數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概念

電子教案版本1.1

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論

AnIntroductiontoDatabaseSystem

吉林大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

教材及參考書

CQ參考書

■AFirstCourseinDatabaseSystems

Jeffrey.D.Ullman,JenniferWidom

Dept.OfComputerScienceStanfordUniversity

■DateCJ.AnIntroductiontoDatabaseSystem

(Ed.7).Addison-Wesley,2000

■王珊.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)簡明教程.高等教育出版社

■薩師炮王珊.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論高等教育出版社

上機軟件

■MySQL

第一章引言

n數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用□數(shù)據(jù)存儲和查詢

◎數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的目標(biāo)■事物管理

◎數(shù)據(jù)視圖H數(shù)據(jù)挖掘與分析

□數(shù)據(jù)庫語言B數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)

n關(guān)系數(shù)據(jù)庫B數(shù)據(jù)庫用戶和管理員

□數(shù)據(jù)庫設(shè)計B數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的歷史

□基于對象數(shù)據(jù)庫和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)□小結(jié)

庫

一、有關(guān)概念

1.信息和數(shù)據(jù)

(1)信息：人們對客觀事物正確的描述，人們之間

可以交流的知識，對人們的行為可以產(chǎn)生一定的

影響。

(2)：描述事物的符號記錄稱為數(shù)據(jù)。描述事

物的符號可以是數(shù)字，也可以是文字、圖形、圖

像、聲音、語言等。

■數(shù)據(jù)與其語義是不可分的

(3)與之間的聯(lián)系與區(qū)別

數(shù)據(jù)是用以表示信息的符號或載體

信息是經(jīng)過加工之后并對客觀世界和生產(chǎn)活

動產(chǎn)生影響的數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，是對數(shù)據(jù)語

義的解釋。

數(shù)據(jù)是現(xiàn)象，而信息更反映實質(zhì)。

數(shù)據(jù)舉例

■數(shù)據(jù)的含義稱為數(shù)據(jù)的語義，數(shù)據(jù)與其語義是不

可分的。

■例如93是一個數(shù)據(jù)

語義1：學(xué)生某門課的成績

語義2：某人的體重

語義3：計算機系2003級學(xué)生人數(shù)

■學(xué)生檔案中的學(xué)生記錄

（李明，男，197205,江蘇南京市，計算機系，1990）

語義：學(xué)生姓名、性別、出生年月、籍貫、所在院系、入學(xué)時間

解釋：李明是個大學(xué)生，1972年5月出生，江蘇南京市人，1990年

考入計算機系

情給出另一個解琴和語文

1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用

■數(shù)據(jù)庫的定義

■數(shù)據(jù)庫（Database,簡稱DB）是長期存儲在計算機內(nèi)

的、大量的、有結(jié)構(gòu)的、可共享的數(shù)據(jù)集合。

■數(shù)據(jù)庫的基本特征

■數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和儲存

■可為各種用戶共享

■冗余度較小

■數(shù)據(jù)獨立性較高

■易擴展

1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用

■數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

■(DataBaseManagementSystem,簡稱DBMS)

■位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件。

■是基礎(chǔ)軟件，是一個大型復(fù)雜的軟件系統(tǒng)

■DBMS的用途

■科學(xué)地組織和存儲數(shù)據(jù)、高效地獲取和維護數(shù)據(jù)

■DBMScontainsinformationaboutaparticularenterprise

■Collectionofinterrelateddata

■Setofprogramstoaccessthedata

■Anenvironmentthatisbothconvenientandefficienttouse

王要功能：

(DataDefinitionLanguage)

定義數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象

(DataManipulationLanguage)

■操縱數(shù)據(jù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的基本操作

數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)更新(插入、修改、刪除)

(DataControlLanguage)

通過DCL保證數(shù)據(jù)庫的可恢復(fù)性、并發(fā)控制、安全性和

完整性。

(DataControlLanguage)

■(1)數(shù)據(jù)的安全性(Security)保護

保護數(shù)據(jù)，以防止不合法的使用造成的數(shù)據(jù)的泄密和破壞。

■(2)數(shù)據(jù)的完整性(Integrity)檢查

將數(shù)據(jù)控制在有效的范圍內(nèi)，或保證數(shù)據(jù)之間滿足一定的關(guān)系。

■(3)并發(fā)(Concurrency)控制

對多用戶的并發(fā)操作加以控制和協(xié)調(diào)，防止相互干擾而得到錯誤

的結(jié)果。

■(4)數(shù)據(jù)庫恢復(fù)(Recovery)

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)。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBS)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是指在計算機系統(tǒng)中

引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)，一般由數(shù)據(jù)庫、

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(及其開發(fā)工具)、應(yīng)

用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶構(gòu)成。

數(shù)據(jù)庫計算機系統(tǒng)中的地位

應(yīng)用系統(tǒng)

應(yīng)用開發(fā)工具

DBMS

糜作系統(tǒng)

硬件

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用

◎銀行業(yè)◎銷售業(yè)

◎航空業(yè)國聯(lián)機零售商

國大學(xué)◎制造業(yè)

a電信業(yè)◎人力資源

◎金融業(yè)

1.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的目標(biāo)

■例如一個銀行的某個部門需要保存所有客戶及

儲蓄賬戶的信息。在計算機上保存這些信息的一

種方法是將它們存放在操作系統(tǒng)文件中。

■為了使用戶可以對信息進行操作，系統(tǒng)中應(yīng)有

一些對文件進行操作的應(yīng)用程序，包括：

■,處理某賬戶的存款、貸款的程序。

■,創(chuàng)建新賬戶的程序。

■,查詢賬戶余額的程序。

■?產(chǎn)生每月對賬單的程序。

1.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的目標(biāo)

