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数据库概述,数据管理技术的发展 数据模型关系数据库的体系结构 DBMS 与 DBS,数据库概述,数据管理技术的发展 数据模型 关系数据库的体系结构 DBMS 与 DBS,数据库技术的产生和发展,什么是数据管理对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护数据处理的中心问题数据管理技术的发展过程人工管理阶段(20世纪40年代中-50年代中)文件系统阶段(20世纪50年代末-60年代中)数据库系统阶段(20世纪60年代末-现在),数据管理技术的产生和发展(续),数据管理技术的发展动力应用需求的推动计算机硬件的发展计算机软件的发展,一、人工管理阶段,时期20世纪40年代中-50年代中产生的背景应用需求科学计算硬件水平无直接存取存储设备软件水平没有操作系统处理方式批处理,人工管理阶段(续),特点数据的管理者：用户（程序员），数据不保存数据面向的对象：某一应用程序 数据的共享程度：无共享、冗余度极大数据的独立性：不独立，完全依赖于程序数据的结构化：无结构数据控制能力：应用程序自己控制,应用程序与数据的对应关系(人工管理阶段),人工管理阶段应用程序与数据之间的对应关系,二、文件系统阶段,时期20世纪50年代末-60年代中产生的背景应用需求科学计算、管理硬件水平磁盘、磁鼓软件水平有文件系统处理方式联机实时处理、批处理,文件系统阶段(续),特点数据的管理者：文件系统，数据可长期保存数据面向的对象：某一应用程序 数据的共享程度：共享性差、冗余度大数据的结构化：记录内有结构,整体无结构数据的独立性：独立性差，数据的逻辑结构改变必须 修改应用程序数据控制能力：应用程序自己控制,应用程序与数据的对应关系(文件系统阶段),文件系统阶段应用程序与数据之间的对应关系,文件系统中数据的结构,记录内有结构。数据的结构是靠程序定义和解释的。数据只能是定长的。可以间接实现数据变长要求，但访问相应数据的应用程序复杂了。文件间是独立的，因此数据整体无结构。可以间接实现数据整体的有结构，但必须在应用程序中对描述数据间的联系。数据的最小存取单位是记录。,三、数据库系统阶段,时期20世纪60年代末以来产生的背景应用背景大规模管理硬件背景大容量磁盘、磁盘阵列软件背景有数据库管理系统处理方式联机实时处理,分布处理,批处理,数据库系统的特点,数据结构化数据的共享性高，冗余度低，易扩充数据独立性高数据由DBMS统一管理和控制,数据结构化,整体数据的结构化是数据库的主要特征之一 整体结构化不再仅仅针对某一个应用，而是面向全组织不仅数据内部结构化，整体是结构化的，数据之间具有联系数据库中实现的是数据的真正结构化数据的结构用数据模型描述，无需程序定义和解释数据可以变长数据的最小存取单位是数据项,数据的共享性高，冗余度低，易扩充,数据库系统从整体角度看待和描述数据，数据面向整个系统，可以被多个用户、多个应用共享使用。数据共享的好处减少数据冗余，节约存储空间避免数据之间的不相容性与不一致性 使系统易于扩充,数据独立性高,物理独立性指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中数据是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。逻辑独立性指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，用户程序也可以不变。数据独立性是由DBMS的二级映像功能来保证的,数据由DBMS统一管理和控制,DBMS提供的数据控制功能(1)数据的安全性（Security）保护保护数据，以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。(2)数据的完整性（Integrity）检查将数据控制在有效的范围内，或保证数据之间满足一定的关系。(3)并发（Concurrency）控制对多用户的并发操作加以控制和协调，防止相互干扰而得到错误的结果。(4)数据库恢复（Recovery）将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。,应用程序与数据的对应关系(数据库系统),数据库系统阶段应用程序与数据之间的对应关系,数据库概述,数据管理技术的发展 数据模型体系数据库的体系结构 DBMS 与 DBS,An Introduction to Database Systems,数据模型,两大类数据模型数据模型的组成要素概念模型最常用的数据模型关系模型,数据模型,在数据库中用数据模型这个工具来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟。数据模型应满足三方面要求能比较真实地模拟现实世界容易为人所理解便于在计算机上实现,An Introduction to Database Systems,1.2.1 两大类数据模型,数据模型分为两类（分属两个不同的层次）(1)概念模型 也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计。(2)逻辑模型和物理模型 逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面向对象模型等，按计算机系统的观点对数据建模，用于DBMS实现。物理模型是对数据最底层的抽象，描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法。,An Introduction to Database Systems,两大类数据模型(续),客观对象的抽象过程-两步抽象现实世界中的客观对象抽象为概念模型；把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型。