計算機科學導論-基于計算思維的思想與方法（第4版） 課件【ch10】數據庫技術

計算機科學導論基于計算思維的思想與方法數據庫技術第十章新工科建設之路·計算機類系列教材01數據庫技術概述——抽象(I)數據庫技術概述——抽象(I)01一、數據與信息信息(Information)是對客觀事物的反映，泛指那些通過各種方式傳播的、可被感受的聲音、文字、圖形、圖像、符號等所表征的某一特定事物的消息、情報或知識。信息必須具有以下屬性。(1)事實性；(2)時效性；(3)傳輸性；(4)共享性；(5)層次性；(6)不完全性。1.信息數據庫技術概述——抽象(I)01一、數據與信息數據(Data)是承載信息的媒體，是描述事物狀態(tài)特征的符號，是信息定量分析的基本單位。數據具有如下基本特征：(1)數據具有“型(Type)”和“值(Value)”之分(2)數據具有數據類型和取值范圍約束條件(3)數據可以通過觀察、測量和考核等手段獲得2.數據數據庫技術概述——抽象(I)01一、數據與信息3.數據與信息的關系數據與信息兩者之間既有相互依存關系，也有相互替代關系。主要表現為：數據反映信息，信息則依靠數據來表達；數據是使用各種物理符號和它們有意義的組合來表示信息，它是信息的一種量化表示；數據是信息的具體表現形式，而信息是數據有意義的表現。在通常簡單描述時，信息代表數據，數據代表信息。數據庫技術概述——抽象(I)01一、數據與信息4.數據處理我們把對數據的收集、存儲、整理、分類、排序、檢索、統(tǒng)計、加工和傳播等系列活動的總和稱為數據處理(DataProcessing)。其中“加工”包括計算、排序、歸并、制表、模擬、預測等操作。由此可見，數據處理是指將數據轉換成信息的過程。數據庫技術概述——抽象(I)01一、數據與信息5.數據管理我們把對數據的分類、組織、編碼、存儲、檢索、傳遞和維護稱為數據管理(DataManagement)，它是數據處理的中心問題。數據量越大、數據結構越復雜，其管理的難度也越大，要求數據管理的技術也就越高。數據管理及其組織是數據庫技術的基礎，數據庫技術本質上就是數據管理技術。數據庫技術概述——抽象(I)01一、數據與信息6.信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)可分為以下三類。(1)數據處理系統(tǒng)(2)管理信息系統(tǒng)(3)決策支持系統(tǒng)數據庫技術概述——抽象(I)01二、數據庫數據庫是對數據信息管理的抽象。由此定義：數據庫是為滿足對數據管理和應用的需要，按照一定數據模型的組織形式存儲在計算機中、能為多個用戶所共享的、與應用程序彼此獨立的、相互關聯的數據集合。1.數據庫的定義數據庫技術概述——抽象(I)01二、數據庫數據是數據庫中存儲的基本對象，一個適用的、高效的數據庫，應該具有以下特點。(1)數據的共享性；(2)數據的獨立性；(3)數據的完整性；(4)減少數據冗余；(5)便于使用和維護。2.數據庫的特點數據庫技術概述——抽象(I)01二、數據庫3.數據庫管理數據庫管理是一個按照數據庫方式存儲、維護并向應用系統(tǒng)提供數據支持的復雜系統(tǒng)。如果將它比作圖書管理，則更能確切理解，如圖10-2所示。數據庫技術概述——抽象(I)01三、數據庫管理系統(tǒng)1.DBMS的基本功能DBMS是為用戶提供數據的定義功能、操縱功能、查詢功能，以及數據庫的建立、修改、添加、刪除等管理和通信功能，并且具有維護數據庫和對數據庫完整性控制的能力；同時提供了直接利用的功能，用戶只要向數據庫發(fā)出查詢、檢索、統(tǒng)計等操作命令，就能獲得所需結果，而不需要了解數據的應用與數據的存放位置和存儲結構。數據庫技術概述——抽象(I)01三、數據庫管理系統(tǒng)2.DBMS的層次結構DBMS是一個龐大而復雜的軟件系統(tǒng)，構造方法是按其功能劃分為多個程序模塊，各模塊之間相互聯系，共同完成復雜的數據庫管理。以關系型數據庫為例，DBMS可分為應用層、語言處理層、數據存取層和數據存儲層，如圖10-3所示。數據庫技術概述——抽象(I)01四、數據庫系統(tǒng)1.數據庫系統(tǒng)的基本組成數據庫系統(tǒng)就是引入數據庫技術后的計算機系統(tǒng)，是由有組織地、動態(tài)地存儲有密切聯系的數據結合，并對其進行統(tǒng)一管理的計算機軟件和為數據庫提供物理支撐的硬件所組成的系統(tǒng)。