第6章 數(shù)據(jù)庫技術(shù)基礎(chǔ)

第19章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)庫基本概念1、信息、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理什么是信息呢？信息是人們用來對客觀世界直接進(jìn)行描述、可在人們之間進(jìn)行傳遞的一些知識。信息需要被加工和處理、需要被交流和使用的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)是信息的具體表示形式，信息是數(shù)據(jù)的有意義的表現(xiàn)。由此可見，信息和數(shù)據(jù)有一定的區(qū)別，信息是觀念性的，數(shù)據(jù)是物理性的。在有些場合信息和數(shù)據(jù)難以區(qū)分，信息本身就是數(shù)據(jù)化了的，數(shù)據(jù)本身是一種信息。因此在很多場合不對它們進(jìn)行區(qū)分，信息處理與數(shù)據(jù)處理往往指同一個概念，計算機(jī)之間交換數(shù)據(jù)也可以說成是交換信息等等。

收集到的各種數(shù)據(jù)需要經(jīng)過加工處理。

數(shù)據(jù)處理包括對數(shù)據(jù)的收集、記載、分類、排序、存儲和計算等工作。其目的是使有效的信息資源得到合理和充分地利用，從而促進(jìn)社會生產(chǎn)力的發(fā)展。數(shù)據(jù)處理經(jīng)過了手工處理、機(jī)械處理、電子數(shù)據(jù)處理三個階段。今天，用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理方法的研究已成為計算機(jī)技術(shù)中的主要課題之一，數(shù)據(jù)庫技術(shù)已成為社會信息化時代不可缺少的方法和工具。2、數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展隨著計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)管理技術(shù)先后經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，即人工管理階段、文件系統(tǒng)管理階段和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理階段。

1）人工管理階段在20世紀(jì)50年代中期以前，計算機(jī)主要用于科學(xué)計算。當(dāng)時的硬件狀況是：外存只有紙帶、卡片、磁帶，沒有磁盤等直接存取的存儲設(shè)備；軟件狀況是：沒有操作系統(tǒng)，沒有管理數(shù)據(jù)的軟件；數(shù)據(jù)處理方式是批處理。1程序與數(shù)據(jù)的存放

數(shù)據(jù)管理是由程序員個人考慮和安排的，一個程序?qū)?yīng)于一組數(shù)據(jù)，進(jìn)行程序設(shè)計時，往往也要對數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、存儲方式、輸入輸出方式等進(jìn)行設(shè)計。嚴(yán)格地說，這種管理只是一種技巧，這是數(shù)據(jù)自由管理的方式，因此，這一階段又稱為自由管理階段。其特點是：數(shù)據(jù)不能長期保存，數(shù)據(jù)與程序不獨立，一組數(shù)據(jù)對應(yīng)于一個程序。2）文件系統(tǒng)管理階段

20世紀(jì)50年代后期到60年代中期，計算機(jī)軟硬件都得到了發(fā)展，計算機(jī)不僅用于科學(xué)計算，還大量用于管理。這時硬件方面已有了磁盤、磁鼓等直接存取的存儲設(shè)備；軟件方面，操作系統(tǒng)中已經(jīng)有了專門的數(shù)據(jù)管理軟件，一般稱為文件系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理方式上不僅有了批處理，而且能夠聯(lián)機(jī)實時處理。該階段的數(shù)據(jù)管理具有如下特點：(1)數(shù)據(jù)可以長期保存。

(2)由文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)把數(shù)據(jù)組織成相互獨立的數(shù)據(jù)文件，利用“按文件名進(jìn)行訪問，按記錄進(jìn)行存取”的管理技術(shù)，可以對文件進(jìn)行修改、插入和刪除的操作。程序和數(shù)據(jù)之間由文件系統(tǒng)提供存取方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間有了一定的獨立性，程序員可以不必過多地考慮物理細(xì)節(jié)，將精力集中于算法。但是，文件系統(tǒng)仍存在以下缺點。(1)數(shù)據(jù)共享性差，冗余度大。一個數(shù)據(jù)文件基本上對應(yīng)于一個應(yīng)用程序，即數(shù)據(jù)仍然是面向應(yīng)用的。當(dāng)不同的應(yīng)用程序具有部分相同的數(shù)據(jù)時，也必須建立各自的文件，而不能共享相同的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)的冗余度大，浪費存儲空間。同時，由于相同數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲、各自管理，容易造成數(shù)據(jù)的不一致性，給數(shù)據(jù)的修改和維護(hù)帶來困難。2文件系統(tǒng)管理示意圖(2)數(shù)據(jù)獨立性差。一旦數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變，必須修改應(yīng)用程序；應(yīng)用程序的改變，也將引起文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的改變。因此數(shù)據(jù)與程序之間仍缺乏獨立性?？梢?，文件系統(tǒng)仍然是一個不具有彈性的無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集合，即文件之間是孤立的，不能反映現(xiàn)實世界事物之間的內(nèi)在聯(lián)系。3）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理階段

