Grundlagen

derInformationstechnikProf.

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Shen同濟大學CDHK機械工程系技術基礎Grundlagen

derInformationstechnik同濟大學中德學院沈斌教授、博士博士生導師Grundlagen

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ShenInhalt同濟大學CDHK機械工程系（Inhalt）Einführung

引言Datenbank

System數據庫系統Relational

Datebase

System關系數據庫系統Open

DataBase

Connectivity開放數據庫互連Frame

System

of

Network計算機網絡的體系結構7

Einführung

von

Software

Engineering工程概論1.1

的發展概況企業是一個生產系統“生產”呢？它一般是指人們使用工具來創造各種生產資料和生活資料的活動，即把各種生產要素的輸入轉變為產品的輸出過程。這里，生產要素包括如下四個方面內容：生產對象

的原材

是指完成生產活動所使用料和輔助材料。生產勞動

它包含每個勞動者用于進行生產活動的體力和智力。生產資料

指借助于生產勞動把生產對象轉變成產品 段，包括機器設備、夾具、工具等。生產信息為有效地進行生產過程所用到的知識，它包含了產品開發技術、生產工藝、生產技術管理等特性。在目前，信息在生產過程中的作用將變得越來越重要。Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises環境決策和控制設計開發制造數據庫市場產品Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises物

料流能

源流信

息流用戶定貨計劃指令圖1

生產系統的基本框圖利用先進的

在互聯網上從事企業的研究開發、生產技術和管理以及商業活動的經營方式，正在對人類經濟和社會生活正產生越來越重要的影響，在某些方面,已經讓人聯想起歷史上蒸汽機和電力的發明。值得注意的是,互聯網和電子商務發展的速度，甚至遠遠超過了蒸汽機、電以及人類歷史上其他重要的發明。我們知道，從電的發明到電的普及，這中間花費了近100年。收音機誕生38年后,使用人數才達到5000萬。今天Internet發展20多年，現在世界上已擁有上億的用戶。Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises世上沒有無源之水，我們先從源頭說起。在茹毛飲血的時代，祖先們可能只用沒有加工過的木棒、石塊謀生，后來又有弓箭之類，溫飽問題大大得到解決，以后隨著人類生產知識的積累創新，使用謀生的工具越來越先進，組織分工越來越明確，人類的生活大大改善，以后又有蒸氣機、電力工具、計算機的出現，“泰勒制”等現代管理制度的推廣，生產力大力提高，現在出現了互聯網，這又是一次生產力上的，和蒸氣機的出現一樣，說穿了它也是一種工具，為改善人類生活為目的工具，不是裝飾品和

。那么它會為人類帶來哪些革命呢？它應該為人類帶來以下三個方面的：“信息”、“溝通和交流方式”、“組織行為”。Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises信息由于各種互聯網的出現，使得互聯網成為一個包羅萬象的信息庫，商業的、學術的、的等等信息都可以在互聯網上發布和獲取，那么人類獲得知識和積累經驗變得輕而易舉，這大大提高了人類更新知識的能力，減少了重復勞動，降低知識創新成本，使人類新的思想和科學新發現的速度成倍地加速，正是這種信息的深刻發展的使得互聯網成為生產力高速。Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises溝通和交流方式其次，由于互聯網的出現，使得人類的溝通和交流方式變得容易，正如“電報”、的出現一樣，人類可以遵守一定模式進行商業的和私人的交流，互聯網的技術能夠保證這些交流相對可靠的進行，人類因此可以在幅度提高溝通和交流的效率，給人類生活帶來較大的方便，進而改變了人類的某些生活方式。例：

效應Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises組織行為互聯網的出現使得人類的分工合作發生巨大的變化，人們隨時隨地可以做很多種工作，一個人可能成為不同性質的組織成員，另外由于溝通和交流的方便使得組織的形式變得越來越容易，解決問題，完成工作的能力大為提高，人類征服自然的能力變得無比強大，因為互聯網使得人們在碰到大任務、題的時候可以迅速組織起來解決它。例：24小時

的企業Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises1.2對企業經濟的作用知識時代的經濟增長主要依靠信Prof.

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Enterprises息和知識，對物質的消耗要比工業時代低得多。所以說，工業時代的經濟增長其實質在于高成本的社會化，知識時代的經濟增長其實質在于低成本的社會化。例一：信息產業中的計算機

業、網絡通信業可以在十幾年、幾年(甚至更短)內達到或超過工業時代以消耗物質資源為主的產業近一個世紀才能達到的資產水平。“物質增長產生的

增長與時間的關系是線性的，信息知識增長所產生的

增長與時間的關系則是非線性的。”例二：的鋼鐵工業，1960年消耗1.2億噸鋼材，1990年經濟增長比30年前翻了幾番，但鋼材的消耗是8500萬噸，不但沒有增加，反而減少了30％左右。例三：物質價值與信息知識價值的差別更為突出。(見表1、表2)Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises表1物質增長與信息知識增長所產生的財富速度比較表公司

資產

時間10億美元幾十年（洛克菲勒石油大王）10億美元12年（比爾·蓋茨大王）雅虎10億美元3年Ebay10億美元5個星期Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises光盤材料光盤內容價格1~3元一部

30元1~3元Windows

98

1000元1~3元（工程）

100000元表2

物質價值與信息知識價值比較表Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises電子商務

發展情況電子商務作為現代服務業中的重要產業，有“朝陽產業、綠色產業”之稱，具有“三高”、“三新”的特點。“三高”即高人力資本含量、高技術含量和高附加價值；“三新”是指新技術、新業態、新方式。人流、物流、

流、信息流“四流合價值鏈的概一”是對電子商務括。國際的發展狀況:以歐家為例,可以說電子商務業務開發的如火如荼.在法,德等歐洲國家,電子商務所產生的營業額已占商務總額的1/4,在則已高達1/3以上。Prof.Dr.-Ing.Bin

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EnterprisesCAD/CAM19世紀的產業

，蒸汽機等機器的發明和應用，大大地增強了人的體力作用。20世紀的產業

，電子計算機的發明和應用，增強了人的智力作用。而CAD/CAM技術的應用是計算機與信息技術領域里發展最快和最有效益的。Prof.

