計算思維-09-數(shù)據庫基礎

第9章數(shù)據庫基礎9.1數(shù)據庫概述9.2數(shù)據庫系統(tǒng)9.3數(shù)據庫技術本章首先對數(shù)據庫做了整體概述，介紹了數(shù)據庫及其數(shù)據庫系統(tǒng)的基本概念，數(shù)據庫及其數(shù)據庫系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)據模型的描述，常見的數(shù)據庫管理系統(tǒng)，介紹了數(shù)據管理技術、查詢語言SQL，闡述了數(shù)據庫設計及數(shù)據庫創(chuàng)建的詳細步驟。9.1數(shù)據庫概述9.1.1數(shù)據庫的基本概念1．信息（information）

是客觀事物存在方式或運動狀態(tài)的反映和表述，它存在于我們的周圍。簡單地說，信息就是新的、有用的事實和知識。9.1數(shù)據庫概述9.1.1數(shù)據庫的基本概念2．數(shù)據（data）

是用來記錄信息的可識別的符號，是信息的載體和具體表現(xiàn)形式?？捎枚喾N不同的數(shù)據形式表示同一信息，而信息不隨數(shù)據形式的不同而改變。9.1數(shù)據庫概述9.1.1數(shù)據庫的基本概念3．數(shù)據庫（DataBase，DB）

是存儲在計算機內、有組織、可共享的數(shù)據集合，它將數(shù)據按一定的數(shù)據模型組織、描述和儲存，具有較小的冗余度，較高的數(shù)據獨立性和易擴展性，可被多個不同的用戶共享。9.1數(shù)據庫概述9.1.1數(shù)據庫的基本概念4．數(shù)據庫管理系統(tǒng)（簡稱DBMS）

是一種操縱和管理數(shù)據庫的計算機系統(tǒng)軟件，它能夠為數(shù)據庫提供數(shù)據的定義、建立、維護、查詢、統(tǒng)計等操作功能，并具有對數(shù)據的完整性、安全性進行控制的功能。9.1數(shù)據庫概述9.1.1數(shù)據庫的基本概念5．數(shù)據庫應用系統(tǒng)

是一種操縱和管理數(shù)據庫的計算機系統(tǒng)軟件，它能夠為數(shù)據庫提供數(shù)據的定義、建立、維護、查詢、統(tǒng)計等操作功能，并具有對數(shù)據的完整性、安全性進行控制的功能。9.1數(shù)據庫概述9.1.2數(shù)據庫的基本概念1．數(shù)據庫的發(fā)展歷史

按照數(shù)據模型的發(fā)展演變過程，數(shù)據庫主要經歷了三個發(fā)展階段：第一代是網狀和層次數(shù)據庫系統(tǒng)，第二代是關系數(shù)據庫系統(tǒng)，第三代是以面向對象數(shù)據模型為主要特征的數(shù)據庫系統(tǒng)。9.1數(shù)據庫概述9.1.2數(shù)據庫的發(fā)展2．數(shù)據庫的發(fā)展趨勢

從最早用文件系統(tǒng)存儲數(shù)據算起，數(shù)據庫的發(fā)展經歷了20世紀60年代的層次數(shù)據庫（IBM的IMS）和網狀數(shù)據庫（GE的IDS）的并存，20世紀70年到到80年代關系數(shù)據庫的異軍突起，20世紀90年代對象技術的影響。如今，關系數(shù)據庫依然處于主流地位。

一些主流企業(yè)數(shù)據庫廠商包括甲骨文、IBM、Microsoft、Sybase目前認為，關系技術之后，對XML的支持、網格技術、開源數(shù)據庫、整合數(shù)據倉庫和BI應用以及管理自動化已成為下一代數(shù)據庫在功能上角逐的焦點。9.1數(shù)據庫概述9.1.2數(shù)據庫的基本概念2．數(shù)據庫的發(fā)展趨勢（1）XML數(shù)據庫

