数据库技术基础

1 数据库系统概述

1.1 数据库的4个概念

（1）数据（信息）

数据：指已记录或可获取的事实，是数据库存储的最小单元。除文本、数字外，还有图形、图像、声音等。  数据由于能为用户利用才被记录和保存的。

信息：指用户处于某种目的以某种手段（活动）获取的数据。

活动：数据搜索、数据处理、数据操纵。  

总结起来就是：

例：电话号码本--->数据，张三的电话号码--->信息

（2）数据库

数据库指长期存储在计算机内、有组织、可共享的大量数据的集合。 数据库的目的是将数据组织起来，以便用户直接从数据中获得信息。数据库的结构由数据库的元数据解释。

数据库元数据包含以下信息：

        数据结构名称（如：表名、列名）；

        数据类型（如：字符型、整数型）；

        数据描述（如：Sname代表学生姓名）；

        其他描述数据库所存数据特征的信息。

（3）数据库管理系统DBMS

DBMS是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，实现对数据库数据对象的统一管理、控制和维护。

DBMS的主要功能：

①数据定义：DBMS提供数据定义语言DDL，供用户定义数据库的三级模式结构、两级映像以及完整性约束和保密限制等约束。相关信息被存放在数据字典中。

②数据操作：DBMS提供数据操作语言DML，供用户实现对数据的追加、删除、更新、查询等操作。 数据库的运行管理：并发控制、安全性控制、完整性控制、日志管理、事务管理与恢复。这些功能保证了数据库系统的正常运行。

③数据的组织、存储与管理：组织、存储和管理各种数据，包括数据字典、用户数据、存取路径等。基本目标是提高存储空间利用率，选择合适的存取方法提高存取效率。

④数据库的维护：这一部分包括数据载入、转换、转储、数据库的重组合重构以及性能监控等功能。

⑤通信：负责数据的传送，DBMS与其他软件系统的通信功能以及数据库之间的互操作功能。

DBMS的层次结构如下图：

（4）数据库系统DBS

基于计算机系统，目的是在用户和数据库信息之间保证高效的交互。

数据库系统的三个组成部分：数据库、数据库管理系统（DBMS）和前端应用程序

1.2 数据管理技术及其发展

数据处理： 数据处理是将数据转换成信息，包括：数据的收集、管理、加工利用、信息输出。  

数据管理： 数据管理是数据处理的中心问题，包括对数据的分类、组织、编码、存储、检索和维护。  

数据管理技术的发展：

人工管理（20世纪50年代中期之前）、文件系统（20世纪50年代后期-60年代中期）、数据库系统（20世纪60年代 ····················       后期）

1.3 数据库系统的特点

① 数据结构化：实现整体结构化，理解与文件系统的区别。 

②数据的共享性高、冗余度低且易扩充 ：数据的共享不局限于某个局部应用，高度的数据共享大大减少了数据冗余，保证数据的一致性。  

③数据独立性高：

数据独立性：应用程序对数据结构的依赖程度。    

逻辑独立性与物理独立性

④数据由数据库管理系统(DBMS)统一管理和控制

2 数据模型

2.1 数据模型概述

模型：对现实世界中复杂对象的模拟与抽象。例如，军事上用的沙盘、航模、建筑模型、地图等。 数据模型是对现实世界中相关实体数据特征的抽象。

数据模型是一个描述数据、数据联系、数据语义以及一致性约束的概念工具的集合，是数据库系统的核心和基础。

三个世界：现实世界、信息世界和机器世界

抽象过程： 现实世界中的客观对象抽象为概念模型； 把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型。 （概念模型是现实世界到机器世界的一个中间层次）  

