第章＿绪论ppt课件.ppt

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1、主讲教师：陈建平,授课对象：计算机本科专业,版权所有 计算机学院软件工程系数据库课程组二0一三年二月,数据库,系统原理,一、教 材,数据库系统概论王珊萨师煊编著 高等教育出版社 2006年5月 第四版,数据库原理及应用实验指导 陈建平 蔡文伟彭三城编著 中国水利水电出版社 2011年1月 第一版,二、参考书,1.数据库系统概论学习指导与习题解答 王珊 朱青编著高等教育出版社2003年8月,2.数据库系统教程 施伯乐 丁宝康编著高等教育出版社2003年8月第二版,3.数据库技术及应用 王行言 汤荷美等编著高等教育出版社2004年8月第二版,4.SQL Server 2000 应用与开发范例宝典明

2、日科技等编著人民邮电出版社,5.数据库原理与应用习题解析 李春葆编著清华大学出版社2001年4月,6.数据库系统教程习题、实验与考试辅导 史嘉权 史红星 李博编著清华大学出版社2003年9月,1.熟悉数据库的发展过程及数据库系统的主要构成；,2.掌握关系数据库的基本概念、理论及描述语言；,3.熟练掌握SQL语言中各种数据操作的语法、语义及其应用；,4.能运用所学的有关关系数据库理论，结合实际，设计开发出一个切实可行的数据库应用系统；,5.掌握数据库的安全控制策略和完整性控制方法。,该课程共设置了3个上机实验，分3次完成。实验要求：每位学生独立完成实验内容，每次实验完后必须书写实验报告。实验学时

3、：8学时。,1.设计内容 利用所学的数据库相关知识和现有的面向对象的编程语言设计开发出一个简单的具有实际应用价值的数据库应用系统。,2.设计要求 人人参与，独立或分组完成。课程设计从第七周开始进行。课程设计结果要考查，并记入课程设计期末成绩,学科内容丰富，研究领域宽泛立体化的学科体系理论 技术 系统 应用 多层次多类型多视觉的学习内容,1.1 数据库系统概述,第一章绪论,1.2 数据模型,1.3 数据库系统结构,1.4 数据库系统的组成,数据管理技术的产生和发展；层次数据模型及网状数据模型的基本概念；数据库系统的组成及各部分的作用。,需要了解的知识点：,概念模型的基本概念及主要建模方法E-R方

4、法；关系数据模型的相关概念；数据库系统三级模式和两层映像的体系结构；数据库系统的逻辑独立性和物理独立性。,需要掌握的知识点：,1.1.1 数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统,一、数据（Data，D）,数据的定义 数据是描述事物的符号记录。对数据库来说，它是数据 库中存储的基本对象。,数据的举例 学生记录数据：（李明，男，21，1972，江苏，计算机系，1990）数据的含义就是数据的语义，数据和数据的语义紧密相关,二、数据库（DataBase，DB）,DB的定义 数据库是存放数据的仓库。它是指长期存放在计算机内 的、有组织的、可共享的数据集合。,DB中数据的特点 按一定的数据模型组织、描述

5、和存储；具有较小的冗余度；具有较高的数据独立性和易扩展性；可为各计算机用户共享使用。,三、数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）,DBMS的定义 数据库管理系统是一种专用的数据管理软件，它位于用 户与操作系统之间。,DB举例 集散控制系统数据库（DCSDB）,DBMS的功能 数据定义功能；通过DBMS提供的数据定义语言DDL来实现。数据操纵功能；数据操纵（查询Q、插入I、删除D、修改U）通过DBMS,提供的数据操纵语言DML来实现。数据库的运行管理功能；在数据库的建立、运行和维护阶段，此功能可确保数据的安全性、完整性、有效合法性等。数据库的建立和维护功

