數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論(王珊第四版)-第一章.ppt

第一章 緒論,1.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述 1.2 數(shù)據(jù)模型 1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成,1.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述,1.1.1 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 數(shù)據(jù)(Data): 數(shù)據(jù)實(shí)際上就是描述事物的符號記錄。 數(shù)據(jù)的種類：文字、圖形、圖象、聲音 數(shù)據(jù)的特點(diǎn)：數(shù)據(jù)與其語義是不可分的，數(shù)據(jù)的形 式不能完全表達(dá)其內(nèi)容,數(shù)據(jù)舉例：學(xué)生檔案中的某學(xué)生記錄 （李明，男，1972，江蘇，計(jì)算機(jī)系，1999）,數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫是長期存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)、有組織的、可共享的大量數(shù)據(jù)集合。,數(shù)據(jù)庫的特征： 數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和儲存;冗余度較小;數(shù)據(jù)獨(dú)立性較高、易擴(kuò)展;可共享。,數(shù)據(jù)庫舉例：學(xué)生登記表,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng):,用戶,操作系統(tǒng),主要功能： 數(shù)據(jù)定義功能（DDL） 數(shù)據(jù)組織、存儲和管理 數(shù)據(jù)操縱功能（DML） 數(shù)據(jù)庫的事務(wù)管理和運(yùn)行功能 數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)功能 其它功能：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之間的通信,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫,計(jì)算機(jī)系統(tǒng),具有管理和控制數(shù)據(jù)庫功能 的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),構(gòu)成： 數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 應(yīng)用系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理員和用戶,圖1.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),圖1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),圖1.3 數(shù)據(jù)庫在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位,1.1.2數(shù)據(jù)管理技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展,數(shù)據(jù)管理 數(shù)據(jù)管理是指如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、組織、編碼、存儲、檢索和維護(hù)，它是數(shù)據(jù)處理的中心問題,數(shù)據(jù)管理三個階段 人工管理 文件系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),表1.1 數(shù)據(jù)管理3個階段的比較,1.1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點(diǎn),一、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化是數(shù)據(jù)庫與文件系統(tǒng)的根本區(qū)別。在描述數(shù)據(jù)時不僅要描述數(shù)據(jù)本身，還要描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。,二、數(shù)據(jù)的共享性高，冗余度低，易擴(kuò)充，保證了數(shù)據(jù)的一致性 可以被多個用戶、多個應(yīng)用共享使用；數(shù)據(jù)共享可以減少冗余，節(jié)約存儲空間；數(shù)據(jù)共享可以減少數(shù)據(jù)之間的不相容性和不一致性。