数据库完整版课件全书电子教案.pptx
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1、第1章 数据库基础知识数据库基础知识主讲:XXX1.1数据库系统概述1.2数据模型1.3关系模型1.4数据库设计的步骤 目录1.1.1数据和数据处理1.1.2数据管理技术的发展过程1.1.3数据库系统1.1数据库系统概述 1.信息和数据 (1)数据定义:描述现实世界中事物的符号记录形式,是利用物理符号记录下来的可以识别的信息。 数据的种类很多,数字、文字、图形、图像、声音、视频、学生的档案记录、货物的流通情况等,这些都是数据。 (2)信息:指现实世界中事物的存在方式或运动状态的反映。 (3)信息和数据的关系:数据是信息的符号表示或载体;信息是数据的内涵,是对数据的语义解释。1.1.1数据和数据
2、处理1.1.2数据管理技术的发展过程数据管理技术的发展过程数据库数据库 技术技术的发展的发展人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段 在计算机出现之前,人们运用手工的方法从事数据记录、存储和加工,即利用纸张来记录数据,使用计算工具(如算盘、计算尺)进行计算,并主要依靠人的大脑来管理和处理这些数据。 1.人工管理阶段人工管理阶段7人工管理阶段人工管理阶段 时期时期 从从19461946年计算机产生年计算机产生5050年代中期年代中期 产生的背景产生的背景 应用需求应用需求 科学计算科学计算 硬件水平硬件水平 无直接存取存储设备无直接存取存储设备,只有纸带、卡,只有纸带、卡片、磁带等外存片、磁带等外
3、存 软件水平软件水平 没有操作系统没有操作系统和专门管理数据的软件和专门管理数据的软件 处理方式处理方式 批处理批处理8人工管理阶段人工管理阶段(续续) 特点特点 数据不保存数据不保存 系统没有专用的软件对数据进行管理系统没有专用的软件对数据进行管理 数据不共享:冗余度极大数据不共享:冗余度极大 数据不具有独立性数据不具有独立性9应用程序与数据的对应关系应用程序与数据的对应关系(人工管理阶段人工管理阶段) 应用程序应用程序1数据集数据集1应用程序应用程序2数据集数据集2应用程序应用程序数据集数据集n.图1.1 人工管理阶段应用程序与数据之间的对应关系10文件系统阶段文件系统阶段 时期时期 20
4、世纪世纪50年代末年代末-60年代中期年代中期 产生的背景产生的背景 应用需求应用需求 科学计算、信息管理科学计算、信息管理 硬件水平硬件水平 磁盘、磁鼓磁盘、磁鼓等直接存取设备等直接存取设备 软件水平软件水平 有有操作系统和操作系统和文件系统文件系统 处理方式处理方式 联机实时处理、批处理、信联机实时处理、批处理、信息管理息管理11文件系统阶段文件系统阶段(续续) 特点特点数据可以长期保存数据可以长期保存由文件系统管理数据由文件系统管理数据数据共享性差、冗余度大数据共享性差、冗余度大数据独立性差数据独立性差12应用程序与数据的对应关系应用程序与数据的对应关系(文件系统阶段文件系统阶段)应用程
5、序1应用程序2应用程序n数据集1数据集2数据集n文件管 理系统图1.2文件系统阶段应用程序与数据之间的对应关系13数据库系统阶段 时期时期 20世纪世纪70年代后期以来年代后期以来 产生的背景产生的背景 应用背景应用背景大规模管理大规模管理 硬件背景硬件背景大容量磁盘、磁盘阵列大容量磁盘、磁盘阵列 软件背景软件背景有数据库管理系统有数据库管理系统 处理方式处理方式联机实时处理联机实时处理,分布处理分布处理,批处理批处理应用程序与数据的对应关系应用程序与数据的对应关系(数据库数据库系统阶段系统阶段) 应用程序1应用程序2应用程序n数据库管 理 系统数据库图1.3 数据库系统阶段应用程序与数据之间
6、的对应关系 数据库系统是指计算机中引入数据库后的系统,它可以实现有组织地、动态地存储大量相关数据,提供数据处理和信息资源共享服务。 1.数据库系统的组成数据库系统的组成 数据库系统由以下四部分组成: 数据库:数据库系统的数据源。 硬件:支持系统运行的计算机硬件设备。 软件:包括操作系统、数据库管理系统、应用开发工具和数据库应用系统等。 相关人员:数据库管理员、应用程序开发人员和最终用户。 1.1.3数据库系统数据库系统数据库系统构成图数据库操作系统数据库管理系统应用开发工具应用系统用户用户用户数据库管理员图1.4 数据库系统 数据库是存放数据的仓库,将数据按照特定的格式保存在计算机的存储设备上
