第1章 數(shù)據(jù)庫(kù)概述

第1章數(shù)據(jù)庫(kù)概述1.1引言 1.2數(shù)據(jù)模型1.3數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 1.1引言1.1.1數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)1.1.2數(shù)據(jù)管理的發(fā)展 1.1.3數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的研究領(lǐng)域1.1.1數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(1)1．?dāng)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)（Data）是描述事物的符號(hào)記錄。學(xué)生的學(xué)號(hào)、姓名、年齡、照片等檔案記錄，貨物的運(yùn)輸情況等都是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的表示形式多樣，可以是文字、數(shù)字、圖形、圖像、聲音等，它們都可以經(jīng)過(guò)數(shù)字化后存入計(jì)算機(jī)。2．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)（DataBase,DB）指長(zhǎng)期儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)、有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和儲(chǔ)存，具有較小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性和易擴(kuò)展性，并可為各種用戶共享。1.1.1數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(2)3．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem,DBMS）指位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件。數(shù)據(jù)庫(kù)在建立、運(yùn)用和維護(hù)時(shí)由數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一控制。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)使用戶能方便地定義數(shù)據(jù)和操縱數(shù)據(jù)，并能夠保證數(shù)據(jù)的安全性、完整性、多用戶對(duì)數(shù)據(jù)的并發(fā)使用以及發(fā)生故障后的系統(tǒng)恢復(fù)。4．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（DataBaseSystem,DBS）指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫(kù)后構(gòu)成的系統(tǒng)，一般由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（及其開(kāi)發(fā)工具）、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理員（DataBaseAdministrator,DBA）和用戶5部分構(gòu)成。1.1.2數(shù)據(jù)管理的發(fā)展數(shù)據(jù)管理是指如何對(duì)數(shù)據(jù)分類、組織、編碼、儲(chǔ)存、檢索和維護(hù)，是數(shù)據(jù)處理的中心問(wèn)題。1．人工管理階段在20世紀(jì)50年代中期以前，計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算。2．文件系統(tǒng)階段20世紀(jì)50年代后期到60年代中期，計(jì)算機(jī)不僅用于科學(xué)計(jì)算，而且還大量用于管理。3．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)階段20世紀(jì)60年代后期以來(lái)，數(shù)據(jù)量劇增，共享數(shù)據(jù)的要求高。60年代末出現(xiàn)了第一代數(shù)據(jù)庫(kù)—層次數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫(kù)，70年代出現(xiàn)了第二代數(shù)據(jù)庫(kù)—關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，成為當(dāng)今最為流行的商用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。1.1.3數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的研究領(lǐng)域1．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件的研制包括DBMS本身及以DBMS為核心的一組相互聯(lián)系的軟件系統(tǒng)。研制的目標(biāo)是擴(kuò)大功能、提高性能和提高用戶的生產(chǎn)率。2．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)主要的研究方向包括數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)理論的研究，數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)建模的研究，計(jì)算機(jī)輔助數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法及其軟件系統(tǒng)的研究，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究等。3．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)理論主要集中于關(guān)系的規(guī)范化理論、關(guān)系數(shù)據(jù)理論等。近年來(lái)，隨著人工智能與數(shù)據(jù)庫(kù)理論的結(jié)合以及并行計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯演繹、知識(shí)推理、并行算法等理論研究，以及演繹數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的研制都已成為新的研究方向。1.2數(shù)據(jù)模型

1.2.1數(shù)據(jù)模型的三要素 1.2.2概念模型 1.2.3五種主要的數(shù)據(jù)模型 1.2.1數(shù)據(jù)模型的三要素1．?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于描述系統(tǒng)的靜態(tài)特性，是所研究的對(duì)象類型的集合。數(shù)據(jù)模型按其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以分為層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型和XML數(shù)據(jù)模型。2．?dāng)?shù)據(jù)操縱數(shù)據(jù)操縱用于描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，是指對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中各種對(duì)象的實(shí)例允許執(zhí)行的操作的集合。3．完整性約束數(shù)據(jù)的完整性約束是一組完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則是對(duì)給定的數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約和存儲(chǔ)規(guī)則的定義，用以限定相關(guān)數(shù)據(jù)符合數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效和相容。1.2.2概念模型(1)

