數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用

1、數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)庫技術(shù)產(chǎn)生于六十年代末，是數(shù)據(jù)管理的最新技術(shù)，是計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要分支。數(shù)據(jù)庫技術(shù)是信息系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，它的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用向各行各業(yè)的滲透。數(shù)據(jù)庫的建設(shè)規(guī)模、數(shù)據(jù)庫信息量的大小和使用頻度已成為衡量一個(gè)國(guó)家信息化程度的 重要標(biāo)志。第一章緒論1.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.1.1 四個(gè)基本概念數(shù)據(jù)（Data）數(shù)據(jù)庫（Database ）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS） 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DBS）一、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)（Data）的定義數(shù)據(jù)是信息的具體表現(xiàn)形式描述事物的符號(hào)記錄數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式一一數(shù)字文字圖形圖像聲音等各類數(shù)據(jù)必須數(shù)字化后才能加工處理。數(shù)據(jù)與其語義是不可分的例如：93

2、是一個(gè)數(shù)據(jù)語義1:學(xué)生某門課的成績(jī)語義2：某人的體重語義3:計(jì)算機(jī)系2007級(jí)學(xué)生人數(shù)例如：學(xué)生檔案中的一條記錄：（李明 男 1982江蘇 計(jì)算機(jī)系 2000）二、數(shù)據(jù)庫（續(xù)）數(shù)據(jù)庫的定義數(shù)據(jù)庫（Database,簡(jiǎn)稱DB）是長(zhǎng)期儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)、有組織的、可共享的大量數(shù)據(jù)的集 合。三、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)什么是DBMS數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Database Management System,簡(jiǎn)稱DBMS是位于用戶與操作系統(tǒng) 之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件。DBMS勺用途組織和存儲(chǔ)好大量的數(shù)據(jù)，并提供方便、高效地檢索數(shù)據(jù)和維護(hù)數(shù)據(jù)的手段。DBMS勺主要功能：數(shù)據(jù)定義功能數(shù)據(jù)組織存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)操縱功能數(shù)據(jù)庫的事務(wù)管

3、理和運(yùn)行管理數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)功能其它功能四、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)什么是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Database System ,簡(jiǎn)稱DBS是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（及其開發(fā)工具）應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理員（DBA1.1.2 數(shù)據(jù)管理技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展數(shù)據(jù)管理：是指對(duì)數(shù)據(jù)的分類、組織、編碼、存儲(chǔ)、查詢和維護(hù)等活動(dòng)，是數(shù)據(jù)處理的 中心環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)處理：是指對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、組織、存儲(chǔ)、加工、抽取和傳播等一系列活動(dòng)的總和。 其目的是從大量的、原始數(shù)據(jù)中抽取、推導(dǎo)出對(duì)人們有價(jià)值的信息。數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力：應(yīng)用需求的推動(dòng)、計(jì)算機(jī)軟 /硬件的發(fā)展數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展過程人工管

4、理階段（40年代中-50年代中）文件系統(tǒng)階段（50年代末-60年代中）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段（60年代末-現(xiàn)在）一、人工管理時(shí)期40年代中-50年代中產(chǎn)生的背景應(yīng)用需求科學(xué)計(jì)算硬件水平紙帶、卡片、磁帶軟件水平?jīng)]有操作系統(tǒng)處理方式批處理特點(diǎn)：數(shù)據(jù)不保存、數(shù)據(jù)由程序各自管理（邏輯結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、存取方法、輸入方式等）數(shù)據(jù)不共享：一組數(shù)據(jù)只能對(duì)應(yīng)一個(gè)程序數(shù)據(jù)不具獨(dú)立性：數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后（物理或邏輯上），應(yīng)用程序必須做相應(yīng)的修應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系（人工管理階段）二、文件系統(tǒng) 時(shí)期50年代末-60年代中產(chǎn)生的背景應(yīng)用需求科學(xué)計(jì)算、管理硬件水平磁盤、磁鼓軟件水平專門管理數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)處理方式聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)處理、