7、,可以被各种用户所共享。数据库中的数据具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性。数据库不仅包含描述事物的数据本身,也包含数据之间的联系。 数据库管理系统数据库管理系统 数据库管理系统(Database Management System)是一种操作和管理数据库的系统软件,用于建立、管理和维护数据库,简称DBMS。它介于用户和操作系统之间,能对数据库进行统一的管理和控制,以保证数据库的安全性和完整性,具有完备的数据库操作命令体系。2.数据库数据库 数据定义 数据操作 数据库的运行管理 数据组织、存储与管理 数据库的维护 数据通信3.数据库管理系统的功能 嵌入式数据库,比较典型的是苹果和And
8、roid系统中采用的SQLite数据库。 桌面数据库:Access和MySQL。 企业级数据库: SQL Server、Sybase和oracle。 海量数据库:比较具有代表性的是NoSQL数据库。其它常用数据库管理系统204 数据库系统的特点数据库系统的特点 数据结构化数据结构化 数据的共享性高,冗余度低,易扩充数据的共享性高,冗余度低,易扩充 数据独立性高数据独立性高 数据由数据由DBMS统一管理和控制统一管理和控制21 1.2 数据模型数据模型1.2.1现实世界1.2.2信息世界1.2.3机器世界22数据模型数据模型 由于计算机不能直接处理现实世界中的具体事物,人们必须把具体事物转换为计
9、算机能够处理的数据。也就是首先要数字化,把现实世界中具体的人、物、活动、概念用数据模型这个工具来抽象、表示和处理。 数据模型是用来描述数据、组织数据和对数据进行操作的,是对现实世界数据特征的抽象,是对现实世界的模拟。 数据模型是数据库系统的核心和基础,各种机器上运行的数据库管理系统都是基于某种数据模型的。23 1.2.1 现实世界现实世界 现实世界是指存在于人们头脑之外的客观世界,现实世界是数据处理的源泉。 为了把现实世界中的具体事物抽象、组织为某一DBMS支持的数据模型,人们通常首先将现实世界抽象为信息世界,然后再将信息世界转换为机器世界。 客观对象的抽象过程客观对象的抽象过程-两步抽象两步
10、抽象 现实世界中的客观对象抽象为概念模型;现实世界中的客观对象抽象为概念模型; 把概念模型转换把概念模型转换为某一为某一DBMS支持的数支持的数据模型。据模型。24两大类数据模型两大类数据模型 (续续)现实世界概念模型DBMS支持的数据模型认识、抽象转换信息世界机器世界图1.5现实世界中客观对象的抽象过程 信息世界是现实世界中的事物在人脑中的抽象,它从纷繁的现实世界中抽取出能反映现实世界本质的概念和基本关系,是现实世界通往机器世界的桥梁,起到承上启下的作用。 概念模型用于信息世界的建模,是现实世界到信息世界的第一层抽象,是数据库设计人员进行数据库设计的有力工具,也是数据库设计人员和用户之间进行
11、交流的语言,因此概念模型一方面应该具有较强的语义表达能力,能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识;另一方面它还应该简单、清晰、易于用户理解。1.2.2信息世界信息世界26信息世界中的基本概念信息世界中的基本概念(1) 实体(实体(Entity) 客观存在并可相互区别的事物称为实体。客观存在并可相互区别的事物称为实体。可以是具体的人、事、物或抽象的概念。可以是具体的人、事、物或抽象的概念。(2) 属性(属性(Attribute) 实体所具有的某一特性称为属性。实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。一个实体可以由若干个属性来刻画。 (3) 实体型(实体型(Entity T
12、ype) 用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型体型(4) 实体集(实体集(Entity Set) 同一类型实体的集合称为实体集同一类型实体的集合称为实体集272.实体之间的联系实体之间的联系实体型实体型A联系名联系名实体型实体型B111:1联系联系实体型实体型A联系名联系名1n1:n联系联系实体型实体型A实体型实体型B联系名联系名mnm:n联系联系实体型实体型B用图形来表示两个实体型之间的这三类联系用图形来表示两个实体型之间的这三类联系 现实世界中的事物相互关联,这种关联在事物数据化过程中表现为实体之间的对应关系,称为联系。28两