,An Introduction to Database Systems,两大类数据模型(续),DBMS支持的数据模型,概念模型,认识抽象,信息世界,机器世界,现实世界中客观对象的抽象过程,现实世界,An Introduction to Database Systems,数据模型的组成要素,数据结构 数据操作 完整性约束条件,An Introduction to Database Systems,一、数据结构,什么是数据结构描述数据库的组成对象，以及对象之间的联系描述的内容与数据类型、内容、性质有关的对象与数据之间联系有关的对象数据结构是对系统静态特性的描述,An Introduction to Database Systems,二、数据操作,数据操作对数据库中各种对象(型)的实例(值)允许执行的 操作及有关的操作规则数据操作的类型查询更新(包括插入、删除、修改),An Introduction to Database Systems,数据操作(续),数据模型对操作的定义操作的确切含义操作符号操作规则（如优先级）实现操作的语言数据操作是对系统动态特性的描述请举例说明,An Introduction to Database Systems,三、数据的完整性约束条件,数据的完整性约束条件一组完整性规则的集合。完整性规则：给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和储存规则用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。,An Introduction to Database Systems,数据的完整性约束条件(续),数据模型对完整性约束条件的定义反映和规定本数据模型必须遵守的基本的通用的完整性约束条件。例如在关系模型中，任何关系必须满足实体完整性和参照完整性两个条件。提供定义完整性约束条件的机制，以反映具体应用所涉及的数据必须遵守的特定的语义约束条件。,An Introduction to Database Systems,概念模型,信息世界中的基本概念两个实体型之间的联系两个以上实体型之间的联系单个实体型内的联系概念模型的一种表示方法一个实例,An Introduction to Database Systems,概念模型,概念模型的用途概念模型用于信息世界的建模是现实世界到机器世界的一个中间层次是数据库设计的有力工具数据库设计人员和用户之间进行交流的语言对概念模型的基本要求较强的语义表达能力能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识简单、清晰、易于用户理解,An Introduction to Database Systems,一、信息世界中的基本概念,(1)实体（Entity）客观存在并可相互区别的事物称为实体。可以是具体的人、事、物或抽象的概念。(2)属性（Attribute）实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。(3)码（Key）唯一标识实体的属性集称为码。,An Introduction to Database Systems,信息世界中的基本概念(续),(4)域（Domain）属性的取值范围称为该属性的域。(5)实体型（Entity Type）用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型(6)实体集（Entity Set）同一类型实体的集合称为实体集,An Introduction to Database Systems,信息世界中的基本概念(续),(7)联系（Relationship）现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界 中反映为实体内部的联系和实体之间的联系。实体内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系,An Introduction to Database Systems,二、两个实体型之间的联系,用图形来表示两个实体型之间的这三类联系,An Introduction to Database Systems,二、两个实体型之间的联系（续）,一对一联系（1:1）实例一个班级只有一个正班长一个班长只在一个班中任职定义：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个（也可以没有）实体与之联系，反之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一联系，记为1:1,An Introduction to Database Systems,两个实体型之间的联系(续),一对多联系（1：n）实例一个班级中有若干名学生，每个学生只在一个班级中学习定义：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对多联系，记为1:n,An Introduction to Database Systems,两个实体型之间的联系(续),多对多联系（m:n）实例课程与学生之间的联系：一门课程同时有若干个学生选修一个学生可以同时选修多门课程定义：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体（m0）与之联系，则称实体集A与实体B具有多对多联系，记为m:n,An Introduction to Database Systems,两个以上实体型之间的联系(续),实例 课程、教师与参考书三个实体型一门课程可以有若干个教师讲授，使用若干本参考书，每一个教师只讲授一门课程，每一本参考书只供一门课程使用,An Introduction to Database Systems,两个以上实体型之间的联系(续),多个实体型间的一对一联系两个以上实体型间的多对多联系实例 供应商、项目、零件三个实体型一个供应商可以供给多个项目多种零件每个项目可以使用多个供应商供应的零件每种零件可由不同供应商供给,An Introduction to Database Systems,四、单个实体型内的联系,一对多联系实例 职工实体型内部具有领导与被领导的联系某一职工（干部）“领导”若干名职工一个职工仅被另外一个职工直接领导这是一对多的联系一对一联系 请举例,An Introduction to Database Systems,单个实体型内的联系,多对多联系请举例,An Introduction to Database Systems,五、概念模型的一种表示方法,实体联系方法(E-R方法)用E-R图来描述现实世界的概念模型E-R方法也称为E-R模型,An Introduction to Database Systems,E-R图,实体型用矩形表示，矩形框内写明实体名。