數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用：第1章 數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)知識

1、第1章 數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)知識信息學(xué)院數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用 作者：何玉潔 機械工業(yè)出版社 2010年出版本章學(xué)習(xí)重點了解數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展歷史掌握數(shù)據(jù)庫（DB）、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DBS）的概念掌握邏輯數(shù)據(jù)描述理解數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)了解數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能了解常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)了解數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展趨勢人工管理文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)背景應(yīng)用背景科學(xué)計算科學(xué)計算，管理大規(guī)模管理硬件背景無直接存取設(shè)備磁盤，磁鼓大容量磁盤軟件背景沒有操作系統(tǒng)有文件系統(tǒng)有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)處理方式批處理聯(lián)機實時處理，批處理聯(lián)機實時處理，分布式處理，批處理特點數(shù)據(jù)的管理者人文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)面向的對象某一應(yīng)用

2、程序某一應(yīng)用程序整個應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享程度無共享，冗余度極大共享性差，冗余度大共享性高，冗余度小數(shù)據(jù)的獨立性不獨立，完全依賴于程序獨立性差具有高度的物理獨立性和邏輯獨立性數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化無結(jié)構(gòu)記錄內(nèi)有結(jié)構(gòu)，整體無結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)化，用數(shù)據(jù)模型描述數(shù)據(jù)控制能力應(yīng)用程序自己控制應(yīng)用程序自己控制由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)安全性、完整性、并發(fā)控制和恢復(fù)能力11 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展111 早期的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以分成網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫、層次數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫三大類。網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫最早的數(shù)據(jù)庫雛形是1962年由C. W. Bachman設(shè)計的IDS（Integrated Data Store）系統(tǒng)。但真正使數(shù)據(jù)庫從文件

3、系統(tǒng)中脫穎而出的是1968年IBM公司研制成的IMS（Information Management System）層次數(shù)據(jù)庫和1969年美國數(shù)據(jù)系統(tǒng)語言委員會（CODASYL）設(shè)計的DBTG網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫模型對于層次和非層次結(jié)構(gòu)的事物都能比較自然地模擬，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)之前網(wǎng)狀DBMS要比層次DBMS用得普遍。在數(shù)據(jù)庫發(fā)展史上，網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫占有重要地位。學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)教授聯(lián)誼會計算機協(xié)會理事趙教授研究生李教授2層次數(shù)據(jù)庫層次數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是緊隨網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫而出現(xiàn)的?，F(xiàn)實世界中很多事物是按層次組織起來的。層次數(shù)據(jù)模型是樹狀的最著名、最典型的層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是IBM公司的IMS，這是IBM公司研制的最

4、早的大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)程序產(chǎn)品。信息學(xué)院計算機電子工程自動化計1計2計3電1電2動1動23關(guān)系數(shù)據(jù)庫網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫和層次數(shù)據(jù)庫很好地解決了數(shù)據(jù)的集中和共享問題，但是在數(shù)據(jù)獨立性和抽象級別上仍有很大欠缺。用戶在對這兩種數(shù)據(jù)庫進行存取時，仍然需要明確數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)，指出存取路徑。關(guān)系模型具有嚴格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，抽象級別比較高，而且簡單清晰，便于理解和使用姓名性別年齡籍貫孫勇男19上海許麗女18浙江張偉男18山西唐紅男19天津田兵男20江蘇關(guān)系模型的所謂“關(guān)系”特指那種雖具有相關(guān)而非從屬性的平行的數(shù)據(jù)之間按照某種序列排列的集合關(guān)系112 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫技術(shù)所謂Internet數(shù)據(jù)庫，其實質(zhì)是在傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫

