第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)庫原理與應用教程

―SQLServer第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)庫技術是20世紀60年代后期興起的一門信息管理自動化學科，是計算機學科的一個重要分支。數(shù)據(jù)庫技術所研究的問題如何科學地組織和存儲數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中減少數(shù)據(jù)存儲冗余、實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，以及如何保障數(shù)據(jù)安全、有效地獲取和處理數(shù)據(jù)。本章主要介紹數(shù)據(jù)庫技術的發(fā)展歷史、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成和功能以及數(shù)據(jù)庫的體系結構。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.1數(shù)據(jù)庫技術發(fā)展史從20世紀60年代末開始到現(xiàn)在，數(shù)據(jù)庫技術己經(jīng)發(fā)展了30多年。在這30多年的歷程中，人們在數(shù)據(jù)庫技術的理論研究和系統(tǒng)開發(fā)上取得了輝煌的成就，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)己經(jīng)成為現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的重要組成部分。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.1.1數(shù)據(jù)處理技術1.信息(Information)

信息是對各種事物的存在方式、運動狀態(tài)和相互聯(lián)系特征的一種表達和陳述，是自然界、人類社會和人類思維活動普遍存在的一切物質(zhì)和事物的屬性，它存在于人們的周圍。

2.數(shù)據(jù)(Data)

數(shù)據(jù)是描述事物的符號記錄，是信息的載體，是信息的具體表現(xiàn)形式。除了常用的數(shù)字數(shù)據(jù)外，文字(如名稱)、圖形、圖像、聲音等信息，也都是數(shù)據(jù)。日常生活中，人們使用交流語言(如漢語)去描述事物。在計算機中，為了存儲和處理這些事物，就要抽出對這些事物感興趣的特征組成一個記錄來描述。

第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.1.1數(shù)據(jù)處理技術

3.數(shù)據(jù)處理(DataProcess)

數(shù)據(jù)處理是指將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息的過程，也稱信息處理，如對數(shù)據(jù)的分類、組織、編碼、存儲、查詢、維護、加工、計算、傳播以及打印等一系列的活動。數(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)律和它們之間固有的聯(lián)系，通過分析、歸納、推理等科學手段，提取出有效的信息資源。在數(shù)據(jù)處理中，通常數(shù)據(jù)的計算比較簡單，而數(shù)據(jù)的管理比較復雜。數(shù)據(jù)管理是指數(shù)據(jù)的收集、整理、組織、存儲和查詢等操作，這部分操作是數(shù)據(jù)處理業(yè)務的基本環(huán)節(jié)，是任何數(shù)據(jù)處理業(yè)務中必不可少的共有部分，因此有必要學習和掌握數(shù)據(jù)管理技術，能對數(shù)據(jù)處理提供有利的支持。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.1.2數(shù)據(jù)庫技術的三個發(fā)展階段隨著計算機硬件和軟件的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫技術也不斷地發(fā)展。從數(shù)據(jù)管理的角度數(shù)據(jù)庫技術經(jīng)歷了人工管理階段、文件系統(tǒng)階段和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三個階段。

1.人工管理階段

2.文件系統(tǒng)階段

3.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.1.2數(shù)據(jù)庫技術的三個發(fā)展階段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。從硬件上看，外存只有磁帶、卡片、紙帶，沒有磁盤等直接存取的存儲設備；從軟件上看沒有操作系統(tǒng)，沒有管理數(shù)據(jù)的軟件，數(shù)據(jù)處理的方式是批處理。這個時期數(shù)據(jù)管理的特點是：數(shù)據(jù)由計算或處理它的程序自行攜帶，數(shù)據(jù)和應用程序一一對應，應用程序依賴于數(shù)據(jù)的物理組織，因此數(shù)據(jù)的獨立性差，數(shù)據(jù)不能被長期保存，數(shù)據(jù)的冗余度大等給數(shù)據(jù)的維護帶來許多問題。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.1.2數(shù)據(jù)庫技術的三個發(fā)展階段

2.文件系統(tǒng)階段

20世紀50年代后期至60年代中后期，計算機的應用范圍逐漸擴大，不僅用于科學計算，還大量用于管理。硬件方面，磁盤成為計算機的主要外存儲器；軟件方面，出現(xiàn)了高級語言和操作系統(tǒng)。從處理方式上講，不僅有了文件批處理，而且能夠聯(lián)機實時處理。在此階段，數(shù)據(jù)以文件的形式進行組織，并能長期保留在外存儲器上，用戶能對數(shù)據(jù)文件進行查詢、修改、插入和刪除等操作。程序與數(shù)據(jù)有了一定的獨立性，程序和數(shù)據(jù)分開存儲，然而依舊存在數(shù)據(jù)的冗余度大及數(shù)據(jù)的不一致性等缺點。

