計算機數(shù)據(jù)庫基礎知識

1、數(shù)據(jù)庫技術與應用數(shù)據(jù)庫技術與應用第第1章章 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基礎知識（數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基礎知識（2）2. 概念模型的表示方法概念模型的表示方法很多，最常用的是E-R方法實體聯(lián)系方法(E-R方法)l用E-R圖來描述現(xiàn)實世界的概念模型lE-R方法也稱為E-R模型E-R圖實體型l用矩形表示，矩形框內(nèi)寫明實體名。學生學生教師教師E-R圖(續(xù))屬性l用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應的實體連接起來學生學生學號學號年齡年齡性別性別姓名姓名E-R圖(續(xù))聯(lián)系l聯(lián)系本身：用菱形表示，菱形框內(nèi)寫明聯(lián)系名，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實體連接起來，同時在無并用無向邊分別與有關實體連接起來，同時在無向邊

2、旁標上聯(lián)系的類型（向邊旁標上聯(lián)系的類型（1:1、1:n或或m:n） l聯(lián)系的屬性：聯(lián)系本身也是一種實體型，也可聯(lián)系本身也是一種實體型，也可以有屬性。如果一個聯(lián)系具有屬性，則這些屬性以有屬性。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)系連接起來也要用無向邊與該聯(lián)系連接起來 聯(lián)系的表示方法實體型實體型1聯(lián)系名聯(lián)系名實體型實體型2111:1聯(lián)系聯(lián)系實體型實體型1聯(lián)系名聯(lián)系名實體型實體型2mnm:n聯(lián)系聯(lián)系實體型實體型1聯(lián)系名聯(lián)系名實體型實體型21n1:n聯(lián)系聯(lián)系聯(lián)系的表示方法示例班級班級班級班級-班長班長班長班長111:1聯(lián)系聯(lián)系課程課程選修選修學生學生mnm:n聯(lián)系聯(lián)系班級班級組成組成學生

3、學生1n1:n聯(lián)系聯(lián)系聯(lián)系的表示方法示例(續(xù))職工職工領導領導1n同一實體型內(nèi)同一實體型內(nèi)部的部的1:n聯(lián)系聯(lián)系課程課程講授講授教師教師1m多個實體型間的多個實體型間的1:n聯(lián)系聯(lián)系參考書參考書n聯(lián)系屬性的表示方法課程課程選修選修學生學生mn成績成績 1.2.2 數(shù)據(jù)模型的組成要素數(shù)據(jù)模型是嚴格定義的一組概念的集合。這些概念精確地描述了系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性和完整性約束條件。數(shù)據(jù)模型有三部分組成l數(shù)據(jù)結構 l數(shù)據(jù)操作 l數(shù)據(jù)的約束條件 1.2.2 數(shù)據(jù)模型的組成要素數(shù)據(jù)模型是嚴格定義的一組概念的集合。這些概念精確地描述了系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性和完整性約束條件。數(shù)據(jù)模型有三部分組成l數(shù)據(jù)結構

4、 l數(shù)據(jù)操作 l數(shù)據(jù)的約束條件 1. 數(shù)據(jù)結構什么是數(shù)據(jù)結構l對象類型的集合兩類對象l與數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容、性質有關的對象l與數(shù)據(jù)之間聯(lián)系有關的對象數(shù)據(jù)結構是對系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述 2.數(shù)據(jù)操作 數(shù)據(jù)操作l對數(shù)據(jù)庫中各種對象（型）的實例（值）允許執(zhí)行的操作及有關的操作規(guī)則數(shù)據(jù)操作的類型l檢索l更新（包括插入、刪除、修改） 數(shù)據(jù)操作(續(xù)) 數(shù)據(jù)模型對操作的定義l操作的確切含義l操作符號l操作規(guī)則（如優(yōu)先級）l實現(xiàn)操作的語言數(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 數(shù)據(jù)的約束條件l一組完整性規(guī)則的集合。一組完整性規(guī)則的集合。l完整性規(guī)則是給定的數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)及完整性規(guī)則是給定的數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)

5、及其聯(lián)系所具有的制約和儲存規(guī)則，用以其聯(lián)系所具有的制約和儲存規(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、態(tài)的變化，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效、相容相容。 數(shù)據(jù)的約束條件(續(xù))數(shù)據(jù)模型對約束條件的定義l反映和規(guī)定本數(shù)據(jù)模型必須遵守的基本的通用的完反映和規(guī)定本數(shù)據(jù)模型必須遵守的基本的通用的完整性約束條件。例如在關系模型中，任何關系必須整性約束條件。例如在關系模型中，任何關系必須滿足實體完整性和參照完整性兩個條件。滿足實體完整性和參照完整性兩個條件。l提供定義完整性約束條件的機制，以反映具體應用提供定義完整性約束條件的機制，以反映具體應