20世紀(jì)60年代后期以來，計算機(jī)軟硬件技術(shù)得到了飛速發(fā)展，同時，計算機(jī)用于管理的規(guī)模越來越大，應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)據(jù)量急劇增加，多種應(yīng)用、多種語言互相覆蓋地共享數(shù)據(jù)集合的要求越來越強(qiáng)烈。為了解決多用戶、多應(yīng)用共享數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)為盡可能多的應(yīng)用服務(wù)，顯然，文件系統(tǒng)已不能滿足應(yīng)用需求，于是數(shù)據(jù)庫技術(shù)便應(yīng)運而生。出現(xiàn)了統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)的專門軟件系統(tǒng)——數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS，DataBaseManagementSystem)。3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理示意圖

與文件系統(tǒng)管理階段相比，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理階段具有以下的一些特點：

1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化是數(shù)據(jù)庫主要特征之一，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的根本區(qū)別。在文件系統(tǒng)中，相互獨立的文件的記錄內(nèi)部是有結(jié)構(gòu)的，但記錄之間是沒有聯(lián)系的，并且文件是面向某一應(yīng)用的。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中不僅要考慮某個應(yīng)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還要考慮整個組織的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。不僅描述了記錄內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，還描述了記錄之間的聯(lián)系

在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)不再針對某一應(yīng)用，而是面向全組織，具有整體的結(jié)構(gòu)化。不僅數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)化的，而且存取數(shù)據(jù)的方式也很靈活，可以存取數(shù)據(jù)庫中的某一個數(shù)據(jù)項、一組數(shù)據(jù)項、一個記錄或一組記錄。而在文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的最小存取單位是記錄，粒度不能細(xì)到數(shù)據(jù)項。2)數(shù)據(jù)的共享性高、冗余度低、易擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是從整體角度看待和描述數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不再面向某個應(yīng)用而是面向整個系統(tǒng)，因此數(shù)據(jù)可以被多個用戶、多個應(yīng)用共享使用。大大減少數(shù)據(jù)冗余，節(jié)約存儲空間，避免數(shù)據(jù)之間的不相容性與不一致性。容易擴(kuò)展新的應(yīng)用，可以適應(yīng)各種應(yīng)用需求。當(dāng)應(yīng)用需求改變或增加時，只要重新選取整體數(shù)據(jù)的不同子集，便可以滿足新的要求，這就使得數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有彈性大，易擴(kuò)充的特點。3)數(shù)據(jù)獨立性高數(shù)據(jù)獨立性是數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中一個常用術(shù)語，包括數(shù)據(jù)的物理獨立性和數(shù)據(jù)的邏輯獨立性。

數(shù)據(jù)的物理獨立性是指用戶的應(yīng)用程序與存儲在磁盤上的數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)是相互獨立的。數(shù)據(jù)在磁盤上的數(shù)據(jù)庫中怎樣存儲是由DBMS管理的，用戶程序不需要了解，應(yīng)用程序要處理的只是數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)。這樣，當(dāng)數(shù)據(jù)的物理存儲改變了，應(yīng)用程序不用改變。

數(shù)據(jù)的邏輯獨立性是指用戶的應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)是相互獨立的，也就是說，數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變了，用戶程序也可以不變。數(shù)據(jù)與程序的獨立，把數(shù)據(jù)的定義從程序中分離出去，加上數(shù)據(jù)的存取又由DBMS負(fù)責(zé)，從而簡化了應(yīng)用程序的編制，大大減少了應(yīng)用程序的維護(hù)和修改工作。數(shù)據(jù)獨立性是由DBMS的二級映像功能來保證的，這將在稍后討論。4)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和控制數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)中的用戶來說是共享資源，即多個用戶可以同時存取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)甚至可以同時存取數(shù)據(jù)庫中的同一個數(shù)據(jù)。因此，DBMS必須提供以下幾方面的數(shù)據(jù)控制和保護(hù)功能。(1)數(shù)據(jù)的安全性保護(hù)。數(shù)據(jù)的安全性是指保護(hù)數(shù)據(jù)以防止不合法的使用所造成的數(shù)據(jù)泄密和破壞，使每個用戶只能按規(guī)定，對某種數(shù)據(jù)以某些方式進(jìn)行使用和處理。例如，系統(tǒng)用檢查口令或其它手段來檢查用戶身份，合法用戶才能進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存取權(quán)限的定義機(jī)制，當(dāng)用戶對數(shù)據(jù)庫執(zhí)行操作時，系統(tǒng)自動檢查用戶能否執(zhí)行這些操作，檢查通過后才能執(zhí)行允許的操作。(2)數(shù)據(jù)的完整性控制。數(shù)據(jù)的完整性是指數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性。完整性檢查提供必要的功能，保證數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)在輸入和修改過程中始終符合原來的定義和規(guī)定，在有效的范圍內(nèi)，保證數(shù)據(jù)之間滿足一定的關(guān)系。例如，月份是1～12之間的正整數(shù)，學(xué)生年齡是15～45間的整數(shù)，學(xué)生學(xué)號是惟一的，學(xué)生所在的系院必須是有效存在的等。