5、技術(shù)之上，融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、存儲技術(shù)和檢索技術(shù)發(fā)展起來的。三層客戶機/服務(wù)器三層客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)能方便地和Internet捆綁起來，從而使一個企業(yè)的客戶機/服務(wù)器應(yīng)用擴展到整個Internet的范圍。113 現(xiàn)代應(yīng)用對數(shù)據(jù)庫的要求數(shù)據(jù)庫應(yīng)用正在并將繼續(xù)從傳統(tǒng)領(lǐng)域不斷地迅速向新的領(lǐng)域擴展CAD（計算機輔助設(shè)計）CAM（計算機輔助制造）CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）或工廠自動化、過程控制等工程應(yīng)用合作與協(xié)同計算數(shù)據(jù)通信、電力調(diào)度、電話交換等網(wǎng)絡(luò)管理電子銀行事務(wù)、證券與股票交易、電子數(shù)據(jù)交換和電子商務(wù)雷達跟蹤、空中交通管制、武器制導(dǎo)、指揮控制或C3I系統(tǒng)圖像處理與模式識別、實時仿真等。現(xiàn)代應(yīng)用對數(shù)據(jù)庫

6、系統(tǒng)的要求可以歸納如下。強大的數(shù)據(jù)存儲與共享能力強大的數(shù)據(jù)建模能力新的查詢功能支持元數(shù)據(jù)處理高級的現(xiàn)代事務(wù)管理友好的圖形工具集12 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述121 數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)122 數(shù)據(jù)描述123 數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展124 數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的特點125 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)126 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能121 數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)定義：數(shù)據(jù)（Data）實際上就是描述事物的符號記錄。數(shù)據(jù)庫（DataBase，DB）是長期存儲在計算機內(nèi)的、有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和存儲，具有較小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨立性和易擴展性，并可為各種用戶共

7、享。定義據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBase Management Sytem，DBMS）是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件，用于科學(xué)地組織和存儲數(shù)據(jù)、高效地獲取和維護數(shù)據(jù)。DBMS的主要功能包括數(shù)據(jù)定義功能、數(shù)據(jù)操縱功能、數(shù)據(jù)庫的運行管理功能、數(shù)據(jù)庫的建立和維護功能。定義數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DataBase System，DBS）是指在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)構(gòu)成，一般由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（及其開發(fā)工具）、應(yīng)用系統(tǒng)及各類用戶所構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫是兩個概念。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個人-機系統(tǒng)，而數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的一個組成部分。122 數(shù)據(jù)描述在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，可以使用兩種描述形式表示客觀世界

8、的數(shù)據(jù)，即物理數(shù)據(jù)描述和邏輯數(shù)據(jù)描述。物理數(shù)據(jù)和邏輯數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來實現(xiàn)122 數(shù)據(jù)描述1邏輯數(shù)據(jù)描述邏輯數(shù)據(jù)描述是用戶或程序員使用的數(shù)據(jù)形式。邏輯數(shù)據(jù)是一種抽象的概念，是對客觀現(xiàn)實世界的反映和記錄，這些數(shù)據(jù)也可以稱為邏輯記錄。邏輯數(shù)據(jù)包含了兩個層次：一是對客觀現(xiàn)實信息世界的描述，一是對數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的描述在對客觀現(xiàn)實信息世界的描述中，使用的術(shù)語包括： 實體（Entity）：客觀現(xiàn)實存在的東西，如一本書。 實體集（Entities）：特性完全相同的同類實體的集合，如書的集合。 屬性（Attribute）：實體的特性，如書的特性有：書號、書名、作者、出版社等標識符（Ide

9、ntifier）：能夠唯一地標識每一個實體的屬性或?qū)傩约鐣臅柨梢晕ㄒ淮_定一本書 邏輯數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成物理數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中描述邏輯數(shù)據(jù)的術(shù)語包括：字段（Field）：也稱數(shù)據(jù)項（Data item），標記實體屬性的命名單位稱為字段。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。字段的命名往往和屬性名相同。 記錄（Record）：也稱元組（Tuple），字段的有序集合稱為記錄。一般用一個記錄描述一個實體。例如一個學(xué)生記錄，由有序的字段集組成：（學(xué)號，姓名，年齡，性別）。 學(xué)號 姓名 年齡 性別文件（File）：同一類記錄的集合稱為文件。文件是用來描述實體集的。