XML全稱是“可擴展標識語言”，是一種簡單、與平臺無關并被廣泛采用的標準，是用來定義其他語言的一種元語言，其前身是SGML（標準通用標記語言）。簡單地說，XML是提供一種描述結構化數(shù)據的方法，是為互聯(lián)網世界提供了定義各行各業(yè)的“專業(yè)術語”的工具。9.1數(shù)據庫概述9.1.2數(shù)據庫的基本概念2．數(shù)據庫的發(fā)展趨勢（2）網格數(shù)據庫

是數(shù)據庫技術和網格技術相結合的產物。

網格數(shù)據庫當前的主要研究內容包括3個方面：網格數(shù)據庫管理系統(tǒng)、網格數(shù)據庫集成和支持新的網格應用。9.1數(shù)據庫概述9.1.2數(shù)據庫的基本概念2．數(shù)據庫的發(fā)展趨勢（3）整合數(shù)據倉庫和BI應用

商業(yè)智能（BusinessIntelligence，BI）：是指以幫助企業(yè)決策為目的，對數(shù)據進行收集、存儲、分析、訪問等處理的一大類技術及其應用，9.1數(shù)據庫概述9.1.2數(shù)據庫的基本概念2．數(shù)據庫的發(fā)展趨勢（4）管理自動化

企業(yè)級數(shù)據庫產品目前已經進入同質化競爭時代，在功能、性能、可靠性等方面差別已經不是很大。所以，應該以最低的成本同時又高質量地管理其IT架構。9.1數(shù)據庫概述9.1.3數(shù)據模型數(shù)據（data）——是描述事物的符號記錄，數(shù)據只有通過加工才能成為有用的信息。模型（model）——是現(xiàn)實世界的抽象。數(shù)據模型（datamodel）——是數(shù)據特征的抽象，它不是描述個別的數(shù)據，而是描述數(shù)據的共性。9.1數(shù)據庫概述9.1.3數(shù)據模型數(shù)據模型所描述的內容包括3個部分：數(shù)據結構：包括數(shù)據的內部組成和對外聯(lián)系。數(shù)據操作和約束都建立在數(shù)據結構上，不同的數(shù)據結構具有不同的操作和約束。數(shù)據操作：是指對數(shù)據庫中各種數(shù)據對象允許執(zhí)行的操作集合，數(shù)據模型中數(shù)據操作主要描述在相應的數(shù)據結構上的操作類型和操作方式兩部分內容。數(shù)據約束：是一組數(shù)據完整性規(guī)則的集合，它是數(shù)據模型中的數(shù)據及其聯(lián)系所具有的制約和依存規(guī)則。9.1數(shù)據庫概述9.1.3數(shù)據模型數(shù)據模型按不同的應用層次分成3種類型：（1）概念數(shù)據模型

簡稱概念模型，是面向數(shù)據庫用戶的實現(xiàn)世界的模型，主要用來描述世界的概念化結構，與具體的DBMS無關。

概念數(shù)據模型必須換成邏輯數(shù)據模型，才能在DBMS中實現(xiàn)。在概念數(shù)據模型中最常用的是E-R模型、擴充的E-R模型、面向對象模型及謂詞模型。9.1數(shù)據庫概述9.1.3數(shù)據模型（2）邏輯數(shù)據模型

簡稱數(shù)據模型，這是用戶從數(shù)據庫所看到的模型，是具體的DBMS所支持的數(shù)據模型.此模型既要面向用戶，又要面向系統(tǒng)，主要用于數(shù)據庫管理系統(tǒng)（DBMS）的實現(xiàn)。在邏輯數(shù)據類型中最常用的是層次模型、網狀模型、關系模型。9.1數(shù)據庫概述9.1.3數(shù)據模型（3）物理數(shù)據模型

