数据库系统原理与应用.ppt

1,数据库系统原理与应用,第一章 数据库系统概述（绪论）,2,一、数据库系统的几个概念,1、数据 1)描述现实世界各种信息的符号记录2)可以有多种不同的表现形式：数字、文字、图形、图像、声音等3)是信息的载体、信息的具体表现形式,3,一、数据库系统的几个概念,2、信息 1)概念(1)构成客观世界的三大要素（信息、能源和材料）之一(2)信息是从数据中提取出的有用的东西2)特性(1)信息传递需要物质载体，信息的获取和传递要消耗能量(2)信息是可以感知的(3)信息可以加工：存储、压缩、传递、共享、再生、增值,4,一、数据库系统的几个概念,3、数据与信息的关系1)数据是具体的，信息是抽象的2)数据不一定有用，但信息是有用的数据3)信息是各种数据所包括的意义，数据是载荷信息的物理符号4)可用不同的数据形式来表现同一数据，信息不随数据的表现形式而改变5)通常可混用(1)信息资源数据资源(2)信息采集数据采集(3)信息处理数据处理,5,一、数据库系统的几个概念,4、数据处理（信息处理）1)利用计算机对各种形式的数据进行处理2)从大量的原始数据中抽取有价值的信息，作为行为和决策的依据3)包括以下的数据操作(1)采集(2)整理、编码(3)输入(4)存储(5)加工/计算、分类、检索(6)传输、输出,6,一、数据库系统的几个概念,5、数据库1)database(DB)2)长期储存在计算机中的、有组织的、可共享的数据的集合3)特点(1)按照一定的数据模型组织(2)独立性、易扩展性(3)较小的冗余度(4)可共享,7,一、数据库系统的几个概念,6、数据库管理系统1)database management system(DBMS)2)管理数据库的软件（数据管理软件）3)用于建立、运用和维护数据库4)位于用户和操作系统之间,8,一、数据库系统的几个概念,7、数据库系统1)database system(DBS)2)是计算机化的记录保持系统，其总目的是存储信息和产生所需要的信息3)计算机系统数据库4)包含(1)DB(2)DBMSOS(3)Users(4)硬件环境5)三要素(1)DB(2)DBMS(3)Users,9,一、数据库系统的几个概念,8、用户1)终端用户（最终用户、End User）(1)非计算机专业人员(2)交互式操作1.使用终端命令2.表格语言3.菜单驱动2)应用程序员（Application Programmer）(1)负责设计和编制应用程序(2)通过应用程序存取和维护数据库(3)为终端用户准备应用程序(4)是DBA手下的工作人员,10,一、数据库系统的几个概念,8、用户3)数据库管理员（Database Administrator,DBA）(1)全面负责数据库系统的管理、维护、正常使用(2)主要职责1.参与数据库设计的全过程2.决定数据库的存储与读取策略3.定义数据的安全性和完整性4.监督控制数据库的使用和运行，及时处理运行程序中出现的问题5.改进和重新构造数据库系统,11,数据库系统层次结构图,应用系统,应用开发工具软件,数据库管理系统,操作系统,硬件/数据库,数据库用户,12,数据库系统的构成,13,数据库系统的构成,Database,14,人工管理阶段,文件系统阶段,二、数据库技术的产生,数据库系统阶段,15,数据库技术的三个阶段,16,数据库技术的三个阶段(续1),17,数据库技术的三个阶段(续2),18,三、数据库技术的研究领域,1)数据库理论2)数据库设计3)DBMS的研制*4)数据库应用系统设计,19,四、数据库系统的发展方向,1、系统规模A、越来越大：GB-TB应用规模的不断扩大，如定票系统的国际联网并行计算新应用，如数据仓库等多媒体数据B、越来越小硬件的发展使几乎所有信息产品均有可能包括数据管理应用扩展，如手机等,20,四、数据库系统的发展方向,2、数据模式面向对象数据模型对象关系模型3、数据的主动特性约束触发器,21,四、数据库系统的发展方向,4、分布式数据管理数据物理分布在不同节点同构分布数据管理：存在全局数据模式，使用相同数据库管理系统异构分布数据管理：存在全局数据模式，使用不同数据库管理系统联邦数据管理：不存在全局数据模式,22,四、数据库系统的发展方向,5、多媒体数据管理单元数据量大，变长数据处理方式不同原来：简单的算术操纵现在：复杂的算法，如图象上基于内容的检索类型很多，OODBMS的发展推动力数据流处理不同原来：全部送到Client现在：不能：原因：太大实际只需要部分内容可能希望连续播放等等。,23,四、数据库系统的发展方向,6、数据综合分析应用数据仓库：Data Warehouse数据发掘 Data Mining7、Internet数据库电子商务XML8、移动数据库主要技术问题：数据同步。