數(shù)據(jù)庫(kù)第1章數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)庫(kù)原理1

第1章

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概述（緒論）2本章概要

在本章中，首先介紹數(shù)據(jù)庫(kù)中有關(guān)的主要概念，然后回顧數(shù)據(jù)管理技術(shù)的三個(gè)發(fā)展階段。重點(diǎn)掌握實(shí)體、屬性定義和實(shí)體型之間的聯(lián)系類型及特點(diǎn)。了解三種數(shù)據(jù)模型的特點(diǎn)及區(qū)別，為后面各章的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。31.1信息、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理1.1.1數(shù)據(jù)與信息在數(shù)據(jù)處理中，我們最常用到的基本概念就是數(shù)據(jù)和信息，信息與數(shù)據(jù)有著不同的含義。1.1.1.1數(shù)據(jù)(Data)1.

數(shù)據(jù)的定義數(shù)據(jù)是用來(lái)記錄客觀事物及其屬性的符號(hào)。姓名：李明，工資：18002.

數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式可用多種不同的數(shù)據(jù)形式表示同一信息，而信息不隨數(shù)據(jù)形式的不同而改變。如“2008年碩士研究生將擴(kuò)招30%”，其中的數(shù)據(jù)可改為漢字形式“兩千零八年”、“百分之三十”。4

數(shù)據(jù)的概念在數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中已大大地拓寬了，其表現(xiàn)形式不僅包括數(shù)字和文字，還包括圖形、圖象、聲音等。這些數(shù)據(jù)可以記錄在紙上，也可記錄在各種存儲(chǔ)器中。

51.1.1.2信息（Information）信息的定義信息是關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界事物的存在方式或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的反映的綜合，具體說(shuō)是一種被加工為特定形式的數(shù)據(jù)，但這種數(shù)據(jù)形式對(duì)接收者來(lái)說(shuō)是有意義的，而且對(duì)當(dāng)前和將來(lái)的決策具有明顯的或?qū)嶋H的價(jià)值。

如“2008年碩士研究生將擴(kuò)招30%”，對(duì)接受者有意義，使接受者據(jù)此作出決策。61.1.1.3數(shù)據(jù)與信息的聯(lián)系數(shù)據(jù)是信息的符號(hào)表示或載體，信息則是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，是對(duì)數(shù)據(jù)的語(yǔ)義解釋。如上例中的數(shù)據(jù)2008、30%被賦予了特定的語(yǔ)義，它們就具有了傳遞信息的功能。1.1.2數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息的過(guò)程，包括對(duì)數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、加工、檢索、傳輸?shù)纫幌盗谢顒?dòng)。其目的是從大量的原始數(shù)據(jù)中抽取和推導(dǎo)出有價(jià)值的信息，作為決策的依據(jù)?？捎孟率胶?jiǎn)單的表示信息、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理的關(guān)系：

信息=數(shù)據(jù)+數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)是原料，是輸入，而信息是產(chǎn)出，是輸出結(jié)果?！靶畔⑻幚怼钡恼嬲x應(yīng)該是為了產(chǎn)生信息而處理數(shù)據(jù)。71.2數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展與研究領(lǐng)域1.2.1數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展數(shù)據(jù)處理的中心問(wèn)題是數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理是指對(duì)數(shù)據(jù)的組織、分類、編碼、存儲(chǔ)、檢索和維護(hù)。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，數(shù)據(jù)管理經(jīng)歷了人工管理、文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)三個(gè)發(fā)展階段。1.2.1.1人工管理階段（50年代中期以前）這一階段計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算。硬件中的外存只有卡片、紙帶、磁帶，沒(méi)有磁盤等直接存取設(shè)備。軟件只有匯編語(yǔ)言，沒(méi)有操作系統(tǒng)和管理數(shù)據(jù)的軟件。數(shù)據(jù)處理的方式基本上是批處理。8人工管理階段的特點(diǎn)如下：1.數(shù)據(jù)不保存因?yàn)楫?dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算，對(duì)于數(shù)據(jù)保存的需求尚不迫切。2.系統(tǒng)沒(méi)有專用的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理每個(gè)應(yīng)用程序都要包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、存取方法、輸入方式等，程序員編寫應(yīng)用程序時(shí)，還要安排數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)，因此程序員負(fù)擔(dān)很重。3.數(shù)據(jù)不共享數(shù)據(jù)是面向程序的，一組數(shù)據(jù)只能對(duì)應(yīng)一個(gè)程序。多個(gè)應(yīng)用程序涉及某些相同的數(shù)據(jù)時(shí)，也必須各自定義，因此程序之間有大量的冗余數(shù)據(jù)。94.數(shù)據(jù)不具有獨(dú)立性程序依賴于數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)的類型、格式、或輸入輸出方式等邏輯結(jié)構(gòu)或物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，必須對(duì)應(yīng)用程序做出相應(yīng)的修改。在人工管理階段，程序與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系可用圖1.1表示。

應(yīng)用程序1數(shù)據(jù)集1應(yīng)用程序2數(shù)據(jù)集2數(shù)據(jù)集3應(yīng)用程序3圖1.1人工管理階段101.2.1.2文件系統(tǒng)階段（50年代后期至60年代中期）這一階段，計(jì)算機(jī)不僅用于科學(xué)計(jì)算，還大量用于信息管理。大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索和維護(hù)成為緊迫的需求。硬件有了磁盤、磁鼓等直接存儲(chǔ)設(shè)備。在軟件方面，出現(xiàn)了高級(jí)語(yǔ)言和操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)中有了專門管理數(shù)據(jù)的軟件，一般稱為文件系統(tǒng)。處理方式有批處理，也有聯(lián)機(jī)處理。11文件管理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)如下：1.數(shù)據(jù)以文件形式可長(zhǎng)期保存下來(lái)用戶可隨時(shí)對(duì)文件進(jìn)行查詢、修改和增刪等處理。2.文件系統(tǒng)可對(duì)數(shù)據(jù)的存取進(jìn)行管理程序員只與文件名打交道，不必明確數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)，大大減輕了程序員的負(fù)擔(dān)。

3.文件形式多樣化有順序文件、索引文件等，因而對(duì)文件的記錄可順序訪問(wèn)，也可隨機(jī)訪問(wèn)，更便于存儲(chǔ)和查找數(shù)據(jù)。

