数据库原理及应用课件完整版电子教案.ppt
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1、3/9/2023数据库原理及应用(MySQL版)3/9/2023数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)第1 1章 数据库基本概念 1.1 1.1 数据与数据管理技术数据与数据管理技术 1.2 1.2 数据库数据库 1.3 1.3 数据库管理系统数据库管理系统 1.4 1.4 数据库系统数据库系统 1.5 1.5 数据库系统的结构数据库系统的结构 1.6 1.6 结构化表查询语句结构化表查询语句SQLSQL 1.7 1.7 数据库系统设计步骤数据库系统设计步骤 1.8 1.8 常用数据库管理系统常用数据库管理系统数据是人类活动的重要资源,目前在计算机的各类应用中,用于数据处理的约
2、占80%左右。特别是在当前的信息化时代,数据作为一种资源的重要性日益提高。数据库是存放数据的仓库,数据库系统是研究如何妥善地组织、存储和科学地管理数据的计算机系统。数据库(DataBase,DB)一词早在20世纪50年代就已经提出,经过多年的发展数据库技术已成为计算机科学的一个重要分支。数据库技术是计算机科学技术中发展最快、应用最广泛的领域之一。学校的学生信息管理、企业中的企业信息管理、银行信息管理,及国家的各种信息管理等,无一不用到数据库。数据库技术已是计算机信息系统和应用程序的核心技术和重要基础。本章主要介绍数据库系统的基本概念、SQL语言、数据库系统设计步骤和常用的数据库管理系统。数据库
3、原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.1 1.1 数据与数据管理技术1.1.1数据数据(Data)是描述事物的符号记录,具体来讲就是人们从实际当中抽取感兴趣的事物特征或属性。数据是信息的符号表示或载体。由于数据能被书写,因而能够被记录、存储和处理,在计算机中,数据包括数字、文字、图形、图像、音频、视频等等,对数据进行处理可以得到有用的信息。数据具有一定的格式(语法)和含义(语义)。数据的格式规定了数据的语法结构,如身份证号、电话号码、车牌号等都有相应的编码规则,即语法定义。数据的含义(语义)是对数据的具体解释。如我国二代身份证格式规定为15位,其中第l6位数为行政区划代码,第71
4、2位数为出生日期代码(第7、8位为出生年份(两位数),第9、10位为出生月份,第11、12位代表出生日期),第1315位数为分配顺序代码,最末一位数是奇数的分配给男性,偶数分配给女性。按照上述语法,就可以正确解读出任何一个身份证号的具体含义。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.1.2数据管理技术数据管理技术是人们对数据进行收集、组织、存储、处理、传播和利用的一系列活动的总和。基于人们对数据处理的需求推动,以及计算机软件、硬件和应用的不断发展,数据管理技术的发展经历了人工管理、文件系统、数据库系统3个阶段。1人工管理阶段该阶段的主要特点是数据不长期保存在计算机中,应用程序管
5、理数据,数据不独立于应用程序,应用程序间不能共享数据。2文件系统阶段该阶段的主要特点是数据可以长期保存在外存上重复使用,数据独立于程序,由文件系统来管理数据。3数据库系统阶段该阶段的主要特点是数据结构化,数据的独立性高,数据的共享性高、冗余度低、易扩充,数据由DBMS统一管理和控制,便于使用。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.2数据库数据库(DataBase,DB)是存储在计算机内的、有组织的、统一管理的相关数据的集合。就是说数据库是存储数据的仓库,其中的数据是按一定的结构组织存储的,具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性,可为多个用户共享。例如高校的学生学籍信息
6、数据库,学生的成绩等学籍信息都是按一定的结构和联系进行组织、存储,教务管理部门、任课教师和学生等用户都可以进行权限允许的处理、查看等操作。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.3数据库管理系统数据库只是用来存放数据,需要通过相应的软件才能对其中的数据进行处理。数据库管理系统(DataBaseManagementSystem,DBMS)是对数据库进行管理的软件。数据库管理系统为数据库提供数据的定义、建立、维护、查询、统计等操作功能,并提供数据完整性、安全性、多用户并发使用、备份与恢复等管理功能。数据库管理系统是位于数据库用户和操作系统之间的一层数据管理软件,为用户提供了访问数
