数据库系统概论王珊第四版第一章.ppt

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1、第一章 绪论1.1 数据库系统概述1.2 数据模型1.3 数据库系统结构1.4 数据库系统组成1.1 数据库系统概述1.1.1 1.1.1 数据、数据库、数据库管理系统、数数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统据库系统数据数据(Data):(Data):数据实际上就是描述事物的符号记录。数据实际上就是描述事物的符号记录。数据的种类：文字、图形、图象、声音 数据的特点：数据与其语义是不可分的，数据的形 式不能完全表达其内容数据举例：学生档案中的某学生记录 （李明，男，1972，江苏，计算机系，1999）数据库：数据库是长期存储在计算机内、有组织的、可数据库：数据库是长期存储在计算机内、有组织的

2、、可共享的大量数据集合。共享的大量数据集合。学号学号姓名姓名性别性别年龄年龄籍贯籍贯系别系别年级年级1990101张三张三男男19北京北京计科计科19992000105李四李四男男18上海上海信科信科20003000217王五王五女女18天津天津管理管理2000数据库的特征：数据按一定的数据模型组织、描述和储存;冗余度较小;数据独立性较高、易扩展;可共享。数据库举例：学生登记表数据库管理系统数据库管理系统:用户用户操作系统主要功能：数据定义功能（DDL）数据组织、存储和管理数据操纵功能（DML）数据库的事务管理和运行功能数据库的建立和维护功能其它功能：数据库系统之间的通信数据库系统数据库系统数

3、据库计算机系统具有管理和控制数据库功能的计算机系统构成：数据库 数据库管理系统 应用系统 数据库管理员和用户图1.1 数据库系统图图1.2 1.2 数据库系统数据库系统数据库管理员应用系统应用开发工具数据库管理系统操作系统数据库用户用户用户硬件DBMS应用系统操作系统应用开发工具编译系统图图1.3 1.3 数据库在计算机系数据库在计算机系统中的地位统中的地位数据管理技术的产生与发展 数据管理数据管理 数据管理是指如何对数据进行分类、组织、编码、存储、数据管理是指如何对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，它是数据处理的中心问题检索和维护，它是数据处理的中心问题数据管理三个阶段数据管理三个

4、阶段 人工管理人工管理 文件系统文件系统 数据库系统数据库系统 表1.1 数据管理3个阶段的比较数据库系统的特点一一、数据结构化、数据结构化 数数据据结结构构化化是是数数据据库库与与文文件件系系统统的的根根本本区区别别。在在描描述述数据时不仅要描述数据本身，还要描述数据之间的联系。数据时不仅要描述数据本身，还要描述数据之间的联系。二二、数数据据的的共共享享性性高高，冗冗余余度度低低，易易扩扩充充，保保证证了了数数据据的的一一致性致性 可可以以被被多多个个用用户户、多多个个应应用用共共享享使使用用；数数据据共共享享可可以以减减少少冗冗余余，节节约约存存储储空空间间；数数据据共共享享可可以以减减少

5、少数数据据之之间间的的不不相相容性和不一致性。容性和不一致性。三、数据独立性高三、数据独立性高 包括物理独立性和逻辑独立性包括物理独立性和逻辑独立性 物理独立性：指用户物理独立性：指用户的应用程序与存储在的应用程序与存储在磁盘上的数据库中的磁盘上的数据库中的数据是相互独立的。数据是相互独立的。逻逻辑辑独独立立性性：指指用用户户的的应应用用程程序序与与数数据据库库的的逻逻辑辑结结构构是是相相互互独独立的。立的。四、数据由四、数据由DBMSDBMS统一管理和控制统一管理和控制数据的安全性保数据的安全性保护：数数据据的的安安全全性性是是指指保保护数数据据，防防止止不不合合法法使使用用数数据据造造成成