4.程序與數(shù)據(jù)間有一定獨(dú)立性由專門的軟件即文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，程序和數(shù)據(jù)間由軟件提供的存取方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)發(fā)生變化不一定影響程序的運(yùn)行。12在文件系統(tǒng)階段，程序與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系可用圖1.2表示。

文件n應(yīng)用程序1應(yīng)用程序2應(yīng)用程序n文件1文件2文件系統(tǒng)……

圖1.2文件系統(tǒng)階段13與人工管理階段相比，文件系統(tǒng)階段對(duì)數(shù)據(jù)的管理有了很大的進(jìn)步，但一些根本性問(wèn)題仍沒(méi)有徹底解決，主要表現(xiàn)在以下三方面：1.數(shù)據(jù)冗余度大各數(shù)據(jù)文件之間沒(méi)有有機(jī)的聯(lián)系，一個(gè)應(yīng)用程序基本上對(duì)應(yīng)于一個(gè)文件，數(shù)據(jù)不能共享。（程序一對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)文件一：學(xué)生信息＋系的信息程序二對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)文件二：教師信息＋系的信息）2.數(shù)據(jù)獨(dú)立性低數(shù)據(jù)和程序相互依賴，一旦改變數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，必須修改相應(yīng)的應(yīng)用程序。而應(yīng)用程序發(fā)生變化，如改用另一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)編寫程序，也需修改數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。3.數(shù)據(jù)一致性差由于相同數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲(chǔ)、各自管理，在進(jìn)行更新操作時(shí)，容易造成數(shù)據(jù)的不一致性。

141.2.1.3數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)階段（60年代末開(kāi)始）60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)。15數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)如下：

1.數(shù)據(jù)共享性高、冗余少這是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)階段的最大改進(jìn)，數(shù)據(jù)不再面向某個(gè)應(yīng)用程序而是面向整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)前所有用戶可同時(shí)存取庫(kù)中的數(shù)據(jù)。這樣便減少了不必要的數(shù)據(jù)冗余，節(jié)約存儲(chǔ)空間，同時(shí)也避免了數(shù)據(jù)之間的不相容性與不一致性。2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化按照某種數(shù)據(jù)模型，將全組織的各種數(shù)據(jù)組織到一個(gè)結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫(kù)中，整個(gè)組織的數(shù)據(jù)不是一盤散沙，可表示出數(shù)據(jù)之間的有機(jī)關(guān)聯(lián)。16例：要建立學(xué)生成績(jī)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)包含學(xué)生（學(xué)號(hào)、姓名、性別、系別、年齡）、課程（課程號(hào)、課程名）、成績(jī)（學(xué)號(hào)、課程號(hào)、成績(jī)）等數(shù)據(jù)，分別對(duì)應(yīng)三個(gè)文件。若采用文件處理方式，因?yàn)槲募到y(tǒng)只表示記錄內(nèi)部的聯(lián)系，而不涉及不同文件記錄之間的聯(lián)系，要想查找某個(gè)學(xué)生的學(xué)號(hào)、姓名、所選課程的名稱和成績(jī)，必須編寫一段不很簡(jiǎn)單的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。而采用數(shù)據(jù)庫(kù)方式，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)不僅描述數(shù)據(jù)本身，還描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，上述查詢可以非常容易地聯(lián)機(jī)查到。173.數(shù)據(jù)獨(dú)立性高數(shù)據(jù)的獨(dú)立性是指邏輯獨(dú)立性和物理獨(dú)立性。數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性是指當(dāng)數(shù)據(jù)的總體邏輯結(jié)構(gòu)改變時(shí)，數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)不變，由于應(yīng)用程序是依據(jù)數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)編寫的，所以應(yīng)用程序不必須修改，從而保證了數(shù)據(jù)與程序間的邏輯獨(dú)立性。例如，在原有的記錄類型之間增加新的聯(lián)系，或在某些記錄類型中增加新的數(shù)據(jù)項(xiàng)，均可確保數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性。數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性是指當(dāng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)改變時(shí)，數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)不變，從而應(yīng)用程序也不必改變。例如，改變存儲(chǔ)設(shè)備和增加新的存儲(chǔ)設(shè)備，或改變數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)組織方式，均可確保數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性。184.有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制功能數(shù)據(jù)庫(kù)為多個(gè)用戶和應(yīng)用程序所共享，對(duì)數(shù)據(jù)的存取往往是并發(fā)的，即多個(gè)用戶可以同時(shí)存取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，甚至可以同時(shí)存取數(shù)據(jù)庫(kù)中的同一個(gè)數(shù)據(jù)，為確保數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的正確有效和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的有效運(yùn)行，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)提供下述四方面的數(shù)據(jù)控制功能。（1）數(shù)據(jù)的安全性（security）控制：防止不合法使用數(shù)據(jù)造成數(shù)據(jù)的泄露和破壞，保證數(shù)據(jù)的安全和機(jī)密；例如，系統(tǒng)提供口令檢查或其他手段來(lái)驗(yàn)證用戶身份，防止非法用戶使用系統(tǒng)；也可以對(duì)數(shù)據(jù)的存取權(quán)限進(jìn)行限制，只有通過(guò)檢查后才能執(zhí)行相應(yīng)的操作。（2）數(shù)據(jù)的完整性(integrity)控制：系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置一些完整性規(guī)則以確保數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性。19正確性是指數(shù)據(jù)的合法性，如年齡屬于數(shù)值型數(shù)據(jù)，只能含0,1,…9，不能含字母或特殊符號(hào)；有效性是指數(shù)據(jù)是否在其定義的有效范圍，如月份只能用1~12之間的正整數(shù)表示；相容性是指表示同一事實(shí)的兩個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)相同，否則就不相容，如一個(gè)人不能有兩個(gè)性別。（3）并發(fā)（concurrency）控制：多用戶同時(shí)存取或修改數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，防止相互干擾而提供給用戶不正確的數(shù)據(jù)，并使數(shù)據(jù)庫(kù)受到破壞。20（4）數(shù)據(jù)恢復(fù)（recovery）：當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)被破壞或數(shù)據(jù)不可靠時(shí)，系統(tǒng)有能力將數(shù)據(jù)庫(kù)從錯(cuò)誤狀態(tài)恢復(fù)到最近某一時(shí)刻的正確狀態(tài)。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)階段，程序與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系可用圖1.3表示。