6、能。此功能包括数据库中初始数据的录入功能，数据库的转储、恢复功能等。,DBMS举例 Access dBase Foxbase SQL Server 2000 Oracle Informix,四、数据库系统（DataBase System，DBS）,DBS的定义 数据库系统是指在计算机系统中引入数据库后的系统。,DBS的构成,DBS在计算机系统中的地位,1.1.2 数据管理技术的产生和发展,数据处理：对各种数据进行收集、存储、加工和传播的一系 列活动的总和。数据管理：对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，它是数据处理的主要内容。数据管理技术经历了人工管理、文件管理、数据库系统三个发展阶段

7、。,一、人工管理阶段,20世纪50年代中期以前，计算机主要用于科学计算。当时外存只有纸带、卡片、磁带，没有磁盘等直接存储设备；没有操作系统及管理数据的软件；数据处理方式为批处理。,人工管理数据的特点数据不保存应用程序管理数据应用程序不仅要规定数据的逻辑结构，还要规定数据的物理结构，包括存储结构、存取方法、输入方式等数据不共享数据是面向应用的，一组数据只能对应一个程序，当其它应用程序涉及某些相同数据时，须各自定义，数据冗余度大数据不具有独立性数据的物理（逻辑）结构发生变化时，必须对应用程序作相应的修改,人工管理阶段，程序与数据间的对应关系,二、文件系统阶段,20世纪50年代后期到60年代中期，当

8、时外存有磁盘、磁鼓等直接存储设备；操作系统中已有数据管理软件（文件系统）；数据处理方式有批处理和联机实时处理。,文件系统管理数据的特点数据可长期保存文件系统管理数据文件系统利用“按文件名访问，按记录存取”的管理技术，可对文件进行修改、插入、删除操作。文件系统实现了记录内的结构性。数据共享性差，冗余度大文件系统中，一个文件基本上对应一个应用程序，文件仍是面向应用的。当不同应用程序具有部分相同数据时，须建立各自的文件。数据独立性差文件是为某一特定应用程序服务的，一旦数据文件的逻辑,结构发生变化，须修改应用程序；应用程序的改变也将引起文件内数据结构的改变。,文件系统阶段，程序与数据间的对应关系,三、

9、数据库系统阶段,20世纪60年代后期以后，计算机用于管理的规模越来越大。当时有了大容量磁盘；软件上出现了统一管理数据的专门软件（数据库管理系统）；数据处理方式有联机实时处理和分布式处理。,数据库系统阶段的特点数据结构化,A.文件数据的最简单形式是等长同格式的记录集合,B.变长记录或主记录与详细记录相结合的文件数据,C.完善的数据结构组织形式,数据库系统实现整体数据的结构化，是数据库的主要特征之一，也是数据库系统与文件系统的本质区别。,数据共享性高，冗余度低，易扩充数据库系统中的数据共享是面向整个系统的，数据可被多个用户及应用程序共享。数据共享可减少数据冗余，节约存储空间，避免数据间的不相容性与

10、不一致性（同一数据项不同拷贝的值不一样）。,数据独立性高数据独立性包括数据的物理独立性（用户应用程序与存储在磁盘上的数据库中的数据是相互独立的）和数据的逻辑独立性（用户应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的）。,数据由DBMS统一管理和控制数据库中数据是并发共享的，多个用户可同时存取数据库中的同一或不同数据。,1 数据的安全性（Security）保护数据安全性是指保护数据以防止不合法的使用造成的数据泄密及破坏。2 数据的完整性（Integrity）检查数据完整性是指数据的正确性、有效性和相容性。3 并发（Concurrency）控制并发控制是用于对多用户的并发操作加以控制和协调的一种策略。4

11、数据库恢复（Recovery）各种故障、误操作及故意破坏均可能影响数据库中数据的正确性，甚至造成数据库部分或全部数据丢失。DBMS的数据库恢复机制就是用来在一定程度上挽回上述情况所造成的损失。,DBMS的数据控制功能,数据库管理阶段，应用程序与数据间的对应关系,几个基本概念模型（Model）：现实世界特征的模拟和抽象数据模型（Data Model）：现实世界数据特征的抽象,数据模型应满足的三个条件：能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,根据模型应用的不同目的，模型可划分为以下两类：概念模型按用户的观点对数据和信息建模，用于数 据库设计 数据模型按计算机系统的观点对数据建模