,24,五、数据库系统的模式结构,1)模式(1)数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述(2)仅涉及到数据类型的描述，不涉及到具体的数值(实例)(3)模式是稳定的，实例是相对变动的(4)模式反映数据的结构和关系，实例反映数据库某时刻的状态,25,五、数据库系统的模式结构,2)数据库系统的三级模式结构(1)外模式(用户模式)1.是数据库用户看见和使用的局部数据的逻辑结构和特性的描述2.是数据库用户的数据视图3.描述数据的局部逻辑结构4.是概念模式的子集5.有多个外模式（不同的用户有不同的外模式）6.用户通过外模式访问数据库7.与用户看待数据库方式有关的层,26,五、数据库系统的模式结构,2)数据库系统的三级模式结构(2)概念模式(逻辑模式)1.是数据库中全体数据的逻辑结构和特性的描述2.是所有用户的公共数据视图3.所有个别用户视图综合起来的用户共同视图4.描述数据的全局逻辑结构5.只有一个概念模式,27,五、数据库系统的模式结构,2)数据库系统的三级模式结构(3)内模式(存储模式)1.与实际存储数据方式有关的层2.数据的物理结构和存储结构的描述3.数据在数据库内部的表示方式4.描述数据的物理存储结构5.存储方式、索引、压缩加密6.只有一个内模式,28,五、数据库系统的模式结构,3)数据库的二级映象功能与数据独立性(1)外模式/概念模式的映象1.定义外模式与概念模式的对应关系2.概念模式改变改变映象外模式不变应用程序不变3.保证数据的逻辑独立性,29,五、数据库系统的模式结构,3)数据库的二级映象功能与数据独立性(2)概念模式/内模式的映象1.定义数据的全局逻辑结构与存储结构的对应关系2.存储结构改变映象改变概念模式不变3.保证数据的物理独立性,30,五、数据库系统的模式结构,4)三级结构带来的优点(1)保证数据的独立性(2)简化了用户的使用(3)减少冗余，利于共享(4)有利于数据的安全操作,31,数据库系统的三级模式结构,应用A,应用B,应用C,应用D,外模式1,外模式2,外模式3,概念模式,内模式,数据库,外模式/概念模式映象,概念模式/内模式映象,32,六、数据库系统的体系结构,1)单用户数据库系统2)主从式结构的数据库系统（终端）3)分布式结构的数据库系统（网络）4)客户/服务器结构的数据库系统,33,数据库系统的体系结构,34,七、数据库管理系统,1、DBMS的功能（DataBase Management System）1)数据库定义功能(1)结构模式定义(2)模式映射定义2)数据操纵功能(1)检索（查询）(2)插入(3)修改(4)删除,35,七、数据库管理系统,1、DBMS的功能3)数据库运行管理功能(1)安全性控制(2)完整性控制(3)并发控制4)数据库的建立和维护功能(1)初始数据输入(2)数据转换(3)数据恢复(4)数据重构5)数据通信功能（接口）,36,DBMS面向用户的功能,检查用户合法性检查数据合法性按用户要求进行操作,谁能访问数据更新数据有什么要求,用户定义的数据安全性完整性,(1)User 通过DDL语言定义数据格式,(2)User 通过DML语言操纵数据进出数据库,(3)User 通过DCL语言定义数据安全性(4)User 通过DDL语言定义数据安全性/完整性,37,七、数据库管理系统,2、DBMS的组成1)语言编译处理程序(1)数据描述语言DDL翻译程序(2)数据操作语言DML处理程序(3)终端命令解释程序(4)数据库控制命令解释程序,38,七、数据库管理系统,2、DBMS的组成2)系统运行控制程序(1)系统总控程序(2)存取控制程序(3)并发控制程序(4)完整性控制程序(5)保密性控制程序(6)数据存取和更新程序(7)通信控制程序,39,七、数据库管理系统,2、DBMS的组成3)数据库运行控制程序(1)数据装入程序(2)数据库重组织程序(3)数据库系统恢复程序(4)性能监督程序(5)工作日志程序,40,七、数据库管理系统,2、DBMS的组成4)数据字典(1)数据库三级模式(2)数据类型(3)用户名表(4)用户权限,41,数据库系统的三要素,42,七、数据库管理系统,3、DBMS的工作过程,43,DBMS的工作过程(读取记录),数据库,系统缓冲区,应用程序,程序工作区,DBMS,OS,概念模式,物理模式,外模式,44,七、数据库管理系统,4、DBMS的实现方法1)N方案：DBMS与应用程序融合2)2N方案：DBMS与用户进程一一对应3)MN方案：多个DBMS进程与多个用户进程对应4)N1方案：一个DBMS进程与所有用户进程对应,45,DBMS的实现方法,OS,N方案,2N方案,N+M方案,N+1方案,46,八、数据模型,1、什么是数据模型计算机无法直接处理现实事物需要将现实事物转化为计算机可以理解的数据，这需要一个工具。