。A.模式 B.外模式 C.概念模式4.DB中，数据的逻辑独立性是指（）。A.概念模式改变，外模式与应用程序不变 B.模式改变，概念模式不变 C.概念模式改变，内模式不变5.通过指针链接来表示实体间联系的模型是（）。A.关系模型 B.E-R模型 C.网状和层次模型,二.填空题1.DB的体系结构分成三层，分别是_、_和_。2.DBMS的主要功能有_、_、数据库的运行管理，DB维护和组织存储管理及数据通信接口等。3.组成数据模型的三大要素是_、_和_。4.DBMS包括的主要程序_、_、_和_。,