属性用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来,学生,教师,An Introduction to Database Systems,E-R图(续),联系联系本身：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n）,An Introduction to Database Systems,联系的表示方法,An Introduction to Database Systems,联系的表示方法示例,An Introduction to Database Systems,联系的属性,联系的属性：联系本身也是一种实体型，也 可以有属性。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来,An Introduction to Database Systems,六、一个实例,用E-R图表示某个工厂物资管理的概念模型实体仓库：仓库号、面积、电话号码零件：零件号、名称、规格、单价、描述供应商：供应商号、姓名、地址、电话号码、帐号项目：项目号、预算、开工日期职工：职工号、姓名、年龄、职称,An Introduction to Database Systems,一个实例,实体之间的联系如下：(1)一个仓库可以存放多种零件，一种零件可以存放在多个仓库中。仓库和零件具有多对多的联系。用库存量来表示某种零件在某个仓库中的数量。(2)一个仓库有多个职工当仓库保管员，一个职工只能在一个仓库工作，仓库和职工之间是一对多的联系。职工实体型中具有一对多的联系(3)职工之间具有领导-被领导关系。即仓库主任领导若干保管员。(4)供应商、项目和零件三者之间具有多对多的联系,An Introduction to Database Systems,一个实例,An Introduction to Database Systems,最常用的数据模型,非关系模型层次模型(Hierarchical Model)网状模型(Network Model)关系模型(Relational Model)面向对象模型(Object Oriented Model）对象关系模型(Object Relational Model),An Introduction to Database Systems,1.2.5 层次模型,层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型 层次数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS（Information Management System）数据库管理系统层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系,An Introduction to Database Systems,一、层次数据模型的数据结构,层次模型 满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型1.有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点2.根以外的其它结点有且只有一个双亲结点层次模型中的几个术语根结点，双亲结点，兄弟结点，叶结点,An Introduction to Database Systems,层次数据模型的数据结构(续),图1.16 一个层次模型的示例,An Introduction to Database Systems,层次数据模型的数据结构(续),层次模型的特点：结点的双亲是唯一的只能直接处理一对多的实体联系每个记录类型可以定义一个排序字段，也称为码字段任何记录值只有按其路径查看时，才能显出它的全部意义没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在,An Introduction to Database Systems,层次数据模型的数据结构(续),图1.17 教员学生层次数据库模型,根结点,记录型系的子女结点记录型教员的双亲结点,叶结点,叶结点,字段,An Introduction to Database Systems,层次数据模型的数据结构(续),图1.18 教员学生层次数据库的一个值,An Introduction to Database Systems,网状模型,网状数据库系统采用网状模型作为数据的组织方式 典型代表是DBTG系统：亦称CODASYL系统70年代由DBTG提出的一个系统方案奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术实际系统Cullinet Software Inc.公司的 IDMSUnivac公司的 DMS1100Honeywell公司的IDS/2HP公司的IMAGE,An Introduction to Database Systems,1.网状数据模型的数据结构,网状模型满足下面两个条件的基本层次联系的集合：1.允许一个以上的结点无双亲；2.一个结点可以有多于一个的双亲。,An Introduction to Database Systems,网状数据模型的数据结构（续）,表示方法(与层次数据模型相同)实体型：用记录类型描述 每个结点表示一个记录类型（实体）属性：用字段描述 每个记录类型可包含若干个字段联系：用结点之间的连线表示记录类型（实体）之 间的一对多的父子联系,An Introduction to Database Systems,网状数据模型的数据结构（续）,网状模型与层次模型的区别网状模型允许多个结点没有双亲结点网状模型允许结点有多个双亲结点网状模型允许两个结点之间有多种联系（复合联系）网状模型可以更直接地去描述现实世界层次模型实际上是网状模型的一个特例,An Introduction to Database Systems,网状数据模型的数据结构（续）,网状模型中子女结点与双亲结点的联系可以不唯一要为每个联系命名，并指出与该联系有关的双亲记录和子女记录,R1与R3之间的联系L1,R2与R3之间的联系L2,An Introduction to Database Systems,网状数据模型的数据结构（续）,网状模型的例子,An Introduction to Database Systems,网状数据模型的数据结构（续）,图1.24 学生/选课/课程的网状数据模型,An Introduction to Database Systems,关系模型,关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式 1970年美国IBM公司San Jose研究室的研究员E.F.Codd首次提出了数据库系统的关系模型 计算机厂商新推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型,An Introduction to Database Systems,一、关系数据模型的数据结构,在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。