第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.1.2數(shù)據(jù)庫技術的三個發(fā)展階段3.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段

20世紀60年代后期以來，計算機應用越來越廣泛，數(shù)據(jù)量急劇增加，而且數(shù)據(jù)的共享要求越來越高。計算機的硬件和軟件都有了進一步的發(fā)展，硬件方面，有了大容量的磁盤；軟件方面，傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們的需求，能夠統(tǒng)一管理和共享數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)應運而生。所以，此階段將數(shù)據(jù)集中存儲在一臺計算機上（數(shù)據(jù)庫中），進行統(tǒng)一組織和管理。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.1.2數(shù)據(jù)庫技術的三個發(fā)展階段3.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點如下：（1）數(shù)據(jù)結構化

（2）較高的數(shù)據(jù)共享性（3）較高的數(shù)據(jù)獨立性（4）數(shù)據(jù)由DBMS統(tǒng)一管理和控制數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段應用程序與數(shù)據(jù)之間的關系如圖所示：學生部門教務部門人事部門文件系統(tǒng)教師數(shù)據(jù)文件學生數(shù)據(jù)文件課程數(shù)據(jù)文件人事管理應用程序?qū)W生管理應用程序教務管理應用程序第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫指長期存儲在計算機內(nèi)有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合，即在計算機系統(tǒng)中按一定的數(shù)據(jù)模型組織、存儲和使用的相關聯(lián)的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有較小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨立性和易擴展性，并可為各種用戶共享，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理和控制，用戶對數(shù)據(jù)庫進行的各種數(shù)據(jù)操作都是通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)的。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.2.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是指在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)，一般由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具、數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶構成。

1.數(shù)據(jù)庫(DataBase,DB)

數(shù)據(jù)庫就是存放數(shù)據(jù)的倉庫，是將數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和存儲，能夠自動進行查詢和修改的數(shù)據(jù)集合。它不僅包括描述事物的數(shù)據(jù)本身，還包括相關事物之間的聯(lián)系。

第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.2.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成

2.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DataBaseManagementSystem，DBMS)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心，是為數(shù)據(jù)庫的建立、使用和維護而配置的軟件。它建立在操作系統(tǒng)的基礎上，位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件，它為用戶或應用程序提供訪問數(shù)據(jù)庫的方法，包括數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、查詢、更新及各種數(shù)據(jù)控制等。

第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.2.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成

3.數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)凡使用數(shù)據(jù)庫技術管理其數(shù)據(jù)的系統(tǒng)都稱為數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)的應用非常廣泛，它可以用于事務管理、計算機輔助設計、計算機圖形分析和處理及人工智能等系統(tǒng)中。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.2.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成

4.數(shù)據(jù)庫用戶（1）終端用戶終端用戶是數(shù)據(jù)庫的使用者，通過應用程序與數(shù)據(jù)庫進行交互。（2）應用程序員應用程序員負責分析、設計、開發(fā)、維護數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中各類應用程序，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一般需要一個以上的應用程序員在開發(fā)周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)庫結構設計、應用程序開發(fā)等任務。（3）數(shù)據(jù)庫管理員(DatabaseAdministrator,DBA)

數(shù)據(jù)庫管理員是高級用戶，其職能是對管理、監(jiān)督、維護數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的正常運行，負責全面管理和控制數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.2.2數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心軟件，一般說來，其功能主要包括以下5個方面。(1)數(shù)據(jù)定義和操縱功能(2)數(shù)據(jù)庫運行控制功能(3)數(shù)據(jù)庫的組織、存儲和管理(4)建立和維護數(shù)據(jù)庫(5)數(shù)據(jù)通信接口第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.3數(shù)據(jù)庫的體系結構雖然現(xiàn)在DBMS的產(chǎn)品多種多樣，在不同的操作系統(tǒng)支持下工作，但是大多系統(tǒng)在總的體系結構上都具有三級模式的結構特征。1.3.1數(shù)據(jù)庫的三級模式結構為了保障數(shù)據(jù)與程序之間的獨立性，使用戶能以簡單的邏輯結構操作數(shù)據(jù)而無需考慮數(shù)據(jù)的物理結構，簡化了應用程序的編制和程序員的負擔，增強系統(tǒng)的可靠性。通常DBMS將數(shù)據(jù)庫的體系結構分為三級模式：外模式、模式和內(nèi)模式。

第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.3.1數(shù)據(jù)庫的三級模式結構第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.3.1數(shù)據(jù)庫的三級模式結構（1）模式模式也稱概念模式或邏輯模式，是對數(shù)據(jù)庫中全部數(shù)據(jù)的邏輯結構和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。一個數(shù)據(jù)庫只有一個模式，通常以某種數(shù)據(jù)模型為基礎，統(tǒng)一綜合地考慮了所有用戶的需求，并將這些需求有機地結合成一個邏輯整體。（2）外模式外模式也稱子模式或用戶模式，它是對數(shù)據(jù)庫用戶能夠看見和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結構和特征的描述。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，但一個應用程序只能使用同一個外模式。

