數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理-第一章 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)世界

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理

DatabaseSystemPrinciples

教材：《數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基礎(chǔ)教程》，岳麗華等譯任課教師：陳思光南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院課程教材教材岳麗華等譯.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基礎(chǔ)教程（據(jù)原書第3版譯出）.機(jī)械工業(yè)出版社，2009.參考教材楊冬青等譯.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概念（據(jù)原書第6版譯出）.機(jī)械工業(yè)出版社,2012.王珊等.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論（第5版）.高等教育出版社，2014.Page2課時安排及考核方式3.5學(xué)分，總學(xué)時56，其中講課44學(xué)時，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時，習(xí)題及討論4學(xué)時?？荚?、閉卷，總成績=平時成績*30%+期末成績*70%。平時成績包括實(shí)驗(yàn)、作業(yè)、考勤及課堂表現(xiàn)等.答疑時間：每周五上午第5節(jié)課，教3-518。Page3課程性質(zhì)、目的及授課計劃課程性質(zhì)：《數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理》是物聯(lián)網(wǎng)工程和網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。課程的目的:通過本課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生能夠掌握關(guān)系數(shù)據(jù)模型、關(guān)系代數(shù)、XML數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本理論；掌握SQL數(shù)據(jù)庫語言、約束與存儲過程/函數(shù)、視圖與索引、服務(wù)器環(huán)境下的SQL等數(shù)據(jù)庫編程與應(yīng)用技術(shù)；了解關(guān)系數(shù)據(jù)庫的新課題；理解半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的建模和程序設(shè)計。為建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。授課計劃：第2、5、6章是重點(diǎn)要講解的內(nèi)容，大概占講課44課時中的20個課時。Page4任課教師信息任課教師：陳思光電話-mail:sgchen@Page5第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)世界

1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展1.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.3本書概述Page61.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展

數(shù)據(jù)庫是什么?數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)（信息）的集合。數(shù)據(jù)庫可以存儲大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可能需要存儲很長時間。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以為多用戶多應(yīng)用服務(wù)。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按特定的結(jié)構(gòu)存儲。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行定義、存取、控制等有效的管理。數(shù)據(jù)庫是由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（databasemanagementsystem，簡稱DBMS）管理的數(shù)據(jù)集合。Page71.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展數(shù)據(jù)庫應(yīng)用:銀行：客戶，賬戶，交易，貸款等航空：飛機(jī)，航班，客戶，預(yù)定等學(xué)校：學(xué)生，教師，課程，成績等銷售：產(chǎn)品，顧客，訂單，進(jìn)貨，售后等人力資源：職工，考勤，業(yè)績，工資等

Databasestouchallaspectsofourlives.Page81.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）應(yīng)具有以下功能:提供數(shù)據(jù)定義語言(DDL,DataDefinitionLanguage)用以建立數(shù)據(jù)庫并說明它們的模式(schema)。一個數(shù)據(jù)庫的模式是一組用DDL表達(dá)的語句集合，完整描述該數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)。提供數(shù)據(jù)查詢語言(DQL,DataQueryLanguage)和數(shù)據(jù)操作語言(DML,DataManipulationLanguage)以支持?jǐn)?shù)據(jù)查詢或數(shù)據(jù)更新的能力。支持超大量數(shù)據(jù)的長時間存儲，manyterabytes(1012bytes)ormore,

并且在數(shù)據(jù)查詢和更新時支持對數(shù)據(jù)的有效存取。Page91.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）應(yīng)具有以下功能:具有持久性，在遇到各種故障、錯誤或用戶的錯誤使用時，提供數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)功能。支持?jǐn)?shù)據(jù)共享，控制多個用戶對數(shù)據(jù)的同時存取，不允許一個用戶的操作影響另一個用戶，也不允許對數(shù)據(jù)的不完整操作。Page10對數(shù)據(jù)的管理經(jīng)歷了以下三個階段：人工管理階段；文件系統(tǒng)階段；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page11人工管理階段(20世紀(jì)50年代中期前)1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page12人工管理階段特點(diǎn)：數(shù)據(jù)不保存；系統(tǒng)沒有專用的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；數(shù)據(jù)不共享；數(shù)據(jù)不具有獨(dú)立性。1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page13文件系統(tǒng)階段(20世紀(jì)50年代后期～60年代中期)1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page14文件系統(tǒng)階段特點(diǎn)：數(shù)據(jù)以文件形式可長期保存下來；文件系統(tǒng)可對數(shù)據(jù)的存取進(jìn)行管理；文件形式多樣化；程序與數(shù)據(jù)間有一定獨(dú)立性。1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page15例如：圖書管理系統(tǒng)

