王珊陳紅數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理教程清華大學出版社.ppt

1,教材： 王珊、陳紅，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理教程，清華大學出版社，1998 參考書籍： 薩師煊 、王珊，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論（第三版） ，高等教育出版社，2000 C.J. Date（孟小峰等譯），數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)導論 ，機械工業(yè)出版社，2000,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理,課程講授的內(nèi)容,第一章 緒論 1.1 引言 1.2 數(shù)據(jù)模型 1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第二章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫 2.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫概述 2.2 關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2.3 關(guān)系的完整性 2.4 關(guān)系代數(shù) 2.5 關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 第三章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫標準語言SQL 3.1 SQL的數(shù)據(jù)定義 3.2 SQL的查詢語句,3.3 SQL的更新語句 3.4 SQL的視圖 第四章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計理論 4.1 數(shù)據(jù)依賴 4.2 范式（1NF，2NF，3NF，BCNF） 4.3 關(guān)系模式的規(guī)范化 第五章 數(shù)據(jù)庫設(shè)計 5.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的步驟 5.2 需求分析 5.3 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.4 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.5 數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計,3,1.1 引言 1.2 數(shù)據(jù)模型 1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu),第 1 章 緒論,4,數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)管理的最新技術(shù)，是計算機科學的重要分支 數(shù)據(jù)庫技術(shù)在信息化社會中的重要作用 信息系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)技術(shù) 日益廣泛的應用 例如：管理信息系統(tǒng)(MIS)、聯(lián)機事務處理(OLTP)、聯(lián)機分析處理(OLAP)、計算機輔助設(shè)計與制造(CADCAM)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)、辦公信息系統(tǒng)(OIS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)and Internet !,數(shù)據(jù)庫技術(shù)的重要地位,5,1.1 引言,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): 描述事物的符號記錄。數(shù)據(jù)與其語義是不可分的。 數(shù)據(jù)庫(DataBase，DB) 長期儲存在計算機內(nèi)的、有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和儲存，具有較小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨立性和易擴展性，并可為各種用戶共享。,6,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DataBase Management System，DBMS) 位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件。主要功能包括以下幾個方面： 1.數(shù)據(jù)定義功能：數(shù)據(jù)定義語言(Data Definition Language,DDL) 2.數(shù)據(jù)操縱功能: 數(shù)據(jù)操縱語言(Data Manipulation Language,DML) 3.數(shù)據(jù)庫的運行管理: 統(tǒng)一管理、統(tǒng)控制，以保證數(shù)據(jù)的安全性、完整性、多用戶對數(shù)據(jù)的并發(fā)使用及發(fā)生故障后的系統(tǒng)恢復。 4.數(shù)據(jù)庫的建立和維護功能：數(shù)據(jù)庫初始數(shù)據(jù)的輸入、轉(zhuǎn)換功能，重組織、性能監(jiān)視、分析功能等,7,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DataBase System，DBS) 指在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)，一般由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(及其開發(fā)工具)、應用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶構(gòu)成。 數(shù)據(jù)庫管理員(DataBase Administrator,DBA),圖2 數(shù)據(jù)庫在計算機系統(tǒng)中的地位,9,1.1.2 數(shù)據(jù)管理技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展 數(shù)據(jù)庫技術(shù)是應數(shù)據(jù)管理任務的需要而產(chǎn)生的。 