數據庫系統(tǒng)概論(王珊第四版)-第一章.ppt

第一章 緒論,1.1 數據庫系統(tǒng)概述 1.2 數據模型 1.3 數據庫系統(tǒng)結構 1.4 數據庫系統(tǒng)組成,1.1 數據庫系統(tǒng)概述,1.1.1 數據、數據庫、數據庫管理系統(tǒng)、數據庫系統(tǒng) 數據(Data): 數據實際上就是描述事物的符號記錄。 數據的種類：文字、圖形、圖象、聲音 數據的特點：數據與其語義是不可分的，數據的形 式不能完全表達其內容,數據舉例：學生檔案中的某學生記錄 （李明，男，1972，江蘇，計算機系，1999）,數據庫：數據庫是長期存儲在計算機內、有組織的、可共享的大量數據集合。,數據庫的特征： 數據按一定的數據模型組織、描述和儲存;冗余度較小;數據獨立性較高、易擴展;可共享。,數據庫舉例：學生登記表,數據庫管理系統(tǒng):,用戶,操作系統(tǒng),主要功能： 數據定義功能（DDL） 數據組織、存儲和管理 數據操縱功能（DML） 數據庫的事務管理和運行功能 數據庫的建立和維護功能 其它功能：數據庫系統(tǒng)之間的通信,數據庫系統(tǒng),數據庫,計算機系統(tǒng),具有管理和控制數據庫功能 的計算機系統(tǒng),構成： 數據庫 數據庫管理系統(tǒng) 應用系統(tǒng) 數據庫管理員和用戶,圖1.1 數據庫系統(tǒng),圖1.2 數據庫系統(tǒng),圖1.3 數據庫在計算機系統(tǒng)中的地位,1.1.2數據管理技術的產生與發(fā)展,數據管理 數據管理是指如何對數據進行分類、組織、編碼、存儲、檢索和維護，它是數據處理的中心問題,數據管理三個階段 人工管理 文件系統(tǒng) 數據庫系統(tǒng),表1.1 數據管理3個階段的比較,1.1.3數據庫系統(tǒng)的特點,一、數據結構化 數據結構化是數據庫與文件系統(tǒng)的根本區(qū)別。在描述數據時不僅要描述數據本身，還要描述數據之間的聯(lián)系。,二、數據的共享性高，冗余度低，易擴充，保證了數據的一致性 可以被多個用戶、多個應用共享使用；數據共享可以減少冗余，節(jié)約存儲空間；數據共享可以減少數據之間的不相容性和不一致性。,三、數據獨立性高 包括物理獨立性和邏輯獨立性,物理獨立性：指用戶的應用程序與存儲在磁盤上的數據庫中的數據是相互獨立的。,邏輯獨立性：指用戶的應用程序與數據庫的邏輯結構是相互獨立的。,四、數據由DBMS統(tǒng)一管理和控制,數據的安全性保護： 數據的安全性是指保護數據，防止不合法使用數據造成數據的泄密和破壞。,數據的完整性檢查： 數據的完整性指數據的正確性、有效性和相容性。,并發(fā)控制：多個用戶的并發(fā)進程同時存取、修改數據庫時，可能會發(fā)生相互干擾使得數據庫的完整性遭到破壞,數據庫恢復:計算機系統(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據庫中數據的正確性，甚至造成數據庫部分或全部數據的丟失。,1.2 數據模型,數據模型(Data Model): 數據模型用來抽象、表示和處理現(xiàn)實世界中的數據和信息，是對現(xiàn)實世界數據的模擬。數據模型應滿足三個方面的要求： 比較真實的模擬現(xiàn)實世界； 容易為人們理解； 便于計算機表達。,1.2.1 兩類數據模型,概念模型： 信息模型，它是按用戶的觀點來對數據和信息建模，用于數據庫設計，與具體的DBMS無關。 邏輯模型與物理模型： 邏輯模型主要包括網狀模型、層次模型、關系模型、面向對象模型等，它是按計算機系統(tǒng)的觀點對數據建模。 物理模型是對數據最低層的抽象，描述數據在系統(tǒng)內部及存儲介質上的表示方式和存取方法，是面向計算機的。,圖1.6 現(xiàn)實世界中客觀對象的抽象過程,1.2.2 數據模型的組成要素,數據結構靜態(tài) 描述數據庫的組成對象以及對象之間的聯(lián)系。 數據操作動態(tài) 數據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)則以及實現(xiàn)操作的語言。 數據的完整性約束條件 完整性規(guī)則是給定的數據模型中數據及其聯(lián)系所具有的制約和依存規(guī)則，用以限定符合數據模型的數據庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證數據的正確、有效、相容。,1.2.3 概念模型,特點： 1. 具有較強的語義表達能力，能夠方便、直接地表達應用中的各種語義知識. 2. 簡單、清晰、易于用戶理解，是用戶與數據庫設計人員之間進行交流的語言。,一、信息世界中的基本概念,實體：客觀存在并可以相互區(qū)別的事物稱為實體； 屬性：實體所具有的某一特性。 碼：唯一標識實體的屬性集。 域：屬性的取值范圍。 實體型: 指用實體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實體 實體集：同型實體的集合稱為實體集。 