在文件處理系統(tǒng)中存儲組織信息的主要弊端包括:

■數(shù)據(jù)的冗余和不一^致(dataredundancyand

inconsistency)。

■數(shù)據(jù)訪問困難(difficultyinaccessingdata)。

■數(shù)據(jù)孤立(dataisolation)o

■由于數(shù)據(jù)分散在不同文件中，這些文件又可能具有不

同的格式，編寫新應(yīng)用程序來檢索適當(dāng)數(shù)據(jù)是很困難

的。

■完整性問題(integrityproblem)o

■原子性問題(atomicityproblem)o

■并發(fā)訪問異常(concurrent—accessanomaly)o

■安全性問題(securityproblem)o

1.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的目標(biāo)

以上問題以及一些其他問題，促進了DBMS

的發(fā)展。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為了解決上述在文件處理系統(tǒng)中存

在的問題提出的一些概念和算法。

在本書的大部分篇幅中，我們在討論企業(yè)中典

型的數(shù)據(jù)處理應(yīng)用時以銀行企業(yè)作為實例。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成

■數(shù)據(jù)庫(Database)

■數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（及其開發(fā)工具）

■（DataBaseManagementSystem,簡稱DBMS）

應(yīng)用系統(tǒng)（applicationsystem)

■數(shù)據(jù)庫管理員（DBA）

■用戶(user)

1.3數(shù)據(jù)視圖

■數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一些相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)以及一

組使得用戶可以訪問和修改這些數(shù)據(jù)的程

序的集合。

■數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的一個主要目的是給用戶

提供數(shù)據(jù)的抽象，也就是說，系統(tǒng)隱藏關(guān)

于數(shù)據(jù)存儲和維護的某些細節(jié)。

1.3.1數(shù)據(jù)抽象

由于許多數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的用戶并未

受過計算機專業(yè)訓(xùn)練，系統(tǒng)開發(fā)人員

通過如下幾個層次上的抽象來對用戶

屏蔽復(fù)雜性，以簡化用戶與系統(tǒng)的交

互。

LevelsofAbstraction

■Physicallevel:describeshowarecord(e.g.,customer)isstored.

■Logicallevel:describesdatastoredindatabase,andthe

relationshipsamongthedata.

typecustomer—record

customerj,d:string;

customer_name:string;

customer_street:string;

customer_city:string;

end;

■Viewlevel:applicationprogramshidedetailsofdatatypes.

Viewscanalsohideinformation(suchasanemployee'ssalary)

forsecuritypurposes.

1.3.1數(shù)據(jù)抽象

■物理層

■最低層次的抽象，描述數(shù)據(jù)實際上是怎樣存儲的。

物理層詳細描述復(fù)雜的低層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

■邏trm車■/-耳d|層----?

■比物理層層次稍高的抽象，描述數(shù)據(jù)庫中存儲什么

數(shù)據(jù)及這些數(shù)據(jù)間存在什么關(guān)系。

■視圖層

■最高層次的抽象，只描述整個數(shù)據(jù)庫的某個部分

數(shù)據(jù)的三層抽象

physical

IEVEI

1.3.2實例和模式

隨著時間的推移，信息會被插入或刪

除，數(shù)據(jù)庫也就發(fā)生了改變。特定時刻存

儲在數(shù)據(jù)庫中的信息的集合稱作數(shù)據(jù)庫的

一個實例(instance)。而數(shù)據(jù)庫的總體設(shè)

計稱作數(shù)據(jù)庫模式(schema)。

1.3.2實例和模式

數(shù)據(jù)庫模式和實例的概念可以通過與

用編程語言寫出的程序進行類比來理解。

數(shù)據(jù)庫模式對應(yīng)于程序設(shè)計語言中的變量

聲明（以及關(guān)聯(lián)類型的定義）。每個變量

在特定的時刻會有特定的值，程序中變量

在某一時刻點上的值對應(yīng)于數(shù)據(jù)庫模式的

一個實例。

1.3.2實例和模式

■根據(jù)前面我們所討論的不同的抽象層次，數(shù)據(jù)庫系

統(tǒng)可以分為幾種不同的模式。

■物理模式(physicalschema)

■在物理層描述了數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

■邏輯模式(logicalschema)

■在邏輯層描述數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。

■子模式(subschema)

■數(shù)據(jù)庫在視圖層也可分為幾種模式，它描述了數(shù)據(jù)

庫的不同視圖。

■模式(Schema)

■數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述

■是型的描述

-反映的是數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及其聯(lián)系

■模式是相對穩(wěn)定的

■模式的一^"b實例（Instance）

■模式的一個具體值

■反映數(shù)據(jù)庫某一時刻的狀態(tài)

■同一個模式可以有很多實例

■實例隨數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)的更新而變動

例如：在學(xué)生選課數(shù)據(jù)庫模式中，包含學(xué)生記錄、

課程記錄和學(xué)生選課記錄

■2003年的一個學(xué)生數(shù)據(jù)庫實例，包含：

＞2003年學(xué)校中所有學(xué)生的記錄

＞學(xué)校開設(shè)的所有課程的記錄

＞所有學(xué)生選課的記錄

■2002年度學(xué)生數(shù)據(jù)庫模式對應(yīng)的實例與

2003年度學(xué)生數(shù)據(jù)庫模式對應(yīng)的實例是不同的

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式的概念

■“型”和“值”的概念

■(Type)