數據庫系統(tǒng)的組成如圖10-4所示。數據庫技術概述——抽象(I)01四、數據庫系統(tǒng)2.數據庫系統(tǒng)的體系結構內模式、概念模式和外模式，三級體系結構之間的關系如圖10-6所示。02數據模型——抽象(II)數據模型——抽象(II)021.數據模型的定義用數學結構或標記(如專門的符號、圖形等)和術語對現實世界中事物的特征、聯系和行為進行抽象與模擬的模型被稱為數據模型(DataModel)。因此，數據模型是組織數據的方式，是用于描述數據、數據之間的關系、數據語義和數據約束的概念工具的集合。換句話說，數據模型是一種對客觀事物抽象化的表現形式，是用來描述數據的一組概念和定義。一、數據模型概念數據模型——抽象(II)022.數據抽象過程人們把客觀存在的事物以數據的形式存儲到計算機中，經歷了對現實世界中事物特性的認識、概念化到計算機數據庫的具體表示的逐級抽象過程，并分為三個世界：現實世界→信息世界→數據世界，數據抽象過程與三個世界的聯系如圖10-7所示。一、數據模型概念數據模型——抽象(II)023.數據模型的分類在數據庫技術中，根據數據抽象的不同級別，將數據模型分為三個層次：概念數據模型、邏輯數據模型和物理數據模型，通常簡稱為概念模型、邏輯模型和物理模型，

表示數據處理的3個階段。數據抽象與數據模型的對應關系如圖10-8所示。一、數據模型概念數據模型——抽象(II)02二、概念數據模型E-R方法是使用圖解的方法描述數據庫的概念模型，因而也稱為E-R模型或E-R圖，通常用實體、實體屬性、實體型、實體集、實體聯系五個要素來描述。1.E-R模型要素數據模型——抽象(II)02二、概念數據模型E-R模型一般用圖形方式來表示，E-R圖提供了表示實體、屬性和聯系的圖形表示法。在描述概念模型時，往往需要選擇多個實體，并做出每種實體的E-R圖及其實體之間的聯系。作E-R圖時應先確定實體集與聯系集，將各實體聯系起來，然后再分別為每個實體加上實體屬性。2.E-R模型的表示數據模型——抽象(II)02三、關系數據模型1.關系模型結構關系模型實際上是一個由“二維表框架”組成的集合，每個二維表又可稱為關系，所以關系模型是“關系框架”的集合。二維表的結構如圖10-11所示。數據模型——抽象(II)02三、關系數據模型2.關系模型約束關系模型約束是對關系數據提出的約束條件，是關系模型的一個重要組成部分。關系模型中有4類完整性約束：域完整性、實體完整性、參照完整性和用戶定義完整性。數據模型——抽象(II)02三、關系數據模型3.關系數據操作關系數據操作建立在關系的基礎上，并且與關系數據約束緊密相連，是施加于數據模型中數據的運算及其規(guī)則，用于描述系統(tǒng)的動態(tài)特性，反映事物的行為特征。關系數據操作包括數據查詢、數據更新和數據修改。數據模型——抽象(II)02四、關系數據模式1.關系數據模式定義[定義10-1]對關系的結構及其特征的抽象描述稱為關系數據模式，簡稱為關系模式。一個關系的完整模式可表示為R(U，D，DOM，F)，這是一個五元組的關系模式。其中，R為關系模式名；U為組成關系的屬性名集合；D為U中屬性數據域集合；DOM為屬性到域的映射集合；F為屬性間數據依賴關系集合，用來限定組成該關系的各元組必須滿足的完整性約束條件，體現關系的元組語義(各屬性值之間的“關聯性”)。數據模型——抽象(II)02四、關系數據模式2.關系數據模式導航圖關系之間的M：1(或1：1)聯系或一一個關系內部的M：1(或1：1)聯系通過有向連線表示，并含有主鍵和外鍵依賴的數據模式圖被稱為關系數據模式導航圖或模式圖(SchemaDiagram)。關系數據模式導航圖可以清晰地描述一個關系數據庫中各關系模式之間的有機聯系。數據模型——抽象(II)02四、關系數據模式3.關系數據查詢語言關系數據庫抽象層次上的關系查詢語言可以分為三類：關系代數語言、關系演算語言、具有關系代數和關系演算雙重特點的語言，如圖10-17所示。03關系數據庫——理論關系數據庫——理論03一、關系代數運算1.傳統(tǒng)的集合運算傳統(tǒng)的集合運算就是將一個二元關系看成元組的集合運算，包括并、差、交、廣義笛卡爾積4種運算，并且要求參加運算的關系必須是相容的關系。