數據庫的體系結構

1、111第第 章章導讀數據庫基礎 （ 視頻講解：25分鐘）本章主要介紹數據庫的相關概念，包括數據庫系統(tǒng)的簡介、數據庫的體系結構、數據模型、常見關系數據庫。通過本章的學習，讀者應該掌握數據庫系統(tǒng)、數據模型、數據庫三級模式結構以及數據庫規(guī)范化等概念，掌握常見的關系數據庫。通過閱讀本章，您可以：: 了解數據庫技術的發(fā)展: 掌握數據庫系統(tǒng)的組成: 掌握數據庫的體系結構: 熟悉數據模型: 掌握常見的關系數據庫1.1 數據庫系統(tǒng)簡介視頻講解：光盤TMlx1數據庫系統(tǒng)簡介.exe數據庫系統(tǒng)（DataBase System，DBS）是由數據庫及其管理軟件組成的系統(tǒng)，人們常把與數據庫有關的硬件和軟件系統(tǒng)

2、稱為數據庫系統(tǒng)。 數據庫技術的發(fā)展數據庫技術是應數據管理任務的需求而產生的，隨著計算機技術的發(fā)展，對數據管理技術也不斷地提出更高的要求，其先后經歷了人工管理、文件系統(tǒng)、數據庫系統(tǒng)等3個階段，這3個階段的特點分別如下所述。（1）人工管理階段20世紀50年代中期以前，計算機主要用于科學計算。當時硬件和軟件設備都很落后，數據基本依賴于人工管理，人工管理數據具有如下特點：þ 數據不保存。þ 使用應用程序管理數據。þ 數據不共享。þ 數據不具有獨立性。（2）文件系統(tǒng)階段20世紀50年代后期到60年代中期，硬件和軟件技術都有了進一步發(fā)展，出現了磁盤等存儲設備和專門的

3、數據管理軟件即文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)具有如下特點：þ 數據可以長期保存。þ 由文件系統(tǒng)管理數據。þ 共享性差，數據冗余大。þ 數據獨立性差。（3）數據庫系統(tǒng)階段20世紀60年代后期以來，計算機應用于管理系統(tǒng)，而且規(guī)模越來越大，應用越來越廣泛，數據量急劇增長，對共享功能的要求越來越強烈。這樣使用文件系統(tǒng)管理數據已經不能滿足要求，于是為了解決一系列問題，出現了數據庫系統(tǒng)來統(tǒng)一管理數據。數據庫系統(tǒng)滿足了多用戶、多應用共享數據的需求，它比文件系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點，標志著管理技術的飛躍。 數據庫系統(tǒng)的組成數據庫系統(tǒng)是采用數據庫技術的計算機系統(tǒng)，是由數據庫（數據）、數據庫

4、管理系統(tǒng)（軟件）、數據庫管理員（人員）、硬件平臺（硬件）和軟件平臺（軟件）5部分構成的運行實體。其中，數據庫管理員（DataBase Administrator，DBA）是對數據庫進行規(guī)劃、設計、維護和監(jiān)視等的專業(yè)管理人員，在數據庫系統(tǒng)中起著非常重要的作用。1.2 數據庫的體系結構視頻講解：光盤TMlx1數據庫的體系結構.exe數據庫具有一個嚴謹的體系結構，這樣可以有效地組織、管理數據，提高數據庫的邏輯獨立性和物理獨立性。數據庫領域公認的標準結構是三級模式結構。 數據庫三級模式結構數據庫系統(tǒng)的三級模式結構是指模式、外模式和內模式。下面分別對它們進行介紹。1模式模式也稱邏輯模式或概念模式，它是數

5、據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述，是所有用戶的公共數據視圖。一個數據庫只有一個模式，模式處于三級結構的中間層。2外模式外模式也稱用戶模式，它是數據庫用戶（包括應用程序員和最終用戶）能夠看見和使用的局部數據的邏輯結構和特征的描述，是數據庫用戶的數據視圖，是與某一應用有關的數據的邏輯表示。外模式是模式的子集。一個數據庫可以有多個外模式。3內模式內模式也稱存儲模式，一個數據庫只有一個內模式。它是數據物理結構和存儲方式的描述，是數據在數據庫內部的表示方式。 三級模式之間的映射為了能夠在內部實現數據庫的3個抽象層次的聯(lián)系和轉換，數據庫管理系統(tǒng)在三級模式之間提供了兩層映射。1外模式/模式映射對應于同一

