第1章-數(shù)據(jù)庫基礎

第1章數(shù)據(jù)庫基礎教學內(nèi)容

2

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念

31

4

33這一章我們將學習到下面的知識數(shù)據(jù)管理技術的發(fā)展

數(shù)據(jù)模型

關系數(shù)據(jù)庫基礎

5數(shù)據(jù)庫設計基礎

數(shù)據(jù)庫與我們生活的聯(lián)系校園里，在食堂用餐在圖書館借閱圖書在機房上網(wǎng)等活動都可以通過校園卡實現(xiàn)身份識別、收費及管理等功能，這些給我們的生活提供便利服務的功能都是通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)庫與我們生活的聯(lián)系當我們在QQ上聊天在微博上留言網(wǎng)上購物ATM機上存取款在超市購物付款時都在享受著數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的服務。1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念

1.1.1信息和數(shù)據(jù)信息是對事物的狀態(tài)、運動方式和特征的描述，反映的是客觀系統(tǒng)中某一事物的屬性或表現(xiàn)形式。

數(shù)據(jù)是一種物理符號的序列，用于記錄事物的情況，是對客觀事物及其屬性進行的描述。

1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念“一名女大學生”，這種描述是一般意義的信息?！耙幻髮W生”，為了在計算機中存儲和處理這個對象，必須提取她的屬性和特征，根據(jù)需要，往往只提取部分必要的特征，可以從“姓名、性別、出生日期、政治面貌、班級編號、照片”等屬性來加以描述具體形式如：（史曉慶，女，1991-4-3，中共黨員，201001，登記照）1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念 1.1.2數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫(Database，簡稱DB)可以理解為“存放數(shù)據(jù)的倉庫”，只不過這個倉庫是計算機的存儲設備。

1.1.3數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DatabaseManagementSystem，簡稱DBMS)是一種用于管理數(shù)據(jù)庫的計算機系統(tǒng)軟件。

1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念 1.1.4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)人員由于數(shù)據(jù)庫的共享性，因此對數(shù)據(jù)庫的規(guī)劃、設計、維護、監(jiān)視等需要有專人管理，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的人員包括：1.數(shù)據(jù)庫管理員（DatabaseAdministrator，簡稱DBA）2．應用程序員（ApplicationProgrammer,簡稱AP）3．最終用戶(EndUser,簡稱EU)1.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念1.1.5數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DatabaseSystem，簡稱DBS)是指計算機系統(tǒng)中引進數(shù)據(jù)庫技術后的整個系統(tǒng)構成，包括如下幾部分：系統(tǒng)硬件平臺(硬件)、系統(tǒng)軟件平臺(軟件)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)、數(shù)據(jù)庫(數(shù)據(jù))、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用戶。

1.2數(shù)據(jù)管理技術的發(fā)展數(shù)據(jù)管理技術已經(jīng)歷了三個階段：人工管理階段文件系統(tǒng)階段數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段1.2數(shù)據(jù)管理技術的發(fā)展1.2.1數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理是指對各種數(shù)據(jù)進行收集、存儲、加工、變換、檢索和傳播的一系列活動的總和。

數(shù)據(jù)處理的工作分為以下3個方面。1.數(shù)據(jù)收集。它的主要任務是收集信息，將信息用數(shù)據(jù)表示并按類別組織保存。數(shù)據(jù)管理的目的是快速、準確地提供必要的、可能被使用和處理的數(shù)據(jù)。2.數(shù)據(jù)加工。它的主要任務是對數(shù)據(jù)進行變換、抽取和運算。通過數(shù)據(jù)加工得到更加有用的數(shù)據(jù)，以指導或控制人的行為或事務的變化趨勢。3.數(shù)據(jù)傳播。通過數(shù)據(jù)傳播，信息在空間或時間上以各種形式傳遞。在數(shù)據(jù)傳播過程中，數(shù)據(jù)的結構性質和內(nèi)容不發(fā)生改變。數(shù)據(jù)傳播會使更多的人得到信息，并且更加理解信息的意義，從而使信息的作用充分發(fā)揮出來。1.2數(shù)據(jù)管理技術的發(fā)展1.2.2人工管理階段早期的計算機缺乏軟件支持，用戶直接在裸機上作業(yè)。數(shù)據(jù)管理的任務，包括存儲結構、存取方法、輸入輸出方式等都必須由用戶編制程序來完成。