,三、數(shù)據(jù)獨(dú)立性高 包括物理獨(dú)立性和邏輯獨(dú)立性,物理獨(dú)立性：指用戶的應(yīng)用程序與存儲在磁盤上的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的。,邏輯獨(dú)立性：指用戶的應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)是相互獨(dú)立的。,四、數(shù)據(jù)由DBMS統(tǒng)一管理和控制,數(shù)據(jù)的安全性保護(hù)： 數(shù)據(jù)的安全性是指保護(hù)數(shù)據(jù)，防止不合法使用數(shù)據(jù)造成數(shù)據(jù)的泄密和破壞。,數(shù)據(jù)的完整性檢查： 數(shù)據(jù)的完整性指數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性。,并發(fā)控制：多個用戶的并發(fā)進(jìn)程同時存取、修改數(shù)據(jù)庫時，可能會發(fā)生相互干擾使得數(shù)據(jù)庫的完整性遭到破壞,數(shù)據(jù)庫恢復(fù):計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件故障、軟件故障、操作員的失誤以及故意的破壞也會影響數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確性，甚至造成數(shù)據(jù)庫部分或全部數(shù)據(jù)的丟失。,1.2 數(shù)據(jù)模型,數(shù)據(jù)模型(Data Model): 數(shù)據(jù)模型用來抽象、表示和處理現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)和信息，是對現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)的模擬。數(shù)據(jù)模型應(yīng)滿足三個方面的要求： 比較真實(shí)的模擬現(xiàn)實(shí)世界； 容易為人們理解； 便于計(jì)算機(jī)表達(dá)。,1.2.1 兩類數(shù)據(jù)模型,概念模型： 信息模型，它是按用戶的觀點(diǎn)來對數(shù)據(jù)和信息建模，用于數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，與具體的DBMS無關(guān)。 邏輯模型與物理模型： 邏輯模型主要包括網(wǎng)狀模型、層次模型、關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ偷龋前从?jì)算機(jī)系統(tǒng)的觀點(diǎn)對數(shù)據(jù)建模。 物理模型是對數(shù)據(jù)最低層的抽象，描述數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部及存儲介質(zhì)上的表示方式和存取方法，是面向計(jì)算機(jī)的。,圖1.6 現(xiàn)實(shí)世界中客觀對象的抽象過程,1.2.2 數(shù)據(jù)模型的組成要素,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)靜態(tài) 描述數(shù)據(jù)庫的組成對象以及對象之間的聯(lián)系。 數(shù)據(jù)操作動態(tài) 數(shù)據(jù)庫主要有檢索和更新兩大類操作。定義操作的確切含義、操作符號、操作規(guī)則以及實(shí)現(xiàn)操作的語言。 數(shù)據(jù)的完整性約束條件 完整性規(guī)則是給定的數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約和依存規(guī)則，用以限定符合數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效、相容。,1.2.3 概念模型,特點(diǎn)： 1. 具有較強(qiáng)的語義表達(dá)能力，能夠方便、直接地表達(dá)應(yīng)用中的各種語義知識. 2. 簡單、清晰、易于用戶理解，是用戶與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員之間進(jìn)行交流的語言。,一、信息世界中的基本概念,實(shí)體：客觀存在并可以相互區(qū)別的事物稱為實(shí)體； 屬性：實(shí)體所具有的某一特性。 碼：唯一標(biāo)識實(shí)體的屬性集。 域：屬性的取值范圍。 實(shí)體型: 指用實(shí)體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實(shí)體 實(shí)體集：同型實(shí)體的集合稱為實(shí)體集。 聯(lián)系：實(shí)體（型）內(nèi)部的聯(lián)系（組成實(shí)體的屬性之間的聯(lián)系）；實(shí)體（型）之間的聯(lián)系（不同實(shí)體集之間的聯(lián)系）,二、兩個實(shí)體型之間的聯(lián)系,一對一聯(lián)系（1:1） 如果對于實(shí)體集A中的每一個實(shí)體，實(shí)體集B中至多有一個實(shí)體與之聯(lián)系，反之亦然，則稱實(shí)體集A與實(shí)體集B具有一對一聯(lián)系。