聯(lián)系：實體（型）內部的聯(lián)系（組成實體的屬性之間的聯(lián)系）；實體（型）之間的聯(lián)系（不同實體集之間的聯(lián)系）,二、兩個實體型之間的聯(lián)系,一對一聯(lián)系（1:1） 如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中至多有一個實體與之聯(lián)系，反之亦然，則稱實體集A與實體集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） 如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個實體（n0）與之聯(lián)系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中至多只有一個實體與之聯(lián)系，則稱實體集A與實體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） 如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個實體（n0）與之聯(lián)系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中也有m個實體（m0）與之聯(lián)系，則稱實體集A與實體B具有多對多聯(lián)系。記為m:n。,圖1.8(c) m:n的聯(lián)系,三、多個實體型之間的關系,一般地，兩個以上實體型之間存在著一對一、一對多和多對多的聯(lián)系,四、單個實體型內的聯(lián)系,同一實體集內的各實體之間可以有某種聯(lián)系,圖1.10 同一實體集內一對多聯(lián)系,五、概念模型的一種表示方法：實體聯(lián)系方法,Entity-Relationship Approach，E-R方法 E-R圖提供了表示實體型、屬性和聯(lián)系的方法 實體型：用矩形表示，矩形框內寫明實體名。 屬性：用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應的實體連接起來 聯(lián)系：用菱形表示，菱形框內寫明聯(lián)系名，并用無向邊分別與有關實體連接起來，同時在無向邊旁標上聯(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) 實體及屬性,姓名,性別,出生年月,學生,學號,圖1.7(b) 實體及屬性,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。 供應商：屬性有供應商號、姓名、地址、電話號、帳號。 項目：屬性有項目號、預算、開工日期。 職工：屬性有職工號、姓名、年齡、職稱。,圖1.11(a) 倉庫實體及其屬性,職工,職稱,供應商,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量用庫存量描述。(m:n) 一個倉庫有多個職工當倉庫保管員，一個職工只能在一個倉庫工作。(1:n) 職工之間具有領導被領導的關系，即倉庫主任領導若干保管員。 (1:n) 供應商、項目和零件三者之間具有多對多的聯(lián)系。(m:n:p),圖1.11(b) 實體及其聯(lián)系圖,實體之間的聯(lián)系如下：,圖1.11(c)完整的實體-聯(lián)系圖,供應,供應量,庫存,庫存量,領導,m,n,p,m,1,n,供應商,倉庫,職工,工作,1,n,項目,零件,n,供應商號,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,項目號,預算,開工日期,1.2.4 最常用的數據模型,層次模型 (Hierarchical Model) 網狀模型 (Network Model) 關系模型 (Relational Model) 面向對象模型 (Object Oriented Model) 對象關系模型 (Object Relational Model),1.2.5 層次模型,一、層次數據模型的數據結構 用樹形結構表示各類實體以及實體之間的聯(lián)系。只有一個根結點；除結點外的其它結點只有一個雙親結點。,圖1.12 一個層次模型的示例,二、數據操縱及完整性約束,層次數據模型的操縱主要有: 查詢、插入、刪除和更新。 進行插入操作時，如果沒有相應的雙親結點值就不能插入子女結點值。 進行刪除操作時，如果刪除雙親結點值，則相應的子女結點值也被同時刪除。 進行更新操作時，應更新所有相應記錄，以保證數據的一致性。,三、層次數據模型的存儲結構,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現(xiàn)層次順序。 鏈接法：用指針來反映數據之間的層次聯(lián)系。,四、層次數據模型的優(yōu)缺點,優(yōu)點： 數據模型比較簡單清晰，操作簡單。 查詢效率高。 提供良好的完整性支持。 缺點： 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。 查詢子女結點必須通過雙親結點。 