特點如下所述。1.數(shù)據(jù)不保存2.應用程序管理數(shù)據(jù)3.數(shù)據(jù)不共享4.數(shù)據(jù)不具有獨立性這一階段用戶負擔過重，且靈活性與安全性較差，效率較低。1.2數(shù)據(jù)管理技術的發(fā)展1.2.3文件系統(tǒng)階段20世紀50年代后期到60年代中期，硬件方面有了磁盤、磁鼓等直接存取存儲設備,軟件方面的操作系統(tǒng)中已經(jīng)有了專門的管理軟件，它提供了簡單的數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)管理能力。1.數(shù)據(jù)長期保存2.文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)3.數(shù)據(jù)共享性差4.數(shù)據(jù)獨立性差1.2數(shù)據(jù)管理技術的發(fā)展1.2.4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段1．數(shù)據(jù)結構化數(shù)據(jù)結構化是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的根本區(qū)別。數(shù)據(jù)結構不僅描述數(shù)據(jù)本身的特點，而且描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。這樣數(shù)據(jù)不再面向特定的某個或多個應用，而是面向整個應用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)冗余明顯減少，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。2.數(shù)據(jù)共享性高數(shù)據(jù)可以被多個用戶、多個應用共享使用。使得數(shù)據(jù)系統(tǒng)彈性大，易于擴充，可以適應各種用戶的要求。可以取整體數(shù)據(jù)的各種子集用于不同的應用系統(tǒng)。3.數(shù)據(jù)獨立性高在物理結構改變時，盡量不影響整體邏輯結構、用戶的邏輯結構以及應用程序，這就是物理數(shù)據(jù)獨立性。在整體邏輯結構改變時，盡量不影響用戶的邏輯以及應用程序，這是邏輯數(shù)據(jù)獨立性。而應用程序發(fā)生變化，也無需修改數(shù)據(jù)的物理結構。1.2數(shù)據(jù)管理技術的發(fā)展1.2.5分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個邏輯上統(tǒng)一、地域上分散的數(shù)據(jù)集合，是計算機網(wǎng)絡環(huán)境中各個局部數(shù)據(jù)庫的邏輯集合，同時受分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的控制和管理。5.易于擴展性1.數(shù)據(jù)獨立性與位置透明性2.集中和節(jié)點自治相結合3.一致性和和可恢復性4.復制透明性分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是在集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的，是計算機技術和網(wǎng)絡技術結合的產(chǎn)物。分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)適合于單位分散的部門，允許各個部門將其常用的數(shù)據(jù)存儲在本地，實施就地存放本地使用，從而提高響應速度，如銀行業(yè)務、飛機訂票、火車訂票等，分布式數(shù)據(jù)庫具有以下幾個特點1.2數(shù)據(jù)管理技術的發(fā)展1.2.6并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（ParallelDatabaseSystem）是新一代高性能的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，從90年代至今，隨著處理器、存儲、網(wǎng)絡等相關基礎技術的發(fā)展，并行數(shù)據(jù)庫技術的研究重點在數(shù)據(jù)操作的時間并行性和空間并行性上。并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有如下特點：1.高性能2.高可用性3.可擴充性1.3數(shù)據(jù)模型1.3.1數(shù)據(jù)模型的基本概念數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型可以將復雜的現(xiàn)實世界要求反映到計算機數(shù)據(jù)庫中的物理世界。數(shù)據(jù)是現(xiàn)實世界符號的抽象，而數(shù)據(jù)模型(datamodel)則是數(shù)據(jù)特征的抽象。數(shù)據(jù)模型所描述的內(nèi)容有三個部分，它們是數(shù)據(jù)結構數(shù)據(jù)操作數(shù)據(jù)約束1.3數(shù)據(jù)模型1.3.2信息世界中的基本概念1.實體實體是具有相同屬性描述的對象(人、地點、事物)的集合。實體是現(xiàn)實世界中客觀存在的、能相互區(qū)別的任何事物，實體可以是實際的事物，也可以是實際的事件。例如學生、教師、課本等是實際事物，而授課、借閱圖書等則是實際的事件。

