0引言數據庫系統學習數據庫的意義大數據時代已經來臨數據已經成為重要的資源2025/4/15數據庫原理及應用教程2課程安排課程性質：學科基礎課，必修課數據庫設計軟件開發數據分析課程學時：56學時（42理論+14實踐）學分：3.5學分2025/4/15數據庫原理及應用教程3課程設計的拓撲安排前序課程：離散數學數據結構面向對象程序設計語言后續課程：軟件工程Web程序設計數據挖掘技術2025/4/15數據庫原理及應用教程4課程教材選擇2025/4/15數據庫原理及應用教程5主要教材輔助教材課程考核手段考核分數=平時成績+考試成績平時成績：30%由課堂表現和作業完成情況決定考試成績：閉卷考試由試卷實際分數決定實驗環節分數：平時+設計成果2025/4/15數據庫原理及應用教程61、數據庫系統概述授課教師：崔曉暉聯系方式：cuixiaohui@授課學時：42數據庫及其地位概述數據的倉庫，即數據存放的地方2025/4/15數據庫原理及應用教程8database通訊錄：小型數據庫手工管理圖書館：大型數據庫計算機管理實例地位計算機主要應用領域數據處理-70%科學計算過程控制本章目錄2025/4/15數據庫原理及應用教程91.1信息、數據、數據處理與數據管理1.2數據庫管理技術的發展1.3數據庫系統組成1.4數據庫管理系統1.5數據庫系統的內部體系結構1.6數據庫系統的外部體系結構1.7數據模型1.8四種數據類型1.9數據庫系統的發展1.10數據庫技術和其他技術相結合1.1信息、數據、數據處理與數據管理1.1.1數據與信息（Information）2025/4/15數據庫原理及應用教程10信息是一種資源，與能源、材料構成客觀世界三大要素信息采集、加工、傳遞消息情報指令數據信號……學號姓名性別年齡所在系別學生基本情況信息的特征源于物質和能量可以感知可存儲加工傳遞和再生1.1信息、數據、數據處理與數據管理1.1.1數據（data）與信息2025/4/15數據庫原理及應用教程11數據是用來記錄信息的可識別的符號，是信息的具體表現形式學生信息S1趙亦女17歲計算機學生基本情況學號姓名性別年齡所在系別描述學生信息的數據數據表現形式數字文字圖形圖像聲音……數據是信息的符號表示或載體信息是數據的內涵，是對數據的語義解釋1.1信息、數據、數據處理與數據管理1.1.2數據處理和數據管理2025/4/15數據庫原理及應用教程12學生基本情況將數據轉換成信息的過程，包括對數據進行收集、儲存、加工和傳播等一系列活動數據處理數據管理信息=數據+數據處理指數據的收集、整理、組織、編碼、存儲、維護、檢索、傳輸等操作研究通用、高效、便捷的管理軟件管理技術決定處理效率1.2數據庫管理技術的發展2025/4/15數據庫原理及應用教程13人工管理階段文件系統階段數據庫系統階段50年代中期以前磁帶、紙帶，無磁盤無外存無軟件無共享50年代后期到60年代中期有外存數據與程序緊耦合共享程度低、安全性差、冗余度高、并發控制難。60年代后期至今大容量磁盤，硬件價格下降軟件價格上升，開發和維護成本增加，出現DBMS有外存數據與程序松耦合1.2數據庫技術的產生、發展2025/4/15數據庫原理及應用教程141.2.1人工管理階段數據不保存沒有專門的程序進行數據管理一組數據對應一個程序，冗余度大且不共享數據不具有獨立性，數據變化，程序變化特點應用程序1程序與數據之間的關系數據集1應用程序n數據集n………………一一對應1.2數據庫技術的產生、發展2025/4/15數據庫原理及應用教程151.2.2文件系統階段數據可以長期保存在外存上（保存的要求）由文件系統管理數據，實現了“按文件名訪問，按記錄進行存取”的數據管理技術（檢索的要求）數據與程序有了一定的獨立性，設備和數據間具有“設備獨立性”（開發的要求）特點程序與數據之間的關系應用程序1文件1應用程序n文件n…………文件系統1.2數據庫技術的產生、發展2025/4/15數據庫原理及應用教程161.2.3數據庫系統階段數據結構化數據共享性高、冗余度低（緩解存儲和計算壓力）數據獨立性高（緩解開發壓力）IMG有統一的數據控制功能（數據的安全性，數據的完整性，并發控制，數據恢復）（環境控制能力）特點程序與數據之間的關系應用程序1應用程序n……數據庫管理系統1.3數據庫系統的組成2025/4/15數據庫原理及應用教程171.3數據庫系統的組成2025/4/15數據庫原理及應用教程181.3.1數據庫OfflineBusiness?

