第1章数据库原理.ppt

2 在讲授课程内容之前，首先介绍一下数据库技术的地位，使得大家了解学习数据库原理的目的、作用和重要性。其次介绍一下课程教学大纲，使得大家对课程内容和课程要求有所了解，明确后续学习的目标。在计算机应用中的地位在计算机应用中的地位在计算机专业课程中的地位在计算机专业课程中的地位数据库技术的地位3在计算机应用中的地位 数据库技术代表数数据库技术代表数据处理的最高水平据处理的最高水平数据数据处理处理科学计算科学计算自动控制自动控制辅助设计辅助设计人工智能人工智能4在计算机专业课程中的地位在计算机专业课程中的地位程序设计数据结构操作系统数据库原理软件工程人工智能离散数学大型数据库分布数据库网络数据库数据库应用数据挖掘数据挖掘大数据大数据5课程教学大纲课程教学大纲 课程的性质、目的及任务 本课程的基本要求 学时分配6课程的性质、目的及任务 本课程属于专业基础必修课。系统讲授数据库基础知识、数据库系统原理与技术，使学生熟悉并掌握数据库系统的原理、基本概念和数据库设计理论和方法，具备开发和应用数据库软件的能力。71.了解数据库系统的产生、发展和基本特点；2.掌握基本概念;掌握数据库模型的基本要素;掌握数据库系统的体系结构3.掌握关系数据库方法;4.了解关系系统的定义和分类及查询优化的基本原理。5.掌握标准SQL语言。6.掌握关系数据理论。7.掌握数据库设计理论和方法。8.掌握数据库完整性、安全性;9.熟悉并发控制和数据库恢复技术。10.了解数据库技术的新发展。本课程的基本要求8基础基础产生与发展基本概念基本概念体系结构体系结构DB设计设计安全性安全性完整性完整性恢复技术并发控制设计设计系统系统DB理论理论关系数据库关系数据库标准标准SQL语言语言规范化理论规范化理论9学时分配讲课：讲课：48学时学时基本概念DB、DBMSDBS、DMDBS体系结构关系代数标准SQL语句规范化理论数据库设计安全性安全性完整性完整性恢复技术并发控制10学时6+10学时8学时6学时8学时10主要参考书1.孟凡荣 数据库原理与应用（MySQL版）清华大学出版社 20192.王珊 萨师煊 数据库系统概论（第5版）高等教育出版社 201411数据库的基本概念数据库系统的产生与发展数据模型数据库系统结构数据库管理系统 数据库应用系统开发概述12数据库数据库数据库管理系统数据库管理系统数据库系统数据库系统数据库应用系统数据库应用系统13（1 1）数据库数据库 DB DB DataBaseDataBase 在计算机的存储设备上合理存放、相关联、有结构的数据集合。数据库数据库14 数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。它主要功能是建立和维护数据库，接受和完成用户访问数据库的各种请求。（2）数据库管理系统）数据库管理系统 DBMS Database Management SystemDatabase Management System15系统控制程序授权检查程序并发控制程序数据存取控制程序数据存储管理程序完整性控制程序通信控制程序终端查询语言解释程序DB控制语言解释程序DML处理程序DML翻译程序维护公用程序定义公用程序转储、编辑、打印公用程序工作日志公用程序信息格式维护公用程序统计分析公用程序DB恢复公用程序DB重构公用程序装入程序信息格式定义公用程序保密定义公用程序子模式定义公用程序模式定义公用程序系统运行控制程序公用程序语言翻译处理程序数据库管理系统一个典型DBMS程序模块组成图16（3 3）数据库系统（）数据库系统（DBSDBSDatabase Database SystemSystem）数据库系统数据库系统:是指在计算机系统中引进数据库和数据库是指在计算机系统中引进数据库和数据库管理系统后的组成。管理系统后的组成。组成：组成：一般由硬件、软件、数据库、用户四部分组成。一般由硬件、软件、数据库、用户四部分组成。用户包括：管理、开发人员和用户。用户包括：管理、开发人员和用户。17 数据库系统及其应用程序的组成。数据库系统及其应用程序的组成。即在数据库系统环境下建立起来为某种应用服务即在数据库系统环境下建立起来为某种应用服务的软、硬件的集合。的软、硬件的集合。