,学生登记表,属性,元组,An Introduction to Database Systems,关系数据模型的数据结构（续）,关系（Relation）一个关系对应通常说的一张表元组（Tuple）表中的一行即为一个元组属性（Attribute）表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名,An Introduction to Database Systems,关系数据模型的数据结构（续）,主码（Key）表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。域（Domain）属性的取值范围。分量元组中的一个属性值。关系模式对关系的描述关系名（属性1，属性2，属性n）学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级）,An Introduction to Database Systems,关系数据模型的数据结构（续）,例1学生、系、系与学生之间的一对多联系：学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）系(系号，系名，办公地点)例2系、系主任、系与系主任间的一对一联系,An Introduction to Database Systems,关系数据模型的数据结构（续）,例3学生、课程、学生与课程之间的多对多联系：学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）课程（课程号，课程名，学分）选修（学号，课程号，成绩）,An Introduction to Database Systems,关系数据模型的数据结构（续）,关系必须是规范化的，满足一定的规范条件最基本的规范条件：关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项,不允许表中还有表 图1.27中工资和扣除是可分的数据项,不符合关系模型要求,图1.27 一个工资表(表中有表)实例,An Introduction to Database Systems,关系数据模型的数据结构（续）,表1.2 术语对比,An Introduction to Database Systems,二、关系数据模型的操纵与完整性约束,数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系查询插入删除更新数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”，不必详细说明“怎么干”,An Introduction to Database Systems,关系数据模型的操纵与完整性约束（续）,关系的完整性约束条件 实体完整性参照完整性用户定义的完整性,An Introduction to Database Systems,三、关系数据模型的存储结构,实体及实体间的联系都用表来表示表以文件形式存储有的DBMS一个表对应一个操作系统文件有的DBMS自己设计文件结构,An Introduction to Database Systems,四、关系数据模型的优缺点,优点建立在严格的数学概念的基础上概念单一实体和各类联系都用关系来表示对数据的检索结果也是关系关系模型的存取路径对用户透明具有更高的数据独立性，更好的安全保密性简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作,An Introduction to Database Systems,关系数据模型的优缺点（续）,缺点存取路径对用户透明导致查询效率往往不如非关系数据模型为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化增加了开发DBMS的难度,数据库概述,数据管理技术的发展 数据模型 关系数据库的体系结构 DBMS 与 DBS,An Introduction to Database Systems,数据库系统结构,数据库系统的三级模式结构 数据库的二级映像功能与数据独立性,An Introduction to Database Systems,数据库系统模式的概念,模式（Schema）数据库逻辑结构和特征的描述是型的描述反映的是数据的结构及其联系模式是相对稳定的实例（Instance）模式的一个具体值反映数据库某一时刻的状态同一个模式可以有很多实例实例随数据库中的数据的更新而变动,An Introduction to Database Systems,数据库系统模式的概念（续）,例如：在学生选课数据库模式中，包含学生记录、课程记录和学生选课记录 2003年的一个学生数据库实例，包含：2003年学校中所有学生的记录学校开设的所有课程的记录所有学生选课的记录 2002年度学生数据库模式对应的实例与 2003年度学生数据库模式对应的实例是不同的,An Introduction to Database Systems,1.3.2 数据库系统的三级模式结构,模式（Schema）外模式（External Schema）内模式（Internal Schema）,An Introduction to Database Systems,数据库系统的三级模式结构（续）,图1.28 数据库系统的三级模式结构,An Introduction to Database