OnlineBusiness????長期存儲在計算機內的、有組織的、可共享的數據集合。數據庫中的數據按一定的數據模型（或結構）組織、描述和存儲，具有較小的冗余度、較高的數據獨立性和易擴展性，并可為各種用戶共享。集成性和共享性1.3數據庫系統的組成2025/4/15數據庫原理及應用教程191.3.2用戶OfflineBusiness?

OnlineBusiness????非計算機專業人員使用數據庫終端用戶設計和編制應用程序應用程序員負責設計、建立、管理和維護數據庫以及協調用戶對數據庫要求的個人或工作團隊數據庫管理員1.3數據庫系統的組成2025/4/15數據庫原理及應用教程201.3.3軟件系統DBMSOS應用系統1.3.4硬件系統CPU內存大容量存儲輸入輸出設備外部設備DBMS在操作系統支持下工作，應用程序在DBMS支持下才能使用數據庫。1.4數據庫系統的內部體系結構2025/4/15數據庫原理及應用教程21數據庫系統的體系結構數據庫內部的體系結構結構：模式、外模式、內模式。數據庫外部的體系結構結構：單用戶、主從式、分布式。1.4數據庫系統的模式結構2025/4/15數據庫原理及應用教程221.4.1數據庫系統的三級模式結構型(Type)和值(Value)的概念模式(scheme)的概念型：對某一類數據的結構和屬性的說明學號姓名性別年齡系別

001101張立男20計算機值：型的一個具體賦值例：學生表數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述，它僅涉及型的描述，而不涉及具體的值模式實例(instance)+具體值1.4數據庫系統的模式結構2025/4/15數據庫原理及應用教程231.4.1數據庫系統的三級模式結構ANSI將數據庫系統內部的體系結構分為三級應用1應用2應用n外模式1…外模式m…外模式/模式映象模式模式/內模式映象內模式數據庫用戶級概念級物理級從用戶的角度多個一個一個1.4數據庫系統的模式結構2025/4/15數據庫原理及應用教程241.4.1數據庫系統的三級模式結構三級模式之間的關系對一個數據庫系統而言，實際存在的只是物理級數據庫，它是數據訪問的基礎(內模式)概念級數據庫只是物理級數據庫的一種抽象描述(模式)用戶級數據庫是用戶與數據庫的接口(外模式)DBMS的中心工作之一就是完成三級數據庫模式間的轉換，把用戶對數據庫的操作轉換到物理級去執行1.4數據庫系統的模式結構2025/4/15數據庫原理及應用教程251.4.2數據庫系統的二級映象與數據獨立性數據庫系統的二級映象與數據獨立性外模式/模式映象模式/內模式映象保證了數據與程序間的邏輯獨立性確保了數據的物理獨立性在三級模式間提供了二級映象功能DBMS1.4數據庫系統的模式結構2025/4/15數據庫原理及應用教程261.4.3數據庫系統的三級模式及二級映像的優點保證數據的獨立性：既保證了數據的物理獨立性，又保證了數據的邏輯獨立性簡化了用戶接口：用戶需要了解數據庫內部存儲結構，方便使用系統。有利于數據共享：不同外模式提供不同用戶使用，減少了數據的冗余。有利于數據的安全保密：用戶只在受控制的外模式下操作，保證了其他數據的安全。1.5數據庫系統的外部體系結構2025/4/15數據庫原理及應用教程27單用戶結構的數據庫系統一臺計算機，不能共享數據主從式結構的數據庫系統大型主機帶多個終端；主機處理，終端輸入和輸出分布式結構的數據庫系統是分布在計算機網絡上的多個邏輯相關的數據庫的集合客戶/服務器結構的數據庫系統把DBMS的功能與應用程序分開；管理數據的節點稱為服務器,應用DBMS的節點稱為客戶機瀏覽器/服務器結構的數據庫系統將客戶端運行的應用程序轉移到應用服務器上，充當了客戶機和數據庫服務器的中介1.6數據庫管理系統2025/4/15數據庫原理及應用教程28DBSDBMS數據定義查詢更新各種控制1.6.1DBMS的主要功能數據定義功能數據操作功能數據庫運行管理功能數據通信接口數據的組織、存儲和管理1.6數據庫管理系統2025/4/15數據庫原理及應用教程291.6.1DBMS的主要功能1.數據定義功能：DBMS提供數據定義語言（DataDefineLanguage，DDL）定義了：例：定義口令和存取權限，定義完整性規則例：SQL的Create、Drop、AlterDatabase定義數據的模式、外模式和內模式三級模式結構定義模式/內模式和外模式/模式二級映象定義有關的約束條件DDL定義的各種模式需要翻譯轉換成機器內部表示，保存在數據字典(DataDictionary,DD)中。