6、個模式可以有任意多個外模式。對于每一個外模式，數據庫系統(tǒng)都有一個外模式/模式映射。當模式改變時，由數據庫管理員對各個外模式/模式映射作相應的改變，可以使外模式保持不變。這樣，依據數據外模式編寫的應用程序就不用修改，保證了數據與程序的邏輯獨立性。2模式/內模式映射數據庫中只有一個模式和一個內模式，所以模式/內模式映射是唯一的，它定義了數據庫的全局邏輯結構與存儲結構之間的對應關系。當數據庫的存儲結構改變時，由數據庫管理員對模式/內模式映射作相應改變，可以使模式保持不變，應用程序相應地也不作變動。這樣，保證了數據與程序的物理獨立性。1.3 數 據 模 型 視頻講解：光盤TMlx1數據模型.exe數據

7、模型是一種對客觀事物抽象化的表現形式。它對客觀事物加以抽象，通過計算機來處理現實世界中的具體事物。它客觀地反映了現實世界，易于理解，與人們對外部事物描述的認識相一致。 數據模型的概念數據模型是數據庫系統(tǒng)的核心與基礎，是描述數據與數據之間的聯(lián)系、數據的語義、數據一致性約束的概念性工具的集合。數據模型通常是由數據結構、數據操作和完整性約束3部分組成的。þ 數據結構：是對系統(tǒng)靜態(tài)特征的描述。描述對象包括數據的類型、內容、性質和數據之間的相互關系。þ 數據操作：是對系統(tǒng)動態(tài)特征的描述，是對數據庫中各種對象實例的操作。þ 完整性約束：是完整性規(guī)則的集合。它定義了給定數據模型

8、中數據及其聯(lián)系所具有的制約和依存規(guī)則。 常見的數據模型常用的數據庫數據模型主要有層次模型、網狀模型和關系模型，下面分別對它們進行介紹。（1）層次模型：用樹形結構表示實體類型及實體間聯(lián)系的數據模型稱為層次模型，它具有以下 特點。þ 每棵樹有且僅有一個無雙親節(jié)點，稱為根。þ 樹中除根外所有節(jié)點有且僅有一個雙親。（2）網狀模型：用有向圖結構表示實體類型及實體間聯(lián)系的數據模型稱為網狀模型。用網狀模型編寫應用程序極其復雜，數據的獨立性較差。（3）關系模型：以二維表來描述數據。在關系模型中，每個表有多個字段列和記錄行，每個字段列有固定的屬性（數字、字符、日期等）。關系模型數據結構簡單、

9、清晰、具有很高的數據獨立性，因此是目前主流的數據庫數據模型。關系模型的基本術語如下。þ 關系：一個二維表就是一個關系。þ 元組：就是二維表中的一行，即表中的記錄。þ 屬性：就是二維表中的一列，用類型和值表示。þ 域：每個屬性取值的變化范圍，如性別的域為男，女。關系模型中的數據約束如下。þ 實體完整性約束：約束關系的主鍵屬性值不能為空值。þ 參照完整性約束：關系之間的基本約束。þ 用戶定義的完整性約束：它反映了具體應用中數據的語義要求。 關系數據庫的規(guī)范化關系數據庫的規(guī)范化理論認為：關系數據庫中的每一個關系都要滿足一定的規(guī)范。

10、根據滿足規(guī)范的條件不同，可以分為5個等級：第一范式（1NF）、第二范式（2NF）第五范式（5NF）。其中，NF是Normal Form的縮寫。一般情況下，只要把數據規(guī)范到第三范式標準即可滿足需要。þ 第一范式（1NF）：在一個關系中，消除重復字段，且各字段都是最小的邏輯存儲單位。þ 第二范式（2NF）：若關系模型屬于第一范式，則關系中每一個非主關鍵字段都完全依賴于主關鍵字段，不能只部分依賴于主關鍵字的一部分。þ 第三范式（3NF）：若關系模型屬于第一范式，且關系中所有非主關鍵字段都只依賴于主關鍵字段。第三范式要求去除傳遞依賴。 關系數據庫的設計原則數據庫設計是指對

11、于一個給定的應用環(huán)境，根據用戶的需求，利用數據模型和應用程序模擬現實世界中該應用環(huán)境的數據結構和處理活動的過程。數據庫設計原則如下：（1）數據庫內數據文件的數據組織應獲得最大限度的共享、最小的冗余度，消除數據及數據依賴關系中的冗余部分，使依賴于同一個數據模型的數據達到有效的分離。（2）保證輸入、修改數據時數據的一致性與正確性。（3）保證數據與使用數據的應用程序之間的高度獨立性。 實體與關系實體是指客觀存在并可相互區(qū)別的事物。實體既可以是實際的事物，也可以是抽象的概念或關系。實體之間有3種關系。þ 一對一關系：是指表A中的一條記錄確實在表B中有且只有一條相匹配的記錄。在一對一關系中，大

12、部分相關信息都在一個表中。þ 一對多關系：是指表A中的行可以在表B中有許多匹配行，但是表B中的行只能在表A中有一個匹配行。þ 多對多關系：是指關系中每個表的行在相關表中具有多個匹配行。在數據庫中，多對多關系的建立是依靠第3個表（稱作連接表）實現的，連接表包含相關的兩個表的主鍵列，然后從兩個相關表的主鍵列分別創(chuàng)建與連接表中的匹配列的關系。1.4 常見關系數據庫視頻講解：光盤TMlx1常見關系數據庫.exe關系數據庫，是建立在關系數據庫模型基礎上的數據庫，是通過集合代數等概念和方法來處理數據的數據庫。在這里主要介紹Access、SQL Server和Oracle數據庫。1.4.