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Enterprises虛擬現實（Vitual

Reality)一個產品的圖紙剛剛繪制完畢，能否在制造出來之前，先讓未來的用戶自己操作使用一下，對使用性能、產品結構、操作界面等以至外觀案提出自己的意見？答案是肯定的：虛擬現實技術可以帶您走入未來。虛擬現實（簡稱VR），又稱靈境技術，是以浸沒感、交互性和構想為基本特征的計算機高級人機界面。它綜合利用了計算機圖形學、仿真技術、多技術、人工智能技術、計算機網絡技術、

并行處理技術和多傳感器技術，模擬人的視覺、

聽覺、觸覺等感官功能，使人能夠沉浸在計算機

生成的虛擬境界中，并能夠通過語言，手勢等自

然的方式與之進行實時交互，創建了一種適人化

的信息空間。使用者不僅能夠通過虛擬現實

系統感受到在客觀物理世界中所經歷的“身臨其境

”的真性，而且能夠突破空間、時間以及其他客觀限制，感受到在真實世界中無法親身經歷的體驗。VR技術具有現實的虛擬性。Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises虛擬制造（Vitual

Manufacturing)虛擬制造是提高產品設計、生產準備和生產過程控制水平的一個集成的、綜合的制造環境，是面向下一世紀嶄新的制造概念和企業發展的策略。它

涉及到許多技術領域。Prof.

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Enterprises隨著市場競爭的不斷加劇和新技術的迅速發展，全球經濟的趨勢日益增強，形成了全球化市場。在全球化市場中，三種因素，即顧客、和競爭，又簡稱3C的因素，使企業的形勢十分嚴峻:Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises1）顧客(

Customer)，市場的主導權已轉入顧客手中，使市場由賣方市場變為買方市場，顧客選擇商品的余地大為擴展。因此，怎樣使顧客滿意，就成為企業的奮斗目標和一切工作的歸宿(2)(

Change)市場需求多變，科技進步日新月異，產品生命周期不斷縮短，這些變化已成為不可阻擋的潮流，促使企業加快

步伐。(3)競爭(Competition)以往那種僅憑借物美價廉的商品就能在競爭中穩操勝券的簡單競爭方式

已被多層面的競爭方式一T：按合同及時交貨或新產品上市時間、Q：質量、

C：成本及S：售前咨詢服務及售后

、升值服務所取代。誰能提供

獨占性的產品和一流的服務，誰就能夠贏得競爭。市場占有率已成為評判企業是否具有競爭力的最集中的體現。快速產品開發主要過程模具實物掃描SLA、FDM、LOM

制件不同的快速原型設備三維建模SolidworkSTLProEProf.

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Enterprises合起來去競同濟大學CDHKProf.

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Shen1.3企業應用的對策Information

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Enterprises求生反應與速度競爭有兩個人在樹林里過夜，突然跑出一頭大黑熊。一人忙著穿球鞋。另一個人對他說“你穿鞋有什么用？我們反正跑不過熊啊？”忙著穿球鞋的人說：“我不是要跑得快過熊，我是要跑得快過你。”在社會進入信息時代的重要歷史時期，市場

反應速度決定著企業

運，只有能夠迅速應對

市場者，才能成為市場逐鹿的佼佼者。

思科公司

約翰

在談到新經濟的規律時

：“現代競爭已不是大魚吃小魚。而是快的吃慢的。”因此，在這“快者為王”的時代，速度已Information

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EnterprisesProf.

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ShenCDHK成為同企濟大學業的基本生存法則。煮蛙試驗與環境作用曾經有一個古老的試驗，將一只活蹦亂跳的青蛙投進熱水鍋里，青蛙會立即跳出水鍋。如果把青蛙放在涼水鍋里，下面用火慢慢加熱，青蛙竟然一動不動，舒舒服服地浮在水里，直到它感受到燙想跳出熱水鍋時，卻已無力逃生。面對競爭環境的變遷，為什么有些企業應變自如獲得生機，而有些企業卻步履維艱，關門呢？其原因與上述關于青蛙的試驗頗為相似。變化的環境如同逐步提高的水溫，有些企業敏感性強，及時覺察，積極應對，因而應變自如，擺脫；可有的企業感覺麻木，得過且過，到了積重難返之時，只有慘遭淘汰的份了。Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises老鼠困斃與適“度”把握一只饑餓的小老鼠遇到一只盛滿大米的米缸，看著白花花的大米、小老鼠興奮不已，每天跳進跳出，想吃就吃。但是缸里的米‘天天地減少，缸口與米之間的距離天天在拉大。當小老鼠能力所及的跳高高度低于缸口與米之間的距離時，小老鼠沒有擺脫米的誘惑。仍與往常一樣跳入缸中享受米的滋味，但就這一跳、從此小老鼠再也跳不到缸外。當缸中的米吃完后，老鼠便困死于缸中。做任何事情，都要把握‘個“度”，