6、数数据据的的泄泄密密和和破破坏。坏。数据的完整性检查：数据的完整性检查：数据的数据的完整性指数据的正确性、有完整性指数据的正确性、有效性和相容性。效性和相容性。并并发发控控制制：多多个个用用户户的的并并发发进进程程同同时时存存取取、修修改改数数据据库库时时，可可能能会会发发生生相相互互干干扰扰使使得数据库的完整性遭到破坏得数据库的完整性遭到破坏数数据据库库恢恢复复:计计算算机机系系统统的的硬硬件件故故障障、软软件件故故障障、操操作作员员的的失失误误以以及及故故意意的的破破坏坏也也会会影影响响数数据据库库中中数数据据的的正正确确性性，甚甚至至造造成成数数据据库库部部分分或或全全部部数数据据的的丢

7、失。丢失。1.2 数据模型数据模型数据模型(Data Model):(Data Model):数数据据模模型型用用来来抽抽象象、表表示示和和处理理现实世世界界中中的的数数据据和和信信息息，是是对现实世世界界数数据据的的模模拟。数数据据模模型型应满足三个方面的要求：足三个方面的要求：比比较真真实的模的模拟现实世界；世界；容易容易为人人们理解；理解；便于便于计算机表达。算机表达。1.2.1 两类数据模型 概念模型：概念模型：信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计，与具体的用于数据库设计，与具体的DBMSDBMS无关。无关。逻辑模型

8、与物理模型：逻辑模型与物理模型：逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型、逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面向对象模型等，它是按计算机系统的观点对数据建模。面向对象模型等，它是按计算机系统的观点对数据建模。物理模型是对数据最低层的抽象，描述数据在系统物理模型是对数据最低层的抽象，描述数据在系统内部及存储介质上的表示方式和存取方法，是面向计算内部及存储介质上的表示方式和存取方法，是面向计算机的。机的。现实世界现实世界认识、抽象认识、抽象概念模型概念模型DBMS支持的数据模型支持的数据模型信息世界信息世界计算机世界计算机世界图1.6 现实世界中客观对象的抽象过程1.2.2 数据模

9、型的组成要素 数据数据结构构静静态 描述数据库的组成对象以及对象之间的联系。数据操作数据操作动态 数据库主要有检索和更新两大类操作。定义操作的确切含义、操作符号、操作规则以及实现操作的语言。数据的完整性数据的完整性约束条件束条件 完整性规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则，用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。1.2.3 概念模型特点：特点：1.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.2.简单、清晰、易于用户理解，是用户与数据库设计人员之间进行交流的语言。一、信息世界中的基本概念 实体：实体：客观存在并可以相

10、互区别的事物称为实体；属性：属性：实体所具有的某一特性。码码：唯一标识实体的属性集。域：域：属性的取值范围。实体型实体型:指用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体 实体集：实体集：同型实体的集合称为实体集。联联系系：实体（型）内部的联系（组成实体的属性之间的联系）；实体（型）之间的联系（不同实体集之间的联系）二、两个实体型之间的联系 一对一联系（一对一联系（1:11:1）如如果果对对于于实实体体集集A A中中的的每每一一个个实实体体，实实体体集集B B中中至至多多有有一一个个实实体体与与之之联联系系，反反之之亦亦然然，则则称称实实体体集集A A与与实实体体集集B B具具有一对一联系。记为有

11、一对一联系。记为1:11:1。实体型实体型A A联系名联系名实体型实体型B B11班长班长任职任职班级班级11图1.8(a)1:1的联系 一对多联系（一对多联系（1:n1:n）如如果果对对于于实实体体集集A A中中的的每每一一个个实实体体，实实体体集集B B中中有有n n个个实实体体（n0n0）与与之之联联系系，反反之之，对对于于实实体体集集B B中中的的每每一一个个实实体体，实实体体集集A A中中至至多多只只有有一一个个实实体体与与之之联联系系，则则称称实实体体集集A A与与实实体体B B有一对多联系。记为有一对多联系。记为1:n1:n。实体型实体型A A联系名联系名实体型实体型B B1 1