13、1 Access數據庫Microsoft Access是當前流行的關系數據庫管理系統(tǒng)之一，其核心是Microsoft Jet數據庫引擎。通常情況下，安裝Microsoft Office時選擇“默認安裝”，Access數據庫即被安裝到計算機上。Microsoft Access是一個非常容易掌握的數據庫管理系統(tǒng)，利用它可以創(chuàng)建、修改和維護數據庫和數據庫中的數據，并且可以利用向導來完成對數據庫的一系列操作。Access能夠滿足小型企業(yè)客戶/服務器解決方案的要求，是一種功能較完備的系統(tǒng)，它幾乎包含了數據庫領域的所有技術和內容，對于初學者學習數據庫知識非常有幫助。 SQL Server 2000數據庫S

14、QL Server是由微軟公司開發(fā)的一個大型的關系數據庫系統(tǒng)，它為用戶提供了一個安全、可靠、易管理和高端的客戶/服務器數據庫平臺。SQL Server是一種高性能的關系型數據庫管理系統(tǒng)，以Client/Server為設計結構、支持多個不同的開發(fā)平臺、支持企業(yè)級的應用程序、支持XML等，能夠滿足不同類型的數據庫解決方案。SQL Server數據庫大大地擴展了系統(tǒng)性能、可靠性和易用性。SQL Server 2000是一種高性能的關系型數據庫管理系統(tǒng)，在SQL Server 7.0的基礎上大大擴展了系統(tǒng)的性能、可靠性和易用性，逐漸成為OLTP（在線事務進程）、數據倉庫和e商務應用最好的數據庫平臺。S

15、QL Server 2000的主要特點包括簡便的操作方式、以Client/Server為設計結構、支持多個不同的開發(fā)平臺、支持企業(yè)級的應用程序、支持XML、數據倉庫支持、支持虛擬根、用戶自定義函數、增加了3種數據類型（BIGINT、SQL_VARIANT和TABLE）、提供了語言排序規(guī)則、增加了全文搜索和文檔管理功能、增加了索引視圖功能、增強了分布式查詢功能等。 SQL Server 2005數據庫SQL Server 2005是SQL Server 2000的升級版本，其優(yōu)勢主要表現在以下兩個方面。1統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境SQL Server 2005和Visual Studio 2005擁有一個統(tǒng)

16、一的開發(fā)環(huán)境，使得集成于該環(huán)境的編程模型能夠提供一個整體的解決方案，并使得程序開發(fā)語言、產品配置環(huán)境和數據操作這3種專業(yè)技能緊密地結合起來，給應用程序的可用性、性能、安全性和可伸縮性帶來全面提升。2.NET框架集成SQL Server 2005的核心由.NET Framework 2.0構成，數據庫的工具整合了開發(fā)環(huán)境，有利于數據庫的程序開發(fā)。 SQL Server 2008數據庫SQL Server數據庫系列歷經多次升級已經發(fā)展到SQL Server 2008，SQL Server 2008是SQL Server的最新版本，是迄今為止最強大和最全面的SQL Server版本。下面對SQL S

17、erver 2008的企業(yè)版、標準版和工作組版進行簡要說明。þ SQL Server 2008企業(yè)版是一個全面的數據管理和業(yè)務智能平臺，為關鍵業(yè)務應用提供了企業(yè)級的可擴展性、數據倉庫、安全、高級分析和報表支持，這一版本將為您提供更加堅固的服務器和支持大規(guī)模在線事務處理。þ SQL Server 2008標準版是一個完整的數據管理和業(yè)務智能平臺，為部門級應用提供了最佳的易用性和可管理性。þ SQL Server 2008工作組版是一個值得信賴的數據管理和報表平臺，用以實現安全的發(fā)布、遠程同步和對運行分支應用的管理能力，這一版本擁有核心的數據庫特性，可以很容易地升級到標準版或企業(yè)版。 Oracle數據庫Oracle是美國ORACLE公司（甲骨文）提供的以分布式數據庫為核心的一組軟件產品。Oracle是目前世界上使用最為廣泛的關系數據庫，它具有完整的數據管理功能，包括數據的大量性、數據保存的持久性、數據的共享性、數據的可靠性。Oracle在并行處理、實時性、數據處理速度方面都有較好的性能。一般情況下，大型企業(yè)選擇Orac