4種運算的文氏圖如圖10-8所示。關系數據庫——理論03一、關系代數運算2.專門的關系運算(1)選擇運算，又稱為限制(Restriction)運算，是指從關系中選取滿足給定條件的元組構成一個新關系。(2)投影運算是指從一個關系中選取所需的列構成一個新的關系，具體說，就是對一個關系做垂直分解，消去關系中的某些列，刪除重復元組，并重新排列次序。關系數據庫——理論03一、關系代數運算2.專門的關系運算(3)由于廣義笛卡爾積會產生大量的無效元組，為了能實現關系的有效合并，元組之間應按照一定的條件進行組合，這就是連接運算。連接運算是把兩個關系中的元組按條件連接起來，形成一個新的關系。連接運算是笛卡爾積、選擇和投影操作的組合。(4)除運算，也稱為商(Quotient)運算，是基于選擇、投影、連接的、從關系的行方向和列方向進行的運算。關系數據庫——理論03二、關系數據查詢優(yōu)化1.問題的提出如何有效地執(zhí)行笛卡爾積操作，才能使耗費較小的時間和空間呢?如何選擇合適的代數表達式及如何執(zhí)行笛卡爾積操作呢?關系數據庫——理論03二、關系數據查詢優(yōu)化2.問題解決方案事實上，還可以寫出多種等價的關系代數表達式，但僅對這三種表達式進行分析就足以說明，對于同一個問題，因不同的表達式采用不同的查詢策略所存在的效率差別。3.涉及的基本問題關系數據查詢優(yōu)化涉及的基本問題有關系代數表達式的等價變換、查詢優(yōu)化策略、查詢優(yōu)化算法等。有興趣的讀者可查閱數據庫原理教材。04構建數據庫應用系統(tǒng)——設計構建數據庫應用系統(tǒng)——設計04一、數據庫應用系統(tǒng)設計要求1.良好的共享性建立數據庫的目的是實現數據資源的共享。不僅要為現有的用戶提供共享，還要為開發(fā)新的應用留有余地，使數據庫應用系統(tǒng)具有良好的擴展性。2.數據冗余最小數據的重復采集和存儲將降低數據庫的效率，要求數據冗余最小。這樣的公用數據必須統(tǒng)一規(guī)劃，以減小冗余。構建數據庫應用系統(tǒng)——設計04一、數據庫應用系統(tǒng)設計要求3.數據的一致性要求數據的一致性是數據庫重要的設計指標，否則會產生錯誤。引起不一致性的根源往往是數據冗余。若數據在數據庫中只存儲一次，則不可能發(fā)生不一致性。4.實施統(tǒng)一的管理控制數據庫對數據進行集中統(tǒng)一有效的管理控制，是保證數據庫正常運行的根本保證。構建數據庫應用系統(tǒng)——設計04一、數據庫應用系統(tǒng)設計要求5.數據獨立數據獨立就是數據說明和使用數據的程序分離，即數據說明或應用程序對數據的修改不引起對方的修改。6.減少應用程序開發(fā)與維護的代價設計的數據庫必須具有良好的易操作性、可移植性、可維護性等，這是在數據庫建設中必須充分考慮的問題。構建數據庫應用系統(tǒng)——設計04一、數據庫應用系統(tǒng)設計要求7.安全、保密和完整性要求數據庫系統(tǒng)的建立必須保障數據信息的安全性、完整性和一致性，既要防止不正確操作導致數據信息錯誤，更要避免因為受到外界因素影響而破壞數據庫。8.良好的用戶界面和易于操作性在設計時，除了設計好例行程序進行常規(guī)的數據處理，還要允許用戶對數據庫執(zhí)行某些功能而根本不需要編寫任何程序，努力實現操作的簡單化與便捷化。構建數據庫應用系統(tǒng)——設計04二、數據庫應用系統(tǒng)設計過程數據庫應用系統(tǒng)以數據庫為基礎，數據庫應用系統(tǒng)的設計以數據庫為核心。這里以教學信息管理(簡稱JXGL)為例介紹數據庫的設計過程，其設計流程如圖10-28所示。構建數據庫應用系統(tǒng)——設計04二、數據庫應用系統(tǒng)設計過程1.需求分析需求分析是對組織的工作現狀和用戶需求進行調查、分析，明確用戶的信息需求和系統(tǒng)功能，提出擬建系統(tǒng)的邏輯方案。這里的重點是對建立數據庫的必要性及可行性進行分析和研究，確定數據庫在整個數據庫應用系統(tǒng)中的地位，確定出各數據庫之間的關系。構建數據庫應用系統(tǒng)——設計04二、數據庫應用系統(tǒng)設計過程2.概念結構設計概念結構設計的目標是將需求分析階段得到的用戶需求抽象為反映現實世界信息需求的數據庫概念結構(概念模式)