數(shù)據(jù)的處理是指對各種數(shù)據(jù)進行收集、存儲、加工和傳播的一系列活動的總和。數(shù)據(jù)管理則是指對數(shù)據(jù)進行分類、組織、編碼、存儲、檢索和維護，它是數(shù)據(jù)處理的中心問題。 數(shù)據(jù)管理技術(shù)經(jīng)歷了人工管理、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三個階段。,10,人工管理階段(20世紀50年代中期以前） 特點： (1)數(shù)據(jù)不保存 (2)應用程序管理數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)需要由應用程序自己管理，沒有相應的軟件系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)的管理工作。應用程序中不僅要規(guī)定數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，而且要設(shè)計物理結(jié)構(gòu)，包括存儲結(jié)構(gòu)、存取方法、輸入方式等。因此程序員負相很重。 (3)數(shù)據(jù)不共享 數(shù)據(jù)是面向應用的，一組數(shù)據(jù)只能對應一個程序。 (4)數(shù)據(jù)不具有獨立性 數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)或物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，必須對應用程序做相應的修改。,11,應用程序1,數(shù)據(jù)集1,應用程序2,數(shù)據(jù)集2,應用程序n,數(shù)據(jù)集n,圖1-3 人工管理階段應用程序與數(shù)據(jù)之間的對應關(guān)系,12,文件系統(tǒng)階段(50年代后期60年代中期） 特點： (1)數(shù)據(jù)可長期保存 (2)由文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù) 相互獨立的數(shù)據(jù)文件; “按文件名訪問，按記錄進行存取”的管理技術(shù);記錄內(nèi)的結(jié)構(gòu)性而整體無結(jié)構(gòu)；存取方法轉(zhuǎn)換使應用程序與數(shù)據(jù)之間有了一定的獨立性；數(shù)據(jù)在存儲上的改變不一定反映在程序上。 (3)數(shù)據(jù)共享性差,冗余度大 文件仍然是面向應用的;數(shù)據(jù)的冗余度大;數(shù)據(jù)的修改和維護困難 (4)數(shù)據(jù)獨立性差 不容易擴充；數(shù)據(jù)與程序之間仍缺乏獨立性；是一個無彈性的無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集合。,13,應用程序1,文件1,應用程序2,文件2,應用程序n,文件n,圖1-4 文件系統(tǒng)階段應用程序與數(shù)據(jù)之間的對應關(guān)系,存取方法,14,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段(60年代 ） 特點： (1)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。 文件系統(tǒng)中，盡管其記錄內(nèi)部已有了某些結(jié)構(gòu)，但記錄之間沒有聯(lián)系。數(shù)據(jù)的最小存取單位是記錄。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)整體數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化，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。數(shù)據(jù)不再針對其一應用，是面向全組織，具有整體的結(jié)構(gòu)化。數(shù)據(jù)的最小存取單位是數(shù)據(jù)項。,學生記錄格式示例,主記錄詳細記錄格式示例 (a),主記錄詳細記錄格式示例(b),面向組織(多個應用）的學生數(shù)據(jù)組織,17,(2)數(shù)據(jù)的共享性高，冗余度低，易擴充 面向整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以被多個用戶、多個應用共享使用。共享導致數(shù)據(jù)冗余度低，同時可避免數(shù)據(jù)之間的不相容性與不一致性。容易增加新的應用，這就使得數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)彈性大，易于擴充。 (3)數(shù)據(jù)獨立性高 物理獨立性是指用戶的應用程序與存儲在磁盤上的數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)是相互獨立的。也就是說，數(shù)據(jù)在磁盤上的數(shù)據(jù)庫中怎樣存儲是由DBMS管理的、用戶程序不需要了解，應用程序要處理的只是數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，這樣當數(shù)據(jù)的物理存儲改變了，應用程序不用改變。 邏輯獨立性是指用戶的應用程序與數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)是相互獨立的，也就是說，數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變了，用戶程序也可以不變。 數(shù)據(jù)獨立性是由DBMS的二級映象功能來保證的。,18,(4)數(shù)據(jù)由DBMS統(tǒng)一管理和控制 數(shù)據(jù)庫的共享是并發(fā)的(Concurrency) 。 DBMS還必須提供的數(shù)據(jù)控制功能： (1)數(shù)據(jù)的安全性（Security) (2)數(shù)據(jù)的完整性(Integrity) 正確性、有效性和相容性 (3)并發(fā)(Concurrency)控制 (4)數(shù)據(jù)庫恢復(Recovery),19,應用程序1,應用程序2,圖1-5 數(shù)據(jù)庫管理階段程序與數(shù)據(jù)的對應關(guān)系,DBMS,數(shù)據(jù)庫,20,表1-1 數(shù)據(jù)管理三個階段的比較,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的出現(xiàn)使信息系統(tǒng)從以加工數(shù)據(jù)的程序為中心轉(zhuǎn)向圍繞共享的數(shù)據(jù)庫為中心的新階段。