了事物原有的“度”，事物將會發生質的變化。我們有些企業在市場競爭中，對事物“度”的把握不夠。Prof.Dr.-Ing.Bin

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Enterprises2

Datenbank

System數據庫系統Definition

基本定義Datenbank

數據庫:數據庫是相互關聯的數據集合。數據是描述現實世界中各種具體事物或抽象概念的可

并具有明確意義的信息。數據能夠為特定組織(如企事業單位)的多種應用服務。這個數據集合可以定義為一個數據庫。數據庫具有如下特性：數據庫是具有邏輯關系和確定意義的數據集合。邏輯上無關的數據集合不能稱為數據庫。數據庫是針對明確的應用目標而設計、建立和加載的。每個數據庫都具有一組用戶，并為這些用戶的應用服務。一個數據庫表示了現實世界的某些方面(稱為小世界)。一個數據庫所表示的小世界的改變必須及時地反映到該數據庫中來。Entwicklung

der

Technik

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Shen2-1Datenbank

Management

System

數據庫管理系統:數據庫管理系統是一個通用的系統，由一組計算機程序構成。數據庫管理系統能夠對數據庫進行有效的管理，包括管理、安全性管理、完整性管理等。數據庫管理系統提供了一個

環境，使用戶能方便快速地建立、維護、檢索、存取和處理數據庫中的信息。Datenbank

System

數據庫系統：數據庫和數據庫管理系統加在一起構成了數據庫系統。有時人們把數據庫系統廣義地定義為“數據庫十數據庫管理系統十數據庫管理員十應用程序十用戶”。圖2-1給出了一個簡化的數據庫系統環境。教學管理數據庫上的操作有兩類。第一類是數據庫查詢操作。例如，列出常紅所選修的課程和成績，列出所有選修87年第一學期“數13”課程的學生

。第二類是數據庫更新操作。例如，在Grade文件中

一個“常紅的數據庫課程成績為90分”的新記錄。這兩類操作是所有數據庫上所用的常用操作。Entwicklung

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Shen2-2圖2-1

一個簡化的數據庫系統環境圖2-2

一個數據庫實例Entwicklung

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Shen2-32.2

數據庫系統的特點同濟大學CDHK機械工程系Entwicklung

der

Technik

vonDatenbankProf.Dr.-IngBinShen2-4Eigenschaften

der

Datenbank數據庫系統是在文件系統的基礎上發展起來的。但是，數據庫系統與文件系統具有本質上的區別。文件系統的缺點：數據共享性差，冗余度大數據不一致數據獨立性差數據結構化程度低數據庫系統的優點信息完整、功能通用程序與數據獨立數據抽象支持數據的不同視圖控制數據冗余支持數據共享限制非 的存取提供多種用戶界面表示數據之間的復雜聯系完整性約束數據恢復2.3 ion

der

Daten

數據抽象數據庫系統的主要目的之一是為用戶提供一個數據的抽象視圖，隱藏數據的

結構和存取方法等細節。三種數據抽象和數據庫模式數據庫系

般提供提供三種級別的數據抽象：視圖級抽象：把現實世界抽象為數據庫的外模式概念級抽象：把數據庫的外模式抽象為數據庫的概念模式物理級抽象：把數據庫的概念模式抽象為數據庫的內模式圖2-3

三種數據抽象和三種數據庫模式的關系同濟大學CDHK機械工程系Entwicklung

der

Technik

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Shen2-52.3.2

數據獨立性概念模式與內模式之間的外模式與概念模式之間的數據庫系統的兩種

實現了數據庫系統的兩種數據獨立性。第一種數據獨立性稱為物理數據獨立性。物理數據獨立性由內模式與概念模式之間的

性是指當數據庫的內模式(即物理實現。物理數據獨立結構)發生改變時，數據的邏輯結構不變。物理數據獨立性保證，當數據庫的內模式發生改變時，用戶編寫的應用程序可以不變。但是，為了保證應用程序能夠正確執行，我們需要修改內模式與概念模式之間的。數據庫系統的第二種數據獨立性稱為邏輯數據獨立性。邏輯數據獨立性由概念模式與外模式之間的

實現。邏輯數據獨立性是指當概念數據庫模式發生改變時，數據庫的外模式不變。邏輯數據獨立性保證，當數據庫的概念模式發生改變時，建立在外模式上的應用程序不需要修改。當然，為了保證應用程序能夠正確執行，我們需要修改概念模式與外模式之間的

。兩種數據獨立性的本質是把數據定義從應用程序中分離出來。應用程序中的數據存取(即兩種 工作)由數據庫管理系統完成，從而減化了編制應用程序的工作量，減少了應用程序的 和修改。值得注意的是，實際數據庫系統的邏輯數據獨立性不能保證直接建立在數據庫概念模式上的應用程序與數據的獨立。當數據庫的概念模式改變時，這些應用程序仍然需要修改。從這種意義上說，數據庫系統提供的邏輯數據獨立性是不完備的。同濟大學CDHK機械工程系Entwicklungder

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Shen2-62.4

數據模型Modell

der

Daten數據模型是實現數據抽象的主要工具。數據模型也是數據庫系統的重要基礎。數據模型決定了數據庫系統的結構、數據定義語言和數據語言、數據庫設計方法、數據庫管理系統的設計與實現。數據模型是一組描述數據庫的概念。這些概念精確地描述數據、數據之間的聯系、數據的語義和完整性約束。很多數據模型還包括一個操作集合。這些操作用來說明對數據庫的存取和更新。數據模型應滿足面要求：能

模擬現實世界；容易為人們理解；便于在計算機上實現。目前已經存在很多數據模型。這些數據模型可以分為四類：基于對象的數據模型基于記錄的數據模型物理數據模型邏輯數據模型Entwicklung

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Shen2-7基于對象的數據模型用于在概念和視圖抽象級別上描述數據。這類數據模型具有相當靈活的結構化能力，而且允許明確地定義完整性約束。目前已經出現了很多基于對象的數據模型，其中比較知名的有：實體—聯系模型面1.面