7、据库的各种方法,使用户可以透明地访问数据库,不需要知道数据库的物理组织和存储方式。采用关系数据模型的数据库管理系统称为关系数据库管理系统(RelationalDataBaseManagementSystem,RDBMS),由于关系数据模型数据结构简单、清晰、易用,所以关系模型得到了广泛应用,目前常用的数据库管理系统几乎都是关系数据库管理系统。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.3数据库管理系统数据库管理系统主要有数据定义、数据操纵、数据库的运行管理和数据库的建立和维护等功能。1数据定义功能DBMS中通常提供了多种数据库对象,包括数据表、视图、存储过程等等,用户首先需要定义
8、创建这些对象,然后才能使用。DBMS提供数据定义语言(DataDefinitionLanguage,DDL),用户通过DDL可以方便地对数据库中的数据对象进行定义。2数据操纵功能DBMS还提供数据操纵语言(DataManipulationLanguage,DML),用户可以使用DML实现对数据库的基本操作,如数据查询、插入、修改和删除等。3数据库的运行管理数据库在建立、使用和维护时由DBMS统一管理、统一控制,以保证数据的安全性、完整性、多个用户对数据的并发使用和故障后的数据库恢复等,保证数据库能正确、有效地运行。4数据库的建立和维护数据库的建立和维护包括数据库初始数据的输入、转换功能,数据库
9、的转储、恢复功能,数据库的重组、性能监测和分析等功能。这些功能是由DBMS提供的一些实用程序完成的。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.4数据库系统数据库系统(DataBaseSystem,DBS)是指包含数据库和数据库管理系统的计算机系统。数据库系统通常由数据库、数据库管理系统、应用系统、数据库管理员及用户构成,如图1-1所示。数据库管理系统数据库用户应用系统应用系统数据库管理员数据库的建立、使用和维护等需要专门的人员来管理,这些管理人员被称为数据库管理员(DataBaseAdministrator,DBA)。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.5
10、数据库系统的结构1.5.1数据库三级模式结构从数据库最终用户的角度来看,即从数据库系统外部来看,数据库系统的体系结构可分为集中式结构(又可分为单用户结构和主从式结构)、分布式结构、客户/服务器结构和并行结构。从数据库管理系统角度来看,数据库系统通常采用三级模式结构:外模式、内模式和概念模式,如图1-2,这是从数据库系统内部看到的体系结构。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.5.1数据库三级模式结构1概念模式(逻辑模式、模式)概念模式也称为逻辑模式,常简称为模式。逻辑模式是数据库中整体数据的逻辑结构和特征的描述,包括概念记录类型、记录之间的联系、数据的完整性和安全性约束等数
11、据控制方面的规定等。逻辑模式是所有用户的公共数据视图。例如学籍数据库中有学生学基本信息表、课程表、选课成绩表、各种视图和存储过程等对象,对所有这些对象及其关联的定义就构成了学籍数据库的逻辑模式。2内模式(存储模式)内模式也称为存储模式,是数据库内部数据物理存储结构的描述,定义了记录的存储结构、索引组织方式以及数据是否压缩存储和加密等数据控制细节。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.5.1数据库三级模式结构3外模式(用户模式)外模式是数据库用户能看到和使用的那部分数据的逻辑结构和特征的描述,是用户的数据视图,也是应用程序与数据库系统之间的接口。用户可以通过数据定义语言和数据
12、操纵语言来定义数据库的结构和对数据库进行操作,只需按所定义的外模式进行操作,无需了解概念模式和内模式的内部细节。由于外模式通常是模式的子集,即一个用户通常只用到数据库中的部分数据,所以外模式通常也称为子模式或用户模式。对应于不同的用户和应用,一个数据库可以有多个不同的外模式。例如在学籍数据库系统中,教学管理部门可以分析、汇总学生成绩,二每个学生只能查看个人的成绩、学分等学籍有关信息等。有时也将外模式、概念模式和内模式对应的不同层次的数据库分别称为用户级数据库、概念级数据库和物理级数据库。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.5.2三级模式之间的映射在图1-2中可以看到在三级