記為1:1。,圖1.8(a) 1:1的聯(lián)系,一對多聯(lián)系（1:n） 如果對于實(shí)體集A中的每一個實(shí)體，實(shí)體集B中有n個實(shí)體（n0）與之聯(lián)系，反之，對于實(shí)體集B中的每一個實(shí)體，實(shí)體集A中至多只有一個實(shí)體與之聯(lián)系，則稱實(shí)體集A與實(shí)體B有一對多聯(lián)系。記為1:n。,圖1.8(b) 1:n的聯(lián)系,多對多聯(lián)系（m:n） 如果對于實(shí)體集A中的每一個實(shí)體，實(shí)體集B中有n個實(shí)體（n0）與之聯(lián)系，反之，對于實(shí)體集B中的每一個實(shí)體，實(shí)體集A中也有m個實(shí)體（m0）與之聯(lián)系，則稱實(shí)體集A與實(shí)體B具有多對多聯(lián)系。記為m:n。,圖1.8(c) m:n的聯(lián)系,三、多個實(shí)體型之間的關(guān)系,一般地，兩個以上實(shí)體型之間存在著一對一、一對多和多對多的聯(lián)系,四、單個實(shí)體型內(nèi)的聯(lián)系,同一實(shí)體集內(nèi)的各實(shí)體之間可以有某種聯(lián)系,圖1.10 同一實(shí)體集內(nèi)一對多聯(lián)系,五、概念模型的一種表示方法：實(shí)體聯(lián)系方法,Entity-Relationship Approach，E-R方法 E-R圖提供了表示實(shí)體型、屬性和聯(lián)系的方法 實(shí)體型：用矩形表示，矩形框內(nèi)寫明實(shí)體名。 屬性：用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應(yīng)的實(shí)體連接起來 聯(lián)系：用菱形表示，菱形框內(nèi)寫明聯(lián)系名，并用無向邊分別與有關(guān)實(shí)體連接起來，同時在無向邊旁標(biāo)上聯(lián)系的類型（1:1、1:n或m:n）。 聯(lián)系也可以有屬性：如果一個聯(lián)系具有屬性，則這些屬性也要用無向邊與該聯(lián)系連接起來。,圖1.7(a) 實(shí)體及屬性,姓名,性別,出生年月,學(xué)生,學(xué)號,圖1.7(b) 實(shí)體及屬性,六、舉例：用E-R圖表示某個工廠的物資管理的概念模型,實(shí)體有： 倉庫：屬性有倉庫號、倉庫面積、電話號碼。 零件：屬性有零件號、名稱、規(guī)格、單價、描述。 供應(yīng)商：屬性有供應(yīng)商號、姓名、地址、電話號、帳號。 項(xiàng)目：屬性有項(xiàng)目號、預(yù)算、開工日期。 職工：屬性有職工號、姓名、年齡、職稱。,圖1.11(a) 倉庫實(shí)體及其屬性,職工,職稱,供應(yīng)商,賬號,電話號碼,一個倉庫可以存放多種零件，一種零件可以存放在多個倉庫中。某種零件在某個倉庫中的數(shù)量用庫存量描述。(m:n) 一個倉庫有多個職工當(dāng)倉庫保管員，一個職工只能在一個倉庫工作。(1:n) 職工之間具有領(lǐng)導(dǎo)被領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)系，即倉庫主任領(lǐng)導(dǎo)若干保管員。 (1:n) 供應(yīng)商、項(xiàng)目和零件三者之間具有多對多的聯(lián)系。(m:n:p),圖1.11(b) 實(shí)體及其聯(lián)系圖,實(shí)體之間的聯(lián)系如下：,圖1.11(c)完整的實(shí)體-聯(lián)系圖,供應(yīng),供應(yīng)量,庫存,庫存量,領(lǐng)導(dǎo),m,n,p,m,1,n,供應(yīng)商,倉庫,職工,工作,1,n,項(xiàng)目,零件,n,供應(yīng)商號,姓名,地址,帳號,電話號碼,倉庫號,電話號碼,面積,職工號,姓名,年齡,職稱,零件號,規(guī)格,名稱,單價,描述,項(xiàng)目號,預(yù)算,開工日期,1.2.4 最常用的數(shù)據(jù)模型,層次模型 (Hierarchical Model) 網(wǎng)狀模型 (Network Model) 關(guān)系模型 (Relational Model) 面向?qū)ο竽Ｐ?(Object Oriented Model) 對象關(guān)系模型 (Object Relational Model),1.2.5 層次模型,一、層次數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 用樹形結(jié)構(gòu)表示各類實(shí)體以及實(shí)體之間的聯(lián)系。只有一個根結(jié)點(diǎn)；除結(jié)點(diǎn)外的其它結(jié)點(diǎn)只有一個雙親結(jié)點(diǎn)。,圖1.12 一個層次模型的示例,二、數(shù)據(jù)操縱及完整性約束,層次數(shù)據(jù)模型的操縱主要有: 查詢、插入、刪除和更新。 進(jìn)行插入操作時，如果沒有相應(yīng)的雙親結(jié)點(diǎn)值就不能插入子女結(jié)點(diǎn)值。 進(jìn)行刪除操作時，如果刪除雙親結(jié)點(diǎn)值，則相應(yīng)的子女結(jié)點(diǎn)值也被同時刪除。 