象的數據模型二元數據模型語義數據模型函數數據模型等。下面主要介紹實體—聯系模型、擴展的實體聯系模型和象的數據模型。實體、聯系模型實體—聯系模型包括實體、屬性、實體間聯系等概念。實體對應于現實世界中可區別的客觀對象或抽象概念。例如學校、人、樹、動物、植物都是實體。屬性是實體特征的抽象。例如，人的屬性可以包括“

”、“生日”、“職務”、“特長”等。抽象地說，實體型是屬性的集合。當一個實體型的所有屬性的值都確定以后，我們就得到這個實體型的一個實例。在一個實體型的屬性中有一組特殊的屬性，這組屬性的值可以區別出該實體型的不同實例。例如，在人的屬性中，“

”和“生日”的值可以區別不同的人。這組特殊屬性稱為實體型的鍵屬性。實體間聯系對應于客觀世界中各種對象或抽象概念之間的聯系。例如，工廠、產品、用戶這三個實體之間，存在“工廠為某個用戶生產某種產品的聯系。Entwicklung

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Shen2-8圖2-4給出工廠、產品和用戶的實體—聯系模型。圖中方框表示實體型，圓框表示屬性，菱形框表示實體間聯系。方框所連接的圓框是對應實體型的屬性。菱形框所連接的方框表示實體間聯系所關聯的實體。圖2-4

工廠、產品和用戶的實體—聯系模型Entwicklung

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Shen2-

面面象數據模型象數據模型建立在對象集合的基礎上。面

象數據模型的基本數據結構是對象。面象數據模型的主要概念是對象類。對象類由一組變量和一組程序代碼構成。變量表示對象類的特征。一個對象類的程序代碼定義了該對象變量上的操作，稱為這個對象類的方法。一個對象的變量可以是另一個對象。對象的嵌套層次數沒有任何限制。當一個對象類的每個變量都賦以確定的值以后，我們就得到了這個對象類的一個對象。把數據和方法組合為一個對象的思想類似于程序設計語言中抽象數據類型的概念。在面

象的數據模型中，一個對象存取另一個對象的數據的唯一途徑是調用被存取對象的某個方法。對象方法的調用通過在對象之間傳送消息來實現。對象方法的調用界面是對外可見的，對象

的變量和程序編碼是封閉不可見的。面

象數據模型實現了數據的獨立性。下邊我們用一個例子來說明這種獨立性。我仍可以把銀行的帳戶作為一個對象簡記作account。對象account具有兩個變量。一個是帳號變量

number。另一個是存款余額變量balance，account具有一個方法pay_interest，負責計算每個帳戶的利息并增加到該帳戶的

balance變量。該銀行以往付給每個帳戶的利息都是8％。現在，銀行調整利息如下：只有balance高于1000元的帳戶才能獲得8％的利息，其他帳戶只能獲得6％的利息。使用其他數據模型實現這種利息調整，必須修改有關的應用程序。使用面

象的數據模型，我們只需修改方法pay—interest就可以實現這種利息調整，不帶任何其他改變，更不需要修改應用程序。面

象的數據模型既能用來定義數據庫的整體邏輯結構也可以用來提供數據庫系統實現的高級描述。Entwicklung

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Shen2-102.

基于記錄的數據模型基于記錄的數據模型可以用來定義數據庫的概念模式和外模式。基于記錄的數據模型把數據庫定義為多種具有固定格式的記錄型。每個記錄型由固定數量的域或屬性構成。每個域或屬性具有固定的長度。使用固定長記錄定義數據庫可以簡化數據庫的物理級實現。基于記錄的數據模型不包含直接表示程序代碼的機構。這類數據模型具有獨立的語言。用戶可以使用這種語言表示數據庫查詢和更新要求。具有代表性的基于記錄的數據模型包括關系數據模型、網絡數據模型層次數據模型。目前，關系數據模型比網絡和層次數據模型更受歡迎。1.

關系數據模型關系數據模型的是數學概念關系。一個關系可以視為一個表。每個表具有固定個數的列。每一列具有一個名字，稱為關系的屬性。每一行數據稱為一個元組。關系數據模型使用關系表示數據和數據之間的聯系。關系數據模型具有堅實的理論基礎，是目前多數商品化數據庫系統所采用的數據模型。圖2-5給出了一個關系數據庫實例。2.網絡數據模型網絡數據模型的

是記錄和系。記錄表示數據。一個記錄具有多個數據域。每個數據域表示一個數據項。數據之間的聯系由系表示。系可以視為一個指針。圖2-6給出了圖2-5數據的基于網絡數據模型的數據庫。Entwicklung

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Shen2-

層次數據模型層次數據模型類似于網絡數據模型。層次數據模型也使用記錄和系表示數據和數據之間的聯系。層次數據模型與網絡數據模型的不同在于記錄不能被組織成為任意的圖，必須組織成樹的集合。圖2-7以圖2-6的數據為例，給出了一個基于層次數據模型的數據庫實例。物理數據模型物理數據模型用來實現物理抽象。與邏輯數據模型相比，物理數據模型很少被使用。兩個比較知名的物理數據模型是模型(Unifyingmodel)和框架 器模型(Framememorymodel)。數據庫模式和實例數據庫一詞包括了兩方面的意義。一是模式，二是實例。數據庫模式是一個數據庫的基于特定數據模型的結構定義。數據庫模式與程序設計語言中的類型定義類似，是一個數據庫框架。例如，圖2-5的關系數據庫模式由如下兩個關系模同濟大學CDHK機械工程系Entwicklungder

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Shen2-12式構成:

儲蓄戶(，城市，區，街道，帳號)， 帳戶(帳號，存款余額)。其中，“儲蓄戶”和“帳戶”是關系名，“

”、“城市”、“區”、“道”和“帳號”是儲蓄戶關系的屬性，“賬號”和“存款余額”是帳戶關系的屬性。在任意一個特定的時刻，數據庫中的數據稱為一個數據庫實例。數據庫實例與程序設計語言中的變量值的概念對應。圖2-5給出了一個關系數據庫實例。數據庫模式是相對穩定的，很少變化。數據庫實例是動態的，隨數據庫更新操作而變化。圖2-7

一個基于層次數據模型的數據庫實例圖2-5

一個關系數據庫實例Entwicklung

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Shen2-13圖2-6

圖2-5中數據的基于網絡數據模型的數據庫2.5

數據庫語言Sprache

der

Datenbank每個數據庫系統都為用戶提供一個數據庫語言。用戶可以使用這個語言定義和

數據庫。數據庫語言包括兩個子語言。一個是數據定義于語言。另一個是數據

于語言。在很多數據庫系統中，這兩個子語言被合并為于語言為一體的典型數一個語言。SQL語言是一個集數據定義和數據據庫語言。數據定義子語言用來定義數據庫模式，簡記作DDL。DDL包括數據庫模式定義和數據庫結構與存取方法定義兩方面。數據定義子語言的處理程序也相應地分為兩部分。一部分是數據庫模式定義處理程序。另一部分是結構和存取方法定義處理程序。數據庫模式定義處理程序接收用

DDL表示的數據庫模式定義，把其變換為表示形式，到數據庫系統中稱為數據字典的特殊文件中。結構和存取方法定義處理程序接收用DDL表示的數據庫的結構和存取方法定義，在設備上創建相關的數據庫文件，建立起物理數據庫。數據定義于語言也包括數據庫模式的刪除與修改功能。數據

子語言用來表示用戶對數據庫的操作請求。一般地，數據語言能夠表示如下的數據庫操作：查詢數據庫中的信息，向數據庫

新的信息，從數據庫刪除信息，修改數據庫中的信息。數據語言分為兩類：過程性語言和非過程性語言。過程性語言要求用戶既說明需要數據庫中的什么數據，也說明怎樣搜索這些數據。非過程性語宣只要求用戶說明需要數據庫中的什么數據；不需要說明怎樣搜索這些數據。非過程性語言比過程性語言容易學習和使用。但是，非過程性語言產生的處理程序代碼要比過程性語言產生的代碼效率低。這個問題可以通過各種查詢優化技術來解決。數據語言的主要部分是查詢數據庫中的信息。我們稱這部分為數據查詢語言。人們常把數據語言稱為查詢語言。雖然這種叫法不確切，但是人們已經于這種叫法。為了順應人們的，本書有時也把數據語言稱為數據查詢語言。Entwicklung

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Shen2-142.6

數據庫管理系統的結構Aufbau

der

Datenbankverwaltungssysteme(

Database

Management

Systems)數據庫管理系統分為多個程序模塊。每個模塊實現數據庫系統的一種功能。一般情況下，數據庫系統建立在操作系統基礎上。數據庫的設計與實現必須考慮與操作系統接口的問題。圖2-8給出了數據庫系統的結構圖。圖2-8

數據庫系統的結構圖Entwicklung

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Shen2-152.7

數據庫技術的發展同濟大學CDHK機械工程系Entwicklung

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Shen2-16Entwicklung

der

Technik

von

Datenbanksystem數據庫技術是計算機科學技術中發展最快的重要分支之一，它已經成為計算機信息系統和應用系統的重要技術支柱，在短短的30年里，它從第一代的網狀、層次數據庫技術和第二代的關系數據庫技術，發展到第三代的面向新一代應用的數據庫象為技術。數據庫技術與網絡通信技術、人工智能技術、面程序設計技術、并行計算技術等互相滲透、有機地結

當代數據庫技術發展的重要特征。第一代數據庫系統第一代數據庫系統是70年代研制的層次和網狀數據庫系統。第二代數據庫系統第二代數據庫系統是關系數據庫系統。2.7.2

第三代數據庫系統第三代數據庫系統的特征是：面 象模型數據庫技術與其它學科的技術內容互相結合分布式數據庫、工程數據庫、演繹數據庫、知識數據庫模糊數據庫、時態數據庫、統計數據庫、空間數據庫、多數據庫、并行數據庫等都是第三代數據庫的實例習題übungen1.試回答下列問題：(1)(2)(3)數據庫?數據庫管理系統`?數據庫系統?試述文件系統的缺點。試述數據庫系統的五個特點?試述數據庫系統的五類用戶及其職責?解釋下列概念：內模式，概念模式，外模式，視圖抽象，概念抽象，物理抽象試述數據庫的物理獨立性和邏輯獨立性。試回答下列問題：(1)數據模型?實體。聯系模型的主要概念是什么?并給出解釋。面

象數據模型中的對象類和對象的區別是什么?關系數據模型、網絡數據模型和層次數據模型的區別是什么?數據庫模式與數據庫實例的區別是什么?數據庫語言一般都包括哪些子語言?每

語言的功能是什么?同濟大學CDHK機械工程系Entwicklung

der

Technik

vonDatenbankProf.

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Bin

Shen2-17Relational

Datebase

SystemProf.

