數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理-第一章 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)世界

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理

DatabaseSystemPrinciples

教材：《數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)基礎(chǔ)教程》，岳麗華等譯任課教師：陳思光南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院課程教材教材岳麗華等譯.數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)基礎(chǔ)教程（據(jù)原書(shū)第3版譯出）.機(jī)械工業(yè)出版社，2009.參考教材楊冬青等譯.數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概念（據(jù)原書(shū)第6版譯出）.機(jī)械工業(yè)出版社,2012.王珊等.數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概論（第5版）.高等教育出版社，2014.Page2課時(shí)安排及考核方式3.5學(xué)分，總學(xué)時(shí)56，其中講課44學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)，習(xí)題及討論4學(xué)時(shí)?？荚嚒㈤]卷，總成績(jī)=平時(shí)成績(jī)*30%+期末成績(jī)*70%。平時(shí)成績(jī)包括實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、考勤及課堂表現(xiàn)等.答疑時(shí)間：每周五上午第5節(jié)課，教3-518。Page3課程性質(zhì)、目的及授課計(jì)劃課程性質(zhì)：《數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理》是物聯(lián)網(wǎng)工程和網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。課程的目的:通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生能夠掌握關(guān)系數(shù)據(jù)模型、關(guān)系代數(shù)、XML數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的基本理論；掌握SQL數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言、約束與存儲(chǔ)過(guò)程/函數(shù)、視圖與索引、服務(wù)器環(huán)境下的SQL等數(shù)據(jù)庫(kù)編程與應(yīng)用技術(shù)；了解關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的新課題；理解半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的建模和程序設(shè)計(jì)。為建立數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。授課計(jì)劃：第2、5、6章是重點(diǎn)要講解的內(nèi)容，大概占講課44課時(shí)中的20個(gè)課時(shí)。Page4任課教師信息任課教師：陳思光電話-mail:sgchen@Page5第1章數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)世界

1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展1.2數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概述1.3本書(shū)概述Page61.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展

數(shù)據(jù)庫(kù)是什么?數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)（信息）的集合。數(shù)據(jù)庫(kù)可以存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)可能需要存儲(chǔ)很長(zhǎng)時(shí)間。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)可以為多用戶多應(yīng)用服務(wù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)按特定的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行定義、存取、控制等有效的管理。數(shù)據(jù)庫(kù)是由數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（databasemanagementsystem，簡(jiǎn)稱DBMS）管理的數(shù)據(jù)集合。Page71.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用:銀行：客戶，賬戶，交易，貸款等航空：飛機(jī)，航班，客戶，預(yù)定等學(xué)校：學(xué)生，教師，課程，成績(jī)等銷售：產(chǎn)品，顧客，訂單，進(jìn)貨，售后等人力資源：職工，考勤，業(yè)績(jī)，工資等

Databasestouchallaspectsofourlives.Page81.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）應(yīng)具有以下功能:提供數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言(DDL,DataDefinitionLanguage)用以建立數(shù)據(jù)庫(kù)并說(shuō)明它們的模式(schema)。一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的模式是一組用DDL表達(dá)的語(yǔ)句集合，完整描述該數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)。提供數(shù)據(jù)查詢語(yǔ)言(DQL,DataQueryLanguage)和數(shù)據(jù)操作語(yǔ)言(DML,DataManipulationLanguage)以支持?jǐn)?shù)據(jù)查詢或數(shù)據(jù)更新的能力。支持超大量數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，manyterabytes(1012bytes)ormore,

并且在數(shù)據(jù)查詢和更新時(shí)支持對(duì)數(shù)據(jù)的有效存取。Page91.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）應(yīng)具有以下功能:具有持久性，在遇到各種故障、錯(cuò)誤或用戶的錯(cuò)誤使用時(shí)，提供數(shù)據(jù)庫(kù)的恢復(fù)功能。支持?jǐn)?shù)據(jù)共享，控制多個(gè)用戶對(duì)數(shù)據(jù)的同時(shí)存取，不允許一個(gè)用戶的操作影響另一個(gè)用戶，也不允許對(duì)數(shù)據(jù)的不完整操作。Page10對(duì)數(shù)據(jù)的管理經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：人工管理階段；文件系統(tǒng)階段；數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page11人工管理階段(20世紀(jì)50年代中期前)1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page12人工管理階段特點(diǎn)：數(shù)據(jù)不保存；系統(tǒng)沒(méi)有專用的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；數(shù)據(jù)不共享；數(shù)據(jù)不具有獨(dú)立性。1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page13文件系統(tǒng)階段(20世紀(jì)50年代后期～60年代中期)1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page14文件系統(tǒng)階段特點(diǎn)：數(shù)據(jù)以文件形式可長(zhǎng)期保存下來(lái)；文件系統(tǒng)可對(duì)數(shù)據(jù)的存取進(jìn)行管理；文件形式多樣化；程序與數(shù)據(jù)間有一定獨(dú)立性。1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page15例如：圖書(shū)管理系統(tǒng)