概念模型是現(xiàn)實(shí)世界到機(jī)器世界的一個(gè)中間層次。1．概念模型的主要概念實(shí)體(Entity)：客觀存在并相互區(qū)別的事物及其事物之間的聯(lián)系屬性(Attribute)：實(shí)體所具有的某一特性，如學(xué)生實(shí)體的屬性包括學(xué)號(hào)、姓名、性別、出生年份、系、入學(xué)時(shí)間等。碼(Key)：唯一標(biāo)識(shí)實(shí)體的屬性集。域(Domain)：屬性的取值范圍。例如，年齡的域?yàn)榇笥?5小于35的整數(shù)，性別的域?yàn)椋校?。?shí)體型(EntityType)：用實(shí)體名及其屬性名集合來(lái)抽象和刻畫(huà)的同類實(shí)體，如學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，性別，出生年份，系，入學(xué)時(shí)間）就是一個(gè)實(shí)體型。實(shí)體集(EntitySet)：同型實(shí)體的集合稱為實(shí)體集，如全體學(xué)生就是一個(gè)實(shí)體集。聯(lián)系(Relationship)：實(shí)體與實(shí)體之間以及實(shí)體與組成它的各屬性間的關(guān)系?，F(xiàn)實(shí)世界中的聯(lián)系大體有3種類型：一對(duì)一的聯(lián)系（1:1）、一對(duì)多的聯(lián)系（1:n）、多對(duì)多的聯(lián)系（m:n）。1.2.2概念模型(2)

2．概念模型的表示方法實(shí)體型：用矩形表示，矩形框內(nèi)寫(xiě)明實(shí)體名屬性：用橢圓形表示，并用無(wú)向邊將其與相應(yīng)的實(shí)體連接起來(lái)。聯(lián)系：用菱形表示，菱形框內(nèi)寫(xiě)明聯(lián)系名，并用無(wú)向邊分別與有關(guān)實(shí)體連接起來(lái)。同時(shí)在無(wú)向邊旁標(biāo)上聯(lián)系的類型（1:1、1:n或m:n）。若實(shí)體之間的聯(lián)系也有屬性，則也要用無(wú)向邊將屬性與相應(yīng)聯(lián)系連接起來(lái)。1.2.2概念模型(3)

1.2.3五種主要的數(shù)據(jù)模型(1)1．層次模型（1）有且僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)雙親，這個(gè)節(jié)點(diǎn)稱為“根節(jié)點(diǎn)”。（2）其他節(jié)點(diǎn)有且僅有一個(gè)雙親，但可以有多個(gè)后繼。

1.2.3五種主要的數(shù)據(jù)模型(2)2．網(wǎng)狀模型(1)允許一個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)無(wú)雙親。(2)一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有多于一個(gè)的雙親，也可以有多個(gè)后繼。1.2.3五種主要的數(shù)據(jù)模型(3)3．關(guān)系模型（1）關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。是一張二維表，它由行和列組成。每一行稱為一個(gè)元組，每一列稱為一個(gè)字段。（2）關(guān)系模型的數(shù)據(jù)操縱與完整性約束。關(guān)系模型的數(shù)據(jù)操縱主要包括查詢、插入、刪除和更新數(shù)據(jù)。這些操作必須滿足關(guān)系的完整性約束條件。關(guān)系的完整性約束條件包括3大類：實(shí)體完整性、參照完整性和用戶定義的完整性。（3）關(guān)系模型的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。實(shí)體及實(shí)體間的聯(lián)系都用表來(lái)表示，這是關(guān)系模型的邏輯結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)庫(kù)的物理組織中，表以文件形式存儲(chǔ)，每一個(gè)表通常對(duì)應(yīng)一種文件結(jié)構(gòu)（4）關(guān)系模型的優(yōu)、缺點(diǎn)。關(guān)系模型與非關(guān)系模型不同，它是建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)概念的基礎(chǔ)上的。1.2.3五種主要的數(shù)據(jù)模型(4)4．面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型

（l）現(xiàn)實(shí)世界中的任何事物都被建模為對(duì)象，每個(gè)對(duì)象具有一個(gè)唯一的對(duì)象標(biāo)識(shí)（ObjectIdentifier,OID）。（2）對(duì)象是其狀態(tài)和行為的封裝，其中狀態(tài)是對(duì)象屬性值的集合，行為是變更對(duì)象狀態(tài)的方法集合。