13、个实体型之间的联系(续)两个实体型之间的联系(续) 一对一联系(一对一联系(1:1) 实例实例一个班级只有一个正班长一个班级只有一个正班长一个班长只在一个班中任职一个班长只在一个班中任职 定义:定义: 如果对于实体集如果对于实体集A中的每一个实体,实中的每一个实体,实体集体集B中至多有一个(也可以没有)实中至多有一个(也可以没有)实体与之联系,反之亦然,体与之联系,反之亦然,则称实体集则称实体集A与实体集与实体集B具有一对一联系,具有一对一联系,记为记为1:1 班级班级任任 职职班长班长111:1联系联系29两个实体型之间的联系两个实体型之间的联系 (续续) 一对多联系(一对多联系(1:n)
14、实例实例 一个班级中有若干名学生,一个班级中有若干名学生, 每个学生只在一个班级中学习每个学生只在一个班级中学习 定义定义:如果对于实体集如果对于实体集A中的每一个实体,中的每一个实体,实体集实体集B中有中有n个实体(个实体(n0)与之联系)与之联系 反之,对于实体集反之,对于实体集B中的每一个实体,实中的每一个实体,实体集体集A中至多只有一个实体与之联系,则称中至多只有一个实体与之联系,则称实体集实体集A与实体集与实体集B有一对多联系,记为有一对多联系,记为1:n班级班级组组 成成学生学生1n1:n联系联系30两个实体型之间的联系两个实体型之间的联系 (续续) 多对多联系(多对多联系(m:n
15、) 实例:实例: 课程与学生之间的联系:课程与学生之间的联系: 一门课程同时有若干个学生选修一门课程同时有若干个学生选修 一个学生可以同时选修多门课程一个学生可以同时选修多门课程 定义:定义:如果对于实体集如果对于实体集A中的每一个实体,中的每一个实体,实体集实体集B中有中有n个实体(个实体(n0)与之联系;)与之联系;反之,对于实体集反之,对于实体集B中的每一个实体,实中的每一个实体,实体集体集A中也有中也有m个实体(个实体(m0)与之联系,)与之联系,则称实体集则称实体集A与实体与实体B具有多对多联系,具有多对多联系,记为记为m:n课程课程选修选修学生学生mnm:n联系联系311.2.3机
16、器世界机器世界 数据模型是数据库管理系统中用于描述实体及其实体之间联系的方法。层次模型层次模型(Hierarchical Model)网状模型网状模型(Network Model) 关系模型关系模型(Relational Model) 32层次模型层次模型 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层次数据库系统的典型代表是IBM公司的公司的IMS(Information Management System)数据库管理系统)数据库管理系统 层次模型用层次模型用树形结构树形结构来表示各类实体以及实体间的联系来表示各类实体以及实体间
17、的联系 33层次数据模型的数据结构层次数据模型的数据结构 层次模型层次模型 满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型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根以外的其它结点有且只有一个双亲结点 层次模型中的几个术语层次模型中的几个术语 根结点,双亲结点,兄弟结点,叶结点根结点,双亲结点,兄弟结点,叶结点34层次数据模型的数据结构层次数据模型的数据结构(续续) 层次模型的特点:层次模型的特点: 优点是记录之间的联系通过指针实现,查询效率高,提
18、供良好的完整性支持。 缺点是只能表示一对多的联系,尽管有许多辅助手段实现多对多的联系,但比较复杂,不易实现。35层次数据模型的数据结构层次数据模型的数据结构(续续)学校计算机学院音乐学院美术学院软件技术网络工程科学技术绘画艺术设计美声图1.6层次模型示例36 网状模型网状模型 网状数据库系统采用网状数据库系统采用网状模型网状模型作为数据的组织方式作为数据的组织方式 典型代表是典型代表是DBTG系统系统: 亦称亦称CODASYL系统系统 70年代由年代由DBTG提出的一个系统方案提出的一个系统方案 奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术 实际系统实际系统 C
19、ullinet Software Inc.公司的公司的 IDMS Univac公司的公司的 DMS1100 Honeywell公司的公司的IDS/2 HP公司的公司的IMAGE37网状数据模型的数据结构网状数据模型的数据结构 网状模型网状模型满足下面两个条件的基本层次联系的集合:满足下面两个条件的基本层次联系的集合:1. 允许一个以上的结点无双亲;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一个结点可以有多于一个的双亲。38网状数据模型的数据结构(续)网状数据模型的数据结构(续)专业系教研室课程学生教师任课选课39网状数据模型的优缺点网状数据模型的优缺点 优点优点 能够更为直接