5、批處理應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系（文件系統(tǒng)）文件系統(tǒng)（續(xù)）特點(diǎn)數(shù)據(jù)可長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)的管理者：文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化：記錄內(nèi)有結(jié)構(gòu) ，整體無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的獨(dú)立性：有了一定的獨(dú)立性，數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變必須修改應(yīng)用程序數(shù)據(jù)面向的對(duì)象：某一應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的共享程度：共享性差、冗余度大三、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)時(shí)期：60年代末以來產(chǎn)生的背景應(yīng)用背景大規(guī)模管理硬件背景大容量磁盤軟件背景有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)處理方式聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)處理、分布處理、批處理1.1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點(diǎn)特點(diǎn)：數(shù)據(jù)的管理者：DBMS數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化：整體結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的共享程度：共享性高數(shù)據(jù)的獨(dú)立性：高度的物理獨(dú)立性和一定的邏輯獨(dú)立性數(shù)據(jù)控制能力：由 DBM疏一管理和控制數(shù)據(jù)

6、結(jié)構(gòu)化整體數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化是數(shù)據(jù)庫的主要特征之一，也是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別。數(shù)據(jù)庫中實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)的真正結(jié)構(gòu)化：數(shù)據(jù)內(nèi)部是結(jié)構(gòu)化的，整體也是結(jié)構(gòu)化的。不僅描述數(shù)據(jù)本身，也描述數(shù)據(jù)間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)用數(shù)據(jù)模型描述，無需程序定義和解釋。數(shù)據(jù)的最小存取單位是數(shù)據(jù)項(xiàng) 。例如，建立學(xué)生信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)包含的數(shù)據(jù)：學(xué)生文件：學(xué)生(學(xué)號(hào)、姓名、性別、系別、年齡)課程文件：課程(課程號(hào)、課程名)成績(jī)文件：成績(jī)(學(xué)號(hào)、課程號(hào)、成績(jī))其實(shí)3個(gè)文件的記錄之間是有聯(lián)系的，成績(jī)文件中的學(xué)號(hào)必須是成績(jī)文件中某個(gè)學(xué)生的學(xué)號(hào)，選課的課程號(hào)必須是課程文件中某門課程的編號(hào)。數(shù)據(jù)獨(dú)立性物理獨(dú)立性：指用戶的應(yīng)用程序與存儲(chǔ)在磁

7、盤上的數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的。當(dāng)數(shù)據(jù) 的物理存儲(chǔ)改變了，應(yīng)用程序不用改變。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。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(dú)立性是由 DBMS勺二級(jí)映像功能來保證的。DBMS寸數(shù)據(jù)的控制功能數(shù)據(jù)的安全性(Security )保護(hù)使每個(gè)用戶只能按指定方式使用和處理指定數(shù)據(jù)，保護(hù)數(shù)據(jù)以防止不合法的使用造成的數(shù)據(jù)的泄密和破壞。數(shù)據(jù)的完整性(Integrity )檢查將數(shù)據(jù)控制在有效范圍內(nèi)，或保證數(shù)據(jù)間滿足一定的關(guān)系。并發(fā)(Concurrency )控制對(duì)多用戶的并發(fā)操作加以控制和協(xié)調(diào)，防止相互干擾而得到錯(cuò)誤的結(jié)果。數(shù)據(jù)庫恢復(fù)(Recove