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。,47,八、数据模型,2、对数据模型的要求1)较真实地模拟现实世界2)容易理解（人的角度）信息模型，数据库概念模型 3)易于实现（计算机的角度）狭义的数据模型，数据库逻辑模型,48,八、数据模型,3、数据模型的三要素1)数据结构(1)描述系统的静态特性(2)所研究的对象类型的集合(3)不同的数据结构决定不同的数据模型有层次结构、网状结构、关系结构数据结构是刻画一个数据模型性质最重要的方面。因此与数据结构类型相对应的数据模型有层次模型、网状模型、关系模型。,49,八、数据模型,3、数据模型的三要素2)数据操作(1)描述系统的动态特性(2)对数据库中的各种对象的实例允许执行的操作和操作规则的集合(3)操作分类1.检索2.插入3.修改4.删除(4)定义操作1.含义2.符号3.规则,50,八、数据模型,3、数据模型的三要素3)数据的约束条件(1)一组完整性规则的集合(2)保证数据的正确、有效和相容,51,八、数据模型,4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型在将现实世界中的具体事物抽象、组织为某一DBMS支持的农奴制模型，人们常首先将现实世界抽象为信息世界，然后将信息世界转换成机器世界。即得到信息世界内的一种信息结构，这种不信赖于具体的计算机系统，是一概念级的模型。是信息世界的建模，是第一层抽象。是用户与数据库设计人员之间进行交流的语言。因此具有较强的语义表达能力，且应简单、清晰、易于被理解。,52,数据抽象,现实世界,信息世界,计算机世界,概念化,形式化,用户,计算机,53,八、数据模型,4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型(1)信息世界中的基本概念1.实体(1)客观存在并相互区别的事物(2)例子1.具体：人、事、物2.抽象概念：学生、选课3.联系：师生关系,54,八、数据模型,4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型(1)信息世界中的基本概念2.实体集(1)性质相同的同类实体的集合(2)实体整体(3)例子1.所有的学生2.所有的演出,55,八、数据模型,4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型(1)信息世界中的基本概念3.属性(1)实体所具有的某一特性(2)用若干个属性来描述实体(3)包含1.属性的型：学生（姓名，系别）2.属性的值：学生（张三，计算机系）,56,八、数据模型,4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型(1)信息世界中的基本概念4.实体型(1)用若干个属性型所组成的集合表征一个实体类型(2)用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体(3)例如：学生（学号、姓名、系别）,57,八、数据模型,4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型(1)信息世界中的基本概念5.码(1)唯一标识实体的属性集(2)实体键、关键字（段）(3)把某个实体个体与其他实体个体区分来开,58,八、数据模型,4、对象的抽象过程1)第一级抽象：概念模型（教材第六章）(2)概念模型的表示方法1.实体联系方法（E-R图）（Entity-Relationship Model）1976年，由提出-模型2.表示(1)实体型：矩形实体名(2)属性：椭圆形，无向边与实体连接(3)联系：菱形联系名，无向边与实体连接，边上标注联系类型3.实例,59,基本-图要点,例：学生选修课程,60,E-R图实例,属性,61,八、数据模型,4、对象的抽象过程2)第二级抽象：数据模型(1)实体模型数据模型(2)实体集文件(3)实体记录(4)实体型记录型(5)属性数据项、字段,62,数据模型定义,数据模型是数据库系统中用于提供信息表示和操作手段的形式构架,63,对象的抽象过程,第一级抽象,现实世界,信息世界 概念模型,机器世界 数据模型,第二级抽象,事物个体实体记录事物总体实体集文件特征属性字段事物间联系实体模型数据模型,认识抽象,转换,64,八、数据模型,5、数据模型的分类1)层次数据模型(1)代表系统1.IBM的IMS(2)数据结构1.