對某一類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和屬性的說明

■(Value)

是型的一個具體賦值

例如：學(xué)生記錄

記錄型：

(學(xué)號，姓名，性別，系別，年齡，籍貫)

該記錄型的一個記錄值：

(900201,李明，男，計算機，22,江蘇)

1.3.3數(shù)據(jù)模型

■由于計算機不可能直接處理現(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)換成計算機能夠處理的數(shù)據(jù)。

■在數(shù)據(jù)庫中用數(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。

■通俗地講數(shù)據(jù)模型就是現(xiàn)實世界的模擬。

■現(xiàn)有的DBMS均是基于某種數(shù)據(jù)模型的。

數(shù)據(jù)模型的分類

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，他們分屬于兩個不同的層次。

第一類：

按用戶的觀點來對數(shù)據(jù)和信息建模，完

全不涉及信息在計算機中的表示，主要用于數(shù)

據(jù)庫設(shè)計。

數(shù)據(jù)模型的分類

第二類：邏輯模型和物理模型

是按計算機的觀點對數(shù)據(jù)建模，主要用

于DBMS的實現(xiàn)，這類模型直接與DBMS有關(guān)。主要包括

■層次模型（樹）

■網(wǎng)狀模型（圖）

■關(guān)系模型（表）

■面向?qū)ο竽Ｐ?/p>

■對象關(guān)系模型

是對數(shù)據(jù)最低層的抽象，它描述數(shù)據(jù)在

系統(tǒng)內(nèi)部的表示方式和存取方法，在磁盤或磁帶上的

存儲方式和存取方法，是面向計算機系統(tǒng)的。

1.3.3概念模型（信息世界）

■概念模型實際上是現(xiàn)實世界到機器世界的一個中

間層次。

■把現(xiàn)實世界中的客觀對象抽象為某種信息結(jié)構(gòu)，

這種信息結(jié)構(gòu)不依賴于具體的計算機系統(tǒng)，完全

不涉及信息在計算機系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)。

■強調(diào)語義表達能力，概念簡單清晰，易于理解，

是用戶和DB設(shè)計人員交流的工具。

■表示方法——E-R模型

實體聯(lián)系模型(EntityRelationshipModel)

E—R圖

■建立概念模型的目的

■是將用戶關(guān)于企業(yè)的描述及業(yè)務(wù)的需求等信息

準(zhǔn)確的紀(jì)錄下來，按用戶的觀點對數(shù)據(jù)和信息

建模。

■這類模型強調(diào)其語義表達能力，它要能較方便

地、直觀地表達應(yīng)用中各種語義知識，如被描

述對象的意義和相互關(guān)系等。

■是用戶和數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員之間進行交流與溝通的工

具。

概念模型

■概念模型的用途

■概念模型用于信息世界的建模

■是現(xiàn)實世界到機器世界的一個中間層次

■是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的有力工具

■數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員和用戶之間進行交流的語言

■對概念模型的基本要求

■較強的語義表達能力

■能夠方便、直接地表達應(yīng)用中的各種語義知識

■簡單、清晰、易于用戶理解

兩大類數(shù)據(jù)模型

■客觀對象的抽象過程一兩步抽象

■現(xiàn)實世界中的客觀對象抽象為概念模型;

■把概念模型轉(zhuǎn)換為某一DBMS支持的數(shù)據(jù)模型。

兩大類數(shù)據(jù)模型

Q識、

抽象J

現(xiàn)實世界匚＞概念模型

數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員為成

信息世界概念模型概念模型=＞邏輯模型

數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員完成

__________________________________________1r_______________________________________

邏輯模型u＞物理模型

機器世界DBMS支持的數(shù)據(jù)模型

由DBMS完成

現(xiàn)實世界中客觀對象的抽象過程

兩大類數(shù)據(jù)模型

如：現(xiàn)實世界中的人

身高、體重、性別、年齡

Heightreal(0,200)

機器世界：Weightreal(0,150)

DBMS支持的數(shù)據(jù)模型Sexbit(0,1)

Ageint(0,200)

1.4數(shù)據(jù)庫語言

數(shù)據(jù)操縱語育(DML)是這樣一種語言,

它使得用戶可以訪問或操糾那些按照某種

適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)模型組織起來的數(shù)據(jù)。

■對存儲在數(shù)據(jù)庫中的信息進行檢索。

■向數(shù)據(jù)庫中插入新的信息。

■從數(shù)據(jù)庫中刪除信息。

■修改數(shù)據(jù)庫中存儲的信息。

1.4數(shù)據(jù)庫語言

■通常有兩類基本的數(shù)據(jù)操縱語言：

■過程化DML(proceduralDML)

■要求用戶指定需要什么數(shù)據(jù)以及如何獲得這些數(shù)據(jù)。

■聲明式DML(declarativeDML)(也稱為非過程化

DML)

■只要求用戶指定需要什么數(shù)據(jù)，而不指明如何獲得這

些數(shù)據(jù)。

1.4.2數(shù)據(jù)定義語言

數(shù)據(jù)庫模式是通過一系列定義來說明的，這

些定義由一種稱作數(shù)據(jù)定義語言(DDL)的特殊語

言來表達。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所使用的存儲結(jié)構(gòu)和訪問方式是

通過一系列特別的DDL語句來說明的，這種特殊

的DDL稱作數(shù)據(jù)存儲定義語言(datastorageand

definition)。這些語句定義了數(shù)據(jù)庫模式的實現(xiàn)