,21,1.1.3 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的研究領(lǐng)域 1.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件的研制 2.數(shù)據(jù)庫設(shè)計 3.數(shù)據(jù)庫理論,數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建 （20世紀60年代和更早） 原始文件處理,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) （70年代） 層次和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 數(shù)據(jù)建模工具：E-R模型等 索引和數(shù)據(jù)組織技術(shù)：B+樹，Hash等 查詢語言:SQL等 用戶界面：表單、報告等 查詢處理和查詢優(yōu)化 事務管理：恢復和并發(fā)控制等 聯(lián)機事務處理（OLTP),數(shù)據(jù)庫技術(shù)的演化,新一代綜合信息系統(tǒng) （ 2000）,24,新一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其相互關(guān)系,25,1.2 數(shù)據(jù)模型(Data Model),數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展是沿著數(shù)據(jù)模型的主線展開的。 數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象。 數(shù)據(jù)庫中用數(shù)據(jù)模型這個工具來抽象、表示和處理現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)和信息。通俗地講數(shù)據(jù)模型就是現(xiàn)實世界的模擬。 數(shù)據(jù)模型應滿足三方面要求：一是能比較真實地模擬現(xiàn)實世界；二是容易為人所理解；三是便于在計算機上實現(xiàn)。,26,根據(jù)應用的不同目的，數(shù)據(jù)模型劃分為兩類： 概念模型（信息模型） 按用戶的觀點來對數(shù)據(jù)和信息建模；主要用于數(shù)據(jù)庫設(shè)計。 數(shù)據(jù)模型 按計算機系統(tǒng)的觀點對數(shù)據(jù)建模；主要包括網(wǎng)狀模型、層次模型、關(guān)系模型等，主要用于DBMS的實現(xiàn)。,現(xiàn)實世界,信息世界 概念模型,機器世界 DBMS支持的數(shù)據(jù)模型,轉(zhuǎn)換,認識 抽象,圖1-10 對象的抽象過程,28,1.2.1 數(shù)據(jù)模型的三個要素 1. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 是所研究的對象類型的集合。 與數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容、性質(zhì)有關(guān)的對象（例如網(wǎng)狀模型中的數(shù)據(jù)項、記錄，關(guān)系模型中的域、屬性、關(guān)系等）。 與數(shù)據(jù)之間聯(lián)系有關(guān)的對象（例如網(wǎng)狀模型中的系型）。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是刻畫一個數(shù)據(jù)模型性質(zhì)最重要的方面。,29,2. 數(shù)據(jù)操作 是指對數(shù)據(jù)庫中各種對象(型)的實例(值)允許執(zhí)行的操作的集合，包括操作及有關(guān)的操作規(guī)則。 數(shù)據(jù)庫主要有檢索和更新(包括插入、刪除、修改)兩大類操作。 數(shù)據(jù)操作是對系統(tǒng)動態(tài)特性的描述 3.數(shù)據(jù)的約束條件 是一組完整性規(guī)則的集合。 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。,30,1.2.2 概念模型 概念模型是現(xiàn)實世界到機器世界的一個中間層次 概念模型用于信息世界的建模 應該具有較強的語義表達能力 應該簡單、清晰、易于用戶理解。,1. 信息世界中的基本概念 (1)實體(Entity) 客觀存在并可相互區(qū)別的事物稱為實體。 (2)屬性(Attribute) 實體所具有的某一特性稱為屬性。一個實體可以由若干個屬性來刻畫。例如： (94002268，張山，男，1976，計算機系，1994) (3)碼(Key) 唯一標識實體的屬性集稱為碼。,(4)域(Domain) 屬性的取值范圍稱為該屬性的域。 例如，學號的域為8位整數(shù)，姓名的域為字符串集合，年齡的域為小于38的整數(shù)，性別的域為(男，女)。 (5)實體型(EntityType) 用實體名及其屬性集合來抽象和刻畫同類實體，稱為實體型。 學生(學號，姓名，出生年份，系，入學時間) (6)實體集(Entity Set) 同型實體的集合稱為實體集。,(7)聯(lián)系(Relationship) 在現(xiàn)實世界中，事物內(nèi)部以及事物之間是有聯(lián)系的，這些聯(lián)系在信息世界中反映為實體(型)內(nèi)部的聯(lián)系和實體(型)之間的聯(lián)系。實體內(nèi)部的聯(lián)系通常是指組成實體的各屬性之間的聯(lián)系。實體之間的聯(lián)系通常是指不同實體集之間的聯(lián)系。 兩個實體型之間的聯(lián)系可以分為三類： 一對一聯(lián)系(1:1) ，如“班級班長” 一對多聯(lián)系(1:n)，如“班級學生” 多對多聯(lián)系(m:n)，如“課程學生”,實體型A,實體型B,實體型B,實體型A,實體型A,實體型B,聯(lián)系名,聯(lián)系名,聯(lián)系名,兩個實體型之間的三類聯(lián)系,1,1,m,n,n,1,1:1聯(lián)系 1:n聯(lián)系 m:n聯(lián)系,35,多個實體型之間的聯(lián)系也可以分為三類： 一對一聯(lián)系(1:1) 一對多聯(lián)系(1:n) 若實體集E1，E2，En存在聯(lián)系，對于實體集Ej(j=1，2，i-1，i+1,n)中的給定實體，最多只和Ei中的一個實體相聯(lián)系，則說Ei與E1，E2，Ei-1,Ei+1,En之間的聯(lián)系是一對多的。 