Systems,一、模式（Schema）,模式（也称逻辑模式）数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求一个数据库只有一个模式模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层与数据的物理存储细节和硬件环境无关与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关,An Introduction to Database Systems,模式（续）,模式的定义数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）数据之间的联系数据有关的安全性、完整性要求,An Introduction to Database Systems,二、外模式（External Schema）,外模式（也称子模式或用户模式）数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示,An Introduction to Database Systems,外模式（续）,外模式的地位：介于模式与应用之间模式与外模式的关系：一对多外模式通常是模式的子集一个数据库可以有多个外模式。反映了不同的用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同外模式与应用的关系：一对多同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用但一个应用程序只能使用一个外模式,An Introduction to Database Systems,外模式（续）,外模式的用途保证数据库安全性的一个有力措施每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据,An Introduction to Database Systems,三、内模式（Internal Schema）,内模式（也称存储模式）是数据物理结构和存储方式的描述是数据在数据库内部的表示方式记录的存储方式（顺序存储，按照B树结构存储，按hash方法存储）索引的组织方式数据是否压缩存储数据是否加密数据存储记录结构的规定一个数据库只有一个内模式,An Introduction to Database Systems,内模式（续）,例如学生记录，如果按堆存储，则插入一条新记录总是放在学生记录存储的最后，如右图所示,An Introduction to Database Systems,内模式（续）,如果按学号升序存储，则插入一条记录就要找到它应在的位置插入，如图1.29（b）所示如果按照学生年龄聚簇存放，假如新插入的S3是16岁，则应插入的位置如图1.29（c）所示,图1.29 记录不同的存储方式示意图,An Introduction to Database Systems,数据库的二级映像功能与数据独立性,三级模式是对数据的三个抽象级别二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换外模式模式映像（逻辑独立）模式内模式映像（物理独立）,An Introduction to Database Systems,一、外模式模式映象,模式：描述的是数据的全局逻辑结构外模式：描述的是数据的局部逻辑结构 同一个模式可以有任意多个外模式 每一个外模式，数据库系统都有一个外模式模式映象，定义外模式与模式之间的对应关系映象定义通常包含在各自外模式的描述中,An Introduction to Database Systems,外模式模式映象（续）,保证数据的逻辑独立性当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式模式映象，使外模式保持不变应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。,An Introduction to Database Systems,二、模式内模式映象,模式内模式映象定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的数据库中模式内模式映象是唯一的该映象定义通常包含在模式描述中,An Introduction to Database Systems,模式内模式映象（续）,保证数据的物理独立性当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），数据库管理员修改模式内模式映象，使模式保持不变应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。,An Introduction to Database Systems,模式内模式映象（续）,数据库模式即全局逻辑结构是数据库的中心与关键 独立于数据库的其他层次 设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式,An Introduction to Database Systems,模式内模式映象（续）,数据库的内模式依赖于它的全局逻辑结构独立于数据库的用户视图，即外模式独立于具体的存储设备 将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储策略进行组织，以达到较好的时间与空间效率,An Introduction to Database Systems,模式内模式映象（续）,数据库的外模式面向具体的应用程序定义在逻辑模式之上独立于存储模式和存储设备当应用需求发生较大变化，相应外模式不能满足其视图要求时，该外模式就得做相应改动 设计外模式时应充分考虑到应用的扩充性,An Introduction to Database Systems,模式内模式映象（续）,特定的应用程序在外模式描述的数据结构上编制的依赖于特定的外模式与数据库的模式和存储结构独立不同的应用程序有时可以共用同一个外模式数据库的二级映像保证了数据库外模式的稳定性从底层保证了应用程序的稳定性，除非应用需求本身发生变化，否则应用程序一般不需要修改,An Introduction to Database Systems,模式内模式映象（续）,数据与程序之间的独立性，使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去 数据的存取由DBMS管理用户不必考虑存取路径等细节简化了应用程序的编制大大减少了应用程序的维护和修改,