两类数据模型： 信息世界的概念模型、机器世界的逻辑模型和物理模型（也称结构数据模型） 

数据模型的三要素：数据结构、数据操作、数据的完整性约束。  

常用的数据模型： 概念模型：实体-联系模型（E-R模型） 结构数据模型：关系模型、层次模型、网状模型等。

概念模型 ：是按用户的观点来对数据和信息建模，即：信息世界的建模。    

逻辑模型：数据库的逻辑结构。  

物理模型：描述数据在存储介质上的存储方式和存取方法。

2.2概念模型

信息世界的数据模型（建模工具）。

作用：需求分析的可视化，设计人员与用户之间交流的语言。

信息世界中的基本概念：实体、属性、码、实体型、实体集、联系。

概念模型的一种常用方法：实体-联系方法（实体-联系模型，E-R模型），是一种用E-R图描述（抽象）现实世界的概念模型。

2.3层次模型

层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型

层次数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS（Information Management System）

层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系

基本的层次联系：

满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型：

        1. 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点

        2. 根以外的其它结点有且只有一个双亲结点

又如下关系：

层次模型的数据操纵：查询、插入、删除、更新

层次模型的完整性约束条件

        无相应的双亲结点值就不能插入子女结点值；

        如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除；

        更新操作时，应更新所有相应记录，以保证数据的一致性。  

多对多联系在层次模型中的表示

        方法：将多对多联系分解成一对多联系

        分解方法：冗余结点法、虚拟结点法

2.4网状模型

网状数据库系统采用网状模型作为数据的组织方式

典型代表是DBTG系统： 70年代由数据系统语言研究会（ CODASYL ）下属的DBTG提出的一个系统方案。这奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术

实际系统

        -Cullinet  Software  Inc.公司的 IDMS

        -Univac公司的 DMS1100

        -Honeywell公司的IDS/2

        -HP公司的IMAGE

网状模型的数据结构

满足下面两个条件的基本层次联系的集合为网状模型：

        1. 允许一个以上的结点无双亲；

        2. 一个结点可以有多于一个的双亲。

网状模型中子女结点与双亲结点的联系可以不唯一，要为每个联系命名，并指出与该联系有关的双亲记录和子女记录 。

网状模型结构示意

多对多联系在网状模型中的表示

2.5关系模型

关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式

1970年IBM公司的研究员E.F.Codd首次提出了数据库系统的关系模型

计算机厂商新推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型

关系模型的数据结构      

在用户观点下，关系模型由一组关系组成。每个关系的逻辑结构是一张二维表，它由行（元组）和列（属性）组成。

关系模型中的一些术语：  

        关系（Relation）：一个关系对应通常说的一张表  

        元组（Tuple）：表中的一行即为一个元组  属性（Attribute）：表中的一列即为一个属性（属性名）  

        主码（Key）：表中的某个属性组，可以唯一确定一个元组。  

        域（Domain）：属性的取值范围。  

        分量：元组中的一个属性值。  

        关系模式：对关系的描述     

                关系名（属性1，属性2，…，属性n）     

                学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级）

注意：关系必须是规范化的，满足一定的规范条件！       

关系中的每一个分量必须是一个不可分的数据项。      

表中的工资和扣除是可分的数据项，不符合关系模型要求！

关系模型的数据操作

数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系

操作：查询、插入、删除、更新

数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系（元组的集合）

存取路径对用户隐蔽，只要指出“做什么”，不必详细说明“怎么做”

关系的完整性约束条件

        实体完整性

        参照完整性

        用户定义的完整性

关系模型的存储结构

实体及实体间的联系都用表来表示

表以文件形式存储  

        有的DBMS一个表对应一个操作系统文件  

        有的DBMS自己设计文件结构

3 数据库系统的结构

数据库系统的内部结构-模式结构

从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，是数据库系统的内部结构 。

 数据库系统的外部结构-体系结构

从数据库最终用户角度看（数据库系统的体系结构） ，数据库系统的结构分为: 单用户结构、主从式结构、分布式结构、客户/服务器 浏览器/应用服务器/数据库服务器多层结构等

数据库系统的三级模式结构

        模   式：数据库整体逻辑结构

        外模式：用户的局部逻辑结构

        内模式：数据库的物理结构

数据库的二级映像功能与数据独立性

三级模式是对数据的三个抽象级别

二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换：

        外模式/模式映像：实现数据的逻辑独立性

        模式/内模式映像 ：实现数据的物理独立性