（4 4）数据库应用系统）数据库应用系统（Database Application SystemDatabase Application System，简记，简记DBASDBAS）18应用程序/用户DBMSDBMSOS硬件 DBDBDBSDBSDBASDBASDB、DBMS、DBS、DBAS关系19数据、信息、数据管理与数据处理数据管理技术的产生与发展 数据库系统的特点 201.2.1 1.2.1 数据、信息、数据管理与数据处理数据、信息、数据管理与数据处理 数数据据管管理理：是指对数据的分类、组织、编码、存储、查询和维护等活动，是数据处理的中心环节。数据：数据：用以载荷信息的各种符号信息：信息：数据有意义的表现。数数据据处处理理：是指对数据进行收集、组织、存储、加工、抽取和传播等一系列活动的总和。其目的是从大量的、原始数据中抽取、推导出对人们有价值的信息。21应用程序数据(1)人工管理阶段 50年代中期以前应用程序管理数据数据不共享数据不具有独立性数据不保存1.2.2 1.2.2 数据管理技术的发展数据管理技术的发展22(2)文件系统阶段 50年代后期至60年代中期应用程序1应用程序2应用程序n文件管理系统文件1文件2文件n1.2.2 1.2.2 数据管理技术的发展数据管理技术的发展数据可以长期保存由文件系统管理数据数据共享性差冗余度大数据独立性差23(3)数据库系统阶段 60年代末后期以来应用程序1应用程序2应用程序n数据库管理系统（DBMS）数据库1.2.2 1.2.2 数据管理技术的发展数据管理技术的发展24IMS系统系统Information Management SystemDBTG系统系统DataBase Task Group关系数据库系统关系数据库系统25数据库系统的三个发展阶段数据库系统的三个发展阶段第二代数据库系统第二代数据库系统 20世纪80年代以关系数据库为代表的。新一代数据库系统新一代数据库系统 20世纪80年代末，90年代初以来热点课题第一代数据库系统第一代数据库系统20世纪70年代以网状型数据库和层次型数据库为代表的。261.2.3 1.2.3 数据库系统的特点数据库系统的特点 采用一定的数据模型实现数据结构化数据的冗余度小实现数据共享 避免了数据的不一致性较高的数据独立性数据由DBMS统一管理和控制安全性完整性并发控制数据库恢复27数据模型：现实世界数据数据特征的模拟和抽象。模型：现实世界特征的模拟和抽象。281.3.1 1.3.1 数据模型的几个重要问题数据模型的几个重要问题 信息世界：信息世界：概念模型概念模型数据世界数据世界(计算机世界计算机世界)：DBMS支持的数据模型支持的数据模型 现实世界中客观对象的抽象过程现实世界中客观对象的抽象过程现实世界现实世界29数据模型的要求(1)真实性(2)易理解(3)易实现（1）概念数据模型（2）逻辑数据模型（3）物理数据模型30数据模型的分类数据模型的组成要素数据模型的组成要素数据结构数据结构：数据操作数据操作：数据的约束条件：数据的约束条件：是对系统静态特性的描述。是对系统动态特性的描述。一组完整性规则的集合。数据本身及数据之间的联系对数据操作所要完成的功能保证数据的正确、有效、相容31 概念模型是从现实世界到数据世界的一个中间层次，是数据库设计的重要工具。特点：具有丰富的语义表达能力和直接模拟现实世界的能力，具有直观、自然、语义丰富、易于用户理解 E-R数据模型（Entity-Relationship data model），即实体联系数据模型。1.3.2 实体联系数据模型(概念模型)32(1)(1)实体（实体（EntityEntity）实体：客观存在并可相互区别的个体。实体特性：描述实体的主要特征。实体集：具有相同特性实体的集合。实体标识符：唯一能确定实体集中某个实体的最小实体特性集。33三个世界所用术语及其对应关系现实世界信息世界计算机世界实体实体记录记录实体特性属性字段实体集实体记录集表实体标识符标识属性关键字34三个世界所用术语及其对应关系现实世界信息世界计算机世界实体实体实体记录记录记录实体特性属性属性字段字段实体集实体集实体记录集表表实体标识符实体标识符标识属性关键字关键字35 属性（Attribute）一个实体可以有若干个属性 不能再细分的属性称为原子属性 属性有型与值的区别 值域（属性值的变化范围）关键字36三个世界所用术语及其对应关系现实世界信息世界计算机世界实体实体实体记录记录记录实体特性属性属性字段字段实体集实体集实体记录集表表实体标识符实体标识符标识属性关键字关键字属 性37 二元联系：只有两个实体集参与的联系 实体（集）间的联系 1:11:1联系联系 （one-to-one)one-to-one)学校校长实体集A实体集B1 11 1381 1：m m 联系联系(one-to-many)(one-to-many)学校学生实体集A实体集B1m39 m m：n n 联系联系(many-to-many)(many-to-many)教师学生实体集A实体集Bmn40m:n各种实体联系的包含关系各种实体联系的包含关系1:n1:141 多元联系：参与联系的实体集的个数3时，称为多元联系。