12、n n班级班级学习学习学生学生1n图1.8(b)1:n的联系 多多对多多联系（系（m:nm:n）如果对于实体集如果对于实体集A A中的每一个实体，实体集中的每一个实体，实体集B B中有中有n n个个实体（实体（n0n0）与之联系，反之，对于实体集）与之联系，反之，对于实体集B B中的每一个实中的每一个实体，实体集体，实体集A A中也有中也有mm个实体（个实体（m0m0）与之联系，则称实体）与之联系，则称实体集集A A与实体与实体B B具有多对多联系。记为具有多对多联系。记为m:nm:n。实体型实体型A A联系名联系名实体型实体型B Bmn课程课程选修选修学生学生mn图1.8(c)m:n的联系三

13、、多个实体型之间的关系 一般地，两个以上实体型之间存在着一对一般地，两个以上实体型之间存在着一对一、一对多和多对多的联系一、一对多和多对多的联系供应商项目零件供应pmn图图1.9(b)三个实体型之间的三个实体型之间的多对多关系多对多关系课程教员参考书讲授1mn图图1.9(a)三个实体型之间的三个实体型之间的一对多关系一对多关系四、单个实体型内的联系同一实体集内的各实体之间可以有某种联系同一实体集内的各实体之间可以有某种联系1n职工领导图图1.10 同一实体集内一对多联系同一实体集内一对多联系五、概念模型的一种表示方法：实体联系方法Entity-Relationship Approach，E-R

14、方法 lE-R图提供了表示实体型、属性和联系的方法 l实体型：用矩形表示，矩形框内写明实体名。l属性：用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来 l联系：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n）。l联系也可以有属性：如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来。图1.7(a)实体及属性 姓名姓名性别性别出生年月出生年月学生学生学号学号图1.7(b)实体及属性1 1n n员工员工姓名姓名参加工作时间参加工作时间部门领导部门领导名称名称部门部门部门编号部门编号工作工作生日生日职务职务编号编号六、举

15、例：用E-R图表示某个工厂的物资管理的概念模型实体有：仓库：属性有仓库号、仓库面积、电话号码。零件：属性有零件号、名称、规格、单价、描述。供应商：属性有供应商号、姓名、地址、电话号、帐号。项目：属性有项目号、预算、开工日期。职工：属性有职工号、姓名、年龄、职称。仓库仓库号面积电话号码零件零件号名称规格单价描述图图1.11(a)仓库实体及其属性仓库实体及其属性项目项目号预算开工日期仓库号面积电话号码职工职称供应商号姓名地址供应商账号电话号码一个仓库可以存放多种零件，一种零件可以存放在多个仓库中。某种零件在某个仓库中的数量用库存量描述。(m:n)一个仓库有多个职工当仓库保管员，一个职工只能在一个仓

16、库工作。(1:n)职工之间具有领导被领导的关系，即仓库主任领导若干保管员。(1:n)供应商、项目和零件三者之间具有多对多的联系。(m:n:p)图图1.11(b)实体及其联系图实体及其联系图实体之间的联系如下：实体之间的联系如下：供应供应量库存库存量领导mnpm1n供应商仓库职工工作1n项目零件n图1.11(c)完整的实体-联系图供应供应量库存库存量领导mnpm1n供应商仓库职工工作1n项目零件n供应商号姓名地址帐号电话号码仓库号电话号码面积职工号姓名年龄职称零件号规格名称单价描述项目号预算开工日期1.2.4 最常用的数据模型层次模型层次模型(Hierarchical Model)网状模型网状模