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Shen3-1同濟大學CDHK3

Relational

Datebase

System1970年E.F.Gold

了

：A

Relational

Model

of

Datafor

Shared

Data

Base，從此開始了關系數據庫系統的研究。關系數據庫是已二維表形式`

組織數據，應用數學方式處理數據庫組織的方法。關系模型的基本概念關系數據模型是關系數據庫系統的基礎。關系數據模型由數據結構、完整性約束規則和關系運算三部分構成。基本術語：關系

一個關系就是一張二維表，每個關系有一個關系名。在計算機里，一個關系可以

為一個文件，如FoxPro中的.dbf文件

，SQL數據庫中為一個table。元組表中的行稱為元組。一行為一個元組，對應文件中的一個記錄值。屬性表中的列稱為屬性，每一列有一個屬性名。屬性值相當于記錄中的數據項或者字段值。域

屬性的取值范圍，即不同元組對同一個屬性的值所限定的范圍。例如，邏輯型屬性只能從邏輯真(如.T.)或邏輯假(如.F.)兩個值中取值。·關系模式對關系的描述稱為關系模式，格式為：關系名(屬性名1，屬性名2，，，．，屬性名n)一個關系模式對應一個關系文件的結構。例如：R(S#，SNAME，SEX，BIRTHDAY，CLASS)機械工程系關鍵字(或碼)屬性或屬性組合，其值能夠唯一地標識一個元組。主關鍵字(或主碼)

在一個關系中可能有多個候選關鍵字，從中選擇一個作為主關鍵字。主關鍵字在關系中用來作為

、刪除、檢索元`

組的操作變量。外關鍵字(或外碼)如果一個關系中的屬性或屬性組并非該關系的關鍵字，但它們是另外一個關系的關鍵字，則稱其為該關系的外關鍵字。了解上述術語之后，又可以將關系定義為元組的集合。關系模式是命名的屬性集合。元組是屬性值的集合。一個具體的關系模型是若干個關系模式的集合。關系的數據結構（數學定義）積設D1，D2，...，Dn為任意集合，定義D1,D2,...，Dn的笛卡爾積為：Dl×D2×…×Dn＝{(dl，d2，...，dn)

|

di∈Di，i＝1，...，n}其中每一個元素(dl，d2，...,dn)叫做一個n元組。例如，Dn＝{0，1}，D2＝{a，b，c}則：D1×D2＝{(0，a)，(0，b)，(0，c)，(1，a)，(1，b)，(1，c)}同濟大學CDHKProf.

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Shen3-2Relational

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System機械工程系3.2.2

關系積Dl×D2×…×Dn的任一個子集稱為Dl×D2×…×Dn上的一個n元關系。同樣可以把關系看成二維表，給表的每一列取一個名稱，關系是用集合代數的

積定義的，關系是元組的集合，因此，關系具有如下性質：列是同質的，即每一列中的分量是同類型的數據，來自同一域。不同的列可出自同一個域，每一列稱為屬性，要給予不同的屬性名。關系中沒有重復元組，任意一個元組在關系中都是唯一的。元組的順序無關緊要，即元組的次序可以任意交換。屬性的順序是非排序的，屬性一般是用它的名稱來標識，而不使用它的位置來標識。屬性必須有不同的屬性名，不同的屬性可來自同一個域。所有的屬性值都是原子，不允許屬性又是一個二維關系。`稱為屬性，n元關系有n個屬性，屬性的名稱要唯一，屬性的取值范圍Di(i＝1，...，n)叫值域。例如，R1＝{(0，a)，(0，b)，(0，c)}R2＝{(1，a)，(1，b)，(1，c)}都是上例D1，D2上的一個關系。3.2.3

關系的性質同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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Shen3-3Relational

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SystemCourse—Teaching(年級，系，專業，課程教師)，，學期，年，Prerequist(課程 ，前序課程

)。Grade(學生 ，課程 ，成績)。關系與關系模式是關系數據庫中密切相關又有所不同的概念。關系模式描述了關系的數據結構和語義約束，不是集合；而關系是一個數據集合。關系模式是相對穩定的；而關系是隨時間而變化的，是某一時刻現實世界狀態的真實反映，是

關系模式在某一時刻的“當前值”。我們稱一個關系模式的，任何一個“當前值”為該關系模式的關系實例。以下，在不引起

的情況下，我們等價地使用“關系”和“關系模式”這兩個詞。關系可以用一個表來直觀地表示。表的每一列表示關系的一個屬性，每一行表示一個元組。表的每列的名字是一個屬性名。圖3-1給出了一個關系模式“儲蓄(

，城市，區，街道，帳號)”的關系實例。例3.1我們可以使用關系數據模型表示圖2-5中的教學管理數據庫，其關系模式定義如下：Student(

，學生 ，年級，專業，系)，Course(課程名，課程，`學分，系)，同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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Shen3-4Relational

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System圖3-1

一個關系模式“儲蓄”的關系實例。3.2.4

關系的完整性規則關系的兩個完整性規則如下：實體完整性關系中主關鍵字的值不能為空或部分為空。參照完整性如果關系R2的外關鍵字X與關系

R1的主關鍵字相符，則外關鍵字X的每個值必須在關系R1中主關鍵字的值中找到，或者為空值。3.3

關系代數關系代數是施加于關系上的一組集合代數運算，每個運算都以一個或多個關系作為運算對象，并生成另外一個關系作為該關系運算的結果。同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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System傳統的集合運算：關系的并關系R和關系S的所有元組合并，再刪去重復的元組，組成一個新關系，稱為R和S的并，記為R

∪S。同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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System傳統的集合運算：同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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System關系的差關系R和關系S的差是由屬于R而不屬于S的所有元組組成的集合，即關系R中刪去與S關系中相`

同的元組，組成一個新關系，記為R-S。傳統的集合運算：關系的交關系R和關系S的交是由既屬于R又屬于S的元組組成的集合，即在兩個關系

R與S中取相同的元組，組成一個新關系，記為R∩S。同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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Shen3-6Relational

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System傳統的集合運算：關系的除設有關系R(X，Y)與關系S(Z)，其中，X、Y、Z為屬性集合。假

設Y和Z具有相同的屬性個數，且對應屬性出自相同域。關系R(X，Y)除以S(Z)所得的商關系是關系R在屬性X上投影的一個子集，該子集和S(Z)的

積必須包含在R(X，Y)中。記為R÷S。同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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System`同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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System專門的集合運算：選擇從關系中找出滿足條件的所有元組稱為選擇。