教师学生课程42 自反联系：它描述了同一实体集内两部分实体之间的联系。职 工领导1n43(3)E R 图实体名属性名联系名 E-R图的图形符号 难点：起名难点：起名44 绘制E-R图的步骤 第一步：通过对现实世界的分析、抽象以后，找出实体集及其属性第二步：找出实体集之间的联系第四步：绘制E-R图。第三步：找出实体集联系的属性4546第一步 首先找出相关实体集有：学生(S)教师(T)课程(C)学院(D)每个实体的属性分别为：S:学号，学生姓名，出生日期，专业，班级T:工号，教师姓名，职称，所在系C:课程号，课程名称，学时，考核方式D:学院代号，学院名称47第二步 找出实体集之间的联系第三步 找出实体集之间联系的属性学生(S)教师(T)课程(C)学院(D)S与C之间有m:n联系 D与S之间有1:n联系 T与C之间有m:n联系 D与T之间有1:nS与C之间联系的结果用成绩表示。T与C之间联系以学号来表示。48第四步 绘制E-R图T编号教师姓名职称所在教研室S学号学生姓名专业出生日期班级第四步第四步 绘制绘制E-RE-R图图49C课程号课程名称学时考核方式D学院代号学院名称50第四步第四步 绘制绘制E-RE-R图图学生学院课程教师管理学习授课编制成绩学号教学情况 E-R图51第二步 找出实体集之间的联系 S与C之间有m:n联系 D与S之间有1:n联系 T与C之间有m:n联系 D与T之间有1:n学生(S)教师(T)课程(C)学院(D)第二步 找出实体集之间的联系 S与C之间有m:n联系 S S与与T T之间有之间有m:nm:n联系联系 D与S之间有1:n联系 T与C之间有m:n联系 D与T之间有1:n52学生(S)教师(T)课程(C)学院(D)第三步 找出实体集之间联系的属性S与C之间联系的结果用成绩表示。T与C之间联系学号来表示。第二步 找出实体集之间的联系 S与C之间有m:n联系 D与S之间有1:n联系 T与C之间有m:n联系 D与T之间有1:n53第三步 找出实体集之间联系的属性S与C之间联系的结果用成绩表示。S S与与T T之间联系的结果用课程号表示。之间联系的结果用课程号表示。T与C之间联系学号来表示。学生(S)教师(T)课程(C)学院(D)第二步 找出实体集之间的联系 S与C之间有m:n联系 S S与与T T之间有之间有m:nm:n联系联系 D与S之间有1:n联系 T与C之间有m:n联系 D与T之间有1:n54第四步 绘制E-R图教学情况 E-R图学生学院课程教师管理学习授课编制成绩学号 教学课程号 55第二步 找出实体集之间的联系 S S、T T、C C之间有三元联系，且为之间有三元联系，且为m:nm:n联系联系 D与S之间有1:n联系 D与T之间有1:n第三步 找出实体集之间联系的属性S S、T T、C C之间联系的结果用成绩表示。之间联系的结果用成绩表示。学生(S)教师(T)课程(C)院系(D)56第四步第四步 绘制绘制E-RE-R图图教学情况 E-R图学生学院课程教师管理编制STC成绩 57581.3.3 最常用的数据模型层次模型网状模型关系模型面向对象模型59满足如下条件：（1）有且只有一个结点没有双亲结点，称为根结点（2）根以外的其它结点有且只有一个双亲结点。层次模型层次模型60R1R1R3R3R2R2R4R4R5R5R6R6兄弟结点兄弟结点叶结点叶结点根结点根结点数据结构61D1计算机系Y1Z140副教授080101数据库W1层次模型的具体实例I1计算机学院 X1学院代号院长姓名系号系名系主任名课程号课程名学时姓名年龄职称系课程教师学院层次模型例子办公室号办公室名办公室主任名办公室学院名称62数据操作1）查询从根结点开始，按给定条件沿一个层次路径查找所需要的记录。插入：指定一个插入层次路径，完成数据的插入操作。删除：先定位到要删除的记录上，完成删除任务。修改：先定位，然后可将修改后的记录值写回到数据库中。2）更新63ACBC7C5B6B4B1A1C8C6C4C9C2C14C364C7C5B6B4B1A1C8C6C4C9C2C14C3层次序列链接法层次序列链接法65C7C5B6B4B1A1C8C6C4C9C2C14C3子女兄弟链接法子女兄弟链接法A2C8C6C4B6C9C2B4C14C7C5C3B1A166数据约束1）除根结点外，任何其它结点不能离开其双亲结点而孤立存在。