由于結構嚴密，層次命令趨于程序化,1.2.6 網狀模型,一、網狀數據模型(Network Model)的數據結構 網狀數據模型是一種比層次模型更具普遍性的結構，該模型允許多個結點沒有雙親結點，允許結點有多個雙親結點，允許兩個結點之間有多種聯(lián)系(稱之為復合聯(lián)系)。,二、網狀模型的操縱及完整性約束,網狀數據模型的操縱主要包括查詢、插入、刪除和更新數據。 插入操作允許插入尚未確定雙親結點值的子女結點值。 刪除操作允許只刪除雙親結點值。 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，可根據具體情況選用。,三、網狀模型的存儲結構,網狀數據模型的存儲結構依具體系統(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、網狀數據模型的優(yōu)缺點,優(yōu)點： 能夠更為直接地描述現(xiàn)實世界； 具有良好的性能，存取效率較高。 缺點： 結構復雜；其DDL語言極其復雜； 數據獨立性較差。由于實體間的聯(lián)系本質上通過存取路徑指示的，因此應用程序在訪問數據時要指定存取路徑。,1.2.7 關系模型,一、關系數據模型的數據結構 一個關系模型的邏輯結構是一張二維表，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。,關系模型中的主要術語： 關系：一個關系對應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 關系模式：對關系的描述, 關系名（屬性名1，屬性名2，屬性名n）來表示,關系名：學生 關系模式：學生（學號，姓名，年齡.）,二、操縱及完整性約束 關系數據模型的操縱：查詢、插入、刪除和更新 關系模型中的數據操作是集合操作，操作對象和操作結果都是關系。 關系模型把存取路徑向用戶隱蔽起來，用戶只要指出“干什么”，不必詳細說明“怎么干”，從而大大地提高了數據的獨立性。 關系數據庫標準操作語言是SQL語言。,三、關系數據模型的存儲結構 關系數據模型中，實體及實體間的聯(lián)系都用表來表示。在數據庫的物理組織中，表以文件形式存儲，每一個表通常對應一種文件結構。,四、關系數據模型的優(yōu)缺點,優(yōu)點： 關系模型是建立在嚴格的數據概念的基礎上的。 無論實體還是實體之間的聯(lián)系都用關系來表示。 關系模型的存取路徑對用戶透明，從而具有更高的數據獨立性。,缺點： 由于存取路徑對用戶透明，查詢效率往往不如非關系數據模型。因此為了提高性能，必須對用戶的查詢請求進行優(yōu)化。,1.3 數據庫系統(tǒng)結構,從數據庫管理系統(tǒng)角度看，數據庫系統(tǒng)結構分為三級模式結構： 外模式、模式和內模式,從數據庫最終用戶角度看，數據庫系統(tǒng)結構分為： 單用戶結構、主從式結構、分布式結構和客戶/服務器結構,1.3.1 數據庫系統(tǒng)的模式,模式：是數據庫全體數據的邏輯整體結構和特征的描述，它僅涉及到型的描述，而不涉及到具體的值。,型是指對某一類數據的結構和屬性的說明，值是型的一個具體賦值 模式的具體值稱為實例，同一模式可以有很多實例； 模式是相對穩(wěn)定的，而實例是相對變動的。 模式反映的是數據結構及其關系，而實例反映的是數據庫某一時刻的狀態(tài)。,數據庫系統(tǒng)的模式結構,數據庫,內模式,模式,外模式1,應用A,外模式2,外模式3,應用C,應用B,應用D,外模式/ 模式映象,模式 / 內模式映象,1.3.2 數據庫系統(tǒng)的三級模式結構, 邏輯模式，是數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述; 所有用戶的公共視圖; 描述的數據庫中的實體和屬性的名字及他們之間的關系; 是個可以放進數據項值的框架; 一個數據庫只有一個模式。,模式,外模式,也稱子模式或用戶模式; 是數據庫用戶看見和使用的局部數據的邏輯結構和特征的描述; 和某個應用相關的數據的邏輯表示,只有相同的數據視圖的用戶，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。一個數據庫可以有多個外模式。,存儲模式,是數據物理結構和存儲結構的描述，是數據庫的內部表示方式; 規(guī)定數據項、記錄、數據集、索引和存取路徑在內的一切物理組織方式，以及優(yōu)化性能、響應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; 一個數據庫只有一個內模式.,內模式,1.3.3 數據庫系統(tǒng)的二級映象功能 和數據獨立性,數據庫,內模式,模式,外模式1,應用A,外模式2,外模式3,應用C,應用B,應用D,外模式/ 模式映象,模式 / 內模式映象,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，它定義了數據全局數據結構與局部數據結構之間的對應關系。 當模式改變時，由DBA對各個外模式/模式的映象作相應的改變，可以使外模式保持不變。, 模式/內模式映象：數據庫中此映象是唯一的。定義了數據庫全局邏輯