6、用所涉及的數(shù)據(jù)必須遵守的特定的語義約束條件所涉及的數(shù)據(jù)必須遵守的特定的語義約束條件。 1.2.3 基本數(shù)據(jù)模型非關系模型l層次模型（層次模型（Hierarchical Model）l網(wǎng)狀模型網(wǎng)狀模型(Network Model )l數(shù)據(jù)結構：以基本層次聯(lián)系為基本單位 基本層次聯(lián)系：兩個記錄以及它們之間的一對多基本層次聯(lián)系：兩個記錄以及它們之間的一對多（包括一對一（包括一對一)的聯(lián)系的聯(lián)系基本數(shù)據(jù)模型(續(xù))關系模型(Relational Model) l數(shù)據(jù)結構：表面向對象模型(Object Oriented Model）l數(shù)據(jù)結構：對象 1、層次模型層次數(shù)據(jù)模型層次模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中最早出現(xiàn)的

7、數(shù)據(jù)模型，它用樹形結構表示各類實體以及實體間的聯(lián)系?，F(xiàn)實世界中許多實體之間的聯(lián)系本來就呈現(xiàn)出一種很自然的層次關系，如行政機構、家族關系等。層次數(shù)據(jù)模型實例層次模型的優(yōu)缺點優(yōu)點l層次數(shù)據(jù)模型簡單，對具有一對多的層次層次數(shù)據(jù)模型簡單，對具有一對多的層次關系的部門描述自然、直觀，容易理解關系的部門描述自然、直觀，容易理解l性能優(yōu)于關系模型，不低于網(wǎng)狀模型性能優(yōu)于關系模型，不低于網(wǎng)狀模型l層次數(shù)據(jù)模型提供了良好的完整性支持層次數(shù)據(jù)模型提供了良好的完整性支持缺點l多對多聯(lián)系表示不自然多對多聯(lián)系表示不自然l對插入和刪除操作的限制多對插入和刪除操作的限制多l(xiāng)查詢子女結點必須通過雙親結點查詢子女結點必須通過雙

8、親結點l層次命令趨于程序化層次命令趨于程序化典型的層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)IMS數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)l第一個大型商用第一個大型商用DBMSl1968年推出年推出lIBM公司研制公司研制2、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型在現(xiàn)實世界中實體型間的聯(lián)系更多的是非層次關系，用層次模型表示非樹形結構是很不直接的，采用網(wǎng)狀模型作為數(shù)據(jù)的組織方式可以克服這一弊病。網(wǎng)狀模型去掉了層次模型的兩個限制，允許節(jié)點有多個雙親節(jié)點，允許多個節(jié)點沒有雙親節(jié)點。網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的一個簡單實例網(wǎng)狀模型的優(yōu)缺點優(yōu)點l能夠更為直接地描述現(xiàn)實世界，如一個結點可以有能夠更為直接地描述現(xiàn)實世界，如一個結點可以有多個雙親多個雙親l具有良好的性能，存取效率較高具有良

9、好的性能，存取效率較高缺點l結構比較復雜，而且隨著應用環(huán)境的擴大，數(shù)據(jù)庫結構比較復雜，而且隨著應用環(huán)境的擴大，數(shù)據(jù)庫的結構就變得越來越復雜，不利于最終用戶掌握的結構就變得越來越復雜，不利于最終用戶掌握lDDL、DML語言復雜，用戶不容易使用語言復雜，用戶不容易使用網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型層次數(shù)據(jù)模型和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型都是早期的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的主要區(qū)別就是前者不僅定義數(shù)據(jù)的存儲而且還定義存儲數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，所謂“層次”和“網(wǎng)狀”就是指這種聯(lián)系的方式。3、關系模型最重要的一種數(shù)據(jù)模型。也是目前主要采用的數(shù)據(jù)模型1970年由美國IBM公司San Jose研究室的研究員E.F.Codd提出本課程

10、的重點關系數(shù)據(jù)模型在用戶觀點下，關系模型中數(shù)據(jù)的邏輯結構是一張二維表，它由行和列組成。學學生生登登記記表表學學 號號姓姓 名名年年 令令性性 別別系系 名名年年 級級95004王王小小明明19女女社社會會學學9595006黃黃大大鵬鵬20男男商商品品學學9595008張張文文斌斌18女女法法律律學學95關系模型的優(yōu)點（1）關系模型建立在嚴格的數(shù)學概念的基礎上。它以關系代數(shù)和數(shù)理邏輯為基礎，經(jīng)過多年發(fā)展，形成了嚴密的關系數(shù)據(jù)庫理論。（2)關系模型的概念單一，數(shù)據(jù)結構簡單、清晰，用戶易懂易用。無論實體還是實體之間的聯(lián)系都用關系來表示。對數(shù)據(jù)的檢索和更新結果也是關系（即表）。（3）關系模型的存取路徑

