第1章 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論

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數(shù)據(jù)庫基本知識

本章要點數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)發(fā)展的三個階段數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能思考題

1.1.1數(shù)據(jù)處理的發(fā)展伴隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)處理及時地應(yīng)用了這一先進(jìn)的技術(shù)手段，使數(shù)據(jù)處理的效率和深度大大提高，也促使數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理的技術(shù)得到了很大的發(fā)展，其發(fā)展過程大致經(jīng)歷了人工管理、文件管理、數(shù)據(jù)庫管理及分布式數(shù)據(jù)庫管理等四個階段。1.1數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)的發(fā)展

1.1.2數(shù)據(jù)處理的發(fā)展伴隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)處理及時地應(yīng)用了這一先進(jìn)的技術(shù)手段，使數(shù)據(jù)處理的效率和深度大大提高，也促使數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理的技術(shù)得到了很大的發(fā)展，其發(fā)展過程大致經(jīng)歷了人工管理、文件管理、數(shù)據(jù)庫管理及分布式數(shù)據(jù)庫管理等四個階段。

1.1.2數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理就是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信息的過程。數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容主要包括：數(shù)據(jù)的收集、整理、存儲、加工、分類、維護(hù)、排序、檢索和傳輸?shù)纫幌盗谢顒拥目偤?。?shù)據(jù)處理的目的是從大量的數(shù)據(jù)中，根據(jù)數(shù)據(jù)自身的規(guī)律和及其相互聯(lián)系，通過分析、歸納、推理等科學(xué)方法，利用計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等技術(shù)手段，提取有效的信息資源，為進(jìn)一步分析、管理、決策提供依據(jù)。數(shù)據(jù)處理也稱信息處理。例如，學(xué)生各門成績?yōu)樵紨?shù)據(jù)，經(jīng)過計算得出平均成績和總成績等信息，計算處理的過程就是數(shù)據(jù)處理。要點

1．人工管理階段早期的計算機(jī)主要用于科學(xué)計算，計算處理的數(shù)據(jù)量很小，基本上不存在數(shù)據(jù)管理的問題。從50年代初開始，開始將計算機(jī)應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理。當(dāng)時的計算機(jī)沒有專門管理數(shù)據(jù)的軟件，也沒有像磁盤這樣可隨機(jī)存取的外部存儲設(shè)備，對數(shù)據(jù)的管理沒有一定的格式，數(shù)據(jù)依附于處理它的應(yīng)用程序，使數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序一一對應(yīng)，互為依賴。由于數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序的對應(yīng)、依賴關(guān)系，應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)無法被其他程序利用，程序與程序之間存在著大量重復(fù)數(shù)據(jù)，稱為數(shù)據(jù)冗余；同時，由于數(shù)據(jù)是對應(yīng)某一應(yīng)用程序的，使得數(shù)據(jù)的獨立性很差，如果數(shù)據(jù)的類型、結(jié)構(gòu)、存取方式或輸入輸出方式發(fā)生變化，處理它的程序必須相應(yīng)改變，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)性差，而且數(shù)據(jù)不能長期保存。在人工管理階段，應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系所示。

應(yīng)用程序1應(yīng)用程序2應(yīng)用程序n數(shù)據(jù)組1數(shù)據(jù)組2數(shù)據(jù)組n……

如圖1-1

2．文件管理階段從50年代后期開始至60年代末為文件管理階段，應(yīng)用程序通過專門管理數(shù)據(jù)的軟件即文件系統(tǒng)管理來使用數(shù)據(jù)。由于計算機(jī)存儲技術(shù)的發(fā)展和操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，同時計算機(jī)硬件也已經(jīng)具有可直接存取的磁盤、磁帶及磁鼓等外部存儲設(shè)備，軟件則出現(xiàn)了高級語言和操作系統(tǒng)，而操作系統(tǒng)的一項主要功能是文件管理，因此，數(shù)據(jù)處理應(yīng)用程序利用操作系統(tǒng)的文件管理功能，將相關(guān)數(shù)據(jù)按一定的規(guī)則構(gòu)成文件，通過文件系統(tǒng)對文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取、管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的文件管理方式。文件管理階段中，文件系統(tǒng)為程序與數(shù)據(jù)之間提供了一個公共接口，使應(yīng)用程序采用統(tǒng)一的存取方法來存取、操作數(shù)據(jù)，程序與數(shù)據(jù)之間不再是直接的對應(yīng)關(guān)系，因而程序和數(shù)據(jù)有了一定的獨立性。但文件系統(tǒng)只是簡單地存放數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的存取在很大程序上仍依賴于應(yīng)用程序，不同程序難于共享同一數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)獨立性較差。此外，由于文件系統(tǒng)沒有一個相應(yīng)的模型約束數(shù)據(jù)的存儲，因而仍有較高的數(shù)據(jù)冗余，這又極易造成數(shù)據(jù)的不一致性。