12、，用于 DBMS的实现数据模型是数据库系统的基础和核心，它分为：网状模型 层次模型 关系模型,现实世界中客观对象的抽象过程：,1.2.1 数据模型的组成要素,一、数据结构对系统静态特性的描述,数据结构是所研究对象类型的集合。对象是数据库的组成成分,对象,与数据类型、内容、性质有关的对象（网状模型中的数据项、记录，关系模型中的域、属性、关系）,与数据间联系有关的对象（网状模型中的系型）,数据结构是刻画数据模型性质的最重要因素,层次结构数据模型层次模型,网状结构数据模型网状模型,关系结构数据模型关系模型,二、数据操作对系统动态特性的描述,数据操作：对数据库中各对象的实例允许执行的操作的集 合。,数

13、据操作,操作检索更新(插入、删除、修改),操作规则,数据模型须定义各操作的确切含义、操作符号、操作规则以及实现操作的语言。,三、数据约束条件对系统完整性约束条件的描述,数据约束条件是一组完整性规则的集合。完整性规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则，用以保证数据的正确、有效和相容。,1.2.2 概念模型,一、信息世界中的基本概念,实体（Entity）（1）定义 实体：客观存在并可相互区别的事物（2）分类,A.具体的人、事、物一个职工、一门课、学生的一 次选课,B.抽象的概念或联系一个老师与所在系的工作关系,属性（Attribute）（1）定义 属性：实体所具有的某一特性（2）

14、举例 实体学生可由属性学号、姓名、性别、出生年份、系、入 学时间等组成。,（95001，张三，男，1976，计算机系，1995）,码（Key）（1）定义 码：唯一标识实体的属性（2）举例 学号学生实体的码,域（Domain）（1）定义 域：属性的取值范围（2）举例 学生实体性别属性的域是（男，女）,实体型（Entity Type）（1）定义 实体型：用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体（2）举例,学生（学号，姓名，性别，出生年份，系，入学时间）,实体集（Entity Set）（1）定义 实体集：同型实体的集合（2）举例 全体学生,联系（Relationship）信息世界中实体（型）内部和

15、实体（型）之间是有联系的。实体内部的联系通常指组成实体的各属性之间的联系。实体 间的联系通常指不同实体集间的联系。两个实体型之间的联 系可分为以下三类：（1）一对一联系（1:1）A.定义 若对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个(也 可没有)实体与之联系，反之亦然，则称A与B具有一对一联系。,C.举例 班级与班长之间具有一对一联系,B.E-R图,（2）一对多联系（1:n）A.定义 若对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n(n0)个实 体与之联系，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。,B.E-R图,C.举例

16、班主任与他所管的学生之间具有一对多联系,（3）多对多联系（m:n）A.定义 若对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n(n0)个实 体与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A 中有m(m0)个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有多 对多联系。,B.E-R图,C.举例 课程与学生之间具有多对多联系,（4）1:1、1:n、m:n联系的关系,（5）同一实体内的各实体间也可 存在1:1、1:n、m:n联系,（6）两个以上的实体型间也可存在1:1、1:n、m:n联系,二、概念模型的表示方法,概念模型的表示方法中最著名常用的是P.P.S.CHEN于1976年提出的实体-联系方法(Entit

17、y-Relationship Approach)。它用E-R图来描述现实世界的概念模型，E-R方法也称E-R模型。,E-R图的实现要点：1.E-R图提供了表示实体型、属性和联系的方法 2.实体型用矩形表示，矩形框内写明实体名 3.属性用椭圆形表示，椭圆形框内写明属性名 4.属性与其相应的实体用无向边连接 5.联系用菱形表示，菱形框内写明联系名,6.有联系的实体用无向边连接，且在无向边旁标上联系 的类型(1:1、1:n、m:n)7.若联系具有属性，则也要用无向边将该联系及其属性连接,E-R图举例 学生实体及其属性的E-R图,供应联系及其属性供应量的E-R图,某工厂物资管理的E-R图 物资管理涉及