树型结构（一对多关系）(1)只有一个根结点：无双亲(2)其他结点有且只有一个双亲2.多对多关系的表示(1)转换成一对多关系3.非树形结构的表示(1)先转换成树形结构,65,八、数据模型,5、数据模型的分类1)层次数据模型(3)操纵与完整性约束1.不能插入无双亲的子结点2.子结点和双亲结点一起删除3.更新操作要保证数据的一致性(4)存储结构1.邻接法2.链接法,66,八、数据模型,5、数据模型的分类1)层次数据模型(5)优点1.数据模型简单2.若实体间的关系固定，性能优于关系模型3.良好的完整性支持,67,八、数据模型,5、数据模型的分类1)层次数据模型(6)缺点1.描述现实世界的非层次性很笨拙2.插入和删除操作限制较多3.必须通过双亲才能找到子结点4.由于结构严密，层次命令趋于程序化,68,层次数据模型,69,八、数据模型,5、数据模型的分类2)网状数据模型(1)代表系统1.CODASYL的DBTG(2)数据结构：网状结构1.允许多个结点无双亲2.允许结点有多个双亲3.允许结点间有多个联系（复合联系）,70,八、数据模型,5、数据模型的分类2)网状数据模型(3)操纵与完整性约束1.允许插入无双亲的子结点2.允许只删除双亲结点3.更新操作较简单(4)存储结构1.链接法,71,八、数据模型,5、数据模型的分类2)网状数据模型(5)优点1.能够直接描述现实世界2.存取效率较高(6)缺点1.数据描述语言极其复杂2.数据独立性差,72,网状数据模型,73,八、数据模型,5、数据模型的分类3)关系数据模型(1)代表系统1.Oracle2.Sybase3.VFP4.Access5.xBASE6.xSQL7.db28.informix,74,八、数据模型,5、数据模型的分类3)关系数据模型(2)数据结构1.关系模型2.规范的二维表(3)概念1.关系：整个二维表2.关系名：表格名称3.元组：行数据（记录）4.属性名：列名称（字段名）5.属性：列数据（字段）,75,八、数据模型,5、数据模型的分类3)关系数据模型(2)数据结构1.关系模型2.规范的二维表(3)概念6.主码：唯一确定元组的属性组（关键字）7.域：属性的取值范围8.分量：元组中的一个属性值9.关系模式：关系名（属性）如：学生（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）,76,八、数据模型,5、数据模型的分类3)关系数据模型(4)操纵与完整性约束1.操纵：查询、更新（插入、修改、删除）2.完整性：实体完整性、参照完整性、用户定义完整性3.操作的对象与结果都是关系4.数据独立性高（隐蔽存取路径）,77,八、数据模型,5、数据模型的分类3)关系数据模型(5)存储结构1.以文件形式存储表(6)优点1.有严格的数学概念作基础2.关系模型的概念单一3.存取路径对用户透明(7)缺点1.查询效率不高,78,关系数据模型,学生人事记录表,关系名,关系,元组(行),属性(列),主码,男女,域,分量,关系模式：学生（学号、姓名、性别、年龄、籍贯）,属性名,79,数据库中的表/关系,表、关系：由关系模式和元组构成,值域：列数据的取值范围如，十个汉字以内的文字串,关系模式：由表名和属性名构成如，学生选课登记表(学号,姓名,专业,选修课程,任课教师),列、字段、属性、数据项：列有名称(属性名),有值/数据(数据项)如，属性名为“专业”，数据项为“计算机应用”，“计算机软件”,行、元组、记录：由数据构成,表名：学生选课登记表,如，(9003212,吴俊武,计算机软件,数据结构,王小栋)(9003223,廖凯,计算机软件,程序设计语言,陆非),80,九、数据库工程与应用,1、数据（结构）设计2、行为（处理）设计（即数据库应用系统的设计）,81,数据库设计的目标,数据库设计,82,数据库设计步骤,系统需求分析阶段,概念结构设计阶段,逻辑结构设计阶段,物理结构设计阶段,数据库实施阶段,数据库使用维护阶段,运行、维护数据库,数据入库，编制应用程序,将E-R图转换成具体关系模式建立逻辑模型、用户视图,综合各个用户的应用需求,形成独立于DBMS的概念模型用E-R图描述,安排物理存储，设计索引,83,作业,题目1、谈谈你对数据库系统的三级模式结构的理解。要求参考其他书籍包含自己的观点不少于500字，截至 月 日Email或单页纸提交，写清姓名和学号,84,作业,2、解释以下名词：DB、DBMSDBS数据独立性3、简述DBMS的功能4、DBA的职责是什么5、数据库技术的特点,