11、對用戶透明，從而具有更高的數(shù)據(jù)獨立性，更好的安全保密性，也簡化了程序員的工作和數(shù)據(jù)庫開發(fā)建設的工作。關系模型的缺點關系模型的主要缺點是，由于存取路徑對用戶透明，查詢效率往往不如非關系數(shù)據(jù)模型。因此為了提高性能，DBMS必須對用戶的查詢請求進行優(yōu)化，這勢必增加了開發(fā)DBMS的難度。面向對象的數(shù)據(jù)模型關系模型還不能充分表達現(xiàn)實世界中存在的許多復雜的數(shù)據(jù)結構,如CAD數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、嵌套遞歸的數(shù)據(jù)等。面向對象模型用面向對象觀點來描述現(xiàn)實世界中的事物（對象）的邏輯結構和對象間的聯(lián)系等的數(shù)據(jù)模型，與人類的思維方式更接近。所謂對象是對現(xiàn)實世界事物的高度抽象，每個對象是狀態(tài)和行為的封裝。對象的狀態(tài)是屬性的集

12、合，行為是在該對象上操作的方法的集合。因此面向對象的模型不僅可以處理各種復雜多樣的數(shù)據(jù)結構，而且具有數(shù)據(jù)與行為相結合的特點。目前面向對象的方法已經(jīng)逐漸成為系統(tǒng)開發(fā)、設計的全新思路。面向對象的數(shù)據(jù)模型面向對象模型能完整地描述現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)結構，具有豐富的表達能力，但模型相對復雜，涉及的知識面廣，實現(xiàn)有一定難度。用面向對象模型組織的數(shù)據(jù)庫稱為面向對象數(shù)據(jù)庫。目前，面向對象還未達到關系數(shù)據(jù)庫那樣的普及程度。在當前信息處理技術中，關系數(shù)據(jù)模型仍然是數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模型的主流，即使使用面向對象的模型也往往采用關系數(shù)據(jù)模型的方法和工具。1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結構與數(shù)據(jù)庫打交道的有四類人員：l用戶、應用程序員、系統(tǒng)分

13、析員和數(shù)據(jù)庫管理員。由于他們對數(shù)據(jù)庫的認識、理解和接觸范圍的不同，他們觀察、認識和理解數(shù)據(jù)的范圍、角度和方法也各不相同，從而形成了各自的數(shù)據(jù)庫視圖。根據(jù)各類人員與數(shù)據(jù)庫的不同關系，可把視圖分為三種：l即對應于用戶和應用程序員的外部視圖、l對應于系統(tǒng)分析員和數(shù)據(jù)庫管理員的邏輯視圖l對應于數(shù)據(jù)庫管理員的內(nèi)部視圖。由此形成數(shù)據(jù)庫的三級模式結構，即外模式、邏輯模式和內(nèi)模式1.3.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結構 應應用用 A A 應應用用 B B 應應用用 C C 應應用用 D D 應應用用 E E 外外模模式式 1 1 外外模模式式 2 2 外外模模式式 3 3 外外模模式式/ /模模式式映映象象 模模式

14、式 模模式式/ /內(nèi)內(nèi)模模式式映映象象 內(nèi)內(nèi)模模式式 數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫1. 外模式（External Schema）外模式（也稱子模式或用戶模式）l數(shù)據(jù)庫用戶（包括應用程序員和最終用戶）數(shù)據(jù)庫用戶（包括應用程序員和最終用戶）使用的使用的局部局部數(shù)據(jù)的邏輯結構和特征的描述數(shù)據(jù)的邏輯結構和特征的描述l數(shù)據(jù)庫用戶的數(shù)據(jù)視圖，是與某一應用有關數(shù)據(jù)庫用戶的數(shù)據(jù)視圖，是與某一應用有關的數(shù)據(jù)的邏輯表示的數(shù)據(jù)的邏輯表示外模式（續(xù)）外模式的地位：介于模式與應用之間l模式與外模式的關系：一對多模式與外模式的關系：一對多 外模式通常是模式的子集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。反映了不同的用戶一個數(shù)據(jù)