經過選擇運算得到的結果元組可以形成新的關系，其關系模式不變，但其中元組的數于或等于原來的關系中元組的個數，它是原關系的一個子集。選擇運算記為σp(R)，其中R為一個關系，p為布爾函數，該函數中可以包含算術符（<，＝，>，≤，≥，≠)和邏輯運算符(∧，∨，┑)。`投影從關系中挑選若干屬性組成新的關系稱為投影。

這是從列的角度進行的運算，相當于對關系進行垂直分解。經過投影運算可以得到一個新關系，其關系所包含的屬性個數往往比原關系少，或者屬性的排列順序不同。如果新關系中包含重復元組，則要刪除重復元組。x投影運算記為∏(R)，其中R為一個關系，x為一組屬性名或屬性序號組，屬性序號是對應屬性在關系中的順序。同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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Shen3-8Relational

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System`連接連接是將兩個關系的屬性名拼接成一個更寬的關系，生成的新關系中包含滿足連接條件的元組。運算過程是通過連接條件來控制的，連接條件中將出現不同關系中的公共屬性名。連接是對關系的結合。連接記為R

S，其中R和S是兩個關系，X

θ

Y為連接條件，θ

為比較運算符，當θ

為“＝”時，稱為等值連接。同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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Shen3-8Relational

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System自然連接自然連接是除去重復屬性的等值連接，它是連接運算的一個特例，是最常用的連接運算。自然連接記為R*S，其中R和S是兩個關系，并且具有一個或多個同名屬性。在聯接運算`中，同名屬性一般都是外關鍵字，否則會出現重復數據。同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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Shen3-8Relational

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System圖

3-3

關系及其專門的關系運算3.4

SQL語言SQL語言已成為關系數據庫的

語言，它具有以下特點：類似于英語自然語言，簡單易學。是一種非過程語言。是一種面向集合的語言。既可獨立使用，又可嵌入到宿主語言中使用。具有查詢、

、定義和控制的

功能。同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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Shen3-9Relational

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System數據定義SQL語言的數據定義功能包括建立關系模式CREATETABLE)、修改關系模式(ALTER

TABLE)、刪除關系模式(DROP

TABLE)、建立索引(CREATEINDEX)、刪除索引(DROP

INDEX)等語句。`CREATETABLE語句用來建立一個新關系模式，定義關系模式的每個屬性的數據類型和長度。CREATETABLE語句的語法格式為:CREATE

TABLE(關系名＞((列名＞＜列類型＞[NOTNULL]，…，＜列名＞＜列類型＞[NOTNULL])，其中，＜關系名＞是被建立的關系的名字，＜列名＞是被建立關系的屬性名，＜列類型＞是屬性的數據類型和長度定義，可選項NOT

NULL表示屬性不能取空值。例3-2

使用如下的CREATE

TABLE語句建立一個EMPLOYEE關系：CREATE

TABLE

EMPLOYEE(NAME

VARCHAR(15)，／*具有最大15個字節的可變長字符串*／SSN

CHAR(9)，：／*具有9個字節的固定長字符串*／BDATE

CHAR(9)，／*具有9個字節的固定長字符串*/ADDRESS

VARCHAR(30)，／*具有最大30個字節的可變長字符串*／SEX

CHAR(1)，／*具有1個字節的固定長字符中*／SALARY

INTEGER，／*

4字節的整數*／SUPERSSN

CHAR(9)，／*具有9個字節的固定長字符串*／DNO

INTEGER

／*

4字節的整數*／)。同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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Shen3-10Relational

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SystemALTERTABlE語句用來在一個關系模式中增加一個屬性。每個關系元組新增屬性的值為空值。ALTERTABLE語句的語法格式是:AITERTASLE＜關系名＞ADD＜列名)＜列類型＞。例3-3在EMPLOYEE關系模式中增加一個屬性JOB，相應的語句為:ALTER

TABLEEMPLOYEE

ADD

JOB

VARCHAR(12)。DROP

TABLE語句用來刪除一個關系。DROP

TABLE語句的語法格式是:DROP

TABLE＜關系名＞。我們可以使用語句DROP

TABLE

DEPENDENT刪除關系DEPENDENT。CREATEINDEX用來在一個指定關系的指定屬性上建立一個索引。CREATE

INDEX語句的語法格式是:CREATE[UNIQUE]INDEX(索引名＞ON<關系名>(＜列名)[ORDER]，．.，＜列名)[ORDER])[CLUSTER]，其中，＜關系名)是被建立索引的關系的名字，＜索引名＞是建立的索引的名字，＜列名)是索引屬性名。語句的可選項UNIQUE表示索引屬性或屬性組是鍵屬性，即不允許重復值出現。語句的可選項ORDER表示ASC和DESC之一。如果一個屬性＜列名＞被標記以ASC，則索引按照這個屬性值的遞增順序排序

。反之，如果一個屬性＜列名)被標記以DESC，則索引按照這個屬性值的遞減順序排序

。ORDER的缺省值等價于ASC。語句中的可選項CLUSTER表示所建立的索引是否

索引。例3-4在EMPLOYEE關系上以SSN屬性為索引屬性，建立一個

索引，索引文件名字為SSN_INDEX，并說明SSN是鍵屬性，索引按照SSN的值遞增排序，相應的SQL語句為:CREATE

UNIQUE

INDEX

SSN_INDEX

ON

EMPLOYEE(NAMEASC)CLUSTER。同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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Shen3-11Relational