(3)數(shù)據(jù)庫恢復(fù)。計算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件故障、操作員的失誤以及惡意的破壞都會影響到數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確性，甚至造成數(shù)據(jù)庫部分或全部數(shù)據(jù)的丟失。因此DBMS必須具有將數(shù)據(jù)庫從錯誤狀態(tài)恢復(fù)到某一已知的正確狀態(tài)(亦稱為完整狀態(tài)或一致狀態(tài))的功能。(4)并發(fā)控制。當(dāng)多個用戶的并發(fā)進(jìn)程同時存取、修改數(shù)據(jù)庫時，可能會發(fā)生相互干擾而得到錯誤的結(jié)果或使得數(shù)據(jù)庫的完整性遭到破壞，因此必須對多用戶的并發(fā)操作加以控制和協(xié)調(diào)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的出現(xiàn)使信息系統(tǒng)進(jìn)入從以加工數(shù)據(jù)的程序為中心轉(zhuǎn)向以共享的數(shù)據(jù)庫為中心的新階段。這樣既便于數(shù)據(jù)的集中管理，又有利于應(yīng)用程序的研制和維護(hù)，提高了數(shù)據(jù)的利用率和相容性，提高了決策的可靠性。3、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

1）數(shù)據(jù)庫所謂數(shù)據(jù)庫是長期儲存在計算機(jī)內(nèi)的、有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和儲存，具有較小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨立性和易擴(kuò)展性，并可為一定范圍內(nèi)的各種用戶共享。2．?dāng)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)

如何高效地獲取和維護(hù)數(shù)據(jù)，完成這個任務(wù)的是一個系統(tǒng)軟件——數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（即DBMS

）。

DBMS是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一個數(shù)據(jù)管理軟件，是一個幫助用戶建立、使用和管理數(shù)據(jù)庫的軟件系統(tǒng)，是數(shù)據(jù)庫與用戶之間的接口。它的基本功能應(yīng)包括以下幾個方面：

(1)數(shù)據(jù)定義功能。DBMS提供數(shù)據(jù)定義語言(DDL)，用戶通過定義語言可以方便地對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象進(jìn)行定義。(2)數(shù)據(jù)操縱功能。DBMS提供數(shù)據(jù)操縱語言(DML)，用戶通過操縱語言操縱數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的基本操作，如查詢、插入、刪除和修改。

(3)數(shù)據(jù)庫的運行管理。數(shù)據(jù)庫在建立、運行和維護(hù)時由DBMS統(tǒng)一管理、統(tǒng)一控制，以保證數(shù)據(jù)的安全性、完整性、多用戶對數(shù)據(jù)的并發(fā)使用及發(fā)生故障后的系統(tǒng)恢復(fù)。

(4)數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)功能。它包括數(shù)據(jù)庫初始數(shù)據(jù)的輸入、轉(zhuǎn)換功能，數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)儲、恢復(fù)功能，數(shù)據(jù)庫的重組織功能，以及性能監(jiān)視、分析功能等。3）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBS，DataBaseSystem)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是指在計算機(jī)系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)，一般由數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(及其工具)、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶構(gòu)成，如圖6-4所示。應(yīng)當(dāng)指出的是，數(shù)據(jù)庫的建立、使用和維護(hù)等工作只靠一個DBMS遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還要有專門的人員來完成，這些人被稱為數(shù)據(jù)庫管理員(DBA，DataBaseAdiministrator)。在一般不引起混淆的情況下常常把數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)簡稱為數(shù)據(jù)庫。圖6-4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)示意圖

由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)量都很大，加之DBMS豐富的功能使得自身的規(guī)模也很大，因此數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對硬件提出了較高的要求，這些要求是：要有足夠大的內(nèi)存；要有足夠大的磁盤空間存放數(shù)據(jù)庫，足夠的磁帶做數(shù)據(jù)備份；系統(tǒng)有較高的通信能力，以提高數(shù)據(jù)傳輸率。

4）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的有關(guān)人員

(1)數(shù)據(jù)庫管理員。DBA負(fù)責(zé)對整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行總體控制和維護(hù)，以保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的正常運行。(2)系統(tǒng)分析員和數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員。