20、地描述现实世界,如一个结点可能够更为直接地描述现实世界,如一个结点可以有多个双亲以有多个双亲 具有良好的性能,存取效率较高具有良好的性能,存取效率较高n缺点缺点n结构比较复杂,而且随着应用环境的扩大,数据库结构比较复杂,而且随着应用环境的扩大,数据库的结构就变得越来越复杂,不利于最终用户掌握的结构就变得越来越复杂,不利于最终用户掌握nDDL、DML语言复杂,用户不容易使用语言复杂,用户不容易使用40关系模型关系模型 关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式 1970年美国年美国IBM公司公司San Jose研究室的研究员研究室的研究员E.F.Co
21、dd首次提出了数据库系统的关系模型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系模型 41关系数据模型的数据结构关系数据模型的数据结构 在在用户观点用户观点下,关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表,下,关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表,它由行和列组成。它由行和列组成。学号学号姓名姓名性别性别科目科目成绩成绩981001蒋珊珊女数据库87981002王苗苗女程序设计92981003刘建军男数据结构76表1.1成绩表 关系模型与非关系模型不同,它严格的建立在数学概念基础上。 关系模型的概念单一,无论实体或实体之间
22、的联系都用关系表示。 存取路径对用户透明,从而具有更高数据独立性,更好的安全性,简化程序员和数据库设计人员的工作。 查询效率不如非关系模型,需对用户查询请求进行优化,增加了DBMS开发难度,不过用户不必考虑系统内部的优化细节,优化工作由DBMS完成。关系模型具有以下特点: 关系模型是由美国IBM公司的工程师E.F.Codd在1970年提出的,它采用数学方法处理数据库中的数据。通过实践证明,关系模型是简单,易于理解,容易实现的一种数据模型,开创了数据库系统的新纪元。目前,人们广泛使用的Access、SQL Server、Oracle和Sybase等数据库管理系统都采用关系模型。关系模型由关系数据
23、结构、关系操作集合和关系完整性约束三部分组成。1.3关系模型关系模型442.在二维表中,每一行称为在二维表中,每一行称为一个元组,对应表中一条记录。一个元组,对应表中一条记录。1关系模型中常用术语1.3.1关系数据结构关系数据结构451关系模型中常用术语461关系模型中常用术语47例如,学生信息表中的“专业”属性与专业表中的“专业名称”相对应,则“专业”属性称为学生信息表的外部关键字。1关系模型中常用术语481关系模型中常用术语49每一列中的分量是同一类型的数据,来自同每一列中的分量是同一类型的数据,来自同一个域。一个域。不同的列可以来源于同一个域,称其中的每不同的列可以来源于同一个域,称其中
24、的每一列为一个属性,不同的属性要有不同的属性一列为一个属性,不同的属性要有不同的属性名。名。列的次序可以任意交换。列的次序可以任意交换。任意两个元组不能完全相同。任意两个元组不能完全相同。行的顺序可以任意交换。行的顺序可以任意交换。每一个分量必须是不可分的基本数据项,不每一个分量必须是不可分的基本数据项,不允许允许“表中有表表中有表”。 2关系模型的特点501传统的集合运算1.3.2关系操作集合关系操作集合51下面通过实例说明上述3种运算,假设有关系R和关系S,代表相应系的专业设置情况,分别如表1.3和表1.4所示。专业代专业代码码专业名专业名称称系代码系代码1001软件技术011002网络工
25、程012001工商管理02专 业 代专 业 代码码专 业 名专 业 名称称系代码系代码2001工 商 管理023001生 物 工程033002生 命 科学0352关系R关系R和关系S的并运算、差运算和交运算的结果如下表所示。 专业专业代码代码专业专业名称名称系代系代码码1001软件技术011002网络工程012001工商管理023001生物工程033002生命科学03专业代专业代码码专业名专业名称称系代码系代码1001软件技术011002网络工程01专专业 代业 代码码专业专业名称名称系代系代码码2001工商管理0253投影是从表中选取若干列组成新的关系。投影之后不仅取消了原关系中某些列,而且
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