簡稱物理模型，是面向計算機物理表示的模型，描述了數(shù)據在儲存介質上的組織結構，它不但與具體的DBMS有關，而且還與操作系統(tǒng)和硬件有關。每一種邏輯數(shù)據模型在實現(xiàn)時都有其對應的物理數(shù)據模型。DBMS為了保證其獨立性與可移植性，大部分物理數(shù)據模型的實現(xiàn)工作由系統(tǒng)自動完成，而設計者只設計索引、聚集等特殊結構。9.2數(shù)據庫系統(tǒng)9.2.1概述數(shù)據庫系統(tǒng)（DatabaseSystem），是由數(shù)據庫及其管理軟件組成的系統(tǒng)。數(shù)據庫系統(tǒng)是為適應數(shù)據處理的需要而發(fā)展起來的一種較為理想的數(shù)據處理系統(tǒng)，也是一個為實際可運行的存儲、維護和應用系統(tǒng)提供數(shù)據的軟件系統(tǒng)，是存儲介質、處理對象和管理系統(tǒng)的集合體。9.2數(shù)據庫系統(tǒng)數(shù)據庫系統(tǒng)DBS（DataBaseSystem，簡稱DBS）通常由軟件、數(shù)據庫和數(shù)據管理員組成。其軟件主要包括操作系統(tǒng)、各種宿主語言、實用程序以及數(shù)據庫管理系統(tǒng)。數(shù)據庫由數(shù)據庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理，數(shù)據的插入、修改和檢索均要通過數(shù)據庫管理系統(tǒng)進行。數(shù)據庫系統(tǒng)的個體含義是指一個具體的數(shù)據庫管理系統(tǒng)軟件和用它建立起來的數(shù)據庫；它的學科含義是指研究、開發(fā)、建立、維護和應用數(shù)據庫系統(tǒng)所涉及的理論、方法、技術所構成的學科。9.2數(shù)據庫系統(tǒng)9.2.2數(shù)據庫系統(tǒng)的組成數(shù)據庫系統(tǒng)一般由4個部分組成：（1）數(shù)據庫（database，DB）是指長期存儲在計算機內的，有組織，可共享的數(shù)據的集合。數(shù)據庫中的數(shù)據按一定的數(shù)學模型組織、描述和存儲，具有較小的冗余，較高的數(shù)據獨立性和易擴展性，并可為各種用戶共享。（2）硬件：構成計算機系統(tǒng)的各種物理設備，包括存儲所需的外部設備。硬件的配置應滿足整個數(shù)據庫系統(tǒng)的需要。9.2數(shù)據庫系統(tǒng)（3）軟件：包括操作系統(tǒng)、數(shù)據庫管理系統(tǒng)及應用程序。數(shù)據庫管理系統(tǒng)（databasemanagementsystem，DBMS）是數(shù)據庫系統(tǒng)的核心軟件，是在操作系統(tǒng)的支持下工作，解決如何科學地組織和存儲數(shù)據，如何高效獲取和維護數(shù)據的系統(tǒng)軟件。其主要功能包括：數(shù)據定義功能、數(shù)據操縱功能、數(shù)據庫的運行管理和數(shù)據庫的建立與維護。9.2數(shù)據庫系統(tǒng)（4）人員：主要有4類。第一類為系統(tǒng)分析員和數(shù)據庫設計人員：系統(tǒng)分析員負責應用系統(tǒng)的需求分析和規(guī)范說明，他們和用戶及數(shù)據庫管理員一起確定系統(tǒng)的硬件配置，并參與數(shù)據庫系統(tǒng)的概要設計。數(shù)據庫設計人員負責數(shù)據庫中數(shù)據的確定、數(shù)據庫各級模式的設計。第二類為應用程序員，負責編寫使用數(shù)據庫的應用程序。這些應用程序可對數(shù)據進行檢索、建立、刪除或修改。第三類為最終用戶，他們利用系統(tǒng)的接口或查詢語言訪問數(shù)據庫。第四類用戶是數(shù)據庫管理員（DBA），負責數(shù)據庫的總體信息控制。DBA的具體職責包括：具體數(shù)據庫中的信息內容和結構，決定數(shù)據庫的存儲結構和存取策略，定義數(shù)據庫的安全性要求和完整性約束條件，監(jiān)控數(shù)據庫的使用和運行，負責數(shù)據庫的性能改進、數(shù)據庫的重組和重構，以提高系統(tǒng)的性能。9.2數(shù)據庫系統(tǒng)9.2.3常用數(shù)據庫系統(tǒng)介紹