10、例如所有的學(xué)生記錄組成了一個學(xué)生文件。關(guān)系（Relation）：在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，同一類元組所在的集合稱為關(guān)系。關(guān)系是用來描述實體集的，它包括了一個實體集的所有元組。 一般用一張二維表來表示一個關(guān)系。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）。2物理數(shù)據(jù)描述 物理數(shù)據(jù)描述指數(shù)據(jù)在存儲設(shè)備上的存儲方式，物理數(shù)據(jù)是實際存放在存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)。 在存儲器中用到下列數(shù)據(jù)描述的術(shù)語：位（Bit，比特 ）、字節(jié)（Byte） 、字（Word） 、塊（Block） 、卷（Volume） 3物理存儲介質(zhì) 計算機系統(tǒng)的存儲介質(zhì)可分成以下六類： 高速緩沖存儲器（Cac

11、he）主存儲器（Main Memory）快閃存儲器：（Flash Memory） 磁盤存儲器（Magnetic Disk） 光存儲器（Optical Storage） 磁帶（Tape Storage） 4物理數(shù)據(jù)和邏輯數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)就是指數(shù)據(jù)庫中物理數(shù)據(jù)和邏輯數(shù)據(jù)的表示形式、物理數(shù)據(jù)和邏輯數(shù)據(jù)之間關(guān)系映射方式的說明 。以實體書籍為例： 123 數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展數(shù)據(jù)管理的進展：人工管理階段（50年代中期以前）（1）數(shù)據(jù)不保存。（2）沒有對數(shù)據(jù)進行管理的軟件。（3）數(shù)據(jù)與程序不具有獨立性。文件系統(tǒng)階段（50年代60年代中期）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段（60年代后期 ）（1）實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，減少了數(shù)據(jù)冗余

12、。（2）采用特定的數(shù)據(jù)模型。（3）具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制功能。分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段 （70年代末、80年代初 ）124 數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的特點數(shù)據(jù)集成化數(shù)據(jù)獨立性物理獨立性數(shù)據(jù)的邏輯獨立性數(shù)據(jù)共享減少數(shù)據(jù)冗余提供事務(wù)支持保持數(shù)據(jù)的完整性增強安全性保護故障的發(fā)現(xiàn)和正常狀態(tài)的恢復(fù)加強標準化125 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的一個總的框架。 絕大多數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在總的體系結(jié)構(gòu)上都具有三級模式的結(jié)構(gòu)特征。數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)分成三級：外部級（External）、概念級（Conceptual）和內(nèi)部級（Internal），有時亦稱為“三級模式結(jié)構(gòu)”或“數(shù)據(jù)抽象的三個級別” 1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級

13、模式結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)是指數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是由外模式、模式和內(nèi)模式三級構(gòu)成。 外模式：也稱子模式或用戶模式，它是數(shù)據(jù)庫用戶（包括應(yīng)用程序員和最終用戶）能夠看見和使用的數(shù)據(jù)視圖，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。 模式：也稱邏輯模式，是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，也是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。 內(nèi)模式：也稱存儲模式，一個數(shù)據(jù)庫只有一個內(nèi)模式。它是數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲方式的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式。 外模式1 外模式2 外模式n模式內(nèi)模式數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序1應(yīng)用程序2應(yīng)用程序i應(yīng)用程序m外模式/模式映象模式/內(nèi)模式映象個別用戶的數(shù)據(jù)視圖全局邏輯結(jié)構(gòu)物理存儲結(jié)構(gòu)2數(shù)據(jù)庫二級映象功

14、能 數(shù)據(jù)的三個抽象級別是由三級模式定義的，它把數(shù)據(jù)的具體組織留給DBMS管理，使用戶能邏輯地抽象地處理數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)在計算機中的表示和存儲。為了在內(nèi)部實現(xiàn)這三個抽象層次的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在這三級模式之間提供兩層映象：外模式/模式映象和模式/內(nèi)模式映象，如上圖所示。 當數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)變化了，只需改變相應(yīng)的映像即可。二級映像功能使得數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)具有較高的邏輯獨立性和物理獨立性。外模式1 外模式2 外模式n模式內(nèi)模式數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序1應(yīng)用程序2應(yīng)用程序i應(yīng)用程序m外模式/模式映象模式/內(nèi)模式映象個別用戶的數(shù)據(jù)視圖全局邏輯結(jié)構(gòu)物理存儲結(jié)構(gòu)2數(shù)據(jù)庫二級映象功能 數(shù)據(jù)的三個抽象級別是由