細節(jié)，而這些細節(jié)對用戶來說通常是不可見的。

1.4.2數(shù)據(jù)定義語言

存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)值必須滿足某些一致

性約束(consistencyconstraint)。例如，假設(shè)一^個

賬戶的余額不能低于100美元。DDL語言提供了指

定這種約束的工具。每當(dāng)數(shù)據(jù)庫被更新時，數(shù)據(jù)

庫系統(tǒng)都會檢查這些約束。

■通常，約束可以是關(guān)于數(shù)據(jù)庫的任意謂詞。然而，如

果要測試任意謂詞，可能代價比較高。因此，數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)專注于可以以最小代價測試的完整性約束。

1.4.2數(shù)據(jù)定義語言

域約束(domainconstraint)

每個屬性都必須對應(yīng)于由所有可能的取值

構(gòu)成的一個域（例如，整數(shù)型，字符型，日期

/時間型）。聲明一種屬性屬于某種具體的域

就相當(dāng)于約束它可以取的值。域約束是完整性

約束的最基本形式。每當(dāng)有新數(shù)據(jù)項插入到數(shù)

據(jù)庫中，系統(tǒng)就能方便地進行域約束檢測。

1.4.2數(shù)據(jù)定義語言

參照完整性(referentialintegrity)

■我們常常希望，一個關(guān)系中給定屬性集上的

取值也在另一關(guān)系的某一屬性集的取值中出現(xiàn)

(參照完整性)。數(shù)據(jù)庫的修改會導(dǎo)致參照完

整性的破壞。當(dāng)違反了參照完整性約束時，通

常的處理方式是拒絕執(zhí)行導(dǎo)致完整性被破壞的

操作。

1.4.2數(shù)據(jù)定義語言

■斷言(assertion)

■一個斷言就是數(shù)據(jù)庫總是需要滿足的任一條件。

■域約束和參照完整性約束是斷言的特殊形式。

■然而，還有許多約束不能僅用這幾種特殊形式表

達。例如，“每筆貸款的客戶中至少有一人賬戶

余額不小于1000.00美元”，必須表達成一個斷言。

斷言創(chuàng)建以后，系統(tǒng)會檢測其有效性。如果斷言

有效，則以后只有不破壞斷言的數(shù)據(jù)庫更新才被

允許。

1.4.2數(shù)據(jù)定義語言

■授權(quán)(authorization)

■我們也許想對用戶加以區(qū)別，對于不同的用戶，在數(shù)據(jù)

庫中的不同數(shù)據(jù)值上允許不同的訪問類型。這些區(qū)別以

授權(quán)來表達，最常見的是：

■讀授權(quán)(readauthorization)，允許讀取數(shù)據(jù)，但不能修改數(shù)據(jù)；

■插入授權(quán)(insertauthorization),允許插入新數(shù)據(jù)，但不允許修改

更新授權(quán)(updateauthorization),允許修改數(shù)據(jù)，但不能刪除據(jù)；

■刪除授權(quán)(deleteauthorization)

■我們可以賦予用戶所有的權(quán)限，或者沒有或部分擁有這

些權(quán)限。、

1.5關(guān)系數(shù)據(jù)庫

關(guān)系數(shù)據(jù)庫基于關(guān)系模型，使用一系列表

來表達數(shù)據(jù)以及這些數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。關(guān)系數(shù)

據(jù)庫也包括DML和DDLo

多數(shù)的商用關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使用本節(jié)介紹的

SQL語言，該語言將在第3章和第4章詳細介紹。

第5章我們討論其他有影響的語言。

1.5關(guān)系數(shù)據(jù)庫

■關(guān)系模型是最重要的一種數(shù)據(jù)模型。也

是目前主要采用的數(shù)據(jù)模型

■1970年由美國IBM公司SanJose研究室的

研究員E.F.Codd提出

■本課程的重點

1.5.1表

每個表有多個列，每個列有唯一的名字。圖

1-2展示了一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫示例，它由三個表組成:

其一給出銀行客戶的細節(jié)，其二給出賬戶，其三

展示了哪個賬戶屬于哪個客戶。

F面是customer表

CustomerjdCustomer_nameCustomer_streetCustomer_city

192-83-7465Johnson12almaSt.PaloAlto

019-28-3746Smith4NorthSt.Rye

677-89-9011Hayes3MainSt.Harrison

182-73-6091Turner123PutnamAve.Stamford

321-12-3123Jones100mainst.Harrison

336-66-9999Lindsay175ParkAve.Pittsfield

1.5.1表

Account_numberBalanceCustomerjdAccount_number

AIOI500192-83*7456AIOI

A215700192-83-7456A201

019-28-3746A215

A102400

677-89-9011A102

A305350

192-73-6091A305

A201900

321-12-3123A217

A217750336-66-9999A222

A222700019-28-3746A201

'、關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

■在用戶觀點下，關(guān)系模型中數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)是一張

二維2,它由行和列組成。

學(xué)生登記表

夜名年齡性另系名年號

王小明19女社會學(xué)2005

2005006黃大鵬20男商品學(xué)2005

2005008張文斌18女法律2005

??????????????????