系統(tǒng)分析員負(fù)責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)的需求分析和規(guī)范說明，他們要和用戶及DBA相結(jié)合，確定系統(tǒng)的軟硬件配置并參與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的概要設(shè)計。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的確定、數(shù)據(jù)庫各級模式的設(shè)計。數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員必須參加用戶需求調(diào)查和系統(tǒng)分析，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計。在很多情況下，數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員就由數(shù)據(jù)庫管理員擔(dān)任。(3)應(yīng)用程序員。負(fù)責(zé)設(shè)計和編寫應(yīng)用程序的程序模塊，并進(jìn)行調(diào)試和安裝。

(4)終端用戶。他們通過聯(lián)機(jī)終端，并通過應(yīng)用程序的用戶接口使用數(shù)據(jù)庫。常用的接口方式有瀏覽器、菜單驅(qū)動、表格操作、圖形顯示、報表書寫等。數(shù)據(jù)模型1、數(shù)據(jù)模型的概念

模型是現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的模擬和抽象?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)均是基于某種數(shù)據(jù)模型的。因此，數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，了解數(shù)據(jù)模型的基本概念是學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)庫是某個企業(yè)、組織或部門所涉及的數(shù)據(jù)的一個綜合，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。計算機(jī)不可能直接處理現(xiàn)實世界中的具體事物，所以，人們必須事先把具體事物轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)。用數(shù)據(jù)模型這個工具來抽象、表示和處理現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)和信息。

數(shù)據(jù)模型應(yīng)滿足三方面要求：一是能比較真實地模擬現(xiàn)實世界；二是容易為人們所理解；三是便于在計算機(jī)上實現(xiàn)。一種數(shù)據(jù)模型要很好地滿足這三方面的要求，在目前尚很困難。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中針對不同的使用對象和應(yīng)用目的，采用不同的數(shù)據(jù)模型。

根據(jù)模型應(yīng)用的不同目的，可以將這些模型劃分為兩類，它們分屬于兩個不同的層次。第一類模型是概念模型，也稱信息模型，它是按用戶的觀點對數(shù)據(jù)和信息建模。與計算機(jī)技術(shù)無關(guān)。另一類模型是數(shù)據(jù)模型(即結(jié)構(gòu)模型)，主要包括網(wǎng)狀模型、層次模型、關(guān)系模型和面向?qū)ο竽Ｐ偷?，它是按計算機(jī)系統(tǒng)的觀點對數(shù)據(jù)建模。2、數(shù)據(jù)模型的要素

數(shù)據(jù)模型是嚴(yán)格定義的一組概念的集合。這些概念精確地描述了系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性和完整性約束條件。數(shù)據(jù)模型通常都是由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和完整性約束三個要素組成。

1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是所研究的對象類型的集合。這些對象是數(shù)據(jù)庫的組成成分，它們包括兩類：一類是與數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容、性質(zhì)有關(guān)的對象；一類是與數(shù)據(jù)之間聯(lián)系有關(guān)的對象。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是刻畫一個數(shù)據(jù)模型性質(zhì)最重要的方面。因此在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，通常按照其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來命名數(shù)據(jù)模型。例如層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、關(guān)系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型分別命名為層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述。2）數(shù)據(jù)操作數(shù)據(jù)操作是指對數(shù)據(jù)庫中各種對象(型)的實例(值)允許執(zhí)行的操作的集合，包括操作及有關(guān)的操作規(guī)則。數(shù)據(jù)庫主要有檢索和更新(包括插入、刪除、修改)兩大類操作。數(shù)據(jù)模型必須定義這些操作的確切含義、操作符號、操作規(guī)則(如優(yōu)先級)以及實現(xiàn)操作的語言。數(shù)據(jù)操作是對系統(tǒng)動態(tài)特性的描述。3．?dāng)?shù)據(jù)的完整性約束數(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)系所具有的制約和儲存規(guī)則，用以限定符合數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效和相容。數(shù)據(jù)模型應(yīng)該反映和規(guī)定本數(shù)據(jù)模型必須遵守的、基本的、通用的完整性約束。例如，在關(guān)系模型中，任何關(guān)系必須滿足實體完整性和參照完整性兩個條件(稍后討論這兩個完整性約束)。3概念模型——E-R模型

概念模型用于信息世界的建模，與具體的DBMS無關(guān)。概念模型是現(xiàn)實世界到信息世界的第一層抽象，是數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計的有力工具，也是數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員和用戶之間進(jìn)行交流的語言，因此概念模型一方面應(yīng)該具有較強(qiáng)的語義表達(dá)能力，能夠方便、直接地表達(dá)應(yīng)用中的各種語義知識，另一方面它還應(yīng)該簡單、清晰、易于用戶理解。1）信息世界中的基本概念信息世界涉及的概念主要有：（1）實體(Entity)

