第1章-數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)庫應用技術SQLServer2012主編：屈武江霍艷飛張健新世紀應用型高等教育計算機類課程規(guī)劃教材SQLSERVER2012SHUJUKUYINGYONGJISHU第一章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.1數(shù)據(jù)庫概述1.1.1數(shù)據(jù)庫的基本概念（1）信息信息就是對各種事物的存在方式、運動狀態(tài)和相互聯(lián)系的一種表達和陳述，是自然界、人類社會和人類思維活動普遍存在的一切物質和事物的屬性，它存在于人們的周圍。信息是一種有用的數(shù)據(jù)。1.1數(shù)據(jù)庫概述1.1.1數(shù)據(jù)庫的基本概念（2）數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是用來記錄信息的可識別的符號，是信息的具體表現(xiàn)形式。數(shù)據(jù)用型和值來表示，數(shù)據(jù)的型是指數(shù)據(jù)內容存儲在媒體上的具體形式；數(shù)據(jù)的值是指所描述的客觀事物的具體特性。可以使用多種不同的數(shù)據(jù)形式表示同一信息，信息不隨數(shù)據(jù)形式的不同而改變。如一個人的身高值可以表示為“1.80”或“1點8”，但這兩個值的型是不一樣的，一個是用數(shù)字來描述，而另一個是用字符來描述。數(shù)據(jù)不僅包括數(shù)字、文字，還包括圖形、圖像、聲音、動畫、視頻等多媒體數(shù)據(jù)。1.1數(shù)據(jù)庫概述1.1.1數(shù)據(jù)庫的基本概念（3）數(shù)據(jù)庫（DataBase，DB）數(shù)據(jù)庫是長期存放在計算機內，有組織的、可共享的相關數(shù)據(jù)集合，它將數(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，可被各類用戶共享等特點，另外強調的是數(shù)據(jù)庫不僅存放數(shù)據(jù)，而且存放數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。1.1數(shù)據(jù)庫概述1.1.1數(shù)據(jù)庫的基本概念（4）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，DBMS）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是位于用戶與操作系統(tǒng)（OS）之間的數(shù)據(jù)管理軟件，它為用戶或應用程序提供訪問數(shù)據(jù)庫的方法，包括數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、查詢、更新及各種數(shù)據(jù)控制，它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一般由計算機軟件公司提供，目前比較流行的DBMS有VisualFoxPro、Access、Sybase、SQLServer和Oracle等。1.1數(shù)據(jù)庫概述1.1.1數(shù)據(jù)庫的基本概念數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要具有以下幾個方面的功能：①數(shù)據(jù)定義功能②數(shù)據(jù)操縱功能③數(shù)據(jù)庫運行管理④數(shù)據(jù)庫的建立和維護功能1.1數(shù)據(jù)庫概述1.1.1數(shù)據(jù)庫的基本概念（5）數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)凡使用數(shù)據(jù)庫技術管理其數(shù)據(jù)的系統(tǒng)都稱為數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)廣泛用于事務管理、計算機輔助設計、計算機圖形分析和處理及人工智能等系統(tǒng)中。如教學管理系統(tǒng)就是典型的數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)。（6）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DataBaseSystem，DBS）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是指在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)，一般由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員（DataBaseAdministrator，DBA）和用戶、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)構成。1.1數(shù)據(jù)庫概述1.1.2數(shù)據(jù)庫技術的發(fā)展1.人工管理階段20世紀50年代中期以前，計算機主要用于科學計算，數(shù)據(jù)處理都是通過手工方式進行。2.文件系統(tǒng)階段20世紀50年代后期到60年代中后期，磁盤成為計算機的主要外存儲器，并在軟件方面出現(xiàn)了高級語言和操作系統(tǒng)，計算機不僅用于科學計算，還用于管理。3.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段20世紀60年代后期。數(shù)據(jù)庫技術使數(shù)據(jù)有了統(tǒng)一的結構，對所有的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一、集中、獨立的管理，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，保證數(shù)據(jù)的完整和安全，提高了數(shù)據(jù)管理效率。1.1數(shù)據(jù)庫概述1.1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DBS）是應用數(shù)據(jù)庫技術的計算機系統(tǒng)，它能夠按照數(shù)據(jù)庫的方式存儲和維護數(shù)據(jù)，并且能夠向應用程序提供數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)硬件軟件人員數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1.1數(shù)據(jù)庫概述1.1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成1.2數(shù)據(jù)模型1.2.1