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System索引可以

態地建立和刪除。DORP

INDEX語句用來刪除索引。DORP

INDEX語句的語法格式是:DROP

INDEX＜索引名)。3.4.2

數據查詢SQL語言的數據查詢語句`

的語法格式是:SELECT[DISTINCT]＜屬性表＞FROM

Rl[＜別名＞]”…，Rn[＜別名)]WHERE

Ψ[GROUP

BY＜分組屬性表＞[HAVING＜分組選擇條件＞]] [ORDER

BY＜列名)[＜ORDER)]，…，＜列名)[＜ORDER＞]]，其中，Rl,…,Rn是n個不同的關系，(別名＞是為FROM從句中的關系指定的簡化的別名，(屬性表＞是結果關系的屬性表，Ψ是條件表達式，由邏輯運算符∧、∨、┑和算術比較符＝、≠、≤、≥、＜、＞、常值和屬性名等構成。可選項DISTINCT表示查詢結果集合中不出現重復元組。可選從句GROUPBY(分組屬性表＞表示把結果關系按照＜分組屬性表＞中的屬性值分組。可選從句GROUPBY＜分組屬性表＞HAVING(分組選擇條件＞表示把結果關系按照＜分組屬性表)中的屬性值和＜分組選擇條件＞分組。ORDER

BY從句實現查詢結果的排序，＜列名＞為排序屬性，(ORDER＞與建立索引語句中的＜ORDER＞意義相同。下邊用幾個查詢實例來說明SQL語言的查詢語句SELECT的功能和用法。同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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Shen3-12Relational

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System例3-5(簡單查詢1)對于每個在“哈爾濱”進行的工程項目，列

出工程項目號、所屬部門號、該部門

的名字、生日和地址，相應的查詢語句為：SELECT

PNUMBER，DNUM，NAME，BDATE，ADDRESS

FROMPROJECT，DEPARTMENT，EMPLOYEEWHEREDNUM＝DNUMBER

AND

`MGBSSN＝SSN

AND

PLOCATION＝“哈爾濱”。例3-6(簡單查詢2)列出每一個 及其直接 的名字，相應的查詢語句為:SELECT

E.NAME，S.NAME

FROM

EMPLOYEE

E

SWHERE

E.SUFERSSN＝S.SSN在例3-6中，EMPLOYEE關系具有兩個別名E和S。我們可以認為E和S是EMPLOYEE關系的兩個不同的副本。例3-7

(包含集合操作的查詢)

對于每個工程項目，如果張平是這個項目的工作者或張平是管轄這個項目的部門的 ，則列出這個項目的 ，相應的查詢語句為:(SELECT

PNUMBERFROM

PROJECT，DEPARTMENT，EMPLOYEEWHEREDNUM＝DNUMBER

AND

MGRSSN＝SSN

AND

NAME；“張平”

)

UNION(SELECT

PNUMBER

FROMP

ROJECT，WORKS_ON，EMPLOYEEWHERE

PNUMBER＝PNO

AND

ESSN＝SSN

AND

NAME＝“張平”

)同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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Shen3-13Relational

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System`SQL語言允許嵌套查詢，即p允許在SELECT語句的

WHERE從句中出現另一個SELECT語句和集合比較操作。SQl語言嵌套查詢的嵌套級數可以很多。例3-8(嵌套查詢1)例3-7的查詢可以改寫為如下的嵌套查詢：SELECT

DISTINCT

PNUMBERFROM

PROJECTWHERE

PNUMBER

IN

(SELECT

PNUMBERFROM

DEPARTMENT，EMPLOYEEWHERE

DNUM＝DNUMBER

AND

MGRSSN＝

SSNAND

NAME＝“張平”)ORPNUMBER

IN(SELECT

PNUMBER

FROM

WORKS_ON，EMPLOYEEWHERE

PNUMBER＝PNO

AND

ESSN＝SSN

AND

NAME＝“張平”)3.4.3

數據SQL語言提供了三個數據

語句，實現關系元組的

、刪e除和修改。下邊是這三個語句的語法格式定義：元組語句的語法形式是INSERT

INTO＜關系名＞[(＜列名＞，...＜列名＞)](VALUES(＜常值＞”...，＜常值＞))|

SELEGT語句修改元組語句的語法形式是:UPDATE＜關系名＞

SET(列名)＝＜常值＞”...，(列名)＝＜常值＞[WHERE＜條件表達式＞]刪除元組語句的語法形式是:DELETE

FROM＜關系名＞[WHERE(條件表達式＞]同濟大學CDHK機械工程系Prof.

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Shen3-14Relational

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System下邊我們給出幾個關系數據庫上的數據

實例。例3-9

為EMPLOYEE關系增加一個元組，相應的語句為:INSERT

INTO

EMPIOYEE

VALUES(“王明”，“655325678”，“1950年7月11日”，“哈爾濱市南崗區學府路24號”，“男”，“872”，“655678887”，“5”)。例3-10

建立新關系EMPLOYEE_LS`，并把EMPLOYEE關系中工資低于300元的

到這個新關系，相應的語句為:CREATETABLE

EMPLOYEE_LS(NAME

VARCHAR(10)，SSN

INTEGER，SALARY

INTEGER)。INSERT

INTO

EMPLOYEE_LS(NAME，SSN，SALARY)SELECT

NAME，SSN，SALARY

FROM

EMPLOYEEWHERE

SALARY＜300。例3-11

把PROJECT關系中的工程項目10的地址和所屬部門號分別修改為

”和5；相應的語句為：UPDATE

PROJECT SET

PLOCATION＝“

”，DNUM＝5WHERE

PNUMBER＝10。的工資提高lO％，相應的語句為：例3-12把在研究部工作的所有UPDATE

EMPLOYEESET

SALARY＝SALARY*1.1WHERE

DNO

IN(SELECT

DNUMSER

FROM

DEPARTMENT

WHEREDNA