流行的數(shù)據庫系統(tǒng)有許多種，大致可分為：文件、小型桌面數(shù)據庫、大型商業(yè)數(shù)據庫、開源數(shù)據庫等。文件多以文本字符型方式出現(xiàn)，用來保存論文、公文、電子書等。小型桌面數(shù)據庫主要是運行在Windows操作系統(tǒng)下的桌面數(shù)據庫，如MicrosoftAccess、VisualFoxPro等，適合于初學者學習和管理小規(guī)模數(shù)據用。以Oracle為代表的大型關系數(shù)據庫，更適合大型中央集中式數(shù)據管理場合，這些數(shù)據庫可存放幾十GB至上百GB的大量數(shù)據，并且支持多客戶端訪問。開源數(shù)據庫即“開放源代碼”的數(shù)據庫，如MySQL，其在WWW網站建設中應用較廣。9.3數(shù)據庫技術

數(shù)據庫技術研究和解決了計算機信息處理過程中大量數(shù)據有效地組織和存儲的問題，在數(shù)據庫系統(tǒng)中減少數(shù)據存儲冗余、實現(xiàn)數(shù)據共享、保障數(shù)據安全以及高效地檢索數(shù)據和處理數(shù)據。數(shù)據庫技術的根本目標是要解決數(shù)據的共享問題。

數(shù)據庫技術涉及到許多基本概念，主要包括：信息，數(shù)據，數(shù)據處理，數(shù)據庫，數(shù)據庫管理系統(tǒng)以及數(shù)據庫系統(tǒng)等。9.3數(shù)據庫技術9.3.1數(shù)據管理技術

數(shù)據管理技術是對數(shù)據進行分類，組織，編碼，輸入，存儲，檢索，維護和輸出的技術.數(shù)據管理技術的發(fā)展大致經過了以下三個階段：人工管理階段；文件系統(tǒng)階段；數(shù)據庫系統(tǒng)階段。9.3數(shù)據庫技術9.3.2數(shù)據庫管理系統(tǒng)

數(shù)據庫管理系統(tǒng)是數(shù)據庫系統(tǒng)的核心，是管理數(shù)據庫的軟件。數(shù)據庫管理系統(tǒng)就是實現(xiàn)把用戶意義下抽象的邏輯數(shù)據處理，轉換成為計算機中具體的物理數(shù)據處理的軟件。9.3數(shù)據庫技術1．數(shù)據庫管理系統(tǒng)主要功能（1）數(shù)據定義（2）數(shù)據操作（3）數(shù)據庫的運行管理（4）數(shù)據組織、存儲與管理（5）數(shù)據庫的保護（6）數(shù)據庫的維護（7）通信9.3數(shù)據庫技術2．數(shù)據庫管理系統(tǒng)組成根據其功能和應用需求，數(shù)據庫管理系統(tǒng)通常由以下幾部分組成。（1）數(shù)據庫語言①數(shù)據定義子語言②數(shù)據操縱子語言（2）例行程序①語言翻譯處理程序②系統(tǒng)運行控制程序③公用程序9.3數(shù)據庫技術3．數(shù)據庫管理系統(tǒng)的層次結構