關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

■關(guān)系必須是規(guī)范化的，滿足一定的規(guī)范條件

最基本的規(guī)范條件：關(guān)系的每一個分量必須是一個

不可分的數(shù)據(jù)項,不允許表中還有表

圖1.27中工資是可分的數(shù)據(jù)項，不符合關(guān)系模型要求

L工賁、

班號.組名：\扣除實發(fā)

、基本補

甲全\3200「2010C.I3120

(004

乙組,71500501450

點組

0082200150100225a

圖L27一個工資表（表中有表）實例

關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表1.2術(shù)語對比

關(guān)系術(shù)語一般表格的術(shù)語

關(guān)系名表名

關(guān)系模式表頭（表格的描述）

關(guān)系（一張）二維表

元組記錄或行

屬性列

屬性名列名

屬性值列值

分量一條記錄中的一個列值

非規(guī)范關(guān)系表中有表（大表中嵌有小表）

■關(guān)系(Relation)

一個關(guān)系對應(yīng)通常說的一張表

■元組(Tuple)

表中的一行即為一個元組

■屬性(Attribute)

表中的一列即為一個屬性，給每一個屬性起一個名

稱即屬性名

學(xué)生登記表

學(xué)號姓名年齡，性別系名年級

1元組

95004王小明19女社會學(xué)’95

95006黃大鵬20男商品學(xué)95

95008(宛-文獻、)18女法律學(xué),95

_____A

主碼分量屬性

關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

■主碼（Key）

表中的某個屬性組,它可以唯一確定一個元組。

■域（Domain）

屬性的取值范圍。

■分量（數(shù)據(jù)項）

元組中的一個屬性值。

■關(guān)系模式

對關(guān)系的描述

關(guān)系名（屬性1,屬性2,…，屬性n）

學(xué)生（學(xué)號，姓名，年齡，性別，系，年級）

關(guān)系數(shù)據(jù)模型的優(yōu)缺點

■優(yōu)點

■建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)概念的基礎(chǔ)上

■概念單一

■實體和各類聯(lián)系都用關(guān)系來表示

■對數(shù)據(jù)的檢索結(jié)果也是關(guān)系

■關(guān)系模型的存取路徑對用戶透明

■具有更高的數(shù)據(jù)獨立性，更好的安全保密性

■簡化了程序員的工作和數(shù)據(jù)庫開發(fā)建立的工作

關(guān)系數(shù)據(jù)模型的優(yōu)缺點

■缺點

■存取路徑對用戶透明導(dǎo)致查詢效率往往

不如非關(guān)系數(shù)據(jù)模型

■為提高性能，必須對用戶的查詢請求進

行優(yōu)化增加了開發(fā)DBMS的難度

典型的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

■ORACLE

■SYBASE

■DB/2

■SQLServer2000

■MYSQL

■INFORMIX

1.5.2數(shù)據(jù)操縱語言

■數(shù)據(jù)操作是集合操作，操作對象和操作結(jié)果

都是關(guān)系，即若干元組的集合

■查詢插入刪除更新

■存取路徑對用戶隱蔽，用戶只要指出“干什

么”，不必詳細說明“怎么干”

1.5.2數(shù)據(jù)操作語言

■selectcustomer.customer_name

■fromcustomer

■wherecustomer.customer_city="Harrison

1.5.3數(shù)據(jù)定義語言

■createtableaccount

■(accont_numberchar(10)

■balanceinteger)

1.5.4來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)庫訪問

SQL不像通用的圖靈機那么強大；即，

有一些計算無法通過任何SQL查詢得到。這

樣的計算必須用一種宿主語言來寫，比如

CoboLC,C++或Java,在其中使用嵌入式

的SQL查詢來訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)

1.5.4來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)庫訪問

■為了訪問數(shù)據(jù)庫，DML語句需要由宿主語言

來執(zhí)行。有兩種途徑：

■一種是通過提供應(yīng)用程序接口（過程集），

它可以用來將DML和DDL的語句發(fā)送給數(shù)

據(jù)庫，再取回結(jié)果。

■由微軟定義的與C語言一起使用的開放數(shù)據(jù)

庫連接（ODBC）標(biāo)準(zhǔn)，是一種常用的應(yīng)用程

序接口標(biāo)準(zhǔn)。Java數(shù)據(jù)庫連接。DBC）標(biāo)準(zhǔn)同

樣為Java語言提供了相應(yīng)的特征。

1.5.4來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)庫訪問

■另一種是通過擴展宿主語言的語法，在

宿主語言的程序中嵌入DML調(diào)用。通常用一

個特殊字符作為DML調(diào)用的開始，并且通過

預(yù)處理器，稱為DML預(yù)編譯器(DML

precompiler),來將DML語句轉(zhuǎn)變成宿主語

言中的過程調(diào)用。

1.6數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計主要是數(shù)據(jù)庫模式的設(shè)

計；設(shè)計一個滿足企業(yè)需求模型的完整

的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用環(huán)境還要考慮更多的問題。

因此，我們先著重討論數(shù)據(jù)庫查詢語句

的書寫以及數(shù)據(jù)庫模式的設(shè)計，

1.6.1設(shè)計過程

數(shù)據(jù)庫設(shè)計的第一步是全面刻畫

預(yù)期的數(shù)據(jù)庫用戶的數(shù)據(jù)需求。為了

完成這個任務(wù)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計者有必要

和領(lǐng)域?qū)＜?、?shù)據(jù)庫用戶廣泛地交流;

這個階段的成果是制定出用戶需求說

明

1.6.1設(shè)計過程

下一步，設(shè)計者選擇一個數(shù)據(jù)模型；并運用

該選定的數(shù)據(jù)模型的概念，將那些需求轉(zhuǎn)換成一

個數(shù)據(jù)庫的概念模式。

在這個概念設(shè)計(conceptual-design)階段開發(fā)