13、模式之间还存在外模式/概念模式映射和概念模式/内模式两层映射,这是为了实现数据库三个抽象层次的联系与转换。对一个数据库系统来说,实际上存在的只是物理级数据库,它是数据访问的基础。概念级数据库不过是物理级数据库的一种抽象描述,用户级数据库是用户和数据库的接口。用户根据子模式进行数据操作,通过子模式到概念模式的映射与概念级数据库联系起来,又通过概念级到存储的映射与物理级联系起来,使用户不必关心数据在计算机中的具体表示方式和存储方式。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.5.2三级模式之间的映射在图1-2中可以看到在三级模式之间还存在外模式/概念模式映射和概念模式/内模式两层映射
14、,这是为了实现数据库三个抽象层次的联系与转换。对一个数据库系统来说,实际上存在的只是物理级数据库,它是数据访问的基础。概念级数据库不过是物理级数据库的一种抽象描述,用户级数据库是用户和数据库的接口。用户根据子模式进行数据操作,通过子模式到概念模式的映射与概念级数据库联系起来,又通过概念级到存储的映射与物理级联系起来,使用户不必关心数据在计算机中的具体表示方式和存储方式。DBMS的中心工作之一,就是完成三级模式之间的两层映射,把用户对数据库的操作具体实现到对物理设备的操作,实现数据与应用程序之间的独立性。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.6结构化查询语言SQL存储在数据库
15、中的数据最终是要使用的,对数据库的主要操作就是数据查询。由于数据库规模通常都很大,特别是在信息爆炸的信息时代,要在庞大的数据库中快速准确地找到需要的数据,需要有效地数据查询技术和工具。SQL(StructuredQueryLanguage,结构化查询语言)语言是目前关系数据库系统广泛采用的数据查询语言。SQL由Boyce和Chamberlin于1974年提出的,并在IBM研制的SystemR关系数据库管理系统上实现。1987年成为国际标准,经多次改进,SQL也从简单的数据查询语言逐渐成为功能强大、更加规范、应用广泛的数据库语言。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.6结构化
16、查询语言SQL1SQL的特点SQL语言之所以能够在业界得到广泛使用,是因为其功能完善、语法统一、易学。SQL主要有以下特点。(1)功能的一体化:SQL集数据定义语言(DataDefinitionLanguage,DDL)、数据操纵语言(DataManipulationLanguage,DML)、数据控制语言(DataControlLanguage,DCL)于一体,能够完成关系模式定义、建立数据库、插入数据、查询、更新、维护、数据库重构、数据库安全性控制等一系列操作。(2)统一的语法结构:SQL有两种使用方式,一种是自含式(联机使用方式),即SQL可以独立地以联机方式交互使用;另一种是嵌入式,即
17、将SQL嵌入到某种高级程序设计语言中使用。这两种方式分别适用于普通用户和程序员,虽然使用方式不同,但SQL的语法结构是统一的,便于普通用户与程序员交流。(3)高度非过程化:SQL是一种非过程化数据操作语言,即用户只需指出“干什么”,而无需说明“怎么干”。如用户只需给出数据查询条件,系统就可以自动查询出符合条件的数据,而用户无需告诉系统存取路径及如何进行查询等。(4)语言简洁:SQL语句简洁,语法简单,非常自然化,易学易用。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)2SQL的功能(1)数据定义:定义数据库的逻辑结构,包括定义基本表、视图和索引,相关的操作还包括对基本表、视图、索引的修
18、改与删除。基本表是数据库中独立存在的表,通常简称为表。在SQL中一个关系就对应一个基本表,一个或多个基本表对应一个存储文件,一个基本表可以有多个索引,索引也保存在存储文件中。一个数据库中可以有多个基本表。视图则是由一个或多个基本表导出的表。数据定义功能是通过数据定义语言(DDL)实现的。(2)数据操纵:主要包括数据查询和数据更新操作。数据查询是数据库应用中最常用最重要的操作;数据更新则包括对数据库中记录的增加、修改和删除操作。数据操作功能是通过数据操纵语言(DML)实现的。(3)数据控制:主要是对数据的访问权限进行控制,包括对数据库的访问权限设置、事务管理、安全性和完整性控制等。数据控制功能是
19、通过数据控制语言(DCL)实现的。(4)嵌入功能:即SQL可以嵌入到其他高级程序设计语言(宿主语言)中使用。前面讲过SQL有自含式和嵌入式两种使用方式,SQL的主要功能是数据操作,自含式使用使数据处理功能差,而高级程序设计语言的数据处理功能强,但其数据操作功能弱,为了结合二者的优点,常将SQL嵌入到高级程序设计语言中使用,实现混合编程。为了实现嵌入使用,SQL提供了与宿主语言之间的接口。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.7数据库系统设计步骤按照规范设计的方法,考虑数据库及其应用系统开发全过程,将数据库系统设计分为以下6个阶段:需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结