2）不能直接表示m:n。3）对层次结构进行修改时，不允许改变原数据库中记录类型之间的双亲子女联系，这使得数据库的适应能力受到限制。67优缺点缺点：缺点：不能直接表示多对多关系 操作限制多 结构严密，层次命令程序化优点：优点：简单清晰 性能较高 良好的完整性支持68 允许一个以上的结点无双亲 一个结点可以有多于一个的双亲班 级学 生社 团s1s2网状结构一个例子 网状模型69学生学习课程的网状数据库模式课程 课程号 课程名 学时数学生 学号 姓名 年龄 性别70将m:n 转换为两个1:n联系s1s2 学号 姓名 年龄 性别学生 课程号 课程名 学时数课程 学号 课程号 成绩学习71单向链接法72优缺点 优点：能直接描述现实世界 存取效率高 缺点：结构复杂，难掌握 其DDL，DML语言复杂，不易使用 73数据结构：学号姓名性别年龄学院110301张弛男19计算机110302王利男18计算机210301李红女18机电210302赵丹女17机电210303郭皖男20机电 关系：二维表元组：行；记录属性：列；字段 码：关键字 关系模型二维表格74关系模式（Relation Schema）关系模式是关系中信息内容结构的描述。S（学号，姓名，性别，年龄，学院，专业，班级）R：是关系名U：是组成关系R的全部属性的集合D：是U中属性取值的值域DOM：是属性列到域的映射I：是一组完整性约束条件（F）：是属性集间的一组数据依赖R（U，D，DOM，I，）简写：R（U）或 R（U，F）75学号学号姓名姓名性别性别年龄年龄专业专业学号学号课号课号成绩成绩课号课号课名课名学时学时学分学分学期学期76关系演算：以数理逻辑中的谓词演算来表达关系的操作。数据操作：查询、更新关系代数:传统的集合运算 特殊的关系运算77数据约束实体完整性参照完整性用户定义完整性78缺点：效率低优缺点优缺点优点：坚实的理论基础 表达能力强 简单 数据独立性高79 将现实世界的一切事物看作对象，一个对象不仅包括描述它的数据，而且还包括对它进行操作方法的定义。我们也可以把面向对象数据模型看作是一种可扩充的数据模型，这种数据模型比传统数据模型有更丰富的语义，用户根据应用需要可以定义新的数据类型及相应的约束和操作。面向对象数据模型80 学生 学号 姓名 性别 学籍管理 课程 课程号 课程名 学时 教学计划管理1+1+成绩 学生 课程 学习 成绩学号姓名性别课程号课程名学时81层次模型网状模型关系模型面向对象模型开始情况1968年IBM公司IMS系统1969年CODASYL的DBTG报告1970年EFCODD20世纪80年代数据结构复杂(树结构)复杂（有向图）简单（二维表）复杂（嵌套、递归）数据联系通过指针通过指针通过表间的公共属性通过对象标识查询语言过程性语言过程性语言非过程性语言面向对象语言典型产品IMSIDS/，IMAGE/3000OracleSybase、DB2SQL ServerONTOS DB盛行期间20世纪70年代20世纪70年代至80年代中期20世纪80年代至今20世纪90年代至今82值值1.4.1 数据库系统的三级模式结构 模式模式(Schema)：数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述。模式反映的是数据的结构及其联系。实例实例(Instance)：模式的一个具体值。实例反映的是数据库某一时刻的状态。1.4 数据库系统结构型型83应用A应用B应用C应用D应用E外模式1外模式2外模式3模式内模式数据库模式模式/内模式内模式外模式外模式/模式模式(1)(1)模式模式 模式也称逻辑模式。是对数据库全局逻辑结构的描述，是数据库所有用户的公共数据视图。84(2)外模式 简称子模式，也称用户模式。是用户观念下局部数据结构的逻辑描述，是用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述。应用A应用B应用C应用D应用E外模式1外模式2外模式3模式内模式数据库模式模式/内模式内模式外模式外模式/模式模式85(3)内模式 存储模式。是对数据库中数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。应用A应用B应用C应用D应用E外模式1外模式2外模式3模式内模式数据库模式模式/内模式内模式外模式外模式/模式模式86 这两层映象保证了数据库系统中的数据具有较高的逻辑独立性和物理独立性。