圖1.3數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)階段應(yīng)用程序1應(yīng)用程序2應(yīng)用程序n數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)21從文件系統(tǒng)管理發(fā)展到數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理是信息處理領(lǐng)域的一個(gè)重大變化。在文件系統(tǒng)階段，人們關(guān)注的是系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)，因此程序設(shè)計(jì)處于主導(dǎo)地位，數(shù)據(jù)服從于程序設(shè)計(jì)；而在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)階段，數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為信息系統(tǒng)首先關(guān)心的問(wèn)題。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)經(jīng)歷了以上三個(gè)階段的發(fā)展，已有了比較成熟的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，但隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)仍需不斷向前發(fā)展。

221.2.2數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的研究領(lǐng)域數(shù)據(jù)庫(kù)學(xué)科的研究范圍主要包括以下三個(gè)領(lǐng)域:1.數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件的研制DBMS是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。DBMS的研制包括研制DBMS本身及以DBMS為核心的一組相互聯(lián)系的軟件系統(tǒng)，包括工具軟件和中間件。研制的目標(biāo)是提高系統(tǒng)的性能和提高用戶的生產(chǎn)率。2.數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的研究范圍包括：數(shù)據(jù)庫(kù)的設(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)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。233.數(shù)據(jù)庫(kù)理論數(shù)據(jù)庫(kù)理論的研究主要集中于關(guān)系規(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)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯演繹和知識(shí)推理、并行算法等都成為新的研究方向。隨著數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、并行計(jì)算技術(shù)等相互滲透、相互結(jié)合，使數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)不斷涌現(xiàn)新的研究方向。

241.3數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)1.3.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通常是指數(shù)據(jù)庫(kù)和相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)。主要由數(shù)據(jù)（庫(kù)）、用戶、軟件和硬件四部分組成。1.3.1.1數(shù)據(jù)（庫(kù)）數(shù)據(jù)庫(kù)是長(zhǎng)期存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)有組織的共享的數(shù)據(jù)的集合。它可以供用戶共享，具有盡可能小的冗余度和較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性，使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)最優(yōu)，數(shù)據(jù)最容易操作，并且具有完善的自我保護(hù)能力和數(shù)據(jù)恢復(fù)能力。25數(shù)據(jù)庫(kù)特點(diǎn)如下：1.集成性：把某特定應(yīng)用環(huán)境中的各種應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系全部地集中地并按照一定的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行存儲(chǔ)，或者說(shuō)，把數(shù)據(jù)庫(kù)看成為若干個(gè)性質(zhì)不同的數(shù)據(jù)文件的聯(lián)合和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)整體。2.共享性：數(shù)據(jù)庫(kù)中的一塊塊數(shù)據(jù)可為多個(gè)不同的用戶所共享，即多個(gè)不同的用戶，使用多種不同的語(yǔ)言，為了不同的應(yīng)用目的，而同時(shí)存取數(shù)據(jù)庫(kù)，甚至同時(shí)存取同一塊數(shù)據(jù)，即多用戶系統(tǒng)。261.3.1.2用戶用戶是指使用數(shù)據(jù)庫(kù)的人，即對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)、維護(hù)和檢索等操作。用戶分為三類：1.第一類用戶，終端用戶（EndUser）主要是使用數(shù)據(jù)庫(kù)的各級(jí)管理人員、工程技術(shù)人員、科研人員，一般為非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員；2.第二類用戶，應(yīng)用程序員（ApplicationProgrammer）負(fù)責(zé)為終端用戶設(shè)計(jì)和編制應(yīng)用程序，以便終端用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存取操作。3.第三類用戶，數(shù)據(jù)庫(kù)管理員（DadabaseAdministrator，簡(jiǎn)稱DBA）DBA是指全面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的“管理、維護(hù)和正常使用的”人員，其職責(zé)如下：27（1）參與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，決定數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容；（2）定義數(shù)據(jù)的安全性和完整性，負(fù)責(zé)分配用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的使用權(quán)限和口令管理；（3）監(jiān)督控制數(shù)據(jù)庫(kù)的使用和運(yùn)行，改進(jìn)和重新構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)受到破壞時(shí)，應(yīng)負(fù)責(zé)恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)；當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)需要改變時(shí)，完成對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的修改。DBA不僅要有較高的技術(shù)專長(zhǎng)和較深的資歷，并應(yīng)具有了解和闡明管理要求的能力。特別對(duì)于大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，DBA極為重要。對(duì)于常見(jiàn)的微機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，通常只有一個(gè)用戶，常常不設(shè)DBA，DBA的職責(zé)由應(yīng)用程序員或終端用戶代替。281.3.1.3軟件(Software)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)存取、維護(hù)和管理的軟件系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，簡(jiǎn)稱DBMS），數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的各類人員對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的各種操作請(qǐng)求，都由DBMS完成，DBMS是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的核心軟件。1.3.1.4硬件（Hardware）存儲(chǔ)和運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的硬件設(shè)備。包括CPU、內(nèi)存、大容量的存儲(chǔ)設(shè)備、外部設(shè)備等。29編譯系統(tǒng)OS硬件應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具DBMS數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖如下圖由上圖看出：

DBMS在操作系統(tǒng)（OS）的支持下工作，應(yīng)用程序在DBMS支持下才能使用數(shù)據(jù)庫(kù)。301.3.2數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以從多種不同的角度考查數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。從數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的角度看，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通常采用三級(jí)模式結(jié)構(gòu)，這是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)內(nèi)部的體系結(jié)構(gòu)；從數(shù)據(jù)庫(kù)最終用戶的角度看，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為集中式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)和客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，這是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)外部的體系結(jié)構(gòu)。1.3.2.1數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的三級(jí)模式結(jié)構(gòu)模式（Schema）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。例如：學(xué)生記錄定義為（學(xué)號(hào)、姓名、性別、系別、年齡），稱為記錄型，而（001101，張立，男，計(jì)算機(jī)，20）則是該記錄型的一個(gè)記錄值。模式只是對(duì)記錄型的描述，而與具體的值無(wú)關(guān)。31通常DBMS把數(shù)據(jù)庫(kù)從邏輯上分為三級(jí)，即外模式、模式和內(nèi)模式，它們分別反映了看待數(shù)據(jù)庫(kù)的三個(gè)角度。三級(jí)模式結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。32應(yīng)用1應(yīng)用2應(yīng)用n……子模式1……子模式m子模式/模式映象模式模式/內(nèi)模式映象內(nèi)模式數(shù)據(jù)庫(kù)