20、构设计、数据库实施和数据库的运行和维护。如图1-3。在数据库设计过程中,需求分析和概念设计可以独立于任何数据库管理系统进行,逻辑设计和物理设计与选用的DBMS密切相关。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.7数据库系统设计步骤收集分析需求数据模型优化使用、维护数据库应用要求DBMS特征转换规则DBMS功能优化方法设计概念模型应用需求设计逻辑结构设计物理结构评价设计、性能评测试运行物理实现需求分析阶段概念结构设计阶段逻辑结构设计阶段物理设计阶段数据库实施阶段数据库运行维护阶段数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.7数据库系统设计步骤1需求分析阶段设计数据库
21、首先必须要准确了解和分析用户需求,需求分析的任务,是通过详细调查现实世界要处理的对象和原有系统的应用情况,明确用户的各种需求,弄清系统要达到的目标和实现的功能。需求分析是整个设计过程的基础,也是最困难,最耗时的一步。需求分析是否做得充分与准确,决定了数据库系统的质量与成败。如果需求分析做得差,会严重影响系统性能甚至不得不返工重做。需求分析常用方法有结构化分析方法(StructuredAnalysis,SA)、面向对象的分析力法等。2概念结构设计阶段概念结构是独立于任何一种数据模型的信息结构,概念结构设计是通过对用户需求进行综合,归纳与抽象,形成了一个独立于具体DBMS的概念模型。概念结构设计是
22、整个数据库设计的关键,通常采用E-R模型进行设计。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.7数据库系统设计步骤3逻辑结构设计阶段逻辑结构设计是将概念结构转换为某个DBMS所支持的数据模型,并对其进行优化。例如要使用MySQL,就需要将概念结构设计夹断设计的E-R模型转换成MySQL所支持的关系模型。4物理设计阶段物理设计的主要任务是为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构,包括数据存储结构、存储位置和存取方法。5数据库实施阶段数据库实施阶段,系统设计人员通过DBMS提供的数据操作语言(如SQL)及其宿主语言,根据逻辑设计和物理设计的结果建立数据库、编制和调试应用程序,组
23、织数据入库,并进行试运行。6数据库运行和维护阶段数据库应用系统经过试运行后,即可投入正式运行,在数据库系统运行过程中必须不断地对其进行评价、调整、修改。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)1.8常用数据库管理系统目前常用的数据库管理系统包括MicrosoftAccess、MicrosoftSQLServer、Oracle、MySQL、DB2、SQLite等,这里对它们作简要介绍。详见教材。数据库原理及应用(数据库原理及应用(MySQL版)版)2023/3/9数据库原理及应用(MySQL版)2023/3/9数据库原理及应用数据库原理及应用第2 2章 概念模型设计 2.1 2.1
24、 概念模型的基础知识概念模型的基础知识 2.2 2.2概念模型的设计方法与步骤概念模型的设计方法与步骤 2.3 2.3 图书管理系统的概念模型设计图书管理系统的概念模型设计 2023/3/9数据库原理及应用数据库原理及应用2.1 2.1 概念模型的基础知识概念模型的基础知识1.数据模型2.信息的三个世界3.概念模型的基本概念2023/3/9数据库原理及应用数据库原理及应用2.2 2.2 概念模型的设计方法与步骤概念模型的设计方法与步骤1.概念模型的特点2.概念模型设计的策略3.概念模型的设计(1)设计局部E-R模型:确定局部清晰的实体及其联系。(2)设计全局的E-R模型:将局部的E-R图集成为
25、全局的E-R图。(3)优化全局E-R模型:对相同的实体合并,消除冗余的属性和联系等。4设计过程中遇到的问题2023/3/9数据库原理及应用数据库原理及应用2.3 2.3 图书管理系统的概念模型设计1.问题描述某市为了更好地服务当地市民,新建了一所公共图书馆,图书馆藏书数万册,包括小说、生活、专业等多种类型。为了更好地开展服务,现欲开发图书管理系统,方便市民在图书馆看书和借阅。为了保证图书良好流通,防止借书不还等不良行为的发生,图书馆要求借出的图书总价值不能超过100元,借阅时间不超过1个月,逾期不还者,每本书每天罚款0.1元。市民如果需要办理图书证,只需带个人身份证,同时提交100元押金,即可
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