1.4.2 数据库的两级映像与数据独立性 外模式/模式映象模式/内模式映象逻辑独立性逻辑独立性物理独立性物理独立性87用户数据库外模式概念数据库物理数据库内模式用户A1用户A2用户B外模式B外模式A内部模式模式外模式/模式映象模式/内部模式映象数据库DBMSOS数据库的分级结构与抽象层次对应图用户视图DBA视图系统程序员视图模式88应用系统/用户内模式模式外模式DBDBMSOS数据抽象级别软件系统层次用户DBA系统程序员各种人员的数据视图89数据库管理员(DBA)(DBA)负责全面管理和控制数据库系统。主要职责有：1）决定数据库中的信息内容和结构2）决定数据库的存储结构和存取策略3）定义数据的安全性要求和完整性约束条件 4）监控数据库的使用和运行5）负责数据库性能的改进和数据库的重组及重构工作。重组 重构901.4.3 用户通过DBMS访问数据库的过程 应用程序/用户DB系统缓冲区DBMSDBOS外模式模 式内模式 用户访问数据库的过程91DBMS的工作模式 数据请求数据（处理结果）低层命令数据（查询结果）DB物理数据库DBMS操作系统(OS)用户应用程序921.5 1.5 数据库管理系统数据库管理系统1.5.1 数据库管理系统的主要功能数据库定义功能数据库管理功能数据库的建立和维护功能 数据组织、存储和管理功能通信功能 931.5.2 数据库管理系统应该满足的要求容易使用;数据处理速度快、能力强 具有可发展性 具有逻辑数据独立性和物理数据独立性确保数据的完整性具有良好的数据保密性和安全性兼容性好逻辑数据结构简单强有力的用户语言 941.5.3 数据库管理系统程序模块的组成951.5.4 数据库管理系统的层次结构961.5.5 常见的数据库管理系统 Microsoft Access Oracle Microsoft SQL Server971.5.5 常见的数据库管理系统 Oracle Database，又名Oracle RDBMS，或简称Oracle。是甲骨文公司的一款关系数据库管理系统。到目前仍在数据库市场上占有主要份额。劳伦斯埃里森和他的朋友，之前的同事Bob Miner和Ed Oates在1977年建立了软件开发实验室咨询公司（SDL，Software Development Laboratories）。SDL开发了Oracle软件的最初版本。Oracle的名称来自于埃里森在Ampex工作时参加的一个由中央情报局创建的项目的代码名称。981.5.5 常见的数据库管理系统 SQL Server 是一个关系数据库管理系统。它最初是由Microsoft Sybase 和Ashton-Tate三家公司共同开发的，于1988 年推出了第一个OS/2 版本。在Windows NT 推出后，Microsoft与Sybase 在SQL Server 的开发上就分道扬镳了，Microsoft 将SQL Server 移植到Windows NT系统上，专注于开发推广SQL Server 的Windows NT 版本。Sybase 则较专注于SQL Server在UNIX 操作系统上的应用。SQL Server 2000 是Microsoft 公司推出的SQL Server 数据库管理系统，该版本继承了SQL Server 7.0 版本的优点，同时又比它增加了许多更先进的功能。具有使用方便可伸缩性好与相关软件集成程度高等优点，可跨越从运行Microsoft Windows 98 到运行Microsoft Windows 2000 的大型多处理器的服务器等多种平台使用。991.5.5 常见的数据库管理系统 Access是微软把数据库引擎的图形用户界面和软件开发工具结合在一起的一个数据库管理系统，它是微软OFFICE的一个成员。优点:简单易学 使用方便 100单用户结构单用户结构1.6 数据库应用系统开发概述101集中式结构集中式结构 102 分布式结构：数据在逻辑上相关、物理上分布，既能执行局部应用又能执行全局应用的结构。103客户/服务器（C/S）结构：根据客户端和服务器端所完成的功能可以划分出多种方案，但目的是在给定环境下使Client和 Server上负载均衡分配、减少网上的数据传输量，以获得系统的更高运行性能。104基于Web的数据库系统：主要研究有效地访问和管理Web上的信息，简称Web数据库系统。多层B/S模式结构 105数据库管理系统软件的研制数据库设计数据库理论106