8、ry )將數(shù)據(jù)庫從錯(cuò)誤狀態(tài)恢復(fù)到某一已知的正確狀態(tài)。1.2 數(shù)據(jù)模型1.2.1 兩大數(shù)據(jù)模型模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中某個(gè)對(duì)象特征的模擬和抽象。數(shù)據(jù)模型也是一種模型，它是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)特征的抽象。數(shù)據(jù)模型是用來描述數(shù)據(jù)、組織數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的。應(yīng)滿足三方面要求能比較真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)世界容易為人所理解便于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)兩大數(shù)據(jù)模型(續(xù))數(shù)據(jù)模型分為兩類(分屬兩個(gè)不同的層次)(1)概念模型：也稱信息模型，它是按用戶的觀點(diǎn)來對(duì)數(shù)據(jù)和信息建模，用于數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。(2)邏輯模型和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?，按?jì)算機(jī)系統(tǒng)的觀點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)建模，用于 DBM故現(xiàn)。物理模型描述數(shù)據(jù)在系統(tǒng)

9、內(nèi)部的表示方式和存取方法，在磁盤或磁帶上的存儲(chǔ)方式和存取方法。1.2.2 數(shù)據(jù)模型的組成要素?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述數(shù)據(jù)庫的組成對(duì)象，以及對(duì)象之間的聯(lián)系是對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述數(shù)據(jù)操作對(duì)數(shù)據(jù)庫中各種對(duì)象(型)的實(shí)例(值)允許執(zhí)行的操作及有關(guān)的操作規(guī)則。數(shù)據(jù)操作是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的描述數(shù)據(jù)的約束條件一組完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則是對(duì)數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)及其聯(lián)系定義的制約和儲(chǔ)存規(guī)則。1.2.3 概念模型信息世界中的基本概念兩個(gè)實(shí)體型之間的聯(lián)系兩個(gè)以上實(shí)體型之間的聯(lián)系單個(gè)實(shí)體型內(nèi)的聯(lián)系概念模型的一種表示方法一個(gè)實(shí)例一、信息世界中的基本概念(1)實(shí)體(Entity )客觀存在并可相互區(qū)別的事物稱為實(shí)體?？梢允蔷唧w的人、事

10、、物或抽象的概念。(2)屬性(Attribute )實(shí)體所具有的某一特性稱為屬性。一個(gè)實(shí)體可以由若干個(gè)屬性來刻畫。(3)碼(Key)唯一標(biāo)識(shí)實(shí)體的屬性集稱為碼。信息世界中的基本概念(續(xù))(4)域(Domain)屬性的取值范圍稱為該屬性的域。(5)實(shí)體型(Entity Type )用實(shí)體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實(shí)體稱為實(shí)體型(6)實(shí)體集(Entity Set )同型實(shí)體的集合稱為實(shí)體集(7)聯(lián)系(Relationship )現(xiàn)實(shí)世界中事物內(nèi)部以及事物之間的聯(lián)系在信息世界中反映為實(shí)體內(nèi)部的聯(lián)系和實(shí)體 之間的聯(lián)系。實(shí)體內(nèi)部的聯(lián)系通常是指組成實(shí)體的各屬性之間的聯(lián)系。實(shí)體之間的聯(lián)系通常是指不同實(shí)

11、體集之間的聯(lián)系。二、兩個(gè)實(shí)體型間的聯(lián)系1:1聯(lián)系1:n聯(lián)系mm族亦一對(duì)一聯(lián)系如果對(duì)于實(shí)體集 A中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集B中至多有一個(gè)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(duì)一聯(lián)系。記為 1:1。實(shí)例：班級(jí)與班長(zhǎng)之間的聯(lián)系：一個(gè)班級(jí)只有一個(gè)正班長(zhǎng)，一個(gè)班長(zhǎng)只在一個(gè)班中任職一對(duì)多聯(lián)系如果對(duì)于實(shí)體集 A中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集 B中有n個(gè)實(shí)體（n0）與之聯(lián)系，反之， 對(duì)于實(shí)體集B中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集A中至多只有一個(gè)實(shí)體與之聯(lián)系，則稱實(shí)體集A與實(shí)體集B有一對(duì)多聯(lián)系。記為 1:n實(shí)例：班級(jí)與學(xué)生之間的聯(lián)系：一個(gè)班級(jí)中有若干名學(xué)生，每個(gè)學(xué)生只在一個(gè)班級(jí)中學(xué)習(xí)多對(duì)多聯(lián)系（m:n）如果對(duì)于實(shí)體集