根據處理對象的不同，數(shù)據庫管理系統(tǒng)的層次結構由高級到低級依次為應用層、語言翻譯處理層、數(shù)據存取層、數(shù)據存儲層、操作系統(tǒng)。（1）應用層（2）語言翻譯處理層（3）數(shù)據存取層（4）數(shù)據存儲層（5）操作系統(tǒng)9.3數(shù)據庫技術9.3.3查詢語言SQLSQL（StructuredQueryLanguage）的含義是結構化查詢語言，是一種介于關系代數(shù)與關系演算之間的語言，其功能包括查詢、操縱、定義和控制4個方面，是一個通用的功能極強的關系數(shù)據庫標準語言。

各種流行的關系數(shù)據庫系統(tǒng)，如Access、MySQL、Oracle、SQLServer等，都支持SQL。9.3數(shù)據庫技術SQL的常用語句（1）創(chuàng)建基本表，即定義基本表的結構?；颈斫Y構的定義可用CREATE語句實現(xiàn)。（2）創(chuàng)建索引，索引是數(shù)據庫中關系的一種順序（升序或降序）的表示，利用索引可以提高數(shù)據庫的查詢速度。創(chuàng)建索引使用CREATEINDEX語句。（3）創(chuàng)建查詢，數(shù)據庫查詢是數(shù)據庫中最常用的操作，也是核心操作。SQL語言提供了SELECT語句進行數(shù)據庫的查詢。（4）插入元組，可用INSERTINTO實現(xiàn)。（5）刪除元組，可用DELETEFROM實現(xiàn)。（6）修改元組，可用UPDATE實現(xiàn)。9.3數(shù)據庫技術9.3.4設計和創(chuàng)建數(shù)據庫

數(shù)據庫是應用系統(tǒng)的重要組成部分，開發(fā)一個應用系統(tǒng)一般都會需要設計數(shù)據庫。

數(shù)據庫的設計與一般軟件系統(tǒng)的設計，既有共同的問題和解決的方法，又有自己特定的問題和解決方法。

數(shù)據庫設計的質量將極大地影響未來軟件系統(tǒng)的功能和性能。9.3數(shù)據庫技術數(shù)據庫設計

數(shù)據庫設計（DBD）是指對于一個給定的應用環(huán)境，針對現(xiàn)實問題，構造較優(yōu)的數(shù)據模型，建立數(shù)據庫結構及其數(shù)據庫應用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲數(shù)據，滿足各種用戶的應用需求（信息要求和處理要求）。

現(xiàn)代數(shù)據庫的設計特點是強調結構設計與行為設計相結合，是一種“反復探尋，逐步求精”的過程，也就是規(guī)劃和結構化數(shù)據庫中的數(shù)據對象以及這些數(shù)據對象之間關系的過程。首先從數(shù)據模型開始設計，以數(shù)據模型為核心進行展開，將數(shù)據庫設計和應用系統(tǒng)設計相結合，建立一個完整、獨立、共享、冗余小和安全有效的數(shù)據庫系統(tǒng)。9.3數(shù)據庫技術

常用的規(guī)范設計方法大多起源于新奧爾良法（即運用軟件工程的思想和方法，提出的數(shù)據庫設計的規(guī)范），并在設計的每一階段采用一些輔助方法來具體實現(xiàn)。主要有：基于E-R模型的數(shù)據庫設計方法基于3NF的數(shù)據庫設計方法基于視圖的數(shù)據庫設計方法9.3數(shù)據庫技術數(shù)據庫設計的基本步驟

按照規(guī)范設計的方法，同時考慮數(shù)據庫及其應用系統(tǒng)開發(fā)的全過程，可以將數(shù)據庫設計分為需求分析階段（分析用戶需求）、概念結構設計階段（信息分析和定義）、邏輯結構設計階段（設計實現(xiàn)）、物理結構設計階段（物理數(shù)據庫實現(xiàn)）、行為設計階段、數(shù)據庫實施階段、數(shù)據庫運行和維護階段。每完成一個階段，都要進行分析和評價，對各階段產生的文檔進行評審，并于用戶進行交流。如果有不符合要求的地方需進行修改，這個分析和修改的過程可能需要反復多次，以求最后實現(xiàn)的數(shù)據庫應用系統(tǒng)能準確地滿足用戶的需求。9.3數(shù)據庫技術系統(tǒng)分析報告