1.3數(shù)據(jù)模型2.屬性與域一個實體往往可以有若干個屬性。每個屬性可以有值，如梁西川出生日期取值為“1990-12-1”，史曉慶的政治面貌是“中共黨員”，一個屬性的取值范圍稱為該屬性的值域。

在學生表表1-2中，每一行表示一個實體，這個實體可以用一組屬性值表示。比如：(20100102,梁西川,男,1990-12-1,群眾,201001)

1.3數(shù)據(jù)模型3.實體型與實體集實體型(EntityType)與)實體集(EntitySet)

具有相同屬性的實體必然具有共同的特征和性質。用實體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實體，稱為實體型。例如，學生(學號，姓名，性別，出生日期，政治面貌，班級編號)就是一個實體型。同型實體的集合稱為實體集。例如，全體學生就是一個實體集。1.3數(shù)據(jù)模型4.實體之間的聯(lián)系（實體之間的聯(lián)系可歸結為三種）（1）一對一(onetoone)（2）一對多(onetomany)或多對一(manytoone)

（3）多對多(manytomany)聯(lián)系

1.3數(shù)據(jù)模型1.3.3E-R模型P．P．s．Chen提出的實體-聯(lián)系方法(Entity-RelationshipApproach)，也稱為E-R模型。E-R圖的基本圖素包括實體、屬性、聯(lián)系和連線四種基本圖素1.3數(shù)據(jù)模型【例1-1】學生實體具有學號、姓名、性別、出生日期、政治面貌和班級編號屬性，用E-R圖元素表示學生實體及屬性。1.3數(shù)據(jù)模型【例1-2】用E-R圖表示學生成績管理系統(tǒng)中學生與課程的聯(lián)系。1.3數(shù)據(jù)模型【例1-3】用E-R圖表示網(wǎng)上購物系統(tǒng)中顧客與商品的聯(lián)系。1.3數(shù)據(jù)模型1.3.4層次模型層次模型（HierarchicalModel）是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中最早采用的數(shù)據(jù)模型，它是通過從屬關系結構表示數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，層次模型是有向“樹”結構。

1.3數(shù)據(jù)模型1.3.5網(wǎng)狀模型網(wǎng)狀模型（NetworkModel）是層次模型的擴展，是一種更具有普遍性的結構，它表示多個從屬關系的層次結構，呈現(xiàn)一種交叉關系的網(wǎng)絡結構，網(wǎng)狀模型是有向“圖”結構。

1.3數(shù)據(jù)模型1.3.6關系模型關系模型（RelationalModel）是用一組二維表來表示數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。每一張二維表組成一個關系，一個關系有一個關系名。關系結構簡單、直觀，在數(shù)據(jù)庫技術中，將支持關系模型的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)稱為關系型數(shù)據(jù)庫，目前關系型數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)庫管理領域占主導地位。

1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎1.4.1關系性質與特點1．基本概念關系(Relation)一個關系就是一張二維表。

格式為：關系名(屬性名1,屬性名2，…，屬性名n)

元組(Tuple)二維表中水平方向的行稱為元組。

屬性(Attribute)二維表中垂直方向的列稱為屬性。

域(Domain)

屬性的取值范圍。主鍵(PrimaryKey)表中的某個屬性或某些屬性的集合，能唯一確定一個元組。

外鍵(ForeignKey)外鍵是一個表中的一個屬性或屬性組，它們在其他表中作為主鍵而存在。一個表中的外鍵被認為是對另外一個表中主鍵的引用。

1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎2．關系的特點（關系必須符合以下特點：）1)關系中的每個屬性都必須是不可分解的，是最基本的數(shù)據(jù)單元，即數(shù)據(jù)表中不能再包含表。2)一個關系中不允許有相同的屬性名，即在定義表結構時，一張表中不能出現(xiàn)重復的字段名。3)關系中不允許出現(xiàn)相同的元組，即數(shù)據(jù)表中任意兩行不能完全相同。4)關系中同一列的數(shù)據(jù)類型必須相同5)關系中行、列的次序任意，任意交換兩行或兩列的位置并不影響數(shù)據(jù)的實際含義。