圖1.5數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的三級(jí)模式結(jié)構(gòu)

331.模式模式（Schema）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，又稱概念模式或概念視圖。視圖可理解為一組記錄的值，用戶或程序員看到和使用的數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容。模式處于三級(jí)結(jié)構(gòu)的中間層，它是整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)際存儲(chǔ)的抽象表示，也是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的一個(gè)抽象，是現(xiàn)實(shí)世界某應(yīng)用環(huán)境（企業(yè)或單位）的所有信息內(nèi)容集合的表示，也是所有個(gè)別用戶視圖綜合起來(lái)的結(jié)果，所以又稱用戶共同視圖。它表示了數(shù)據(jù)庫(kù)的整體數(shù)據(jù)。DBMS提供模式描述語(yǔ)言（模式DDL）來(lái)定義模式。342.外模式又稱子模式或用戶模式或外視圖，是三級(jí)結(jié)構(gòu)的最外層，個(gè)別用戶只對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分感興趣，所以外視圖是個(gè)別用戶看到和使用的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，因此也常把外視圖稱為用戶數(shù)據(jù)庫(kù)。它由多種外記錄值構(gòu)成，這些記錄值是概念視圖的某一部分的抽象表示。即個(gè)別用戶看到和使用的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，也稱“用戶DB”。由多個(gè)“外記錄值”組成，是概念視圖的某一部分的抽象表示。從邏輯關(guān)系上看，外模式包含于概念模式。DBMS提供子模式描述語(yǔ)言（子模式DDL）來(lái)定義子模式。353.內(nèi)模式又稱存儲(chǔ)模式或內(nèi)視圖，是三級(jí)結(jié)構(gòu)中的最內(nèi)層，也是靠近物理存儲(chǔ)的一層，即與實(shí)際存儲(chǔ)數(shù)據(jù)方式有關(guān)的一層，由多個(gè)存儲(chǔ)記錄組成，但并非物理層，不必關(guān)心具體的存儲(chǔ)位置。DBMS提供內(nèi)模式描述語(yǔ)言（內(nèi)模式DDL）來(lái)定義內(nèi)模式。在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，外模式可有多個(gè)，而概念模式、內(nèi)模式只能各有一個(gè)。內(nèi)模式是整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)際存儲(chǔ)的表示，而概念模式是整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)際存儲(chǔ)的抽象表示，外模式是概念模式的某一部分的抽象表示。364.三級(jí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)（1）保證數(shù)據(jù)的獨(dú)立性。將模式和內(nèi)模式分開(kāi)，保證了數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性；將外模式和模式分開(kāi)，保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性。（2）簡(jiǎn)化了用戶接口。按照外模式編寫應(yīng)用程序或敲入命令，而不需了解數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，方便用戶使用系統(tǒng)。（3）有利于數(shù)據(jù)共享。在不同的外模式下可有多個(gè)用戶共享系統(tǒng)中數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)冗余。（4）利于數(shù)據(jù)的安全保密。在外模式下根據(jù)要求進(jìn)行操作，不能對(duì)限定的數(shù)據(jù)操作，保證了其他數(shù)據(jù)的安全。

371.3.2.2數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的二級(jí)映象數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的三級(jí)模式是對(duì)數(shù)據(jù)的三個(gè)抽象級(jí)別，它使用戶能邏輯地抽象地處理數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)方式，把數(shù)據(jù)的具體組織交給DBMS管理。為了能夠在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)這三個(gè)抽象層次的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換，DBMS在三級(jí)模式之間提供了二級(jí)映象功能。381.模式/內(nèi)模式映象數(shù)據(jù)庫(kù)中的模式和內(nèi)模式都只有一個(gè)，所以模式/內(nèi)模式映象是唯一的。它確定了數(shù)據(jù)的全局邏輯結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)變化時(shí)，模式/內(nèi)模式映象也應(yīng)有相應(yīng)的變化，使其概念模式仍保持不變，即把存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的變化的影響限制在概念模式之下，這使數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方法較高的獨(dú)立于應(yīng)用程序，通過(guò)映象功能保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的變化不影響數(shù)據(jù)的全局邏輯結(jié)構(gòu)的改變，從而不必修改應(yīng)用程序，即確保了數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性。392.外模式/模式映象數(shù)據(jù)庫(kù)中的同一模式可以有任意多個(gè)外模式，對(duì)于每一個(gè)外模式，都存在一個(gè)外模式/模式映象。它確定了數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)與全局邏輯結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如，在原有的記錄類型之間增加新的聯(lián)系，或在某些記錄類型中增加新的數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，使數(shù)據(jù)的總體邏輯結(jié)構(gòu)改變，外模式/模式映象也發(fā)生相應(yīng)的變化，這一映象功能保證了數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)不變，由于應(yīng)用程序是依據(jù)數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)編寫的，所以應(yīng)用程序不必須修改，從而保證了數(shù)據(jù)與程序間的邏輯獨(dú)立性。401.4數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的大型系統(tǒng)軟件，它是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的核心組成部分，用戶在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的一切操作，包括數(shù)據(jù)定義、查詢、更新及各種控制，都是通過(guò)DBMS進(jìn)行的。DBMS就是實(shí)現(xiàn)把用戶意義下的抽象的邏輯數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)中的具體的物理數(shù)據(jù)的處理軟件，這給用戶帶來(lái)很大的方便。411.4.1DBMS的主要功能