讀者文件應(yīng)用程序→

A1A3書目文件出借文件A2A4F1F3F2圖書借閱讀者維護(hù)催還通知圖書維護(hù)1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page1660年代后期，計算機(jī)應(yīng)用于管理的規(guī)模更加龐大，數(shù)據(jù)量急劇增加；硬件方面出現(xiàn)了大容量磁盤，使計算機(jī)聯(lián)機(jī)存取大量數(shù)據(jù)成為可能；硬件價格下降，而軟件價格上升，使開發(fā)和維護(hù)系統(tǒng)軟件的成本增加；文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方法已無法適應(yīng)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的的需要；為解決多用戶、多個應(yīng)用程序共享數(shù)據(jù)的需求，出現(xiàn)了統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)的專門軟件系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)。1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page17數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段(20世紀(jì)60年代末期～)1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page18圖書管理系統(tǒng)1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page19數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)如下：數(shù)據(jù)共享性高、冗余少；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化；數(shù)據(jù)獨(dú)立性高；有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制功能。1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page20年代研究成果名稱研制者意義1963IDS（IntegratedDataStore）美國通用電氣公司C.W.Bachman等第一個DBMS73年獲圖靈獎1968IMS(InformationManagementSystem)美國IBM公司和Rockwell公司合作第一個實(shí)用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（里程碑1）1969數(shù)據(jù)庫建議書(數(shù)據(jù)描述語言DDL）(數(shù)據(jù)操縱語言DML)美國數(shù)據(jù)系統(tǒng)語言委員會的數(shù)據(jù)庫任務(wù)組DBTG提供了網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫完整的系統(tǒng)設(shè)計和語言規(guī)范（里程碑2）1970論文（ARelationalModelofDataforSharedDataBanks）IBM公司SanJose研究所的E.F.Codd提出關(guān)系模型，為關(guān)系數(shù)據(jù)庫的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)（里程碑3）1981年獲圖靈獎類型網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫層次數(shù)據(jù)庫網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫關(guān)系數(shù)據(jù)庫1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page21E.F.Codd提出關(guān)系模型關(guān)系數(shù)據(jù)庫是關(guān)系（或表）的集合每個關(guān)系是由屬性（或列）組成關(guān)系包含一系列的元組（行）沒有重復(fù)行1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page22學(xué)籍管理數(shù)據(jù)庫sidnamesexB12070101劉夢女B12070102朱正潔女B12070103閆文柯女B12070104季曉倩女B12070105吳塵女B12070106曹雪寧女………………………………studentssidcidB12070101B1801020SB12070101B1801081SB12070101B1801090SB12070101B1801471S…………enroll1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page23特點(diǎn)：數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的共享性數(shù)據(jù)的獨(dú)立性數(shù)據(jù)的完整性數(shù)據(jù)的靈活性數(shù)據(jù)的安全性1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page24出現(xiàn)了運(yùn)行在PC上的DBMS：MySQLPostgreSQL1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page25出現(xiàn)了運(yùn)行在傳感器網(wǎng)絡(luò)上的DBMS：TinyDBCOUGAR1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page26隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫中存儲的信息越來越大(包含各種多媒體信息)KB(103字節(jié))MB(106字節(jié))GB(109字節(jié))TB(1012字節(jié))PB(1015字節(jié))1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page27隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，需要將一個個獨(dú)立的系統(tǒng)組合成更大的系統(tǒng)；將多個數(shù)據(jù)庫融合成更大的的數(shù)據(jù)庫；分布式數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫倉庫、中間件等技術(shù)1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展Page281.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)概述

負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫存取、維護(hù)和管理的軟件系統(tǒng)，通常稱為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，DBMS）。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的各類用戶對數(shù)據(jù)庫的各種操作請求，都是由DBMS完成的。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心軟件。Page291.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)概述