1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎3．關系模型的數(shù)據(jù)操作（1)數(shù)據(jù)插入。

（2)數(shù)據(jù)刪除。

（3)數(shù)據(jù)修改。

（4)數(shù)據(jù)查詢。

以上四種操作的對象都是關系(表),而操作的結果也是關系(表)。

1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎1.4.2關系代數(shù)1.傳統(tǒng)的集合運算（1）并（Union）關系R與S的并記為R∪S。其結果是把兩個關系的所有元組合并在一起,消去重復元組所得到的集合?！纠?-4】給定兩個關系R和S，如表1-5和表1-6所示，求R∪S。1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎（2）差（Difference）關系R與S的差記作R－S。其結果是屬于R而不屬于S的所有元組的集合。

【例1-5】給定兩個關系R和S，如表1-5和表1-6所示，求R-S。1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎3）交（Intersection）關系R與S的交記作R∩S。其結果是同時屬于R和S的元組組成的集合?！纠?-6】給定兩個關系R和S，如表1-5和表1-6所示，求R∩S。1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎(4)廣義笛卡爾積（Extendedcartesianproduct）關系R與S的廣義笛卡爾積記作R×S。其結果是由屬于R的每個元組和S的每個元組組成的集合。若關系R有m個元組，關系S有n個元組，則關系R×S有m×n個元組?！纠?-7】給定兩個關系R和S，如表1-10和表1-11所示，求R×S。1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎2.專門的關系運算專門的關系運算包括選擇、投影、連接、除等。(1)選擇（Selection）【例1-8】設有一個學生關系如表1-13所示，利用選擇運算把性別為女，專業(yè)為會計學的學生信息提取出來。結果形成一個新關系。1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎(2)投影（Projection）【例1-9】給定表1-13所示的關系，利用投影運算提取學生學號、姓名和專業(yè)，建立新的關系。1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎(3)連接（Join）【例1-10】給定兩個關系R和S，如表1-16和表1-17,則RS(連接條件為R1≤S1)的結果如表1-18所示。1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎自然連接是連接的一個特例，在實際應用中較常用。自然連接滿足的條件是：兩關系間有公共屬性；通過公共屬性的相等值進行連接。【例1-11】給定兩個關系R和S，如表1-19和表1-20所示，求R、S的自然連接結果。1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎1.4.3關系的完整性約束1.實體完整性約束(EntityIntegrityConstraint)該約束要求關系的主鍵中屬性值不能為空值，這是數(shù)據(jù)庫完整性的最基本要求，因為主鍵是惟一決定元組的，如為空值則其唯一性就成為不可能的了。2.參照完整性約束(ReferenceInteZdtyConstraint)該約束是關系之間相關聯(lián)的基本約束，它不允許關系引用不存在的元組，即在關系中的外鍵要么是所關聯(lián)關系中實際存在的元組，要么就為空值。3.用戶定義的完整性約束(UserdefinedIntegrityConstraint)用戶定義的完整性約束條件是某一具體數(shù)據(jù)庫的約束條件，是用戶自己定義的某一具體數(shù)據(jù)必須滿足的語義要求。關系模型的DBMS應提供給用戶定義它的手段和自動檢驗它的機制，以確保整個數(shù)據(jù)庫始終符合用戶所定義的完整性約束條件。

1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎1.4.4關系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化為了建立冗余較小、結構合理的數(shù)據(jù)庫，將關系數(shù)據(jù)庫中關系應滿足的規(guī)范劃分為若干等級，每一等級稱為一個“范式”(NormalForms，NF)。