1.數(shù)據(jù)定義DBMS提供數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言DDL（DataDefineLanguage），定義數(shù)據(jù)的模式、外模式和內(nèi)模式三級(jí)模式結(jié)構(gòu)，定義模式/內(nèi)模式和外模式/模式二級(jí)映象，定義有關(guān)的約束條件，例如，為保證數(shù)據(jù)庫(kù)安全而定義的用戶口令和存取權(quán)限，為保證正確語(yǔ)義而定義完整性規(guī)則。2.數(shù)據(jù)操縱DBMS提供數(shù)據(jù)操縱語(yǔ)言DML（DataManipulationLanguage）實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本操作，包括檢索、插入、修改、刪除等。SQL語(yǔ)言就是DML的一種。423.數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行管理DBMS對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的控制主要通過(guò)四個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)的安全性控制數(shù)據(jù)的完整性控制多用戶環(huán)境下的并發(fā)控制數(shù)據(jù)庫(kù)的恢復(fù)以確保數(shù)據(jù)正確有效和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。4.數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和維護(hù)功能包括數(shù)據(jù)庫(kù)的初始數(shù)據(jù)的裝入，數(shù)據(jù)庫(kù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)、恢復(fù)、重組織，系統(tǒng)性能監(jiān)視、分析等功能。5.數(shù)據(jù)通信DBMS提供與其他軟件系統(tǒng)進(jìn)行通信的功能。實(shí)現(xiàn)用戶程序與DBMS之間的通信，通常由操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成。431.4.2DBMS的數(shù)據(jù)存取的過(guò)程在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，DBMS與操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、硬件等協(xié)同工作，共同完成數(shù)據(jù)各種存取操作，其中DBMS起著關(guān)鍵的作用。DBMS對(duì)數(shù)據(jù)的存取通常需要以下四步：1.用戶使用某種特定的數(shù)據(jù)操作語(yǔ)言向DBMS發(fā)出存取請(qǐng)求；2.DBMS接受請(qǐng)求并解釋；3.DBMS依次檢查外模式、外模式/模式映象、模式、模式/內(nèi)模式映象及存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)定義；4.DBMS對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)執(zhí)行必要的存取操作；上述存取過(guò)程中還包括安全性控制、完整性控制，以確保數(shù)據(jù)的正確性、有效性和一致性。441.5數(shù)據(jù)模型1.5.1數(shù)據(jù)模型的組成要素?cái)?shù)據(jù)模型是模型的一種，是現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)特征的抽象。數(shù)據(jù)模型通常由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)的約束條件三個(gè)要素組成。1.數(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。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是所研究的對(duì)象類型的集合，它是刻畫(huà)一個(gè)數(shù)據(jù)模型性質(zhì)最重要的方面。在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，人們通常按照其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來(lái)命名數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和關(guān)系結(jié)構(gòu)三種類型，按照這三種結(jié)構(gòu)命名的數(shù)據(jù)模型分別稱為層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。452.數(shù)據(jù)操作數(shù)據(jù)操作用于描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。數(shù)據(jù)操作是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中各種數(shù)據(jù)操作的集合，包括操作及相應(yīng)的操作規(guī)則。如數(shù)據(jù)的檢索、插入、刪除和修改等。數(shù)據(jù)模型必須定義這些操作的確切含義、操作規(guī)則以及實(shí)現(xiàn)操作的語(yǔ)言。3.數(shù)據(jù)的約束條件數(shù)據(jù)的約束條件是一組完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則是給定的數(shù)據(jù)模型中數(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(kù)狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效、相容。數(shù)據(jù)模型還應(yīng)該提供定義完整性約束條件的機(jī)制，以反映具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)必須遵守的特定的語(yǔ)義約束條件。例如，在學(xué)生數(shù)據(jù)庫(kù)中，學(xué)生的年齡不得超過(guò)40歲。461.5.2數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系1.5.2.1三個(gè)世界的劃分由于計(jì)算機(jī)不能直接處理現(xiàn)實(shí)世界中的具體事物，所以人們必須將具體事物轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中用數(shù)據(jù)模型來(lái)抽象、表示和處理現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)即是模擬現(xiàn)實(shí)世界中某應(yīng)用環(huán)境（一個(gè)企業(yè)、單位或部門）所涉及的數(shù)據(jù)的集合，它不僅要反映數(shù)據(jù)本身的內(nèi)容，而且要反映數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。這個(gè)集合或者包含了信息的一部分（用用戶視圖模擬），或者包含了信息的全部（用概念視圖模擬），而這種模擬是通過(guò)數(shù)據(jù)模型來(lái)進(jìn)行的。47為了把現(xiàn)實(shí)世界中的具體事物抽象、組織為某一DBMS支持的數(shù)據(jù)模型，在實(shí)際的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，首先將現(xiàn)實(shí)世界的事物及聯(lián)系抽象成信息世界的信息模型，然后再抽象成計(jì)算機(jī)世界的數(shù)據(jù)模型。信息模型并不依賴于具體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不是某一個(gè)DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型，它是計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)的抽象表示，是概念模型；概念模型經(jīng)過(guò)抽象，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)上某一DBMS支持的數(shù)據(jù)模型。所以說(shuō)，數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)實(shí)世界的兩級(jí)抽象的結(jié)果。在數(shù)據(jù)處理中，數(shù)據(jù)加工經(jīng)歷了現(xiàn)實(shí)世界、信息世界和計(jì)算機(jī)世界三個(gè)不同的世界，經(jīng)歷了兩級(jí)抽象和轉(zhuǎn)換。這一過(guò)程如圖1.6所示。