15、三級模式定義的，它把數(shù)據(jù)的具體組織留給DBMS管理，使用戶能邏輯地抽象地處理數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)在計算機中的表示和存儲。為了在內(nèi)部實現(xiàn)這三個抽象層次的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在這三級模式之間提供兩層映象：外模式/模式映象和模式/內(nèi)模式映象，如上圖所示。 當數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)變化了，只需改變相應(yīng)的映像即可。二級映像功能使得數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)具有較高的邏輯獨立性和物理獨立性。3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括五個主要部分：數(shù)據(jù)、硬件、軟件、用戶和系統(tǒng)維護人員。一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是包括數(shù)據(jù)庫在內(nèi)的整個計算機系統(tǒng)。一個完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用戶構(gòu)成，如下圖： 用戶1用戶2用戶3

16、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫126 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS是管理數(shù)據(jù)庫的軟件。它負責(zé)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一控制數(shù)據(jù)庫的定義、建立、操縱、管理和維護，其任務(wù)是在保證數(shù)據(jù)安全可靠的同時提高數(shù)據(jù)庫應(yīng)用時的簡明性和方便性。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件。常見的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有FoxBASE、FoxPro、Access、Oracle、Sybase以及SQL Server。現(xiàn)代DBMS一般具有以下功能： （1）提供高級的用戶接口。 （2）數(shù)據(jù)庫定義。 （3）數(shù)據(jù)庫的操縱。 （4）查詢處理和優(yōu)化。 （5）數(shù)據(jù)字典管理。 （6）并發(fā)控制。 （7）完整性約束檢查。

17、（8）恢復(fù)功能。 （9）數(shù)據(jù)庫的維護。 （10）安全性訪問控制。 （11）數(shù)據(jù)通信功能。 13 常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)131 OracleOracle是以高級結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）為基礎(chǔ)的大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，是目前最流行的C/S體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫之一132 DB2DB2是IBM公司的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品。133 SQL ServerSQL Server是Microsoft公司開發(fā)的大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。134 MySQLMySQL是一個開放的、多線程、多用戶的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。135 AccessAccess是Microsoft Office辦公套件中的一個重要成員。14 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展趨勢14

18、1 數(shù)據(jù)庫技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)環(huán)境的變化數(shù)據(jù)類型的變化數(shù)據(jù)來源的變化數(shù)據(jù)管理要求的變化142 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展趨勢1面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫技術(shù)2分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)3并行數(shù)據(jù)庫技術(shù)4數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)5多媒體數(shù)據(jù)庫技術(shù)6空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)7嵌入式移動數(shù)據(jù)庫技術(shù)8工作流數(shù)據(jù)庫技術(shù)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫技術(shù)面向?qū)ο蠓椒▽W(xué)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)結(jié)合，便產(chǎn)生了面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫技術(shù)。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫（OODB）可以像對待對象一樣存儲這些數(shù)據(jù)和過程，并且這些對象可以被系統(tǒng)方便地檢索。分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)隨著計算機網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，在地理上分散的各單位、團體和組織通過計算機網(wǎng)絡(luò)共享各種數(shù)據(jù)資源一個大的單位或集團，各部門所需的數(shù)據(jù)有限，若按數(shù)據(jù)的來源和需求，分別建立幾個數(shù)據(jù)庫，并合理地分布在系統(tǒng)的不同結(jié)點上，這樣，各用戶結(jié)點所需的大部分數(shù)據(jù)可在本地數(shù)據(jù)庫中存取，并且在需要時可共享其他數(shù)據(jù)庫結(jié)點中的數(shù)據(jù)。分布式數(shù)據(jù)庫的特點是數(shù)據(jù)的物理分布性和邏輯整體性并行數(shù)據(jù)庫技術(shù)數(shù)據(jù)庫的并行處理是提高數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對事務(wù)快速響應(yīng)能力的有效手段。并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以高性能、高可用性和高擴充性為目標，充分利用多處理器平臺的并行處理能力，在聯(lián)機事務(wù)處理與決策支持應(yīng)用兩種典型