18、的实体有：,仓库(仓库号，面积，电话)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，账号)项目(项目号，预算，开工日期)职工(职工号，姓名，年龄，职称),各实体间的联系有：,一个仓库可存放多种零件，一种零件可存放在多个仓库一个仓库有多个职工当仓库保管员，一个职工只能在一 个仓库工作职工之间有领导-被领导关系一个供应商可供给若干项目多种零件，每个项目可使用 不同供应商的零件，每种零件可由不同供应商供给,1.2.3 最常用的数据模型,目前，数据库领域中最常用的数据模型有以下四种：,层次模型（Herarchical Model）,网状模型（Network Model）,关

19、系模型（Relational Model）,面向对象模型（Object Oriented Model）,非关系模型,非关系模型中，实体用记录表示，实体属性对应记录的字段。实体间的联系转换成记录间的两两联系。非关系模型中数据结构的单位是基本层次联系基本层次联系：两个记录以及它们间的1:n(包括1:1)联系,Ri,Rj,Lij,双亲结点（Parent）,1:n(包括1:1)联系,子女结点（Child）,1.2.4 层次模型,层次数据库系统采用层次模型作为数据的组织方式。层次数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS数据库管理系统。,一、层次数据模型的数据结构,层次模型的定义 在数据库中，满足以下两个

20、条件的基本层次联系的集合是层次模型。(1)有且只有一个结点(根结点)，没有双亲结点；(2)根结点以外的其他结点有且只有一个双亲结点,层次模型的表示(1)每个结点表示一记录类型(2)父子记录类型之间的联系(1:n)用有向连接线表示(3)每个记录类型可包含若干字段，记录类型描述实体，字 段描述实体属性(4)各记录类型及字段均须命名,(5)各记录类型及同一记录类型中的各字段不能同名(6)每个记录类型可定义一排序字段(码字段)(7)层次模型中，同一双亲的子女结点称为兄弟结点(Twin),无子女结点的结点称为叶结点，无双亲结点的结点称为 根结点,层次数据模型举例 教员-学生层次数据模型,教员-学生层次数

21、据模型的一个值,用层次模型表示m:n联系时，必须首先将其分解成1:n联系。,二、m:n联系在层次模型中的表示,冗余结点法 实现方法：通过增设两个冗余结点将m:n联系转换成两个 1:1联系,实现过程,优缺点优点：结构清晰，允许结点改变存储位置缺点：占用额外存储空间，有替在的不一致性,虚拟结点法 实现方法：在冗余结点的基础上，采用虚拟结点的分解方 法，将冗余结点换为虚拟结点（是一个指引元，指向所替 代的结点）。,实现过程,优缺点优点：减少了对存储空间的浪费，避免了潜在的不一致性缺点：结点改变存储位置可能引起虚拟结点中指针的修改,三、层次模型的数据操纵与完整性约束,四、层次数据模型的存储结构层次数据

22、库中不仅要存储数据，还要存储数据间的层次联系。,邻接法 实现方法：按层次树前序穿越的顺序把所有记录值依次 邻接存放，通过物理空间的位置相邻来体现层次顺序。,举例,邻接法存储形式：,链接法 子女兄弟链接法 实现方法：用指引元来反映数据间的层次联系，每个记录 设两类指引元，分别指向最左边的子女和最近的兄弟。,举例,层次序列链接法 实现方法：按树的前序穿越顺序链接各记录值。,举例,五、层次模型的优缺点 优点层次数据模型简单对于实体间联系是固定的且预先定义好的应用系统而言采用,层次模型来实现的性能较好层次数据模型提供了良好的完整性支持,缺点对于非层次性的m:n联系，层次模型实现起来较笨拙对插入、删除操