出來的模式提供了企業(yè)的詳細概述。設(shè)計者

1’一遍這個模式，確保所有的數(shù)據(jù)需求都滿足并

且相互之間沒有沖突，在檢查過程中設(shè)計者也可

以去掉一些冗余的特征。

1.6.1設(shè)計過程

以關(guān)系模型的角度來看，概念設(shè)計階段包括

決定數(shù)據(jù)庫中應(yīng)該存儲哪些屬性，以及如何設(shè)計

表來組織這些屬性。

前者基本上是商業(yè)的決策，在本書中我們不

過多介紹。而后者主要是計算機科學(xué)的問題，解

決這個問題主要有兩種方法：一種是使用實體一

聯(lián)系模型，另一種是引入一套算法（通稱為規(guī)范

化），這套算法將所有屬性集作為輸入，生成一

些關(guān)系表

1.6.2銀行企業(yè)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計

■初始的用戶需求規(guī)格說明可以基于與數(shù)據(jù)庫用

戶的交流以及設(shè)計者自己對銀行業(yè)務(wù)的分析。

■以下是銀行企業(yè)的主要特征：

■銀行由支行組成。每個支行在特定的城市，具有唯一

的名稱。銀行可以查看支行的資產(chǎn)。

■銀行客戶通過他們的customejid值區(qū)別，銀行存儲了

每位用戶的名字、居住的城市和街道?？蛻粲凶约旱?/p>

賬戶，可以貸款。一個客戶可能和特定的銀行職員相

關(guān)聯(lián)，他充當(dāng)客戶的貸款員或個人銀行顧問。

1.6.2銀行企業(yè)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計

銀行提供兩種賬戶：儲蓄賬戶和支票賬戶。

■賬戶可以對應(yīng)多個客戶，一個客戶也可擁有多個賬戶。每個賬戶

被賦予唯一的賬號。銀行保存了每個賬戶的余額，以及賬戶的擁

有者訪問賬戶的最近日期。另外，每個儲蓄賬戶有一個利率，每

個支票賬戶的透支信息也被記錄下來。

銀行為客戶提供貸款。某次貸款在特定的支行發(fā)生，

貸款可以為一個人或多個人合貸。每筆貸款由唯一的貸款

號決定。對每個貸款，銀行保存了貸款數(shù)量和貸款還款的

記錄。每筆還款都有日期和金額。

銀行職員通過employee_id值區(qū)別。銀行管理部門保存

每位職員的名字和電話，重行職員家屬的名字以及雇員經(jīng)

理的employee_id號；銀行還存儲了職員的雇傭日期。

1.6.3實體一聯(lián)系模型

實體一聯(lián)系(E?R)數(shù)據(jù)模型基于對現(xiàn)實世界

的這樣一種認(rèn)識：現(xiàn)實世界由一組稱作實體的基

本對象以及這些對象間的聯(lián)系構(gòu)成。

實體是現(xiàn)實世界中可區(qū)別于其他對象的一件

“事情”或一個“物體”。例如，每個人是一個

實體，每個銀行賬戶也是一個實體。

1.6.3實體一聯(lián)系模型

數(shù)據(jù)庫中實體通過一些屬性(attribute)來描述。

例如，account_number與balance屬性描述了銀

行的某個特定賬戶，并且它們也組成了account實

體集的屬性。

■類彳以地，屬,性如customer_name、customer_street

和customer_city也可以描述customer實體。

1.6.3實體一聯(lián)系模型

■我們用一個額外的屬性customejid來唯一標(biāo)識客

戶。

■在美國，客戶的社會保障號是美國政府分配給

每個美國公民的唯一的號碼作為客戶的標(biāo)識。

■聯(lián)系(relationship)是實體之間的關(guān)聯(lián)。

■例如，depositor聯(lián)系將一個客戶和她的每個賬

戶關(guān)聯(lián)在一起。同一類型的所有實體的集合稱

作實體￡，同一類型的所有聯(lián)系的

集合稱作稱系3(relationshipset)。

163實體——聯(lián)系模型

■數(shù)據(jù)庫的總體邏輯結(jié)構(gòu)（模式）可以用E?R圖進

行圖形化表示。E?R圖由以下元素構(gòu)成：

■矩形（rectangle）,代表實體集。

■橢圓（ellipse）,代表屬性。

■菱形（diamond）,代表實體集間的聯(lián)系。

■線段（line）,將屬性與實體集相連或?qū)嶓w集

與聯(lián)系相連。

1.6.3實體——聯(lián)系模型

■ER模型描繪了數(shù)據(jù)庫必須遵守的對其內(nèi)容的某些約束。一個重要的約

束是(mappingcardinality),它表示通過某個聯(lián)系集能與另

一實體進行關(guān)聯(lián)的實體數(shù)目。例如，如果一個賬戶只能屬于一個客戶,

ER模型就能表達出這種約束。

■實體一聯(lián)系模型在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中使用廣泛，在第6章中將詳細研究。

1.6.4規(guī)范化

另外一種設(shè)計關(guān)系數(shù)據(jù)庫的方法采用一種通

常被稱為規(guī)范化的過程。它的目標(biāo)是生成一個關(guān)

系模式集合，使我們能無冗余地存儲信息。

這種方法是設(shè)計一種符臺適當(dāng)?shù)姆妒降哪Ｊ健?/p>

為確定一個關(guān)系模式是否符合想要的范式，我們

需要額外的關(guān)于用數(shù)據(jù)庫建摸的現(xiàn)實世界中企業(yè)

的信息，最常用的方法是使用函數(shù)依賴

(functionaldependency),將在74節(jié)討論。

1.8.1存儲管理囂

存儲管理器是在數(shù)據(jù)庫中存儲的低層數(shù)據(jù)與應(yīng)