在文件管理階段，應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如圖1-2所示。

操作系統(tǒng)應(yīng)用程序n應(yīng)用程序2數(shù)據(jù)組2數(shù)據(jù)組n應(yīng)用程序1數(shù)據(jù)組1如圖1-2

3．?dāng)?shù)據(jù)庫管理階段數(shù)據(jù)庫管理階段是60年代末在文件管理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。隨著計算機(jī)系統(tǒng)性價比的持續(xù)提高，軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，人們克服了文件系統(tǒng)的不足，開發(fā)了一類新的數(shù)據(jù)管理軟件——數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，DBMS），運用數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，將數(shù)據(jù)管理技術(shù)推向了數(shù)據(jù)庫管理階段。數(shù)據(jù)庫技術(shù)使數(shù)據(jù)有了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，對所有的數(shù)據(jù)實行統(tǒng)一、集中、獨立的管理，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性，提高了數(shù)據(jù)管理效率。數(shù)據(jù)庫也是以文件方式存儲數(shù)據(jù)的，但它是數(shù)據(jù)的一種高級組織形式。在應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫之間，由數(shù)據(jù)庫管理軟件DBMS把所有應(yīng)用程序中使用的相關(guān)數(shù)據(jù)匯集起來，按統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，以記錄為單位存儲在數(shù)據(jù)庫中，為各個應(yīng)用程序提供方便、快捷的查詢、使用。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的區(qū)別是：數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存儲是按同一結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，不同的應(yīng)用程序都可直接操作使用這些數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)間保持高度的獨立性；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供一套有效的管理手段，保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性、一致性和安全性，使數(shù)據(jù)具有充分的共享性；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)還為用戶管理、控制數(shù)據(jù)的操作，提供了功能強(qiáng)大的操作命令，使用戶直接使用命令或?qū)⒚钋度霊?yīng)用程序中，簡單方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的管理、控制操作

在數(shù)據(jù)庫管理階段，應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如圖1-3所示。

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數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序2應(yīng)用程序1應(yīng)用程序n如圖1-31.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

1.2.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)簡稱為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DataBaseSystem，DBS），是一個計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。它由計算機(jī)硬件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序和用戶等部分組成。應(yīng)用程序硬件語言編譯DBMSOS

1.2.1信息、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理

1數(shù)據(jù)與信息

人們通常使用各種各樣的物理符號來表示客觀事物的特性和特征，這些符號及其組合就是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的概念包括兩個方面，即數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)形式。數(shù)據(jù)內(nèi)容是指所描述客觀事物的具體特性，也就是通常所說數(shù)據(jù)的“值”；數(shù)據(jù)形式則是指數(shù)據(jù)內(nèi)容存儲在媒體上的具體形式，也就是通常所說數(shù)據(jù)的“類型”。數(shù)據(jù)主要有數(shù)字、文字、聲音、圖形和圖像等多種形式。信息是指數(shù)據(jù)經(jīng)過加工處理后所獲取的有用知識。信息是以某種數(shù)據(jù)形式表現(xiàn)的。數(shù)據(jù)和信息是兩個相互聯(lián)系、但又相互區(qū)別的概念；數(shù)據(jù)是信息的具體表現(xiàn)形式，信息是數(shù)據(jù)有意義的表現(xiàn)。

1．計算機(jī)硬件計算機(jī)硬件（Hardware）是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)賴以存在的物質(zhì)基礎(chǔ)，是存儲數(shù)據(jù)庫及運行數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS的硬件資源，主要包括主機(jī)、存儲設(shè)備、I/O通道等。大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一般都建立在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。為使數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)獲得較滿意的運行效果，應(yīng)對計算機(jī)的CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O通道等技術(shù)性能指標(biāo)，采用較高的配置。