12、A中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集 B中有n個(gè)實(shí)體（n0）與之聯(lián)系，反之， 對(duì)于實(shí)體集B中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集 A中也有m個(gè)實(shí)體（0）與之聯(lián)系，則稱實(shí)體集 A 與實(shí)體B具有多對(duì)多聯(lián)系。記為 m:n實(shí)例：課程與學(xué)生之間的聯(lián)系：一門課程同時(shí)有若干個(gè)學(xué)生選修，一個(gè)學(xué)生可以同時(shí)選修多門課程三、多個(gè)實(shí)體型間的聯(lián)系（續(xù)）多個(gè)實(shí)體型間的一對(duì)多聯(lián)系若實(shí)體集E1, E2, . , En存在聯(lián)系，對(duì)于實(shí)體集 Ej （j=1 , 2, . , i-1 , i+1 ,., n）中的給定實(shí)體，最多只和 日中的一個(gè)實(shí)體相聯(lián)系，則我們說 曰與E1, E2, . , Ei-1 , Ei+1，En之間的聯(lián)系是一對(duì)多的。多個(gè)實(shí)體型間的聯(lián)系

13、（續(xù)）實(shí)例：課程、教師與參考書三個(gè)實(shí)體型一門課程可以有若干個(gè)教師講授，使用若干本參考書， 每一個(gè)教師只講授一門課程， 每一本參考書只供一門課程使用兩個(gè)以上實(shí)體型間1:n聯(lián)系多個(gè)實(shí)體型間的一對(duì)一聯(lián)系多個(gè)實(shí)體型間的多對(duì)多聯(lián)系供應(yīng)商、項(xiàng)目、零件三個(gè)實(shí)體型，一個(gè)供應(yīng)商可以供給多個(gè)項(xiàng)目多種；零件，每個(gè)項(xiàng)目 可以使用多個(gè)供應(yīng)；商供應(yīng)的零件，每種零件可由不同供應(yīng)商供給。四、同一實(shí)體集內(nèi)各實(shí)體間的聯(lián)系一對(duì)多聯(lián)系實(shí)例職工實(shí)體型內(nèi)部具有領(lǐng)導(dǎo)與被領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)系；某一職工（干部）“領(lǐng)導(dǎo)”若干名職工； 一個(gè)職工僅被另外一個(gè)職工直接領(lǐng)導(dǎo)；這是一對(duì)多的聯(lián)系。五、概念模型的表示方法概念模型的表示方法很多實(shí)體聯(lián)系方法（E-R方法）

14、用E-R圖來描述現(xiàn)實(shí)世界的概念模型E-R方法也稱為E-R模型P.P.S.Chen 于 1976 年提出E-R圖實(shí)體型用矩形表示，矩形框內(nèi)寫明實(shí)體名。學(xué)生屬性用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應(yīng)的實(shí)體連接起來學(xué)生聯(lián)系本身：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(shí)在無向邊旁標(biāo)上聯(lián)系的類型(1:1、1:n或m:n)聯(lián)系的屬性：聯(lián)系本身也是一種實(shí)體型，也可以有屬性。如果一個(gè)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。六、一個(gè)實(shí)例用E-R圖表示某個(gè)工廠物資管理的概念模型實(shí)體倉庫：倉庫號(hào)、面積、電話號(hào)碼零件：零件號(hào)、名稱、規(guī)格、單價(jià)、描述供應(yīng)商：供應(yīng)商號(hào)、姓名、地址