讀者文件應(yīng)用程序→

A1A3書(shū)目文件出借文件A2A4F1F3F2圖書(shū)借閱讀者維護(hù)催還通知圖書(shū)維護(hù)1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page1660年代后期，計(jì)算機(jī)應(yīng)用于管理的規(guī)模更加龐大，數(shù)據(jù)量急劇增加；硬件方面出現(xiàn)了大容量磁盤，使計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)存取大量數(shù)據(jù)成為可能；硬件價(jià)格下降，而軟件價(jià)格上升，使開(kāi)發(fā)和維護(hù)系統(tǒng)軟件的成本增加；文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方法已無(wú)法適應(yīng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的的需要；為解決多用戶、多個(gè)應(yīng)用程序共享數(shù)據(jù)的需求，出現(xiàn)了統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)的專門軟件系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DBMS)。1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page17數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)階段(20世紀(jì)60年代末期～)1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page18圖書(shū)管理系統(tǒng)1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page19數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)如下：數(shù)據(jù)共享性高、冗余少；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化；數(shù)據(jù)獨(dú)立性高；有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制功能。1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page20年代研究成果名稱研制者意義1963IDS（IntegratedDataStore）美國(guó)通用電氣公司C.W.Bachman等第一個(gè)DBMS73年獲圖靈獎(jiǎng)1968IMS(InformationManagementSystem)美國(guó)IBM公司和Rockwell公司合作第一個(gè)實(shí)用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（里程碑1）1969數(shù)據(jù)庫(kù)建議書(shū)(數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言DDL）(數(shù)據(jù)操縱語(yǔ)言DML)美國(guó)數(shù)據(jù)系統(tǒng)語(yǔ)言委員會(huì)的數(shù)據(jù)庫(kù)任務(wù)組DBTG提供了網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫(kù)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和語(yǔ)言規(guī)范（里程碑2）1970論文（ARelationalModelofDataforSharedDataBanks）IBM公司SanJose研究所的E.F.Codd提出關(guān)系模型，為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)（里程碑3）1981年獲圖靈獎(jiǎng)?lì)愋途W(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫(kù)層次數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page21E.F.Codd提出關(guān)系模型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)是關(guān)系（或表）的集合每個(gè)關(guān)系是由屬性（或列）組成關(guān)系包含一系列的元組（行）沒(méi)有重復(fù)行1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page22學(xué)籍管理數(shù)據(jù)庫(kù)sidnamesexB12070101劉夢(mèng)女B12070102朱正潔女B12070103閆文柯女B12070104季曉倩女B12070105吳塵女B12070106曹雪寧女………………………………studentssidcidB12070101B1801020SB12070101B1801081SB12070101B1801090SB12070101B1801471S…………enroll1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page23特點(diǎn)：數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的共享性數(shù)據(jù)的獨(dú)立性數(shù)據(jù)的完整性數(shù)據(jù)的靈活性數(shù)據(jù)的安全性1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page24出現(xiàn)了運(yùn)行在PC上的DBMS：MySQLPostgreSQL1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page25出現(xiàn)了運(yùn)行在傳感器網(wǎng)絡(luò)上的DBMS：TinyDBCOUGAR1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page26隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的信息越來(lái)越大(包含各種多媒體信息)KB(103字節(jié))MB(106字節(jié))GB(109字節(jié))TB(1012字節(jié))PB(1015字節(jié))1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page27隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，需要將一個(gè)個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)組合成更大的系統(tǒng)；將多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)融合成更大的的數(shù)據(jù)庫(kù)；分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)倉(cāng)庫(kù)、中間件等技術(shù)1.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的發(fā)展Page281.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)概述

負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)存取、維護(hù)和管理的軟件系統(tǒng)，通常稱為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，DBMS）。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的各類用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的各種操作請(qǐng)求，都是由DBMS完成的。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的核心軟件。Page291.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)概述