2．?dāng)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，DBMS）是指負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫存取、維護(hù)、管理的系統(tǒng)軟件。DBMS提供對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制的功能，將用戶應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)相互隔離。它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心，其功能的強(qiáng)弱是衡量數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。

DBMS必須運行在相應(yīng)的系統(tǒng)平臺上，在操作系統(tǒng)和相關(guān)的系統(tǒng)軟件支持下，才能有效地運行。

3．?dāng)?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫(DataBase，DB)是指數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中以一定組織方式將相關(guān)數(shù)據(jù)組織在一起，存儲在外部存儲設(shè)備上所形成的、能為多個用戶共享的、與應(yīng)用程序相互獨立的相關(guān)數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)也是以文件的形式存儲在存儲介質(zhì)上的，它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)操作的對象和結(jié)果。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有集中性和共享性。所謂集中性是指把數(shù)據(jù)庫看成性質(zhì)不同的數(shù)據(jù)文件的集合，其中的數(shù)據(jù)冗余很小。所謂共享性是指多個不同用戶使用不同語言，為了不同應(yīng)用目的可同時存取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)由DBMS進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，用戶對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的各種數(shù)據(jù)操作都是通過DBMS實現(xiàn)的。

4．應(yīng)用程序應(yīng)用程序（Application）是在DBMS的基礎(chǔ)上，由用戶根據(jù)應(yīng)用的實際需要所開發(fā)的、處理特定業(yè)務(wù)的應(yīng)用程序。應(yīng)用程序的操作范圍通常僅是數(shù)據(jù)庫的一個子集，也即用戶所需的那部分?jǐn)?shù)據(jù)。

5．?dāng)?shù)據(jù)庫用戶用戶（User）是指管理、開發(fā)、使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的所有人員，通常包括數(shù)據(jù)庫管理員、應(yīng)用程序員和終端用戶。數(shù)據(jù)庫管理員（DataBaseAdministrator，DBA）負(fù)責(zé)管理、監(jiān)督、維護(hù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的正常運行；應(yīng)用程序員（ApplicationProgrammer）負(fù)責(zé)分析、設(shè)計、開發(fā)、維護(hù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中運行的各類應(yīng)用程序；終端用戶（End-User）是在DBMS與應(yīng)用程序支持下，操作使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的普通使用者。不同規(guī)模的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用戶的人員配置可以根據(jù)實際情況有所不同，大多數(shù)用戶都屬于終端用戶，在小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，特別是在微機(jī)上運行的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，通常DBA就由終端用戶擔(dān)任。

1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為了有效地組織、管理數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)庫的邏輯獨立性和物理獨立性，人們?yōu)閿?shù)據(jù)庫設(shè)計了一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)捏w系結(jié)構(gòu)，包括3個模式（外模式、模式和內(nèi)模式）和2個映射（外模式-模式映射和模式-內(nèi)模式映射）。美國ANSI/X3/SPARC的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)研究小組于1975年、1978年提出了標(biāo)準(zhǔn)化的建議，將數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)分為3級：面向用戶或應(yīng)用程序員的用戶級；面向建立和維護(hù)數(shù)據(jù)庫人員的概念級；面向系統(tǒng)程序員的物理級。用戶級對應(yīng)外模式，概念級對應(yīng)模式，物理級對應(yīng)內(nèi)模式，使不同級別的用戶對數(shù)據(jù)庫形成不同的視圖。所謂視圖，就是指觀察、認(rèn)識和理解數(shù)據(jù)的范圍、角度和方法，簡而言之，視圖就是數(shù)據(jù)庫在用戶“眼中”的反映，很顯然，不同層次（級別）用戶所“看到”的數(shù)據(jù)庫是不相同的。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。

1．模式模式又稱概念模式或邏輯模式，對應(yīng)于概念級。它是由數(shù)據(jù)庫設(shè)計者綜合所有用戶的數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)一的觀點構(gòu)造的全局邏輯結(jié)構(gòu)，是對數(shù)據(jù)庫中全部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的總體描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖（全局視圖）。它是由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)模式描述語言（DataDescriptionlanguage，模式DDL）來描述、定義的，體現(xiàn)、反映了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的整體觀。