17、型(Network Model)关系模型关系模型(Relational Model)面向对象模型面向对象模型(Object Oriented Model)对象关系模型对象关系模型(Object Relational Model)1.2.5 层次模型一、层次数据模型的数据结构一、层次数据模型的数据结构 用树形结构表示各类实体以及实体之间的联系。只用树形结构表示各类实体以及实体之间的联系。只有一个根结点；除结点外的其它结点只有一个双亲结点。有一个根结点；除结点外的其它结点只有一个双亲结点。图1.12 一个层次模型的示例二、数据操纵及完整性约束层次数据模型的操次数据模型的操纵主要有主要有:查询、插入

18、、插入、删除和更新。除和更新。进行行插插入入操操作作时，如如果果没没有有相相应的的双双亲结点点值就不能插入子女就不能插入子女结点点值。进行行删除除操操作作时，如如果果删除除双双亲结点点值，则相相应的子女的子女结点点值也被同也被同时删除。除。进行行更更新新操操作作时，应更更新新所所有有相相应记录，以以保保证数据的一致性。数据的一致性。三、层次数据模型的存储结构邻接法：接法：按照按照层次次树的一定的一定顺序把所有序把所有记录值依次依次邻接存放，即通接存放，即通过物理空物理空间的位置相的位置相邻来来实现层次次顺序。序。链接法：接法：用指用指针来反映数据之来反映数据之间的的层次次联系。系。四、层次数据

19、模型的优缺点优点：点：数据模型比数据模型比较简单清晰，操作清晰，操作简单。查询查询效率高。效率高。提供良好的完整性支持。提供良好的完整性支持。缺点：缺点：不适合于表示非不适合于表示非层次性的次性的联系。系。对插入和插入和删除操作的限制比除操作的限制比较多。多。查询子女子女结点必点必须通通过双双亲结点。点。由于由于结构构严密，密，层次命令次命令趋于程序化于程序化1.2.6 网状模型一、网状数据模型一、网状数据模型(Network Model)(Network Model)的的数据数据结构构 网网状状数数据据模模型型是是一一种种比比层次次模模型型更更具具普普遍遍性性的的结构构，该模模型型允允许多多

20、个个结点点没没有有双双亲结点点，允允许结点点有有多多个个双双亲结点点，允允许两个两个结点之点之间有多种有多种联系系(称之称之为复合复合联系系)。学号学号 姓名姓名 系别系别课程号课程号 课程名课程名 学分学分学号学号 课程号课程号 成绩成绩学生学生课程课程选课选课S-SCC-SC二、网状模型的操纵及完整性约束 网状数据模型的操纵主要包括查询、插网状数据模型的操纵主要包括查询、插入、删除和更新数据。入、删除和更新数据。插入插入操作允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值。操作允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值。删除删除操作允许只删除双亲结点值。操作允许只删除双亲结点值。更新更新操作时只需更新指

21、定记录即可。操作时只需更新指定记录即可。查询查询操作可以有多种方法，可根据具体情况选用。操作可以有多种方法，可根据具体情况选用。三、网状模型的存储结构 网状数据模型的存储结构依具体系统不同而不同，常用的方法是链接法，包括单向链接、双向链接、环状链接等。四、网状数据模型的优缺点优点：能够更为直接地描述现实世界；具有良好的性能，存取效率较高。缺点：结构复杂；其DDL语言极其复杂；数据独立性较差。由于实体间的联系本质上通过存取路径指示的，因此应用程序在访问数据时要指定存取路径。1.2.7 关系模型一、关系数据模型的数据结构一、关系数据模型的数据结构 一个关系模型的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成

22、。表中的一行即为一个元组；表中的一列即为一个属性。关系模型中的主要术语：关系模型中的主要术语：关系：关系：一个关系对应于我们平常讲的一张表一个关系对应于我们平常讲的一张表元组：元组：表中的一行称为一个元组表中的一行称为一个元组属性：属性：表中的一列称为属性，每列的名称为属性名表中的一列称为属性，每列的名称为属性名主码：主码：表中的某个属性组，它们的值唯一的标识一个元组表中的某个属性组，它们的值唯一的标识一个元组域：域：属性的取值范围属性的取值范围分量：分量：元组中的一个属性值元组中的一个属性值关系模式：关系模式：对关系的描述对关系的描述,关系名（属性名关系名（属性名1，属性名，属性名2，属性名