（3）具有相同屬性和方法的對(duì)象的全體構(gòu)成了類，類中的對(duì)象稱為類的實(shí)例。（4）類的屬性的定義域也可以是類，從而構(gòu)成了類的復(fù)合。類具有繼承性，一個(gè)類可以繼承另一個(gè)類的屬性與方法，被繼承類和繼承類也稱為超類和子類。（5）對(duì)象是被封裝起來(lái)的，它的狀態(tài)和行為在對(duì)象外部不可見(jiàn)，從外部只能通過(guò)對(duì)象顯式定義的消息傳遞對(duì)對(duì)象進(jìn)行操作。1.2.3五種主要的數(shù)據(jù)模型(5)5．XML數(shù)據(jù)模型XML數(shù)據(jù)模型由表示XML文檔的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記樹(shù)、節(jié)點(diǎn)標(biāo)記樹(shù)之上的操作和語(yǔ)義約束組成。1.3數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.3.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu) 1.3.2數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 1.3.3數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 1.3.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu)(1)1．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的三級(jí)模式結(jié)構(gòu)（1）外模式。是數(shù)據(jù)庫(kù)用戶的數(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。一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可以有多個(gè)外模式。（2）模式。是數(shù)據(jù)庫(kù)中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公用數(shù)據(jù)視圖。一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)只有一個(gè)模式。（3）內(nèi)模式。內(nèi)模式也稱存儲(chǔ)模式，它是對(duì)數(shù)據(jù)物理和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部的表示方式。一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)只有一個(gè)內(nèi)模式。1.3.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu)(2)2．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)的二級(jí)映像與數(shù)據(jù)獨(dú)立性對(duì)于每一個(gè)外模式，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)都有一個(gè)外模式/模式映像，它定義了該外模式與模式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)模式改變時(shí)（如增加新的數(shù)據(jù)類型、新的數(shù)據(jù)項(xiàng)、新的關(guān)系等），由數(shù)據(jù)庫(kù)管理員對(duì)各個(gè)外模式/模式的映像作相應(yīng)改變，可以使外模式保持不變，從而使得應(yīng)用程序不必修改，保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性。數(shù)據(jù)庫(kù)中只有一個(gè)模式，也只有一個(gè)內(nèi)模式，所以模式/內(nèi)模式映像是唯一的，它定義了數(shù)據(jù)全局邏輯結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)改變時(shí)（如采用了更先進(jìn)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)），由數(shù)據(jù)庫(kù)管理員對(duì)模式/內(nèi)模式映像作相應(yīng)改變，可以使模式保持不變，從而保證了數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性。1.3.2數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)(1)1．單用戶結(jié)構(gòu)單用戶結(jié)構(gòu)是一種早期的最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（包括應(yīng)用程序、DBMS、數(shù)據(jù)）都裝在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，由一個(gè)用戶獨(dú)占，不同機(jī)器之間不能共享數(shù)據(jù)。2．主從式結(jié)構(gòu)主從式結(jié)構(gòu)是指一個(gè)主機(jī)帶有多個(gè)終端的多用戶結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（包括應(yīng)用程序、DBMS、數(shù)據(jù)）都集中存放在主機(jī)上，所有處理任務(wù)都由主機(jī)來(lái)完成，各個(gè)用戶通過(guò)主機(jī)的終端并發(fā)地存取數(shù)據(jù)庫(kù)，共享數(shù)據(jù)資源。3．分布式結(jié)構(gòu)分布式結(jié)構(gòu)是指數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)在邏輯上是一個(gè)整體，但物理地分布在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點(diǎn)上。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以獨(dú)立處理本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，執(zhí)行局部應(yīng)用；同時(shí)也可以存取和處理多個(gè)異地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，執(zhí)行全局應(yīng)用。6.2.2操作結(jié)果集(1)

1．UNION合并結(jié)果集查詢語(yǔ)句1UNION[ALL]查詢語(yǔ)句2【例6-42】查詢所有學(xué)生和課程的名稱。SELECTsnameFROMStudentUNIONSELECTcnameFROMCourse1.3.2數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)(2)4．C/S結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)（些）節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算機(jī)專門(mén)用于執(zhí)行DBMS功能，稱為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，簡(jiǎn)稱服務(wù)器，其他節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算機(jī)安裝DBMS的外圍應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具，支持用戶的應(yīng)用，稱為客戶機(jī)，這就是客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/server,C/S）結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。5．B/S結(jié)構(gòu)客戶機(jī)端僅安裝通用的瀏覽器軟件，實(shí)現(xiàn)用戶的輸入/輸出；而應(yīng)用程序不安裝在客戶機(jī)端，而是安裝在介于客戶機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器之間的另外一個(gè)稱為應(yīng)用服務(wù)器的服務(wù)器端，即將客戶端運(yùn)行的應(yīng)用程序轉(zhuǎn)移到應(yīng)用服務(wù)器上。這樣，應(yīng)用服務(wù)器充當(dāng)了客戶機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的中介，