Page301.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)概述

Application1Application2...ApplicationnDBMSdatabaseDatabaseManagementSystemPage31read/writepagesStoragemanagerStorageindex,file,andrecordrequestsindex/file/recordmangerDDLcommandsQueries,updatesQuerycompilerUser/applicationDDLcompilerDatabaseadministratorLocktableLoggingandrecoveryConcurrencycontrollogpagespagecommandsBuffermanagerbuffersdata,metadata,indexsmetadataQueryplanExecutionengineMetadata,statistics單線框系統(tǒng)成分雙線框內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)線控制和數(shù)據(jù)流虛線數(shù)據(jù)流P4圖1-1數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)組成TransactionmanagerTransactioncommandsPage321.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)概述

兩種用戶:普通用戶和應(yīng)用程序：發(fā)出查詢或修改命令。數(shù)據(jù)庫管理員(databaseadministrator，DBA):負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)或模式。三種數(shù)據(jù)庫指令:Queries,updates:commandstoaffectthecontentofthedatabaseorextract(提取)datafromthedatabase.

Transaction(事務(wù))commands:commandstotellthetransactionmanagerwhentransactionsbeginandend.DDLcommands:由DBA發(fā)出的修改數(shù)據(jù)庫模式或建立新數(shù)據(jù)庫的指令.Page331.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)概述

存儲和緩沖區(qū)管理器:Thestoragemanagerandthebuffermanager:存儲管理器:控制數(shù)據(jù)在磁盤上的位置及其在磁盤和主存之間的移動,跟蹤文件在磁盤上的位置，根據(jù)緩沖區(qū)管理器的請求獲取包含請求文件的一個或多個磁盤塊。緩沖區(qū)管理器:負(fù)責(zé)將可用主存分割成不同的緩沖區(qū)并對之進(jìn)行管理。Page341.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)概述

信息的種類:數(shù)據(jù):thecontentsofthedatabaseitself.元數(shù)據(jù)(Metadata):描述數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)及約束(constraints)的數(shù)據(jù)庫模式。索引(Indexes):支持對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存取的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。統(tǒng)計數(shù)據(jù):由DBMS收集存儲的關(guān)于數(shù)據(jù)特征的數(shù)據(jù)。日志記錄:數(shù)據(jù)庫新近修改的信息,該信息支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的持久性(durability)。

Page351.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)概述

事務(wù)處理:事務(wù)(Transaction):一個或一組數(shù)據(jù)庫操作。事務(wù)管理器:接收來自應(yīng)用的事務(wù)命令，負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性，保證并發(fā)運(yùn)行的多個SQL命令相互不沖突；保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障時不丟失不損壞數(shù)據(jù)。并發(fā)控制管理器(調(diào)度器):保證事務(wù)的原子性(atomcity)和隔離性(isolation)。Lock.日志和恢復(fù)管理器:保證事務(wù)的持久性(durability)。

Logging.Page361.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)概述

ACID性質(zhì)Atomicity(原子性):eitherallofatransactionbeexecutedornoneofitis.Consistency(一致性):keepconsistentstate.Isolation(獨(dú)立性):Whentwoormoretransactionsrunconcurrently,theireffectsmustbeisolatedfromoneanother.Durability(持久性):Ifatransactionhascompleteditswork,itseffectshouldnotgetlostwhilethesystemfail,evenifitfailsimmediatelyafterthetransactioncompletes.

Page371.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)概述

查詢處理器：Querycompiler(編譯器):將查詢轉(zhuǎn)換成某種內(nèi)部形式，稱為查詢計劃.

Queryparser(分析器):構(gòu)造查詢樹.

Querypreprocessor(預(yù)處理器):生成初始查詢計劃

Queryoptimizer(優(yōu)化器):利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)及索引Executionengine:執(zhí)行選定查詢計劃的每一步，為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，它必須將數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫

讀入緩沖區(qū)，必須與調(diào)度器交流以避免讀到加鎖的數(shù)據(jù)，它還要與日志管理器交互以保證所有數(shù)據(jù)庫的改變都被日志正確地記錄。Page381.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)概述

Client/Server(C/S)architectureDBClientDBClientDBServerJavaC/C++PowerBuilderDelphiVB…MSAccessMSSQLServerSybaseMySQLOracleIBMDB2…sqlrequestsqlrequestreplyreplyClient(客戶):發(fā)出查詢或其它指令的用戶進(jìn)程