用程序以及向系統(tǒng)提交的查詢之間提供接口的程

序模塊。

存儲管理器應(yīng)負責(zé)與文件管理器進行交互。原

始數(shù)據(jù)通過文件系統(tǒng)存儲在磁盤上，文件系統(tǒng)通

常由傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)提供。存儲管理器將不同的

DML語句翻譯為底層文件系統(tǒng)命令。因此，存儲

管理器負責(zé)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存儲、檢索和更新

1.8.1存儲管理囂

■存儲管理器部件包括：

■?權(quán)限及完整性管理器,檢測是否滿足完整性約

束，檢查試圖訪問數(shù)據(jù)的用戶的權(quán)限。

■,事務(wù)管理器,保證即使發(fā)生了故障，數(shù)據(jù)庫也

保持在一致的（正確的）狀態(tài)；保證并發(fā)事務(wù)的

執(zhí)行不發(fā)生沖突。

■■文件管理器，管理磁盤空間的分配，管理用于表

示磁盤上所存儲信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

■,緩沖管理器,負責(zé)將數(shù)據(jù)從磁盤上取到內(nèi)存中

來，并決定哪些數(shù)據(jù)應(yīng)被緩沖存儲在內(nèi)存中。緩

沖管理器是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵部分，因為

它使數(shù)據(jù)庫可以處理比內(nèi)存更大的數(shù)據(jù)。

1.8.1存儲管理囂

■存儲管理器實現(xiàn)了幾種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

■,數(shù)；(datafile),存儲數(shù)據(jù)庫自身。

■,數(shù)據(jù)字典(datadictionary),存儲關(guān)于數(shù)據(jù)庫結(jié)

構(gòu)的元數(shù)據(jù)，尤其是數(shù)據(jù)庫模式。

■?，提供對數(shù)據(jù)項的快速訪問。和書

中的索引一樣，數(shù)據(jù)庫索引為包含特定值的數(shù)據(jù)

提供了指針。

1.8.2查詢處理器

■查詢處理器組件包括:

■?DDL解釋器(DDLinterpreter),解釋

DDL語句并將這些定義記錄在數(shù)據(jù)字典中。

■?DML編譯器(DMLcompiler),將查詢語

言中DML語句翻譯為一個計算方案，包括

一系列查詢計算引擎能理解的低級指令。

1.8.2查詢處理器

■一個查詢通?？杀唤忉尦啥喾N等價的具

有相同結(jié)果的計算方案的一種。

■DML編譯器還進行:

■查詢優(yōu)化(queryoptimization)

■查詢計算引擎(queryevaluationengine),

執(zhí)行由DIVIL編譯器產(chǎn)生的低級指令。

1.9事務(wù)管理

■通常，對數(shù)據(jù)庫的幾個操作合起來形成一個邏輯單元。如

1.2節(jié)中資金轉(zhuǎn)賬的例子，其中的一個賬戶(A賬戶)發(fā)生

借出操作，而另一賬戶(B賬戶)發(fā)生貸入操作。顯然，

這兩個操作必須保證要么都發(fā)生要么都不發(fā)生。這種要

么完成要么不發(fā)生的要求稱為原子性(atomicity)。

■資金轉(zhuǎn)賬還必須保持?jǐn)?shù)據(jù)庫的一致性。也就是說，

A+B的和應(yīng)該是保持不變的。這種正確性的要求稱作一致

(consistency)。

■最后，當(dāng)資金轉(zhuǎn)賬成功結(jié)束后，即使發(fā)生系統(tǒng)故障，賬戶

A和賬戶B的值也應(yīng)該保持不變。這種保持不變的要求稱

為持久性(durability)。

1.9事務(wù)管理

事務(wù)(transaction)是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用中完成單一邏輯功能的

操作集合，是一個既具原子性又具一致性的單元。

我們要求事務(wù)不違反任何的數(shù)據(jù)庫一致性約束，即：

如果事務(wù)啟動時數(shù)據(jù)庫是一致的，那么當(dāng)這個事務(wù)成功結(jié)

束時數(shù)據(jù)庫也應(yīng)該是一致的。但是，在事務(wù)執(zhí)行過程中，

必要時允許暫時的不一致，因為無論是A取出的操作在前

還是B存入的操作在前，這兩個操作都必然有一個先后次

序。這種暫時的不一致雖然是必須的，但在故障發(fā)生時，

很可能導(dǎo)致問題的產(chǎn)生。

1.9事務(wù)管理

適當(dāng)定義不同事務(wù)是程序員的任務(wù)，事務(wù)的

定義應(yīng)使之能保持?jǐn)?shù)據(jù)庫的一致性。例如，資金

從賬戶A轉(zhuǎn)到賬戶B可以被定義為由兩個單獨的程

序組成：一個對賬戶A執(zhí)行取出操作，另一個對

賬戶B執(zhí)行存入操作。這兩個程序的依次執(zhí)行可

以保持一致性。但是，這兩個程序自身都不是把

數(shù)據(jù)庫從一個一致的狀態(tài)轉(zhuǎn)入一個新的一致的狀

態(tài)，因此它們都不是事務(wù)。

1.9事務(wù)管理

原子性和持久性的保證則是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)自身

的任務(wù)，更確切一些，是事務(wù)管理部件。

由于各種各樣的故障，事務(wù)并不總能成功執(zhí)