信息描述1.信息實體的相關術語（1）實體（2）屬性（3）碼（4）域（5）實體型（6）實體集1.2數(shù)據(jù)模型1.2.1

信息描述2．實體之間的聯(lián)系（1）一對一聯(lián)系（2）一對多聯(lián)系（3）多對多聯(lián)系1.2數(shù)據(jù)模型1.2.2數(shù)據(jù)模型及其三要素1.數(shù)據(jù)結構數(shù)據(jù)結構用于描述系統(tǒng)的靜態(tài)特征，是所研究的對象類型的集合，這些對象是數(shù)據(jù)庫的組成部分，包括兩個方面：（1）數(shù)據(jù)本身：數(shù)據(jù)的類型=內容+性質等。例如關系模型中的域、屬性和關系等。（2）數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系：數(shù)據(jù)之間是如何相互關聯(lián)的。例如關系模型中的主碼、外碼聯(lián)系等。1.2數(shù)據(jù)模型1.2.2數(shù)據(jù)模型及其三要素2.數(shù)據(jù)操作數(shù)據(jù)操作是對數(shù)據(jù)庫中各種對象的實例允許執(zhí)行的操作集合。數(shù)據(jù)操作包括操作對象及有關的操作規(guī)則，主要有檢索和操縱兩類。數(shù)據(jù)模型必須對數(shù)據(jù)庫中的全部數(shù)據(jù)操作進行定義，指明每項數(shù)據(jù)操作的確切含義、操作對象、操作符號、操作規(guī)則以及對操作的語言約束等。數(shù)據(jù)操作是對系統(tǒng)的動態(tài)特征的描述。1.2數(shù)據(jù)模型1.2.2數(shù)據(jù)模型及其三要素3.數(shù)據(jù)約束條件數(shù)據(jù)約束條件是一組完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則是給定數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約和依存規(guī)則，用以限定符合數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)及其狀態(tài)的變化，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效和相容。1.2數(shù)據(jù)模型1.2.3三種常見的數(shù)據(jù)模型1．層次模型用樹形結構表示數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的模型稱為層次模型，也稱為樹狀模型。層次模型實例如圖1-3所示。層次模型的每個節(jié)點必須滿足以下兩個條件才能構成層次模型：（1）有且僅有一個節(jié)點無雙親，這個節(jié)點稱為根節(jié)點。（2）其他節(jié)點有且僅有一個雙親。1.2數(shù)據(jù)模型1.2.3三種常見的數(shù)據(jù)模型2．網狀模型用網絡結構表示數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的模型稱為網狀模型，也稱網絡模型。在網狀模型中，節(jié)點必須滿足以下條件：（1）一個節(jié)點可以有多個雙親節(jié)點。（2）有一個以上的節(jié)點沒有雙親節(jié)點。1.2數(shù)據(jù)模型1.2.3三種常見的數(shù)據(jù)模型3．關系模型關系模型是三種數(shù)據(jù)模型中最重要的一種。數(shù)據(jù)庫領域中當前的研究工作也都是以關系方法為基礎的。用二維表來描述實體與實體之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)模型稱為關系模型。1.3關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1.3.1關系模式1．關系模式的相關術語一個關系對應于一張二維表，每個關系有一個關系名。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中稱為“表”。二維表中每一行稱為一個元組。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中稱為“記錄”。二維表中每列稱為屬性。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中稱為“字段”。二維表中能唯一標識一個元組的屬性或者是屬性組合稱為關鍵字。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中稱為“主鍵”。有兩個二維表R和S，其中屬性A是R表的主鍵，但不是S表的主鍵，在S表中屬性A稱為外鍵。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中稱為“外部關鍵字”。（1）關系（2）元組（3）屬性（4）關鍵字（5）外鍵1.3關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1.3.1關系模式2．關系模式關系的描述稱為關系模式，關系模式可以簡記為R（A1，A2，A3，……），其中R為關系名，A1、A2、A3為屬性名。1.3關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1.3.1關系模式3．關系的性質（1）同一屬性的數(shù)據(jù)具有同質性，即每一列中的分量是同一類型的數(shù)據(jù)，它們來自同一個域。（2）同一關系的屬性名具有不可重復性，即同一關系中不同屬性的數(shù)據(jù)可出自同一個域，但不同的屬性要給予不同的屬性名。（3）關系中列的位置具有順序無關性，即列的次序可以任意交換。（4）關系具有元組無冗余性，即關系中的任意兩個元組不能完全相同。（5）關系中元組的位置具有順序無關性，即元組的順序可以任意交換。（6）關系中每個分量必須取原子值，即每個分量都必須是不可分的數(shù)據(jù)項。1.3關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1.3.2關系運算1．傳統(tǒng)的集合運算（1）并（Union）運算（2）交（Intersection）運算（3）差（Difference）運算（4）廣義笛卡爾積運算1.3關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1.3.2關系運算2．專門的關系運算（1）選擇（Selection）運算（2）投影（Projection）運算（3）連接（Join）運算（4）自然連接（NationalJoin）運算1.4