多對多聯(lián)系(m:n) 例如：“供應商、項目和零件”,36,同一個實體集內(nèi)的各實體之間也可以存在一對一、一對多、多對多的聯(lián)系。,37,2.概念模型的表示方法 實體聯(lián)系方法(Entity-Relationship approach) 由P.P.SChen于1976年提出 實體型 矩形 屬性 橢圓形 聯(lián)系 菱形,工廠物資管理E-R圖,39,1.2.2 數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中最常用的數(shù)據(jù)模型有四種 層次模型(Hierarchical Model),如 IBM的IMS系統(tǒng) 網(wǎng)狀模型(Network Model),如DBTG系統(tǒng) 關(guān)系模型(Relational Model)，如Oracle，Sybase 面向?qū)ο竽Ｐ?Object Oriented Model),40,1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩種考察角度 從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)角度看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常采用三級模式結(jié)構(gòu)，這是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)內(nèi)部的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 從數(shù)據(jù)庫最終用戶角度看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為集中式結(jié)構(gòu)(又可有單用戶結(jié)構(gòu)、主從式結(jié)構(gòu))、分布式結(jié)構(gòu)、客戶服務器結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)。這是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)外部的體系結(jié)構(gòu)。,41,1.3.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式的概念 “型” (Type)和“值” (Value) 型是指一類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和屬性的說明，值是型的一個具體賦值。 例：記錄型 (學號，姓名，性別，系別，年齡，籍貫) 記錄值 (90020l ，李明，男，計算機，22，江蘇),42,模式(schema)：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，它僅僅涉及到型的描述，不涉及到具體的值。 模式的一個具體值稱為模式的一個實例(instance)。 同一個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(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及其聯(lián)系，而實例反映的是數(shù)據(jù)庫某一時刻的狀態(tài)。 不同的DBMS在體系結(jié)構(gòu)上通常都具有相同的特征，即采用三級模式結(jié)構(gòu)并提供兩級映象功能。,43,1.3.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu),模式（Schema) 也稱邏輯模式，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，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。 它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)的中間層 模式實際上是數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)在邏輯級上的視圖。 一個數(shù)據(jù)庫只有一個模式。數(shù)據(jù)庫模式以某一種數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，統(tǒng)一綜合地考慮了所有用戶的需求，并將這些需求有機地結(jié)合成一個邏輯整體。模式定義包括數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)定義、數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系定義以及安全性、完整性要求的定義。 DBMS提供模式定義語言(模式DDL)來嚴格地定義模式。,44,2) 外模式（External Schema) 也稱子模式(Subshema)或用戶模式，它是數(shù)據(jù)庫用戶(包括應用程序員和最終用戶)能夠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， 是數(shù)據(jù)庫用戶的數(shù)據(jù)視圖，是與某一應用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。 外模式通常是模式的子集。 一個數(shù)據(jù)庫可以有多個外模式。 外模式是保證數(shù)據(jù)庫安全性的一個有力措施。 DBMS提供子模式定義語言(子模式DDL)來嚴格地定義子模式。,45,3) 內(nèi)模式（Internal Schema) 也稱存儲模式(Storage schema)，一個數(shù)據(jù)庫只有一個內(nèi)模式。它是數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲方式的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式。 例如，記錄的存儲方式是順序存儲、按照B樹結(jié)構(gòu)存儲還是按hash方法存儲；索引按照什么方式組織；數(shù)據(jù)是否壓縮存儲，是否加密；數(shù)據(jù)的存儲記錄結(jié)構(gòu)有何規(guī)定等。 DBMS提供內(nèi)模式描述語言(內(nèi)模式DDL，或者存儲模式DDL)來嚴格地定義內(nèi)模式。,圖1-24 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu),47,1.3.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的二級映