2．外模式外模式又稱子模式，對應(yīng)于用戶級。它是某個或某幾個用戶所看到的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)視圖，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。外模式是從模式導(dǎo)出的一個子集，包含模式中允許特定用戶使用的那部分?jǐn)?shù)據(jù)。用戶可以通過外模式描述語言（外模式DLL）來描述、定義對應(yīng)于用戶的數(shù)據(jù)記錄（外模式），也可以利用數(shù)據(jù)操縱語言（DataManipulationLanguage，DML）對這些數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行。外模式反映了數(shù)據(jù)庫的用戶觀。

3．內(nèi)模式內(nèi)模式又稱存儲模式，對應(yīng)于物理級。它是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的內(nèi)部表示或底層描述，是數(shù)據(jù)庫最低一級的邏輯描述，它描述了數(shù)據(jù)在存儲介質(zhì)上的存儲方式和物理結(jié)構(gòu)，對應(yīng)著實際存儲在外存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)庫。內(nèi)模式由內(nèi)模式描述語言（內(nèi)模式DLL）來描述、定義，它是數(shù)據(jù)庫的存儲觀。在一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，只有惟一的數(shù)據(jù)庫，因而作為定義、描述數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)的內(nèi)模式和定義、描述數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)的模式，也是惟一的，但建立在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之上的應(yīng)用則是非常廣泛、多樣的，所以對應(yīng)的外模式不是惟一的，也不可能惟一。

4．三級模式間的映射數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式是數(shù)據(jù)在三個級別（層次）上的抽象，使用戶能夠邏輯地、抽象地處理數(shù)據(jù)而不必關(guān)心數(shù)據(jù)在計算機(jī)中的物理表示和存儲。實際上，對于一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)而言，只有物理級數(shù)據(jù)庫是客觀存在的，它是進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作的基礎(chǔ)，概念級數(shù)據(jù)庫中不過是物理數(shù)據(jù)庫的一種邏輯的、抽象的描述（即模式），用戶級數(shù)據(jù)庫則是用戶與數(shù)據(jù)庫的接口，它是概念級數(shù)據(jù)庫的一個子集（外模式）。用戶應(yīng)用程序根據(jù)外模式進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，通過外模式－模式映射，定義和建立某個外模式與模式間的對應(yīng)關(guān)系，將外模式與模式聯(lián)系起來，當(dāng)模式發(fā)生改變時，只要改變其映射，就可以使外模式保持不變，對應(yīng)的應(yīng)用程序也可保持不變；另一方面，通過模式－內(nèi)模式映射，定義建立數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)（模式）與存儲結(jié)構(gòu)（內(nèi)模式）間的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，只需改變模式－內(nèi)模式映射，就能保持模式不變，因此應(yīng)用程序也可以保持不變。

1.4數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能作為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)核心軟件的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS，通過三級模式間的映射轉(zhuǎn)換，為用戶實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的建立、使用、維護(hù)操作，因此，DBMS必須具備相應(yīng)的功能。它主要包括如下功能：

1．?dāng)?shù)據(jù)庫定義（描述）功能

2．?dāng)?shù)據(jù)庫操縱功能

3．?dāng)?shù)據(jù)庫管理功能

4．通信功能

1．?dāng)?shù)據(jù)庫定義（描述）功能

DBMS為數(shù)據(jù)庫的建立提供了數(shù)據(jù)定義（描述）語言（DDL）。用戶使用DDL定義數(shù)據(jù)庫的子模式（外模式）、模式和內(nèi)模式，以定義和刻畫數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)，正確描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，DBMS根據(jù)這些數(shù)據(jù)定義，從物理記錄導(dǎo)出全局邏輯記錄，再從全局邏輯記錄導(dǎo)出應(yīng)用程序所需的數(shù)據(jù)記錄。

2．?dāng)?shù)據(jù)庫操縱功能

DBMS提供數(shù)據(jù)操縱語言（DML）實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫檢索、插入、修改、刪除等基本操作。DML通常分為兩類：一類是嵌入主語言中的，如嵌入C、COBOL等詞組語言中，這類DML一般本身不能獨立使用，稱之為宿主型語言；另一類是交互式命令語言，