Page301.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)概述

Application1Application2...ApplicationnDBMSdatabaseDatabaseManagementSystemPage31read/writepagesStoragemanagerStorageindex,file,andrecordrequestsindex/file/recordmangerDDLcommandsQueries,updatesQuerycompilerUser/applicationDDLcompilerDatabaseadministratorLocktableLoggingandrecoveryConcurrencycontrollogpagespagecommandsBuffermanagerbuffersdata,metadata,indexsmetadataQueryplanExecutionengineMetadata,statistics單線框系統(tǒng)成分雙線框內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)線控制和數(shù)據(jù)流虛線數(shù)據(jù)流P4圖1-1數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)組成TransactionmanagerTransactioncommandsPage321.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)概述

兩種用戶:普通用戶和應(yīng)用程序：發(fā)出查詢或修改命令。數(shù)據(jù)庫(kù)管理員(databaseadministrator，DBA):負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)或模式。三種數(shù)據(jù)庫(kù)指令:Queries,updates:commandstoaffectthecontentofthedatabaseorextract(提取)datafromthedatabase.

Transaction(事務(wù))commands:commandstotellthetransactionmanagerwhentransactionsbeginandend.DDLcommands:由DBA發(fā)出的修改數(shù)據(jù)庫(kù)模式或建立新數(shù)據(jù)庫(kù)的指令.Page331.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)概述

存儲(chǔ)和緩沖區(qū)管理器:Thestoragemanagerandthebuffermanager:存儲(chǔ)管理器:控制數(shù)據(jù)在磁盤上的位置及其在磁盤和主存之間的移動(dòng),跟蹤文件在磁盤上的位置，根據(jù)緩沖區(qū)管理器的請(qǐng)求獲取包含請(qǐng)求文件的一個(gè)或多個(gè)磁盤塊。緩沖區(qū)管理器:負(fù)責(zé)將可用主存分割成不同的緩沖區(qū)并對(duì)之進(jìn)行管理。Page341.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)概述

信息的種類:數(shù)據(jù):thecontentsofthedatabaseitself.元數(shù)據(jù)(Metadata):描述數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)及約束(constraints)的數(shù)據(jù)庫(kù)模式。索引(Indexes):支持對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存取的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù):由DBMS收集存儲(chǔ)的關(guān)于數(shù)據(jù)特征的數(shù)據(jù)。日志記錄:數(shù)據(jù)庫(kù)新近修改的信息,該信息支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的持久性(durability)。

Page351.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)概述

事務(wù)處理:事務(wù)(Transaction):一個(gè)或一組數(shù)據(jù)庫(kù)操作。事務(wù)管理器:接收來(lái)自應(yīng)用的事務(wù)命令，負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性，保證并發(fā)運(yùn)行的多個(gè)SQL命令相互不沖突；保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)不丟失不損壞數(shù)據(jù)。并發(fā)控制管理器(調(diào)度器):保證事務(wù)的原子性(atomcity)和隔離性(isolation)。Lock.日志和恢復(fù)管理器:保證事務(wù)的持久性(durability)。

Logging.Page361.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)概述

ACID性質(zhì)Atomicity(原子性):eitherallofatransactionbeexecutedornoneofitis.Consistency(一致性):keepconsistentstate.Isolation(獨(dú)立性):Whentwoormoretransactionsrunconcurrently,theireffectsmustbeisolatedfromoneanother.Durability(持久性):Ifatransactionhascompleteditswork,itseffectshouldnotgetlostwhilethesystemfail,evenifitfailsimmediatelyafterthetransactioncompletes.

Page371.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)概述

查詢處理器：Querycompiler(編譯器):將查詢轉(zhuǎn)換成某種內(nèi)部形式，稱為查詢計(jì)劃.

Queryparser(分析器):構(gòu)造查詢樹(shù).

Querypreprocessor(預(yù)處理器):生成初始查詢計(jì)劃

Queryoptimizer(優(yōu)化器):利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及索引Executionengine:執(zhí)行選定查詢計(jì)劃的每一步，為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，它必須將數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫(kù)

讀入緩沖區(qū)，必須與調(diào)度器交流以避免讀到加鎖的數(shù)據(jù)，它還要與日志管理器交互以保證所有數(shù)據(jù)庫(kù)的改變都被日志正確地記錄。Page381.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)概述

Client/Server(C/S)architectureDBClientDBClientDBServerJavaC/C++PowerBuilderDelphiVB…MSAccessMSSQLServerSybaseMySQLOracleIBMDB2…sqlrequestsqlrequestreplyreplyClient(客戶):發(fā)出查詢或其它指令的用戶進(jìn)程