目前關系數(shù)據(jù)庫有六種范式：第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、Boyce—Codd范式（簡稱BC）、第四范式（4NF）、第五范式（5NF）和第六范式（6NF）。

一般說來，數(shù)據(jù)庫只需滿足第三范式（3NF）就行了。

1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎1.第一范式（1NF）所謂第一范式（1NF）是指數(shù)據(jù)庫表的每一列都是不可分割的基本數(shù)據(jù)項，同一列中不能有多個值，即實體中的某個屬性不能有多個值或者不能有重復的屬性。

2.第二范式（2NF）屬性第二范式（2NF）要求數(shù)據(jù)庫表中的每個實例或行必須可以被唯一地區(qū)分。為實現(xiàn)區(qū)分通常需要為表加上一個列，以存儲各個實例的唯一標識。3.第三范式（3NF）屬性第三范式（3NF）要求一個數(shù)據(jù)庫表中不包含已在其它表中已包含的非主關鍵字信息。

1.4關系數(shù)據(jù)庫基礎例如，存在一個系信息表，其中每個系有系編號、系名稱、系簡介等信息。那么在教師信息表中列出系編號后就不能再將系名稱、系簡介等與系有關的信息再加入教師信息表中。

如果不存在系信息表，則根據(jù)第三范式（3NF）也應該構建它，否則就會有大量的數(shù)據(jù)冗余。簡而言之，第三范式就是屬性不依賴于其它非主屬性。范式設計的目的是規(guī)范化，規(guī)范化的目的是為了保證數(shù)據(jù)結構更合理，能消除存儲異常，使數(shù)據(jù)冗余盡量小，便于數(shù)據(jù)的插入、刪除和更新。1.5數(shù)據(jù)庫設計基礎1.5.1數(shù)據(jù)庫設計概述數(shù)據(jù)庫設計是指根據(jù)用戶需求研制數(shù)據(jù)庫結構并應用的過程。

數(shù)據(jù)庫設計應該與應用系統(tǒng)設計相結合,也就是說要把行為設計和結構設計密切結合起來,是一種“反復探尋，逐步求精的過程”。這也正是數(shù)據(jù)庫設計的特點。按照規(guī)范化的設計方法，以及數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)開發(fā)過程，數(shù)據(jù)庫的設計過程可分為以下六個設計階段：需求分析概念結構設計邏輯結構設計物理結構設計數(shù)據(jù)庫的實施數(shù)據(jù)庫運行和維護1.5數(shù)據(jù)庫設計基礎1.5.2數(shù)據(jù)庫設計的需求分析需求分析是指準確了解和分析用戶的需求，這一階段費時復雜，但決定了以后各階段的質量。需求分析大致可分成三步來完成。(1)需求信息的收集(2)需求信息的分析整理(3)需求信息的評審1.5數(shù)據(jù)庫設計基礎需求分析階段的工作要求完成一整套詳盡的數(shù)據(jù)流圖和數(shù)據(jù)字典，寫出一份切合實際的需求說明書。

數(shù)據(jù)流圖(DataFlowDiagram，DFD)是業(yè)務流程及業(yè)務中數(shù)據(jù)聯(lián)系的形式描述。數(shù)據(jù)字典是各類數(shù)據(jù)描述的集合，它通常包括數(shù)據(jù)項：是數(shù)據(jù)的最小單位；數(shù)據(jù)結構：是若干數(shù)據(jù)項有意義的集合；數(shù)據(jù)流：表示某一數(shù)據(jù)處理過程的輸入輸出；數(shù)據(jù)存儲：處理過程中存取的數(shù)據(jù)，常常是手工憑證、手工文檔或計算機文件；處理過程：數(shù)據(jù)加工過程的描述包括數(shù)據(jù)加工過程名、說明、輸入、輸出、加工處理工作摘要、加工處理頻度、加工處理的數(shù)據(jù)量、響應時間要求等。1.5數(shù)據(jù)庫設計基礎1.5.3數(shù)據(jù)庫概念設計概念結構設計是指對用戶的需求進行綜合、歸納與抽