48圖1.6數(shù)據(jù)處理的抽象和轉(zhuǎn)換過(guò)程現(xiàn)實(shí)世界信息世界(概念模型)認(rèn)識(shí)抽象計(jì)算機(jī)世界(數(shù)據(jù)模型)491.5.1.2信息世界中的基本概念在信息世界中，常用的主要概念如下：1.實(shí)體（Entity）客觀存在并且可以相互區(qū)別的“事物”稱為實(shí)體。實(shí)體可以是可觸及的對(duì)象，如一個(gè)學(xué)生，一本書(shū)，一輛汽車；也可以是抽象的事件，如一堂課，一次比賽等。2.屬性(Attributes)實(shí)體的某一特性稱為屬性。如學(xué)生實(shí)體有學(xué)號(hào)、姓名、年齡、性別、系等方面的屬性。屬性有"型"和“值”之分，"型"即為屬性名，如姓名、年齡、性別是屬性的型；“值”即為屬性的具體內(nèi)容，如（990001,張立，20，男，計(jì)算機(jī)）這些屬性值的集合表示了一個(gè)學(xué)生實(shí)體。503.實(shí)體型（EntityType）若干個(gè)屬性型組成的集合可以表示一個(gè)實(shí)體的類型，簡(jiǎn)稱實(shí)體型。如學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，年齡，性別，系）就是一個(gè)實(shí)體型。4.實(shí)體集(EntitySet)同型實(shí)體的集合稱為實(shí)體集。如所有的學(xué)生、所有的課程等。5.鍵（Key）能唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)實(shí)體的屬性或?qū)傩约Q為實(shí)體的鍵。如學(xué)生的學(xué)號(hào)，學(xué)生的姓名可能有重名，不能作為學(xué)生實(shí)體的鍵。516.域（Domain）屬性值的取值范圍稱為該屬性的域。如學(xué)號(hào)的域?yàn)?位整數(shù)，姓名的域?yàn)樽址希挲g的域?yàn)樾∮?0的整數(shù)，性別的域?yàn)椋校?.聯(lián)系（Relationship）在現(xiàn)實(shí)世界中，事物內(nèi)部以及事物之間是有聯(lián)系的，這些聯(lián)系同樣也要抽象和反映到信息世界中來(lái)，在信息世界中將被抽象為實(shí)體型內(nèi)部的聯(lián)系和實(shí)體型之間的聯(lián)系。實(shí)體內(nèi)部的聯(lián)系通常是指組成實(shí)體的各屬性之間的聯(lián)系；實(shí)體之間的聯(lián)系通常是指不同實(shí)體集之間的聯(lián)系。反映實(shí)體型及其聯(lián)系的結(jié)構(gòu)形式稱為實(shí)體模型，也稱作信息模型，它是現(xiàn)實(shí)世界及其聯(lián)系的抽象表示。52兩個(gè)實(shí)體型之間的聯(lián)系有如下三種類型：（1）一對(duì)一聯(lián)系（1:1）實(shí)體集A中的一個(gè)實(shí)體至多與實(shí)體集B中的一個(gè)實(shí)體相對(duì)應(yīng)，反之亦然，則稱實(shí)體集A與實(shí)體集B為一對(duì)一的聯(lián)系。記作1:1。如：班級(jí)與班長(zhǎng)，觀眾與座位，病人與床位。（2）一對(duì)多聯(lián)系（1:n）實(shí)體集A中的一個(gè)實(shí)體與實(shí)體集B中的多個(gè)實(shí)體相對(duì)應(yīng)，反之，實(shí)體集B中的一個(gè)實(shí)體至多與實(shí)體集A中的一個(gè)實(shí)體相對(duì)應(yīng)。記作1:n。如：班級(jí)與學(xué)生、公司與職員、省與市。（3）多對(duì)多（m:n）實(shí)體集A中的一個(gè)實(shí)體與實(shí)體集B中的多個(gè)實(shí)體相對(duì)應(yīng)，反之，實(shí)體集B中的一個(gè)實(shí)體與實(shí)體集A中的多個(gè)實(shí)體相對(duì)應(yīng)。記作（m:n）。如：教師與學(xué)生,學(xué)生與課程，工廠與產(chǎn)品。53實(shí)際上，一對(duì)一聯(lián)系是一對(duì)多聯(lián)系的特例，而一對(duì)多聯(lián)系又是多對(duì)多聯(lián)系的特例?？梢杂脠D形來(lái)表示兩個(gè)實(shí)體型之間的這三類聯(lián)系，如圖書(shū)1.7所示。

ABABAB(a)(b)(c)圖1.7不同實(shí)體集實(shí)體之間的聯(lián)系541.5.1.3計(jì)算機(jī)世界中的基本概念信息世界中的實(shí)體抽象為計(jì)算機(jī)世界中的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。在計(jì)算機(jī)世界中，常用的主要概念如下：1.字段（Field）對(duì)應(yīng)于屬性的數(shù)據(jù)稱為字段，也稱為數(shù)據(jù)項(xiàng)。字段的命名往往和屬性名相同。如學(xué)生有學(xué)號(hào)、姓名、年齡、性別、系等字段。2.記錄（Record）對(duì)應(yīng)于每個(gè)實(shí)體的數(shù)據(jù)稱為記錄。如一個(gè)學(xué)生（990001，張立，20，男，計(jì)算機(jī)）為一個(gè)記錄。3.文件（File）對(duì)應(yīng)于實(shí)體集的數(shù)據(jù)稱為文件。如所有學(xué)生的記錄組成了一個(gè)學(xué)生文件。55在計(jì)算機(jī)世界中，信息模型被抽象為數(shù)據(jù)模型，實(shí)體型內(nèi)部的聯(lián)系抽象為同一記錄內(nèi)部各字段間的聯(lián)系，實(shí)體型之間的聯(lián)系抽象為記錄與記錄之間的聯(lián)系。現(xiàn)實(shí)世界是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的出發(fā)點(diǎn)，也是使用數(shù)據(jù)庫(kù)的最終歸宿。實(shí)體模型和數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)實(shí)世界事物及其聯(lián)系的兩級(jí)抽象。而數(shù)據(jù)模型是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的根據(jù)。通過(guò)以上的介紹，我們可總結(jié)出三個(gè)世界中各術(shù)語(yǔ)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1.8所示。

現(xiàn)實(shí)世界 信息世界計(jì)算機(jī)世界 事物總體 實(shí)體集文件 事物個(gè)體 實(shí)體記錄 特征 屬性字段 事物間聯(lián)系 實(shí)體模型數(shù)據(jù)模型圖1.8三個(gè)世界各術(shù)語(yǔ)的對(duì)應(yīng)關(guān)系561.5.3數(shù)據(jù)模型的分類數(shù)據(jù)模型的好壞，直接影響數(shù)據(jù)庫(kù)的性能。數(shù)據(jù)模型的選擇，是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的一項(xiàng)首要任務(wù)。目前最常用的數(shù)據(jù)模型有層次模型（HierarchicalModel）、網(wǎng)狀模型（NetworkModel）和關(guān)系模型（RelationalModel）。這三種數(shù)據(jù)模型的根區(qū)別在于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，即數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的表示方式不同。層次模型用“樹(shù)結(jié)構(gòu)”來(lái)表示數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系；網(wǎng)狀模型是用“圖結(jié)構(gòu)”來(lái)表示數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系；關(guān)系模型是用“二維表”來(lái)表示數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。57其中層次模型和網(wǎng)狀模型是早期的數(shù)據(jù)模型，統(tǒng)稱為非關(guān)系模型。20世紀(jì)70年代至80年代初，非關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)非常流行，在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)產(chǎn)品中占據(jù)了主導(dǎo)地位，現(xiàn)在已逐漸被關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)取代，但在美國(guó)等國(guó)，由于早期開(kāi)發(fā)的應(yīng)用系都是基于層次數(shù)據(jù)庫(kù)或網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，因此目前層次數(shù)據(jù)庫(kù)或網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)仍很多。20世紀(jì)80年代以來(lái)，面向?qū)ο蟮姆椒ê图夹g(shù)在計(jì)算機(jī)各個(gè)領(lǐng)域，包括程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、軟件工程、計(jì)算機(jī)硬件等各方面都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，出現(xiàn)了一種新的數(shù)據(jù)模型——面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型