行完畢。為了保證原子性，失敗的事務(wù)必須對效

據(jù)庫狀態(tài)不產(chǎn)生任何影響，因此，數(shù)據(jù)庫必須被

恢復(fù)到該失敗事務(wù)開始執(zhí)行以前的狀態(tài)。這種情

況下數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)必須運行故障恢復(fù)（failure

,來檢測系統(tǒng)故障并將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到故

障發(fā)生以前的狀態(tài)。

1.9事務(wù)管理

當(dāng)多個事務(wù)同時對數(shù)據(jù)庫進行更新時，即使

每個單獨的事務(wù)都是正確的，數(shù)據(jù)的一致性也可

能被破壞。并發(fā)控制管理器控制并發(fā)事務(wù)間的相

互影響，保證數(shù)據(jù)庫一致性。

■事務(wù)處理的基本概念在第15章介紹.并發(fā)事務(wù)的管理

在第16章討論，第17章詳細介紹故障恢復(fù)。

1.10數(shù)據(jù)挖掘與分析

數(shù)據(jù)挖掘(datamining)在人工智能領(lǐng)域，習(xí)

慣上又稱為數(shù)據(jù)庫中的知識發(fā)現(xiàn)(Knowledge

DiscoveryinDatabase,KDD(也稱為機器學(xué)習(xí)

(machinelearning))

數(shù)據(jù)挖掘試圖從數(shù)據(jù)中尋找規(guī)則或模式。但是,

數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計分析不一樣的地方在

于它處理主要存儲在磁盤上的大量的數(shù)據(jù)，也就

是說，數(shù)據(jù)挖掘就是在數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)知識。

1.10數(shù)據(jù)挖掘與分析

從數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)的某些類型的知識可以用一

套規(guī)則(rule)標(biāo)識。下面是一條規(guī)則的例子，非形

式化的描述為：??年收入高于50000美元的年輕

女性是最可能購買小型運動車的人群。門當(dāng)然這

條規(guī)則并不是永遠正確的，但它有一定的“支持”

度和“置信?.度。其他類型的知識表達方式比如

聯(lián)系不同變量的方程式，或者通過其他機制根據(jù)

某些已知的變量來預(yù)測輸出。

1.11數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)很大程度上取決于數(shù)

據(jù)庫系統(tǒng)所運行的計算機系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以是集中式的、客戶/服務(wù)器

式的（一臺服務(wù)器為多個客戶機執(zhí)行任務(wù)）；也

可以針對并行計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；

分布式數(shù);包含地理上分離的多臺計算機。

1.11數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序通?？煞譃閮苫蛉齻€部分，

如下圖所示。

在兩層體系結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用程序被分離出一部

分保留在客戶機上，用來通過查詢語言表達式來

調(diào)用服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能。像ODBC和

JDBC這樣的應(yīng)用程序接口標(biāo)準(zhǔn)被用于進行客戶端

和服務(wù)器的交互。

1.11數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)

■在三層體系結(jié)構(gòu)中，客戶機只作為一個前端并

且不包含任何直接的數(shù)據(jù)庫調(diào)用。

■客戶端通過窗口界面與一個應(yīng)用服務(wù)器

(applicationserver)進行通信，通常是一^個表單界

面，接著應(yīng)用服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通信以訪問數(shù)

據(jù)。應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)邏輯(businesslogic),也就是

說在何種條件下做出何種反應(yīng)，被嵌入到應(yīng)用服

務(wù)器中，而不是分布在多個客戶機上。

■三層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更適合大型應(yīng)用和WWW上的應(yīng)用

1.11數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)

1.12數(shù)據(jù)庫用戶和管理員

■數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的一個主要目標(biāo)是從

數(shù)據(jù)庫中檢索信息和往數(shù)據(jù)庫中存儲

新信息。

■使用數(shù)據(jù)庫的人員可被分為數(shù)據(jù)

庫用戶和數(shù)據(jù)庫管理員

三、人員

■數(shù)據(jù)庫管理員

■系統(tǒng)分析員和數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員

■應(yīng)用程序員

■用戶

?:?不同的人員涉及不同的數(shù)據(jù)抽象級別，具有不同的數(shù)據(jù)

視圖，如下圖所示。

圖1.30各種人員的數(shù)據(jù)視圖

數(shù)據(jù)庫管理員(DBA)

具體職責(zé)：

■1.決定數(shù)據(jù)庫中的信息內(nèi)容和結(jié)構(gòu)

■2.決定數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)和存取策略

■3.定義數(shù)據(jù)的安全性要求和完整性約束條件

數(shù)據(jù)庫管理員

■4.監(jiān)控數(shù)據(jù)庫的使用和運行

■周期性轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)庫

■數(shù)據(jù)文件

■日志文件

■系統(tǒng)故障恢復(fù)

■介質(zhì)故障恢復(fù)

■監(jiān)視審計文件

數(shù)據(jù)庫管理員

■5.數(shù)據(jù)庫的改進和重組

■性能監(jiān)控和調(diào)優(yōu)

■定期對數(shù)據(jù)庫進行重組織，以提高系統(tǒng)的

性能

■需求增加和改變時，數(shù)據(jù)庫須需要重構(gòu)造

系統(tǒng)分析員

■負責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)的需求分析和規(guī)范說明

■與用戶及DBA協(xié)商，確定系統(tǒng)的硬軟件配置

■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

■參加用戶需求調(diào)查和系統(tǒng)分析

■確定數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)

■設(shè)計數(shù)據(jù)庫各級模式

4.應(yīng)用程序員

■設(shè)計和編寫應(yīng)用系統(tǒng)的程序模塊

■進行調(diào)試和安裝

4.用戶

用戶是指最終用戶，即通過應(yīng)用系統(tǒng)的用戶接口使用數(shù)據(jù)庫

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