進(jìn)行更新操作時，應(yīng)更新所有相應(yīng)記錄，以保證數(shù)據(jù)的一致性。,三、層次數(shù)據(jù)模型的存儲結(jié)構(gòu),鄰接法：按照層次樹的一定順序把所有記錄值依次鄰接存放，即通過物理空間的位置相鄰來實(shí)現(xiàn)層次順序。 鏈接法：用指針來反映數(shù)據(jù)之間的層次聯(lián)系。,四、層次數(shù)據(jù)模型的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 數(shù)據(jù)模型比較簡單清晰，操作簡單。 查詢效率高。 提供良好的完整性支持。 缺點(diǎn)： 不適合于表示非層次性的聯(lián)系。 對插入和刪除操作的限制比較多。 查詢子女結(jié)點(diǎn)必須通過雙親結(jié)點(diǎn)。 由于結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，層次命令趨于程序化,1.2.6 網(wǎng)狀模型,一、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型(Network Model)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型是一種比層次模型更具普遍性的結(jié)構(gòu)，該模型允許多個結(jié)點(diǎn)沒有雙親結(jié)點(diǎn)，允許結(jié)點(diǎn)有多個雙親結(jié)點(diǎn)，允許兩個結(jié)點(diǎn)之間有多種聯(lián)系(稱之為復(fù)合聯(lián)系)。,二、網(wǎng)狀模型的操縱及完整性約束,網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的操縱主要包括查詢、插入、刪除和更新數(shù)據(jù)。 插入操作允許插入尚未確定雙親結(jié)點(diǎn)值的子女結(jié)點(diǎn)值。 刪除操作允許只刪除雙親結(jié)點(diǎn)值。 更新操作時只需更新指定記錄即可。 查詢操作可以有多種方法，可根據(jù)具體情況選用。,三、網(wǎng)狀模型的存儲結(jié)構(gòu),網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的存儲結(jié)構(gòu)依具體系統(tǒng)不同而不同，常用的方法是鏈接法，包括單向鏈接、雙向鏈接、環(huán)狀鏈接等。,四、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 能夠更為直接地描述現(xiàn)實(shí)世界； 具有良好的性能，存取效率較高。 缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜；其DDL語言極其復(fù)雜； 數(shù)據(jù)獨(dú)立性較差。由于實(shí)體間的聯(lián)系本質(zhì)上通過存取路徑指示的，因此應(yīng)用程序在訪問數(shù)據(jù)時要指定存取路徑。,1.2.7 關(guān)系模型,一、關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 一個關(guān)系模型的邏輯結(jié)構(gòu)是一張二維表，它由行和列組成。表中的一行即為一個元組；表中的一列即為一個屬性。,關(guān)系模型中的主要術(shù)語： 關(guān)系：一個關(guān)系對應(yīng)于我們平常講的一張表 元組：表中的一行稱為一個元組 屬性：表中的一列稱為屬性，每列的名稱為屬性名 主碼：表中的某個屬性組，它們的值唯一的標(biāo)識一個元組 域：屬性的取值范圍 分量：元組中的一個屬性值 關(guān)系模式：對關(guān)系的描述, 關(guān)系名（屬性名1，屬性名2，屬性名n）來表示,關(guān)系名：學(xué)生 關(guān)系模式：學(xué)生（學(xué)號，姓名，年齡.）,二、操縱及完整性約束 關(guān)系數(shù)據(jù)模型的操縱：查詢、插入、刪除和更新 關(guān)系模型中的數(shù)據(jù)操作是集合操作，操作對象和操作結(jié)果都是關(guān)系。 關(guān)系模型把存取路徑向用戶隱蔽起來，用戶只要指出“干什么”，不必詳細(xì)說明“怎么干”，從而大大地提高了數(shù)據(jù)的獨(dú)立性。 關(guān)系數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)操作語言是SQL語言。,三、關(guān)系數(shù)據(jù)模型的存儲結(jié)構(gòu) 關(guān)系數(shù)據(jù)模型中，實(shí)體及實(shí)體間的聯(lián)系都用表來表示。在數(shù)據(jù)庫的物理組織中，表以文件形式存儲，每一個表通常對應(yīng)一種文件結(jié)構(gòu)。,四、關(guān)系數(shù)據(jù)模型的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 關(guān)系模型是建立在嚴(yán)格的數(shù)據(jù)概念的基礎(chǔ)上的。 