23、作的限制较多查询子女结点须通过双亲结点因结构严密，致使层次命令趋于程序化,1.2.5 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。网状数据模型的典型代表是DBTG系统。,一、网状数据模型的数据结构,网状模型的定义 在数据库中，满足以下两个条件的基本层次联系的集合是网状模型。(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,网状模型的表示(1)每个结点表示一个记录类型(2)父子记录类型间的联系(1:n)用有向连接线表示(3)每个记录类型可包含若干个字段(4)子女结点与双亲结点间的联系可以不唯一，要为每个联 系命名,网状数据模型举例记录类型学生与课程之间是m:n联系，但

24、不能用DBTG模型来表示(DBTG不能表示记录之间m:n联系)，因此，引进一个学生选课的联结记录。,DBTG在DDL模式中提供了定义DBTG数据库完整性的若干概念和术语，主要有：(1)支持记录码的概念，无须担心重复记录值(2)确保一个联系中双亲记录和子女记录间是1:n联系(3)支持双亲记录与子女记录间的某些约束条件(插入、删除),二、网状数据模型的操纵与完整性约束,网状数据模型的存储结构的关键是如何实现记录间的联系。常用方法有：,三、网状数据模型的存储结构,链接法,单向链接法,双向链接法,环状链接法,向首链接法,指引元阵列法,二进制阵列法,索引法,单向链接法举例(以S/SC/C网状数据库的存储

25、为例),注：实线链表示S-SC联系虚线链表示C-SC联系,四、网状数据模型的优缺点,优点能更为直接地描述现实世界（一个结点可有多个双亲）具有良好的性能，存取效率较高 缺点结构较复杂，不利于用户掌握DDL、DML语言复杂，不利于用户使用,1.2.6 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EFCodd研究员首次提出了数据库系统的关系模型。,一、关系数据模型的数据结构,关系模型是建立在严格的数学概念的基础上的，用户看来，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表。,关系(Relation)：一张二维表就是一个关系元组(Tuple)：表中的一

26、行就是一个元组属性(Attribute)：表中的一列就是一个属性主码(Key)：表中的某个属性组，它可唯一确定元组域(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。一般表示为：关系名(属性1，属性2，属性n)学生(学号，姓名，年龄，性别，系别，年级),关系模型中，实体与实体间的联系均用关系来表示。如：学生与课程之间的m:n联系可表示如下：学生(学号，姓名，年龄，性别，系别，年级)课程(课程号，课程名，学分)选课(学号，课程号，成绩),关系模型要求关系必须是规范化的 如：关系的每一分量必须是一个不可再分的数据项。,二、关系数据模型的操纵与完整性约束 操作(集合操作

27、)查询插入删除修改 完整性约束条件 实体完整性约束条件 参照完整性约束条件 用户定义完整性约束条件,三、关系数据模型的存储结构 在关系数据模型中，实体与实体间的联系用表来表示。在数据库的物理组织中，表以文件形式存储。,四、关系数据模型的优缺点,优点 关系模型是建立在严格的数学概念基础上的 关系模型的概念单一，数据结构(关系、二维表)简单、清晰、用户易懂易用 关系模型存取路径对用户透明，数据独立性高，安全保 密性好 缺点 由于存取路径对用户透明，因此，查询效率不如非关系数 据模型,从数据库管理系统角度看，数据库系统常采用三级模式结构：模式内模式 数据库系统内部的系统结构外模式,从数据库最终用户角

28、度看，数据库系统结构常分为四种结构：集中式结构分布式结构数据库系统外部体系结构客户/服务器结构并行结构,1.3.1 数据库系统模式的概念,型(Type)：对某一类数据的结构和属性的说明。（学号，姓名，性别，系别，年龄）值(Value)：型的一个具体赋值。（95001，张三，男，计算机系，20）模式(Schema)：数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描,述。涉及到型的描述，反映的是数据的结构及其联系，它是相对稳定的。模式的实例(Instance)：模式的一个具体值。涉及到具体的值，反映的是数据库某一时刻的状态，它是相对变动的。,1.3.2 数据库系统的三级模式结构,一、模式（Schema）模式（