23、，属性名n）来表示来表示学号学号姓名姓名年龄年龄性别性别系名系名年级年级80201张平张平18男男计算机计算机280202李英李英17女女计算机计算机180230王小明王小明20男男数学数学3属性（列）属性（列）主码主码关系关系元组元组(行行)属性名属性名关系名：关系名：学生学生关系模式关系模式：学生（学号，姓名，年龄：学生（学号，姓名，年龄.）二、操纵及完整性约束二、操纵及完整性约束关系数据模型的操纵：查询、插入、删除和更新关系数据模型的操纵：查询、插入、删除和更新 关关系系模模型型中中的的数数据据操操作作是是集集合合操操作作，操操作作对对象象和和操操作作结果都是关系。结果都是关系。关关系系

24、模模型型把把存存取取路路径径向向用用户户隐隐蔽蔽起起来来，用用户户只只要要指指出出“干干什什么么”，不不必必详详细细说说明明“怎怎么么干干”，从从而而大大大大地地提高了数据的独立性。提高了数据的独立性。关系数据库标准操作语言是关系数据库标准操作语言是SQLSQL语言。语言。三、关系数据模型的存储结构三、关系数据模型的存储结构 关系数据模型中，实体及实体间的联系都用关系数据模型中，实体及实体间的联系都用表来表示。在数据库的物理组织中，表以文件形表来表示。在数据库的物理组织中，表以文件形式存储，每一个表通常对应一种文件结构。式存储，每一个表通常对应一种文件结构。四、关系数据模型的优缺点四、关系数据

25、模型的优缺点 优点：优点：u关系模型是建立在严格的数据概念的基础上的。关系模型是建立在严格的数据概念的基础上的。u无论实体还是实体之间的联系都用关系来表示。无论实体还是实体之间的联系都用关系来表示。u关关系系模模型型的的存存取取路路径径对对用用户户透透明明，从从而而具具有有更更高高的的数数据据独独立立性。性。缺点：缺点：由于存取路径对用户透明，查询效率往往不如非关系数据模由于存取路径对用户透明，查询效率往往不如非关系数据模型。因此为了提高性能，必须对用户的查询请求进行优化。型。因此为了提高性能，必须对用户的查询请求进行优化。1.3 数据数据库系系统结构构从数据库管理系统角度看，数据库系统结构分

26、从数据库管理系统角度看，数据库系统结构分为三级模式结构为三级模式结构：外模式、模式和内模式外模式、模式和内模式 从数据库最终用户角度看，数据库系统结构分从数据库最终用户角度看，数据库系统结构分为：为：单用户结构、主从式结构、分布式结构和客户单用户结构、主从式结构、分布式结构和客户/服务器服务器结构结构1.3.1 数据数据库系系统的模式的模式模式：是数据库全体数据的逻辑整体结构和特征的模式：是数据库全体数据的逻辑整体结构和特征的描述，它仅涉及到描述，它仅涉及到型型型型的的描述，而不涉及到具体的描述，而不涉及到具体的值。值。型是指对某一类数据的结构和属性的说明，值是型的一型是指对某一类数据的结构和

27、属性的说明，值是型的一个具体赋值个具体赋值模式的具体值称为模式的具体值称为实例，实例，同一模式可以有很多实例；同一模式可以有很多实例；模式是相对稳定的，而实例是相对变动的。模式是相对稳定的，而实例是相对变动的。模式反映的是数据结构及其关系，而实例反映的是数据模式反映的是数据结构及其关系，而实例反映的是数据库某一时刻的状态库某一时刻的状态。数据库系统的模式结构数据库系统的模式结构数据库内模式模式外模式1应用A外模式2外模式3应用C应用B应用D外模式外模式/模式映象模式映象模式模式/内内模式映象模式映象1.3.2 数据数据库系系统的三的三级模式模式结构构 逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和逻