關系數(shù)據(jù)庫的設計理論1.4.1不合理關系存在的問題1．數(shù)據(jù)冗余太大2．插入異常3．刪除異常4．更新異常1.4

關系數(shù)據(jù)庫的設計理論1.4.2函數(shù)依賴1．函數(shù)依賴的概念定義1.1設R(U)是屬性集U上的關系模式，X、Y是U的子集。若對于R(U)的任意可能的關系r，r中不可能存在兩個元組在X上的屬性相等，而在屬性Y上的屬性值不等，則稱X函數(shù)確定Y或Y依賴于函數(shù)X。1.4

關系數(shù)據(jù)庫的設計理論1.4.2函數(shù)依賴2．依賴的邏輯蘊涵定義1.2

函數(shù)依賴的邏輯蘊涵：設F是關系模式R(U)上已知的函數(shù)依賴集，X、Y是R上的屬性集合U的子集，如果從F已有的函數(shù)依賴中能夠推導出X→Y，則稱F邏輯蘊涵X→Y，或稱X→Y，或稱X→Y可以從F導出。1.4

關系數(shù)據(jù)庫的設計理論1.4.2函數(shù)依賴3．關鍵字定義1.3設R（U）為一個關系模式，X、Y是U的一個子集，如果對X給定任何一個值，都有唯一的Y與之對應，并且不存在Y包含X，則稱X為R的一個候選鍵，或稱為關鍵字。1.4

關系數(shù)據(jù)庫的設計理論1.4.2函數(shù)依賴3．關鍵字定義1.4設X是關系模式R中的屬性或屬性組，且X并非R中的鍵，而是另一個關系模式T的鍵，則稱X是R的外鍵。定義1.5在關系模式R(U)中，如果X→Y，且對X中的任一真子集X'使得X'→Y成立，則稱Y部分依賴于X，否則，稱Y完全依賴于X。定義1.6在關系模式R(U)中，如果X→Y、Y→Z，且滿足Y￠X，而不存在Y→X，則稱Z對X傳遞依賴。1.4

關系數(shù)據(jù)庫的設計理論1.4.3

關系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化1．第一范式（1NF）定義1.7

在關系模式R中的每一個具體關系r中，如果每個屬性值都是不可再分的最小數(shù)據(jù)單位，則稱R是第一范式的關系。2．第二范式（2NF）定義1.8

如果關系范式R滿足第一范式，并且它的所有非主關鍵字屬性完全依賴于整個主關鍵字（也就是說，不存在部分函數(shù)依賴），則R滿足第二范式。1.4

關系數(shù)據(jù)庫的設計理論1.4.3

關系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化3．第三范式（3NF）定義1.9

如果某關系模式R滿足第二范式，而且它的任何一個非主屬性都不傳遞依賴于任何關鍵字，則R滿足第三范式。換句話說，如果一個關系模式R不存在部分函數(shù)依賴和傳遞函數(shù)依賴，則R滿足3NF。1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.1

數(shù)據(jù)庫設計的任務、內容和特點1．數(shù)據(jù)庫設計的任務數(shù)據(jù)庫設計是指根據(jù)用戶需求研究數(shù)據(jù)庫結構并應用數(shù)據(jù)庫的過程。具體地說，數(shù)據(jù)庫設計是指對于給定的應用環(huán)境，構造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫并建立其應用系統(tǒng)，使之能有效地存儲數(shù)據(jù)，滿足用戶的信息要求和處理要求1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.1

數(shù)據(jù)庫設計的任務、內容和特點2．數(shù)據(jù)庫設計的內容數(shù)據(jù)庫設計的內容包括數(shù)據(jù)庫的結構設計和數(shù)據(jù)庫的行為設計兩個方面。數(shù)據(jù)庫的結構設計是指根據(jù)給定的應用環(huán)境，進行數(shù)據(jù)庫的模式設計或子模式的設計，它包括數(shù)據(jù)庫的概念設計、邏輯設計和物理設計，即設計數(shù)據(jù)庫框架或數(shù)據(jù)庫結構。數(shù)據(jù)庫是靜態(tài)的、穩(wěn)定的，一經形成在通常情況下是不容易也不需要改變的，所以結構設計又稱為靜態(tài)模式設計。數(shù)據(jù)庫的行為設計是指數(shù)據(jù)庫用戶的行為和動作。1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.1