581.5.3.1層次模型層次模型是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中最早出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型，采用層次模型的數(shù)據(jù)庫(kù)的典型代表是IBM公司的IMS（InformationManagementSystem）數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，現(xiàn)實(shí)世界中，許多實(shí)體之間的聯(lián)系都表現(xiàn)出一種很自然的層次關(guān)系，如家族關(guān)系，行政機(jī)構(gòu)等。層次模型用一棵“有向樹(shù)”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示各類實(shí)體以及實(shí)體間的聯(lián)系。在樹(shù)中，每個(gè)結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)記錄類型，結(jié)點(diǎn)間的連線（或邊）表示記錄類型間的關(guān)系，每個(gè)記錄類型可包含若干個(gè)字段，記錄類型描述的是實(shí)體，字段描述實(shí)體的屬性，各個(gè)記錄類型及其字段都必須命名。如果要存取某一記錄型的記錄，可以從根結(jié)點(diǎn)起，按照有向樹(shù)層次向下查找。59圖1.9是層次模型有向樹(shù)的示意圖。結(jié)點(diǎn)A為根結(jié)點(diǎn)，Ｄ,F,E為葉結(jié)點(diǎn)，B,C為兄弟結(jié)點(diǎn)……

圖1.9層次模型有向樹(shù)的示意圖

ABCDEF601.層次模型的特征（1）有且僅有一個(gè)結(jié)點(diǎn)沒(méi)有雙親，該結(jié)點(diǎn)就是根結(jié)點(diǎn)；（2）根以外的其他結(jié)點(diǎn)有且僅有一個(gè)雙親結(jié)點(diǎn)，這就使得層次數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)只能直接處理一對(duì)多的實(shí)體關(guān)系；（3）任何一個(gè)給定的記錄值只有按其路徑查看時(shí)，才能顯出它的全部意義，沒(méi)有一個(gè)子女記錄值能夠脫離雙親記錄值而獨(dú)立存在。例如：以下是一個(gè)層次模型的例子，如圖1.10所示。D#DNDLR#RNS#SNSST#TNTDＴＳ教研室R學(xué)生S圖1.10TS數(shù)據(jù)庫(kù)模型61層次數(shù)據(jù)庫(kù)為TS，它具有四個(gè)記錄型，分別是：記錄型D（系）是根結(jié)點(diǎn)，由字段D#（系編號(hào)）、DN（系名）、DL（系地點(diǎn)）組成，它有兩個(gè)孩子結(jié)點(diǎn)，：R和S，記錄型R（教研室）是D的孩子結(jié)點(diǎn)，同時(shí)又是T的雙親結(jié)點(diǎn)，它由R#（教研室編號(hào)）、RN（教研室名）兩個(gè)字段組成，記錄型S（學(xué)生）由S#（學(xué)號(hào)）、SN（姓名）、SS（成績(jī)）三個(gè)字段組成，記錄型T（教師）由T#（職工號(hào)）、TN（姓名）、TD（研究方向）三個(gè)字段組成，S與T是葉結(jié)點(diǎn)，它們沒(méi)有子女結(jié)點(diǎn)，由D到R，R到T，由D到S均是一對(duì)多的關(guān)系。62對(duì)應(yīng)上述數(shù)據(jù)模型的一個(gè)值，該值是D02系（計(jì)算機(jī)系）記錄值及其所有后代記錄值組成的一棵樹(shù)，D02系有3個(gè)教研室子記錄值：R01、R02、R03和3個(gè)學(xué)生記錄值：S63871、S63874、S63876，教研室R01有3個(gè)教師記錄值：T2101、T17090、T3501.632.層次模型的數(shù)據(jù)操縱與數(shù)據(jù)完整性約束層次模型的數(shù)據(jù)操縱主要有查詢、插入、刪除和修改，進(jìn)行插入、刪除和修改操作時(shí)要滿足層次模型的完整性約束條件。進(jìn)行插入操作時(shí)，如果沒(méi)有相應(yīng)的雙親結(jié)點(diǎn)值就不能插入子女結(jié)點(diǎn)值；進(jìn)行刪除操作時(shí)，如果刪除雙親結(jié)點(diǎn)值，則相應(yīng)的子女結(jié)點(diǎn)值也被同時(shí)刪除；修改操作時(shí)，應(yīng)修改所有相應(yīng)的記錄，以保證數(shù)據(jù)的一致性。643.層次模型的優(yōu)缺點(diǎn)層次模型的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）比較簡(jiǎn)單，只需很少幾條命令就能操縱數(shù)據(jù)庫(kù)，比較容易使用。（2）結(jié)構(gòu)清晰，結(jié)點(diǎn)間聯(lián)系簡(jiǎn)單，只要知道每個(gè)結(jié)點(diǎn)的雙親結(jié)點(diǎn)，就可知道整個(gè)模型結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)實(shí)世界中許多實(shí)體間的聯(lián)系本來(lái)就呈現(xiàn)出一種很自然的層次關(guān)系，如表示行政層次，家族關(guān)系很方便。（3）它提供了良好的數(shù)據(jù)完整性支持。65層次模型的缺點(diǎn)主要有：（1）不能直接表示兩個(gè)以上的實(shí)體型間的復(fù)雜的聯(lián)系和實(shí)體型間的多對(duì)多聯(lián)系，只能通過(guò)引入冗余數(shù)據(jù)或創(chuàng)建虛擬結(jié)點(diǎn)的方法來(lái)解決，易產(chǎn)生不一致性。（2）對(duì)數(shù)據(jù)的插入和刪除的操作限制太多。（3）查詢子女結(jié)點(diǎn)必須通過(guò)雙親結(jié)點(diǎn)。661.5.3.2網(wǎng)狀模型現(xiàn)實(shí)世界中事物之間的聯(lián)系更多的是非層次關(guān)系的，用層次模型表示這種關(guān)系很不直觀，網(wǎng)狀模型克服了這一弊病，可以清晰的表示這種非層次關(guān)系。20世紀(jì)70年代，數(shù)據(jù)系統(tǒng)語(yǔ)言研究會(huì)CODASYL（ConferenceOnDataSystemLanguage）下屬的數(shù)據(jù)庫(kù)任務(wù)組DBTG（DataBaseTaskGroup）提出了一個(gè)系統(tǒng)方案，DBTG系統(tǒng)，也稱CODASYL系統(tǒng)，成為了網(wǎng)狀模型的代表。網(wǎng)狀模型取消了層次模型的兩個(gè)限制，兩個(gè)或兩個(gè)以上的結(jié)點(diǎn)都可以有多個(gè)雙親結(jié)點(diǎn)，則此時(shí)有向樹(shù)變成了有向圖，該有向圖描述了網(wǎng)狀模型。67網(wǎng)狀模型的特征（1）有一個(gè)以上的結(jié)點(diǎn)沒(méi)有雙親；（2）至少有一個(gè)結(jié)點(diǎn)可以有多于一個(gè)雙親。即允許兩個(gè)或兩個(gè)以上的結(jié)點(diǎn)沒(méi)有雙親結(jié)點(diǎn)，允許某個(gè)結(jié)點(diǎn)有多個(gè)雙親結(jié)點(diǎn)，則此時(shí)有向樹(shù)變成了有向圖，該有向圖描述了網(wǎng)狀模型。網(wǎng)狀模型中每個(gè)結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)記錄型（實(shí)體），每個(gè)記錄型可包含若干個(gè)字段（實(shí)體的屬性），結(jié)點(diǎn)間的連線表示記錄類型（實(shí)體）間的父子關(guān)系。68如：學(xué)生和課程間的關(guān)系。一個(gè)學(xué)生可以選修多門課程，一門課程可以由多個(gè)學(xué)生選修。如圖1.11所示