29、逻辑模式）是数据库中全体数据的逻辑结构和特征 描述，是所有用户的公共数据视图 模式是数据库系统模式结构的中间层，不涉及数据的物理 存储细节和硬件环境，与应用程序、开发工具及程序设计 语言无关 模式是数据库数据在逻辑级上的视图，一个数据库只有一 个模式 模式以某种数据模型为基础，综合考虑了所有用户的需求，并将这些需求结合成一个逻辑整体 定义模式时，不仅要定义数据的逻辑结构（如：数据记录 由哪些数据项构成，数据项的名字、类型、取值范围等），而且要定义数据间的联系，定义数据安全性、完整性要求 DBMS提供模式描述语言（模式DDL）来定义模式,二、外模式（External Schema）外模式（子模式

30、）是数据库用户能看见和使用的局部数据 的逻辑结构和特征的描述 外模式是与某一应用有关的数据的逻辑表示，是用户的数 据视图，一个数据库可有多个外模式 同一外模式可为某一用户的多个应用系统使用，但一个应 用程序只能使用一个外模式 用户只能操作对应的外模式中的数据，数据库中其余数据 不可见,外模式是保证数据库安全性的有力措施 DBMS提供子模式描述语言（子模式DDL）来定义子模式,三、内模式（Internal Schema）内模式（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 一个数据库只有一个内模式 DBMS提供内模式描述语言（内模式DDL）来定义内模式,1.3.3 数据

31、库的二级映象功能与数据独立性,一、外模式/模式映象 对每一个外模式，数据库系统都有一个外模式/模式映象，映象定义包含在各自外模式的描述中 当模式改变时，数据库管理员要对各个外模式/模式的映 象作相应的改变，外模式不变，应用程序不必修改，保证 了数据与程序的逻辑独立性二、模式/内模式映象 模式/内模式映象是唯一的，它定义了数据库全局逻辑结构 与存储结构之间的对应关系，映象定义包含在模式的描述中 当数据库的存储结构改变时，数据库管理员对模式/内模 式映象作相应改变，模式不变，应用程序不必修改，保证 了数据与程序的物理独立性,一、硬件平台及数据库 数据库系统对硬件资源的要求：(1)内存要足够大，用以

32、存放OS、DBMS核心模块、数据缓 冲区和应用程序(2)有足够大的磁盘存放数据库，有足够大的软磁盘用作 数据备份(3)系统要有较高的通道能力，用以提高数据传送率,二、软件 数据库系统的软件包括：(1)DBMS(2)支持DBMS运行的OS(3)具有与数据库接口的高级语言及其编译系统(4)以DBMS为核心的应用开发工具(5)为特定应用环境开发的数据库应用系统,三、人员,数据库管理员(DBA)DBA负责全面监督、管理和控制数据库系统，具体职责为：(1)决定数据库中的信息内容和结构(2)决定数据库的存储结构和存取策略,(3)定义数据的安全性要求和完整性约束条件(4)监督、控制数据库的使用和运行(5)数

33、据库的改进与重组、重构,系统分析员和数据库设计人员系统分析员负责应用系统的需求分析和规范说明，他和用户及DBA相结合，确定系统的硬、软件配置，参与数据库系统概要设计。数据库设计人员负责数据库中数据的确定，数据库三级模式的设计，参与用户需求调查和系统分析，最后进行数据库设计。,应用程序员应用程序员负责设计和编写应用系统程序模块，对程序进行安装及调试。,用户(1)偶然用户：不常访问数据库，但每次访问数据库时往往需 要不同的数据信息。,(2)简单用户：其主要工作是查询和修改数据库。(3)复杂用户：此类用户一般比较熟悉数据库管理系统 的各种功能，能直接使用数据库语言访 问数据库，能基于API编写自己需要的 应用程序。,