是對需求分析的總結，編寫系統(tǒng)分析報告是一個不斷反復、逐步深入和逐步完善的過程，該報告應包含如下內容：系統(tǒng)概括（系統(tǒng)的目標、范圍、背景、歷史和現(xiàn)狀）；對原系統(tǒng)或現(xiàn)狀的改善；系統(tǒng)總體結構和子系統(tǒng)結構說明；系統(tǒng)功能說明；數(shù)據處理概要及各個處理階段劃分；系統(tǒng)方案及技術、經濟、功能和操作上的可行性.9.3數(shù)據庫技術概念結構設計階段

概念結構設計的重點在于信息結構的設計，它將需求分析得到的用戶需求抽象為信息結構及概念層數(shù)據模型。

通過對用戶要求描述的現(xiàn)實世界諸處的分類、聚集和概括，建立抽象的概念數(shù)據模型。這個概念模型應反映現(xiàn)實世界各部門的信息結構、信息流動情況、信息間的互相制約關系以及各部門對信息儲存、查詢和加工的要求等。所建立的模型應避開數(shù)據庫在計算機上的具體實現(xiàn)細節(jié)，用一種抽象的形式表示出來，形成獨立于機器特點，獨立于具體DBMS的概念模式（E-R圖）。9.3數(shù)據庫技術邏輯結構設計階段

主要工作是將現(xiàn)實世界的概念數(shù)據模型（E-R圖）設計成數(shù)據庫的一種邏輯模式，即適應于某種特定數(shù)據庫管理系統(tǒng)DBMS所支持的邏輯數(shù)據模式，如關系模型。然后根據用戶處理的要求、安全性的考慮，在基本表的基礎上再建立必要的視圖（View），形成數(shù)據的外模式，即需要為各種數(shù)據處理應用領域產生相應的邏輯子模式。這一步設計的結果就是所謂“邏輯數(shù)據庫”。9.3數(shù)據庫技術物理結構設計階段

物理結構設計是已經確定的數(shù)據庫模型，利用數(shù)據庫管理系統(tǒng)提供的方法、技術，以較優(yōu)的存儲結構、數(shù)據存取路徑、合理的數(shù)據存儲位置以及存儲分配，設計出一個高效的、可實現(xiàn)的物理數(shù)據結構。

由于不同的數(shù)據庫管理系統(tǒng)提供的硬件環(huán)境和數(shù)據存儲結構、存取方法不同，提供給數(shù)據庫設計者的系統(tǒng)參數(shù)以及變化范圍不同，因此，物理結構設計一般沒有一個通用的準則，它只能提供一個技術和方法供參考。9.3數(shù)據庫技術數(shù)據庫行為設計階段

數(shù)據庫行為設計與一般的傳統(tǒng)程序設計區(qū)別不大，軟件工程的所有工具和手段幾乎都可以用到數(shù)據庫行為設計中。數(shù)據庫行為設計一般分為功能分析、功能設計、事務設計等步驟。9.3數(shù)據庫技術數(shù)據庫實施階段

運用DBMS提供的數(shù)據語言、工具及宿主語言，根據邏輯設計和物理設計的結果建立數(shù)據庫（也就是在具體的數(shù)據庫管理系統(tǒng)中建立數(shù)據庫、關系表、視圖等），編制與調試應用程序，組織數(shù)據入庫，并進行試運行。9.3數(shù)據庫技術運行與維護階段

數(shù)據庫應用系統(tǒng)經過試運行結果符合設計目標后，即可投入正式運行。數(shù)據庫投入運行標志著開發(fā)任務的基本完成和維護工作的開始，但并不意味著設計過程的終結。由于應用環(huán)境在不斷變化，數(shù)據庫運行過程中物理存儲也會不斷變化，對數(shù)據庫設計進行評價、調整、修改等維護工作