客觀存在并可相互區(qū)別的事物稱為實體。實體可以是具體的人、事、物，也可以是抽象的概念或聯(lián)系。例如，一個職工、一個學(xué)生、一門課、一個部門、學(xué)生的一次選課、部門的一次定貨等都是實體。

（2）屬性(Attribute)

實體所具有的某一特性稱為屬性。一個實體可以由若干個屬性來刻畫。例如，學(xué)生實體可以由學(xué)號、姓名、性別、出生年份、系、入學(xué)時間等屬性組成，如(20020124，張亮，男，1984，計算機(jī)系，2002)表征了一個學(xué)生。

3)碼(Key)

惟一標(biāo)識實體的屬性集稱為碼。例如學(xué)號是學(xué)生實體的碼。4)域(Domain)

屬性的取值范圍稱為該屬性的域。例如，性別的域為(男，女)，學(xué)號的域為8位整數(shù)，年齡的域為小于35的整數(shù)。

5)實體型(EntityType)

具有相同屬性的實體必然具有共同的特性和性質(zhì)。用實體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實體，稱為實體型。例如，學(xué)生(學(xué)號，姓名，性別，出生年份，系，入學(xué)時間)就是一個實體型。6)實體集(EntitySet)

同型實體的集合稱為實體集。例如，全體學(xué)生就是一個集合，即實體集。

7)聯(lián)系(Relationship)

在現(xiàn)實世界中，事物內(nèi)部以及事物之間是有聯(lián)系的，這些聯(lián)系在信息世界中反映為實體(型)內(nèi)部的聯(lián)系和實體(型)之間的聯(lián)系。實體內(nèi)部的聯(lián)系通常是指組成實體的各屬性之間的聯(lián)系。實體之間的聯(lián)系通常是指不同實體集之間的聯(lián)系。

兩個實體型之間的聯(lián)系可以分為三類：

(1)一對一聯(lián)系(1∶1)。如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中至多有一個(也可以沒有)實體與之聯(lián)系，反之亦然，則稱實體集A與實體集B具有一對一聯(lián)系，記為1∶1。例如，學(xué)校里面，一個班級只有一個正班長，而一個班長只在一個班中任職，則班級與班長之間具有一對一聯(lián)系。(2)一對多聯(lián)系(1∶n)。如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個(n≥0)實體與之聯(lián)系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中至多有一個實體與之聯(lián)系，則稱實體集A與實體集B具有一對多聯(lián)系，記為1∶n。例如，一個班級中有若干名學(xué)生，而每個學(xué)生只在一個班級中學(xué)習(xí)，則班級與學(xué)生之間具有一對多聯(lián)系。(3)多對多聯(lián)系(m∶n)。如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個(n≥0)實體與之聯(lián)系。反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中也有m個(m≥0)實體與之聯(lián)系，則稱實體集A與實體集B具有多對多聯(lián)系，記為m∶n。例如，一個課程同時有若干名學(xué)生選修，而一個學(xué)生可以同時選修多門課程，則課程與學(xué)生之間具有多對多聯(lián)系。實際上，一對一聯(lián)系是一對多聯(lián)系的特例，而一對多聯(lián)系又是多對多聯(lián)系的特例。

實體型之間的這種一對一、一對多、多對多聯(lián)系不僅存在于兩個實體型之間，也存在于兩個以上的實體型之間。例如，對于課程、教師與參考書三個實體型，如果一門課程可以有若干個教師講授，使用若干本參考書，而每一個教師只講授一門課程，每一本參考書只供一門課程使用，則課程與教師、參考書之間的聯(lián)系是一對多的。同一個實體集內(nèi)的各實體之間也可以存在一對一、一對多、多對多的聯(lián)系。例如，職工實體集內(nèi)部具有領(lǐng)導(dǎo)與被領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)系，即某一職工(干部)“領(lǐng)導(dǎo)”若干名職工，而一個職工僅被另外一個職工直接領(lǐng)導(dǎo)，因此這是一對多的聯(lián)系。2．概念模型的表示方法概念模型是對信息世界建模，所以概念模型應(yīng)該能夠方便、準(zhǔn)確地表示出信息世界中的常用概念。概念模型的表示方法很多，其中最為常用的是P.P.S.Chen于1976年提出的實體—聯(lián)系方法(Entity-RelationshipApproach)。該方法用E–R圖來描述現(xiàn)實世界的概念模型，E–R方法也稱為E–R模型。