圖1.11學(xué)生與課程的網(wǎng)狀模型

學(xué)生課程692.網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)操縱與完整性約束網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)操縱主要包括查詢、插入、刪除和修改數(shù)據(jù)。插入數(shù)據(jù)時(shí)，允許插入尚未確定雙親結(jié)點(diǎn)值的子女結(jié)點(diǎn)值，如可增加一名尚未分配到某個(gè)教研室的新教師，也可增加一些剛來(lái)報(bào)到，還未分配宿舍的學(xué)生。刪除數(shù)據(jù)時(shí)，允許只刪除雙親結(jié)點(diǎn)值，如可刪除一個(gè)教研室，而該教研室所有教師的信息仍保留在數(shù)據(jù)庫(kù)中。它沒(méi)有像層次數(shù)據(jù)庫(kù)那樣有嚴(yán)格的完整性約束條件，只提供一定的完整性約束。703.網(wǎng)狀模型的優(yōu)缺點(diǎn)網(wǎng)狀模型的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）能更為直接地描述客觀世界，可表示實(shí)體間的多種復(fù)雜聯(lián)系。（2）具有良好的性能和存儲(chǔ)效率網(wǎng)狀模型的缺點(diǎn)主要有（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其DDL語(yǔ)言極其復(fù)雜。（2）數(shù)據(jù)獨(dú)立性差，由于實(shí)體間的聯(lián)系本質(zhì)上是通過(guò)存取路徑表示的，因此應(yīng)用程序在訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)要指定存取路徑。711.5.3.3關(guān)系模型關(guān)系模型是發(fā)展較晚的一種模型，1970年美國(guó)IBM公司的研究員E.F.Codd首次提出了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的關(guān)系模型。他發(fā)表了題為“大型共享數(shù)據(jù)銀行數(shù)據(jù)的關(guān)系模型”（ARelationModelofDataforLargeSharedDataBanks）,在文中解釋了關(guān)系模型，定義了某些關(guān)系代數(shù)運(yùn)算，研究了數(shù)據(jù)的函數(shù)相關(guān)性，定義了關(guān)系的第三范式，從而開(kāi)創(chuàng)了數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系方法和數(shù)據(jù)規(guī)范化理論的研究，他為此獲得了1981年的圖靈獎(jiǎng)。此后許多人把研究方向轉(zhuǎn)到關(guān)系方法上，陸續(xù)出現(xiàn)了關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。1977年IBM公司研制的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的代表SystemR開(kāi)始運(yùn)行，其后又進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和擴(kuò)充，出現(xiàn)了基于SystemR的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)SQL/DB。

7220世紀(jì)80年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)廠商新推出的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)幾乎都支持關(guān)系模型，非關(guān)系系統(tǒng)的產(chǎn)品也都加上了關(guān)系接口。數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域當(dāng)前的研究工作也都是以關(guān)系方法為基礎(chǔ)。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)已成為目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，如現(xiàn)在廣泛使用的小型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)Foxpro、Acess，大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)Oracle、Informix、Sybase、SQLServer等都是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。731.關(guān)系模型的基本概念關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)“二維表框架”組成的集合，每個(gè)二維表又可稱為關(guān)系，所以關(guān)系模型是“關(guān)系框架”的集合。關(guān)系模型與層次模型、網(wǎng)狀模型不同，它是建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)概念之上的。圖1.12給出了教學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系模型及其實(shí)例，包含五個(gè)關(guān)系：教師關(guān)系T、學(xué)生關(guān)系S、課程關(guān)系C、選課關(guān)系SC和授課關(guān)系TC，分別對(duì)應(yīng)五張表。下面以圖1.12為例，介紹關(guān)系模型中所涉及的一些基概念。74T（教師表）TNO教師號(hào)TN姓名SEX性別AGE年齡PROF職稱SAL工資COMM崗位津貼DEPT系別T1李力男47教授15003000計(jì)算機(jī)T2王平女28講師8001200信息T3劉偉男30講師9001200