數(shù)據(jù)庫設計的任務、內容和特點3．數(shù)據(jù)庫設計的特點數(shù)據(jù)庫設計既是一項涉及多學科的綜合性技術，又是一項龐大的工程項目，具有如下特點：（1）數(shù)據(jù)庫設計是硬件、軟件的結合。（2）數(shù)據(jù)庫設計應該與應用系統(tǒng)設計相結合。也就是說，整個設計過程要把結構（數(shù)據(jù)）設計和行為（處理）設計密切結合起來。1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.2

數(shù)據(jù)庫設計的步驟需求分析概念結構設計邏輯結構設計數(shù)據(jù)庫物理設計數(shù)據(jù)庫實施數(shù)據(jù)庫運行與維護1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.3需求分析1．需求分析的任務從數(shù)據(jù)庫設計的角度來看，需求分析的任務是：通過詳細調查現(xiàn)實世界處理的對象（如組織、部門、企業(yè)等），通過對原系統(tǒng)（手工系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)）工作概況的了解，收集支持新系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)并對其進行處理，在此基礎上確定新系統(tǒng)的功能。（1）調查分析用戶活動（2）收集和分析需求數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)邊界（3）編寫系統(tǒng)分析報告1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.3需求分析2．需求分析的方法1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.3需求分析2．需求分析的方法（1）數(shù)據(jù)流圖1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.3需求分析2．需求分析的方法（2）數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)字典是對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的詳細描述，是各類數(shù)據(jù)結構和屬性的清單。它與數(shù)據(jù)流圖互為注釋。數(shù)據(jù)字典貫穿于數(shù)據(jù)庫需求分析到數(shù)據(jù)庫運行的全過程，在不同的階段其內容和用途各有區(qū)別。在需求分析階段，它通常包含以下五部分內容。①數(shù)據(jù)項②數(shù)據(jù)結構③數(shù)據(jù)流④數(shù)據(jù)存儲⑤處理過程1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.4概念結構設計1．概念模型概述概念結構設計是整個數(shù)據(jù)庫設計的關鍵，它通過對用戶需求進行綜合、歸納與抽象，形成一個獨立于具體DBMS的概念模型。在概念結構設計階段設計的數(shù)據(jù)模型，雖然不能直接在DBMS上實現(xiàn)，但由于它易于被用戶所理解，因而它不但用于后續(xù)的設計，而且也是與用戶交流和數(shù)據(jù)庫移植的重要資料。1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.4概念結構設計（1）概念模型的主要特點①有豐富的語義表達能力。能表達用戶的各種需求，包括描述現(xiàn)實世界中各種事物和事物之間的聯(lián)系，能滿足用戶對數(shù)據(jù)的處理要求。②易于交流和理解。概念模型是DBA、應用系統(tǒng)開發(fā)人員和用戶之間的主要交流工具。③易于變動。概念模型能靈活地加以改變，以反映用戶需求和環(huán)境的變化。④易于向各種數(shù)據(jù)模型轉換，易于從概念模型導出與DBMS有關的邏輯模型。1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.4概念結構設計（2）設計概念模型的方法①自頂向下。首先定義全局概念結構的框架，再作逐步細化。②自底向上。首先定義每一局部應用的概念結構，然后按一定的規(guī)則把它們集成，從而得到全局概念結構。這也是最常用的一種策略。③由里向外。首先定義最重要的核心結構，再逐漸向外擴充。④混合策略。把自頂向下和自底向上結合起來的方法。自頂向下設計一個概念結構的框架，然后以它為骨架再自底向上設計局部概念結構，并把它們集成。1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.4概念結構設計（4）E-R模型的圖形描述1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.4概念結構設計（4）E-R模型的圖形描述1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.4概念結構設計2．E-R模型的設計過程（1）設計局部概念模型局部概念模型的設計一般分為三步進行：1）首先明確局部應用的范圍2）選擇實體，確定實體的屬性及標識實體的關鍵字3）確定實體之間的聯(lián)系，產生局部E-R模型1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.4概念結構設計2．E-R模型的設計過程1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.4概念結構設計2．E-R模型的設計過程1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.4概念結構設計（2）設計全局概念模型各個局部E-R模型設計完成后，需要對它們進行合并，集成為一個全局的概念模型，集成的方式有兩種：1）多個局部E-R模型一次性集成。2）逐步集成，即首先集成兩個比較關鍵的分E-R模型，以后每次將一個新的分E-R模型集成進來，直到所有的分E-R模型集成完畢。1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.4概念結構設計（3）概念模型的優(yōu)化與評審一個好的全局E-R模型除能反映用戶功能需求外，還應滿足下列條件：①實體類型個數(shù)盡可能少。②實體類型所含屬性盡可能少。③實體類型間聯(lián)系無冗余。1.5數(shù)據(jù)庫設計1.5.4概念結構