E–R圖提供了表示實體型、屬性和聯(lián)系的方法。

實體型：用矩形表示，矩形框內(nèi)寫明實體名。屬性：用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應(yīng)的實體連接起來。聯(lián)系：用菱形表示，菱形框內(nèi)寫明聯(lián)系名，并用無向邊分別與有關(guān)實體連接起來，同時在無向邊旁標(biāo)上聯(lián)系的類型(1∶1，1∶n，m∶n)。如果一個聯(lián)系具有屬性，則這些屬性也要用無向邊與該聯(lián)系連接起來?，F(xiàn)實世界中的任何數(shù)據(jù)集合，均可用E–R圖來描述。圖5和圖6給出了一些簡單的例子。5實體的聯(lián)系(a)實體內(nèi)部的聯(lián)系；(b)兩個實體之間的聯(lián)系；(c)多個實體之間的聯(lián)系6實體與聯(lián)系的屬性(a)實體的屬性；(b)聯(lián)系的屬性E–R模型有兩個明顯的優(yōu)點：一是接近人的思想，容易理解；二是與計算機(jī)無關(guān)，用戶容易接受。因此，E–R模型已經(jīng)成為數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計的一種重要方法，它是設(shè)計人員和不熟悉計算機(jī)的用戶之間的共同語言。一般遇到一個實際問題，總是先設(shè)計一個E–R模型，然后再把E–R模型轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能實現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型。4、常用的數(shù)據(jù)模型不同的數(shù)據(jù)模型具有不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。目前最常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型有層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型和面向?qū)ο竽Ｐ?。其中層次模型和網(wǎng)狀模型統(tǒng)稱為非關(guān)系模型。非關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在20世紀(jì)70年代非常流行，到了20世紀(jì)80年代，逐漸被關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)取代，但在美國等一些國家里，由于歷史的原因，目前層次和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)仍為某些用戶所使用。20世紀(jì)80年代以來，面向?qū)ο蟮姆椒ê图夹g(shù)在計算機(jī)各個領(lǐng)域，包括程序設(shè)計語言、軟件工程、信息系統(tǒng)設(shè)計等各方面都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，也促進(jìn)了數(shù)據(jù)庫中面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的研究和發(fā)展。

1．層次模型(HierarchicalModel)

層次模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中最早出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型，層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用層次模型作為數(shù)據(jù)的組織方式。層次模型是以記錄類型為結(jié)點的有向樹，即樹的每一個結(jié)點都表示一個記錄類型，它有如下特點：7層次模型(1)有且僅有一個結(jié)點沒有雙親結(jié)點，這個結(jié)點稱為根結(jié)點；

(2)根以外的其它結(jié)點有且只有一個雙親結(jié)點；

(3)每個結(jié)點可以有若干個孩子結(jié)點。凡滿足以上條件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型稱為層次模型。如圖6-7所示就是一個層次模型。層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的典型代表是IBM公司的IMS(InformationManagementSystems)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，這是1968年IBM公司推出的第一個大型商用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，曾經(jīng)得到廣泛的使用，目前，仍然有某些特定用戶在使用。2．網(wǎng)狀模型(NetworkModel)

在現(xiàn)實世界中事物之間的聯(lián)系更多的是非層次關(guān)系，若用層次模型表示很不直接，網(wǎng)狀模型則可以克服這一缺點。網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用網(wǎng)狀模型作為數(shù)據(jù)的組織方式，網(wǎng)狀模型是以記錄類型為結(jié)點的有向圖。在網(wǎng)狀模型中，數(shù)據(jù)間緊密相連，呈現(xiàn)出一種網(wǎng)狀的關(guān)系形式，圖6-8中的數(shù)據(jù)模型都是網(wǎng)狀模型。它的特征是：

(1)允許一個以上的結(jié)點無雙親;(2)允許一個結(jié)點有多于一個的雙親；

(3)任意兩個結(jié)點之間可以有多于一個以上的聯(lián)系。8網(wǎng)狀模型

網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的典型代表是DBTG系統(tǒng)，它是20世紀(jì)70年代數(shù)據(jù)系統(tǒng)語言研究會(ConferenceOnDataSystemLanguage)下屬的數(shù)據(jù)庫任務(wù)組(DBTG，DataBaseTaskGroup)提出的一個系統(tǒng)方案。DBTG系統(tǒng)雖然不是實際的軟件系統(tǒng)，但是它提出的基本概念、方法和技術(shù)具有普遍意義。它對于網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研制和發(fā)展起了重大的影響。后來不少的實際系統(tǒng)都采用了DBTG模型或者簡化的DBTG模型。3．關(guān)系模型(RelationalModel)

關(guān)系模型是目前最常用的一種數(shù)據(jù)模型。關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用關(guān)系模型作為數(shù)據(jù)的組織方式。1970年美國IBM公司SanJose研究室的研究員E.F.Codd首次提出了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的關(guān)系模型，開創(chuàng)了數(shù)據(jù)庫關(guān)系方法和關(guān)系數(shù)據(jù)理論的研究，為數(shù)據(jù)庫技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。由于E.F.Codd的杰出貢獻(xiàn)，他于1981年獲得ACM圖靈獎。20世紀(jì)80年代以來，計算機(jī)廠商新推出的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)幾乎都支持關(guān)系模型，非關(guān)系模型的產(chǎn)品也大都加上了關(guān)系接口。數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域當(dāng)前的研究工作也大都是以關(guān)系方法為基礎(chǔ)。