15、、電話號(hào)碼、帳號(hào)項(xiàng)目：項(xiàng)目號(hào)、預(yù)算、開工日期職工：職工號(hào)、姓名、年齡、職稱一個(gè)實(shí)例實(shí)體之間的聯(lián)系如下：(1) 一個(gè)倉庫可以存放多種零件，一種零件可以存放在多個(gè)倉庫中。倉庫和零件具有多對(duì)多的聯(lián)系。用庫存量來表示某種零件在某個(gè)倉庫中的數(shù)量。(2) 一個(gè)倉庫有多個(gè)職工當(dāng)倉庫保管員，一個(gè)職工只能在一個(gè)倉庫工作，倉庫和職工之間是一對(duì)多的聯(lián)系。職工實(shí)體型中具有一對(duì)多的聯(lián)系(3)職工之間具有領(lǐng)導(dǎo)-被領(lǐng)導(dǎo)關(guān)系。即倉庫主任領(lǐng)導(dǎo)若干保管員。(4)供應(yīng)商、項(xiàng)目和零件三者之間具有多對(duì)多的聯(lián)系。(w(姓語當(dāng)碼)(C)完整的實(shí)體-聯(lián)系圖DBMS支持的數(shù)據(jù)視圖。葉結(jié)點(diǎn)1.2.4 常用的數(shù)據(jù)模型層次模型(Hierarchic

16、al 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(duì)象關(guān)系模型(Object Relational Model )這里講的數(shù)據(jù)模型都是邏輯上的，是計(jì)算機(jī)能夠理解，且被1.2.5 層次模型1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.數(shù)據(jù)操縱3.完整性約束4.存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 5. 優(yōu)缺點(diǎn)1.層次數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次模型滿足下面兩個(gè)條件的基本層次聯(lián)系的集合為層次模型。1 .有且只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)沒有雙親結(jié)點(diǎn)，該結(jié)點(diǎn)稱為根結(jié)點(diǎn)2 .根以外的其它結(jié)點(diǎn)有且只有一個(gè)雙親結(jié)點(diǎn)葉結(jié)點(diǎn)圖1.16一個(gè)層次模型的示例表布方法實(shí)體型：用記錄類型

17、描述，每個(gè)結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)記錄類型。屬性：用字段描述，每個(gè)記錄類型可包含若干個(gè)字段。聯(lián)系：用結(jié)點(diǎn)之間的連線（有向邊 ）表示記錄型之間的一對(duì)多的聯(lián)系。特點(diǎn)結(jié)點(diǎn)的雙親是唯一的每個(gè)記錄類型定義一個(gè)排序字段，也稱為碼字段任何記錄值只有按其路徑查看時(shí)，才能顯出它的全部意義沒有一個(gè)子女記錄值能夠脫離雙親記錄值而獨(dú)立存在只能直接處理一對(duì)多的實(shí)體聯(lián)系多對(duì)多聯(lián)系在層次模型中的表示多對(duì)多聯(lián)系在層次模型中的表示用層次模型間接表示多對(duì)多聯(lián)系方法將多對(duì)多聯(lián)系分解成一對(duì)多聯(lián)系分解方法冗余結(jié)點(diǎn)法虛擬結(jié)點(diǎn)法學(xué)生實(shí)體與課程實(shí)體之間的多對(duì)多聯(lián)系：一個(gè)學(xué)生可以選修多門課程，一門課程可以由多個(gè)學(xué)生選修；冗余結(jié)點(diǎn)法:CSCS虛擬結(jié)點(diǎn)法:球杠勺課程名2.層次模型的數(shù)據(jù)操縱查詢插入刪除更新進(jìn)行插入、刪除、更新操作時(shí)要滿足層次模型的完整性約束條件。3.層次模型的完整性約束1、無相應(yīng)的雙親結(jié)點(diǎn)值就不能插入子女結(jié)點(diǎn)值2、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(shí)刪除3、更新操作時(shí)，應(yīng)更新所有相應(yīng)記錄，以保證數(shù)據(jù)的一致性4.層次數(shù)據(jù)模型的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)鄰接法按照層次樹前序遍歷的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)層次順序鄰接法按照層次樹前序遍歷的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