15、庫可以有多個外模式。反映了不同的用戶的應用需求、看待數(shù)據(jù)的方式、對數(shù)據(jù)保密的要求的應用需求、看待數(shù)據(jù)的方式、對數(shù)據(jù)保密的要求 對模式中同一數(shù)據(jù)，在外模式中的結構、類型、長對模式中同一數(shù)據(jù)，在外模式中的結構、類型、長度、保密級別等都可以不同度、保密級別等都可以不同l外模式與應用的關系：一對多 同一外模式也可以為某一用戶的多個應用系統(tǒng)所使同一外模式也可以為某一用戶的多個應用系統(tǒng)所使用，用， 但一個應用程序只能使用一個外模式但一個應用程序只能使用一個外模式。外模式（續(xù)）外模式的用途保證數(shù)據(jù)庫安全性的一個有力措施。保證數(shù)據(jù)庫安全性的一個有力措施。每個用戶只能看見和訪問所對應的外模式中的每個用戶只能看見

16、和訪問所對應的外模式中的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2模式（Schema）模式（也稱邏輯模式）l數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結構和特征的描述數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結構和特征的描述l所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖，綜合了所有用戶的需所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖，綜合了所有用戶的需求求一個數(shù)據(jù)庫只有一個模式模式的地位：是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式結構的中間層l與數(shù)據(jù)的物理存儲細節(jié)和硬件環(huán)境無關與數(shù)據(jù)的物理存儲細節(jié)和硬件環(huán)境無關l與具體的應用程序、開發(fā)工具及高級程序設計語與具體的應用程序、開發(fā)工具及高級程序設計語言無關言無關模式的定義l數(shù)據(jù)的邏輯結構（數(shù)據(jù)項的名字、類型、取值范數(shù)據(jù)的邏輯結構（數(shù)據(jù)項的名字、類型、取值范圍等）圍等）l數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系數(shù)據(jù)

17、之間的聯(lián)系l數(shù)據(jù)有關的安全性、完整性要求數(shù)據(jù)有關的安全性、完整性要求3內(nèi)模式（Internal Schema）內(nèi)模式（也稱存儲模式）l是數(shù)據(jù)物理結構和存儲方式的描述是數(shù)據(jù)物理結構和存儲方式的描述l是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式 記錄的存儲方式（順序存儲，按照記錄的存儲方式（順序存儲，按照B樹結樹結構存儲，按構存儲，按hash方法存儲）方法存儲） 索引的組織方式索引的組織方式 數(shù)據(jù)是否壓縮存儲數(shù)據(jù)是否壓縮存儲 數(shù)據(jù)是否加密數(shù)據(jù)是否加密 數(shù)據(jù)存儲記錄結構的規(guī)定數(shù)據(jù)存儲記錄結構的規(guī)定一個數(shù)據(jù)庫只有一個內(nèi)模式1.3.2 數(shù)據(jù)庫的二級映射（映像）功能與數(shù)據(jù)獨立性三級模式是對數(shù)據(jù)

18、的三個抽象級別二級映象在DBMS內(nèi)部實現(xiàn)這三個抽象層次的聯(lián)系和轉換數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結構與二級映射的關系 應應用用 A A 應應用用 B B 應應用用 C C 應應用用 D D 應應用用 E E 外外模模式式 1 1 外外模模式式 2 2 外外模模式式 3 3 外外模模式式/ /模模式式映映象象 模模式式 模模式式/ /內(nèi)內(nèi)模模式式映映象象 內(nèi)內(nèi)模模式式 數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫1外模式模式映射定義外模式與模式之間的對應關系每一個外模式都對應一個外模式模式映射映射定義通常包含在各自外模式的描述中外模式模式映射的用途保證數(shù)據(jù)的邏輯獨立性l當模式改變時，數(shù)據(jù)庫管理員修改有關的外當模式改變時，數(shù)據(jù)庫管理員修改有關的外模式模式映射，使外模式保持不變模式模式映射，使外模式保持不變l應用程序是依據(jù)數(shù)據(jù)的外模式編寫的，從而應用程序是依據(jù)數(shù)據(jù)的外模式編寫的，從而應用程序不必修改，保證了數(shù)據(jù)與程序的邏應用程序不必修改，保證了數(shù)據(jù)與程序的邏輯獨立性，簡稱數(shù)據(jù)的邏輯獨立性輯獨立性，簡稱數(shù)據(jù)的邏輯獨立性。2模式內(nèi)模式映射模式內(nèi)模式映射定義了數(shù)據(jù)全局邏輯結構與存儲結構之間的對應關系。例如，說明邏輯記錄和字段在內(nèi)部是如何表示的數(shù)據(jù)庫中模式內(nèi)模式映射是唯一的該映射定義通常包含在模式描述中模式內(nèi)模式映射的用途保證數(shù)據(jù)的物理獨立性l當數(shù)據(jù)庫的存儲結構改變了（例如選用了當數(shù)據(jù)庫的存儲結構改變了（例如選用了另一種存儲結構