用表格結(jié)構(gòu)表示實體以及實體之間聯(lián)系的模型稱為關(guān)系模型。關(guān)系模型比較簡單，容易被初學(xué)者所接受。與以往的模型不同，關(guān)系模型是建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)概念基礎(chǔ)上的一種數(shù)據(jù)模型，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是二維表，即由行和列組成，這個表就叫作關(guān)系。表1所列的職工情況表就是一個關(guān)系。表6-1職工情況表編號姓名職稱工齡工資出生日期1001王明工程師101150．001/20/701024田麗助工5980．010/09/752048張升高工201450．009/28/624006胡中華助工3870．005/28/78

下面結(jié)合表1，介紹關(guān)系模型中的一些術(shù)語。

(1)關(guān)系(Relation)：一個關(guān)系對應(yīng)一張二維表，二維表名就是關(guān)系名，如表6-1職工情況表。

(2)元組(Tuple)：表中的一行即為一個元組，如表6-1中的(1001，王明，工程師，10，1150．0，01/20/70)為一個元組。

(3)屬性(Attribute)：表中的一列即為一個屬性，給每一個屬性起一個名字即屬性名。如表6-1有六列，對應(yīng)六個屬性，屬性名分別為編號、姓名、職稱、工齡、工資、出生日期。(4)分量(Component)：元組中的一個屬性值。

(5)主碼(Key)：表中的某個屬性組，它可以惟一確定一個元組。如表6-1中的編號，可以惟一確定一個職工，也就成為本關(guān)系的主碼。

(6)域(Domain)：屬性的取值范圍，如工資的域是(500.0～5000.0)。

(7)關(guān)系模式(RelationSchema)：對關(guān)系的描述稱為關(guān)系模式，一般表示為：關(guān)系名(屬性1，屬性2，…，屬性n)

例如表1的關(guān)系可表示為職工情況表(編號，姓名，職稱，工齡，工資，出生日期)

關(guān)系模型與層次、網(wǎng)狀模型的最大區(qū)別是關(guān)系模型用表格的數(shù)據(jù)而不是通過指針鏈來表示和實現(xiàn)實體間的聯(lián)系。關(guān)系模型中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單一，只有二維表格，通?？砂驯砀窨闯梢粋€集合，因此集合論、數(shù)理邏輯等知識可引入到關(guān)系模型中來。一般認(rèn)為它是一種比較有前途的模型。4．面向?qū)ο竽Ｐ?Object-OrientedModel)

由于關(guān)系模型比層次、網(wǎng)狀模型更為簡單靈活，因此，數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中，關(guān)系數(shù)據(jù)庫的使用已相當(dāng)普遍。但是，現(xiàn)實世界存在著許多含有更復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用領(lǐng)域，例如CAD數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)等，需要有一種數(shù)據(jù)模型來表達(dá)這類信息，在人工智能研究中也出現(xiàn)了類似的需要，這種數(shù)據(jù)模型就是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型。20世紀(jì)80年代中后期，數(shù)據(jù)庫界掀起了面向?qū)ο蠹夹g(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的研究熱潮，對于什么是面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫，它應(yīng)該具有哪些特性，如何去實現(xiàn)它，大家有各自不同的見解，因此研究工作百花齊放，各自按照自己的方法去實現(xiàn)自己的系統(tǒng)。經(jīng)過十余年的研究與實踐，現(xiàn)在歸納起來，面向?qū)ο蠹夹g(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的途徑主要有以下兩種：一種途徑是以面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言為基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)展，研究持久的程序設(shè)計語言，使之具有數(shù)據(jù)庫功能；或者直接將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特性與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言的特性結(jié)合起來，研制面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)(OODBS)。OODBS的商品化現(xiàn)狀遠(yuǎn)不如20世紀(jì)80年代中后期開始研究面向?qū)ο蠹夹g(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合時人們預(yù)想的高，其原因是多方面的。首先，OODBS缺乏標(biāo)準(zhǔn)；其次，OODBS產(chǎn)品在安全性、完整性、堅固性、可伸縮性、視圖機(jī)制、模式演化等許多方面都不如關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(RDBS)產(chǎn)品；另外，OODBS系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)工具很少，對客戶/服務(wù)器環(huán)境的支持也不夠。