第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.3.1數(shù)據(jù)庫的三級模式結構（3）內(nèi)模式內(nèi)模式也稱存儲模式或物理模式，是對數(shù)據(jù)物理結構和存儲方式的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式，一個數(shù)據(jù)庫只有一個內(nèi)模式。例如，記錄的存儲方式是順序存儲、按照B樹結構存儲還是按hash方法存儲；索引按照什么方式組織；數(shù)據(jù)是否壓縮存儲，是否加密等。

第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.3.2數(shù)據(jù)庫的兩級映像數(shù)據(jù)庫的三級模式結構是數(shù)據(jù)的三個抽象級別。它把數(shù)據(jù)的具體組織留給DBMS去做，用戶只要抽象地處理數(shù)據(jù)，而不必關心數(shù)據(jù)在計算機中的表示和存儲，這樣就減輕了用戶使用系統(tǒng)的負擔。三級模式結構之間差別往往很大，為了實現(xiàn)這3個抽象級別的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換，DBMS在三級模式結構之間提供了兩級映像：外模式/模式映像，模式/內(nèi)模式映像。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.3.2數(shù)據(jù)庫的兩級映像

（1）外模式/模式映像模式描述的是數(shù)據(jù)的全局邏輯結構，外模式描述的是數(shù)據(jù)的局部邏輯結構，對應于同一個模式可以有任意多個外模式。對于每個外模式，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都有一個外模式/模式映像，它定義了該外模式與模式之間的對應關系。這些映像定義通常包含在各自外模式的描述中。當模式改變時(如增加新的關系、新的屬性、改變屬性的數(shù)據(jù)類型等)，由數(shù)據(jù)庫管理員對各個外模式/模式映像作相應改變，可以使外模式保持不變。應用程序是依據(jù)數(shù)據(jù)的外模式編寫的，因而應用程序不必修改，保證了數(shù)據(jù)與程序的邏輯獨立性，簡稱邏輯數(shù)據(jù)獨立性。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.3.2數(shù)據(jù)庫的兩級映像（2）模式/內(nèi)模式映像數(shù)據(jù)庫中只有一個模式，也只有一個內(nèi)模式，所以模式/內(nèi)模式映像是唯一的，它定義了數(shù)據(jù)庫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。該映像定義通常包含在模式描述中。當數(shù)據(jù)庫的存儲結構改變了(如選用了另一種存儲結構)，由數(shù)據(jù)庫管理員對模式/內(nèi)模式映像作相應改變，可以保證模式保持小變，因而應用程序也不必改變。保證了數(shù)據(jù)與程序的物理獨立性，簡稱物理數(shù)據(jù)獨立性。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.4數(shù)據(jù)庫技術的新近展數(shù)據(jù)庫技術發(fā)展之快、應用之廣是計算機科學其他領域技術無可比擬的。象CAD（計算機輔助設計）、CAM（計算機輔助制造）、CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）、CASE（計算機輔助軟件工程）、OA（辦公自動化）、GIS（地理信息系統(tǒng)）、MIS（管理信息系統(tǒng)）、KBS（知識庫系統(tǒng)）等應用領域，都需要數(shù)據(jù)庫新技術的支持。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.4.1分布式數(shù)據(jù)庫分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DistributedDataBaseSystem，DDBS）通常使用較小的計算機系統(tǒng)，每臺計算機可單獨放在一個地方，每臺計算機中都有DBMS的一份完整拷貝副本，并具有自己局部的數(shù)據(jù)庫，位于不同地點的許多計算機通過網(wǎng)絡互相連接，共同組成一個完整的、全局的大型數(shù)據(jù)庫。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.4.2面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫面向?qū)ο笫且环N認識方法學，也是一種新的程序設計方法學。把面向?qū)ο蟮姆椒ê蛿?shù)據(jù)庫技術結合起來可以使數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的分析、設計最大程度地與人們對客觀世界的認識相一致。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Object-OrientedDataBaseSystem，OODBS）是為了滿足新的數(shù)據(jù)庫應用需要而產(chǎn)生的新一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。第1章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.4.3多媒體數(shù)據(jù)庫多媒體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Multi-mediaDatabaseSystem，MDBS）是數(shù)據(jù)庫技術與多媒體技術相結合的產(chǎn)物。在許多數(shù)據(jù)庫應用領域中，都涉及到大量的多媒體數(shù)據(jù)，這些與傳統(tǒng)的數(shù)字、字符等格式化數(shù)據(jù)