28、辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述特征的描述;所有用户的公共视图所有用户的公共视图;描述的数据库中的实体和属性的名字及他们之描述的数据库中的实体和属性的名字及他们之间的关系间的关系;是个可以放进数据项值的框架是个可以放进数据项值的框架;一个数据库只有一个模式。一个数据库只有一个模式。模式模式外模式外模式也称子模式或用户模式也称子模式或用户模式;是数据库用户看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的是数据库用户看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述描述;和某个应用相关的数据的逻辑表示和某个应用相关的数据的逻辑表示,只有相同的数据视图只有相同的数据视图的用户，共享一个子模式的用户，共

29、享一个子模式;一个子模式可以为多个用户使用一个子模式可以为多个用户使用它是模式的逻辑子集。一个数据库可以有多个外模式。它是模式的逻辑子集。一个数据库可以有多个外模式。存储模式存储模式,是数据物理结构和存储结构的描述，是是数据物理结构和存储结构的描述，是数据库的内部表示方式数据库的内部表示方式;规定数据项、记录、数据集、索引和存取路径在规定数据项、记录、数据集、索引和存取路径在内的一切物理组织方式，以及优化性能、响应时内的一切物理组织方式，以及优化性能、响应时间和存储空间需要，还规定记录的位置、块的大间和存储空间需要，还规定记录的位置、块的大小与溢出区的方式小与溢出区的方式;一个数据库只有一个内

30、模式一个数据库只有一个内模式.内模式内模式1.3.3 数据数据库系系统的二的二级映象功能映象功能和数据独立性和数据独立性数据库内模式模式外模式1应用A外模式2外模式3应用C应用B应用D外模式外模式/模式映象模式映象模式模式/内内模式映象模式映象外模式外模式/模式映象：模式映象：一个模式可以有多个外模式，对一个模式可以有多个外模式，对于每一个外模式，都有一个于每一个外模式，都有一个外模式外模式/模式映象模式映象，它定，它定义了数据义了数据全局数据结构全局数据结构与与局部数据结构局部数据结构之间的对应之间的对应关系。关系。当模式改变时，由当模式改变时，由DBADBA对各个对各个外模式外模式/模式的

31、映象模式的映象作作相应的改变，可以使外模式保持不变。相应的改变，可以使外模式保持不变。模式模式/内模式映象：内模式映象：数据库中此映象是唯一的。数据库中此映象是唯一的。定义了数据库全局逻辑结构与存储结构之间的对应定义了数据库全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。关系。当存储结构变化时，当存储结构变化时，DBADBA只对此模式只对此模式/内模式映内模式映像做相应变动，使模式保持不变，保证了数据的物像做相应变动，使模式保持不变，保证了数据的物理独立性。理独立性。1.4数据数据库系系统的的组成成硬件平台及数据库：硬件平台及数据库：内存；辅存；通道能力内存；辅存；通道能力软件：软件：DBMSDBMS；

32、操作系统；高级语言及编译系统；应用开发工；操作系统；高级语言及编译系统；应用开发工具具人员：人员：数据库管理员数据库管理员DBADBA；系统分析员和数据库设计人员；系统分析员和数据库设计人员；应用程序员；最终用户应用程序员；最终用户本章重点掌握数据、数据库、数据库管理系统和数据库系统掌握数据、数据库、数据库管理系统和数据库系统的概念的概念了解数据管理的三个阶段了解数据管理的三个阶段掌握数据模型的三要素掌握数据模型的三要素掌握两类数据模型掌握两类数据模型理解并掌握信息世界中的基本概念理解并掌握信息世界中的基本概念会画会画E-RE-R图（重点掌握）图（重点掌握）理解数据库系统结构（三级模式和两个映象）理解数据库系统结构（三级模式和两个映象）了解数据库管理系统的功能和组成了解数据库管理系统的功能和组成