另一種途徑是以傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫和SQL語言為基礎(chǔ)，進(jìn)行擴(kuò)展的方法。這種方法早期的典型代表是加州大學(xué)Berkeley分校研制的擴(kuò)展關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)POSTGRES，它以關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Ingres為基礎(chǔ)，將它的類型系統(tǒng)開放，允許將新的、用戶定義的抽象數(shù)據(jù)類型(ADT)加進(jìn)來，用戶定義新的ADT時需要實現(xiàn)這個類型，即定義它的表示法和編寫它的函數(shù)。采用擴(kuò)展關(guān)系數(shù)據(jù)模型的方法建立的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)稱做對象—關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(ORDBS)，它建立在關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)堅實的基礎(chǔ)上，并且支持若干重要的面向?qū)ο筇匦?，能夠滿足數(shù)據(jù)庫新應(yīng)用的需求。

面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型比網(wǎng)狀、層次、關(guān)系數(shù)據(jù)模型具有更加豐富的表達(dá)能力。但正因為面向?qū)ο竽Ｐ偷呢S富的表達(dá)能力，模型相對復(fù)雜，實現(xiàn)起來較困難。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中模式的概念在數(shù)據(jù)模型中有“型”(Type)和“值”(Value)的概念。型是指對某一類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和屬性的說明，值是型的一個具體賦值。例如，學(xué)生記錄定義為(學(xué)號，姓名，性別，系別，年齡，籍貫)記錄型，而(020301，李輝，男，計算機(jī)，19，陜西)則是該記錄型的一個記錄值。

模式(Schema)是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，它僅僅涉及到型的描述（實體型，即一種結(jié)構(gòu)），不涉及到具體的值。模式的一個具體值稱為模式的一個實例(Instance)。同一個模式可以有很多實例。模式是相對穩(wěn)定的，而實例是不斷變動的，因為數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是在不斷更新的。模式反映的是數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及其聯(lián)系，而實例反映的是數(shù)據(jù)庫某一時刻的狀態(tài)。2、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)分為：外模式、模式和內(nèi)模式，如圖9所示。

1）模式模式也稱邏輯模式或概念模式，它是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，也是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)的中間層，既與數(shù)據(jù)的物理存儲細(xì)節(jié)和硬件環(huán)境無關(guān)，也與具體的應(yīng)用程序、所使用的開發(fā)工具及高級程序設(shè)計語言無關(guān)。圖9數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)

模式是DBA所看到的數(shù)據(jù)庫。一個數(shù)據(jù)庫只有一個模式。定義模式時不僅要定義數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，而且要定義數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，定義與數(shù)據(jù)有關(guān)的安全性、完整性要求。模式使用DBMS提供的模式數(shù)據(jù)定義語言(模式DDL)來嚴(yán)格定義。2）外模式外模式也稱子模式(SubSchema)或用戶模式，它是數(shù)據(jù)庫用戶能夠看見和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是數(shù)據(jù)庫用戶的數(shù)據(jù)視圖，也是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。

外模式是模式的子集，一個數(shù)據(jù)庫可以有多個外模式。外模式是保證數(shù)據(jù)安全性的一個有力工具，每個用戶只能看見和訪問所對應(yīng)的外模式中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫中其余的數(shù)據(jù)是不可見的。子模式使用DBMS提供的子模式數(shù)據(jù)定義語言(子模式DDL)來嚴(yán)格定義。3）內(nèi)模式內(nèi)模式又稱存儲模式，一個數(shù)據(jù)庫只有一個內(nèi)模式。它描述了數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)和存儲方式，是數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方法。例如，記錄的存儲方式是順序存儲、按照B樹結(jié)構(gòu)存儲還是按Hash方法存儲；索引按照什么方式組織；數(shù)據(jù)是否壓縮存儲，是否加密；數(shù)據(jù)的存儲記錄結(jié)構(gòu)有何規(guī)定等。內(nèi)模式使用DBMS提供的內(nèi)模式數(shù)據(jù)定義語言(內(nèi)模式DDL)來嚴(yán)格定義。DDL是數(shù)據(jù)描述語言(DataDescriptionLanguage)，它是在建立數(shù)據(jù)庫時用來描述數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的語言，有些文獻(xiàn)稱之為數(shù)據(jù)定義語言(DataDefinitionLanguage)，簡稱都是DDL。用三種DDL來描述三種不同的模式，有利于實現(xiàn)數(shù)據(jù)獨立性。但實際的DBMS不一定將三種DDL分開，多數(shù)DBMS僅提供一種或者兩種DDL，同時完成這三種語言的功能。

DDL是類似高級語言的形式化語言。用DDL描述的模式成為源模式，它構(gòu)成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的“描述數(shù)據(jù)庫”。通過DBMS配備的DDL翻譯程序，能把源模式翻譯為目標(biāo)模式，構(gòu)成系統(tǒng)的“目標(biāo)數(shù)據(jù)庫”。目標(biāo)數(shù)據(jù)庫通常由一組表格構(gòu)成。3數(shù)據(jù)庫的二級映像與數(shù)據(jù)獨立性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式是對數(shù)據(jù)的三個抽