無論實(shí)體還是實(shí)體之間的聯(lián)系都用關(guān)系來表示。 關(guān)系模型的存取路徑對用戶透明，從而具有更高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性。,缺點(diǎn)： 由于存取路徑對用戶透明，查詢效率往往不如非關(guān)系數(shù)據(jù)模型。因此為了提高性能，必須對用戶的查詢請求進(jìn)行優(yōu)化。,1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu),從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)角度看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三級模式結(jié)構(gòu)： 外模式、模式和內(nèi)模式,從數(shù)據(jù)庫最終用戶角度看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為： 單用戶結(jié)構(gòu)、主從式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)和客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu),1.3.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式,模式：是數(shù)據(jù)庫全體數(shù)據(jù)的邏輯整體結(jié)構(gòu)和特征的描述，它僅涉及到型的描述，而不涉及到具體的值。,型是指對某一類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和屬性的說明，值是型的一個具體賦值 模式的具體值稱為實(shí)例，同一模式可以有很多實(shí)例； 模式是相對穩(wěn)定的，而實(shí)例是相對變動的。 模式反映的是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其關(guān)系，而實(shí)例反映的是數(shù)據(jù)庫某一時刻的狀態(tài)。,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)庫,內(nèi)模式,模式,外模式1,應(yīng)用A,外模式2,外模式3,應(yīng)用C,應(yīng)用B,應(yīng)用D,外模式/ 模式映象,模式 / 內(nèi)模式映象,1.3.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu), 邏輯模式，是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述; 所有用戶的公共視圖; 描述的數(shù)據(jù)庫中的實(shí)體和屬性的名字及他們之間的關(guān)系; 是個可以放進(jìn)數(shù)據(jù)項(xiàng)值的框架; 一個數(shù)據(jù)庫只有一個模式。,模式,外模式,也稱子模式或用戶模式; 是數(shù)據(jù)庫用戶看見和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述; 和某個應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示,只有相同的數(shù)據(jù)視圖的用戶，共享一個子模式; 一個子模式可以為多個用戶使用 它是模式的邏輯子集。一個數(shù)據(jù)庫可以有多個外模式。,存儲模式,是數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲結(jié)構(gòu)的描述，是數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部表示方式; 規(guī)定數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄、數(shù)據(jù)集、索引和存取路徑在內(nèi)的一切物理組織方式，以及優(yōu)化性能、響應(yīng)時間和存儲空間需要，還規(guī)定記錄的位置、塊的大小與溢出區(qū)的方式; 一個數(shù)據(jù)庫只有一個內(nèi)模式.,內(nèi)模式,1.3.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的二級映象功能 和數(shù)據(jù)獨(dú)立性,數(shù)據(jù)庫,內(nèi)模式,模式,外模式1,應(yīng)用A,外模式2,外模式3,應(yīng)用C,應(yīng)用B,應(yīng)用D,外模式/ 模式映象,模式 / 內(nèi)模式映象,外模式/模式映象：一個模式可以有多個外模式，對于每一個外模式，都有一個外模式/模式映象，它定義了數(shù)據(jù)全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系。 當(dāng)模式改變時，由DBA對各個外模式/模式的映象作相應(yīng)的改變，可以使外模式保持不變。, 模式/內(nèi)模式映象：數(shù)據(jù)庫中此映象是唯一的。定義了數(shù)據(jù)庫全局邏輯