DD是DBMS存取數據的基本依據。1.6數據庫管理系統2025/4/15數據庫原理及應用教程301.6.1DBMS的主要功能2.數據操縱功能：DBMS提供數據操作語言(DataManipulationLanguage,DML)實現對數據庫的基本操作，包括檢索和更新(插入、刪除、修改)等。DML有兩類：例：SQL的Select、Insert、Update、Delete自主型：通過交互式命令語言執行，可獨立使用自含型：嵌入到高級語言中執行，不能單獨使用1.6數據庫管理系統2025/4/15數據庫原理及應用教程311.6.1DBMS的主要功能3.數據運行管理：對數據庫運行的管理是DBMS運行的核心部分。DBMS主要從四方面進行運行管理：數據的安全性控制數據的完整性控制多用戶環境下的并發控制數據庫的維護1.6數據庫管理系統2025/4/15數據庫原理及應用教程321.6.1DBMS的主要功能數據通信接口：提供與其它軟件通訊的功能，與其它DBMS或文件系統的數據轉換；實現用戶程序與DBMS、DBMS之間，DBMS與文件系統之間的通信。數據組織、存儲和管理：對數據詞典、用戶數據、存取路徑等的組織、存儲和管理；以何種方式組織物理數據，提供時空利用率。1.6數據庫管理系統2025/4/15數據庫原理及應用教程331.6.2DBMS的組成語言編譯處理程序系統運行控制程序系統建立、維護程序數據字典數據定義語言DDL編譯程序數據操縱語言DML編譯程序系統總控程序安全性控制程序完整性控制程序并發控制程序數據存取和更新程序通信控制程序裝配程序重組程序系統恢復程序描述數據庫中有關信息的數據目錄1.6數據庫管理系統2025/4/15數據庫原理及應用教程341.6.3DBMS的數據存取過程（1）用戶使用某種特定的數據操作語言向DBMS發出存取請求；（2）DBMS接受請求并將該請求解釋轉換成機器代碼指指令；（3）DBMS依次檢查外模式、外模式/模式映象、模式、模式/內模式映象及存儲結構定義；（4）DBMS對存儲數據庫執行必要的存取操作。（5）從對數據庫的存取操作中接受結果。（6）對得到的結果進行必要的處理，如格式轉換等。（7）將處理的結果返回給用戶。1.7數據模型計算機不能直接處理現實世界的具體事物和聯系，需要轉換成計算機能夠處理的數據。數據模型描述了數據的組織方式。數據模型是數據庫的框架，是DBMS的核心和基礎2025/4/15數據庫原理及應用教程351.7三個世界的劃分及其概念為了把現實世界的事物及聯系抽象、組織為DBMS支持的數據模型：首先將現實世界的事物及聯系抽象成信息世界的信息模型然后再抽象成計算機世界的數據模型數據加工經歷了兩級抽象和轉換經歷現實世界、信息世界和計算機世界三個不同世界的數據加工，需要經過兩級抽象和轉換2025/4/15數據庫原理及應用教程36現實世界概念模型認識抽象DBMS支持的數據模型信息世界計算機世界現實世界1.7現實世界和信息世界現實世界即客觀存在的世界。每個事物都有自己的特征或性質，一般選取最能代表該事物的特征表示該事物。例：學號、姓名、性別、年齡事物之間是相互聯系的，選取感興趣的聯系例：學生管理系統中的“學生選修課程”2025/4/15數據庫原理及應用教程37信息世界是現實世界在人們頭腦中的反映。信息世界中常用的概念如下：實體：客觀存在并且可以相互區別的“事物”稱為實體，一個學生實體可以是具體的人、事、物，也可以是抽象的事件屬性：實體所具有的某一特性稱為屬性型值屬性名具體值1.7區分概念2025/4/15數據庫原理及應用教程38用實體名及屬性名集合來抽象和描述同類實體，稱為實體型。實體型同型實體的集合稱為實體集實體集能惟一標識一個實體的屬性或屬性集稱為實體的鍵鍵屬性的取值范圍稱為該屬性的域域學生（學號，姓名，年齡，性別，系）標記實體屬性的命名單位稱為字段。1.7計算機世界的有關概念2025/4/15數據庫原理及應用教程39計算機世界是信息世界中信息的數據化，就是將信息用字符和數值等數據表示，便于計算機識別和處理。字段（Field）字段的有序集合稱為記錄，通常用記錄來描述實體，因此，也定義為能完整描述一個實體的字段集例：學生（990001，張立，20，男，計算機）記錄（Record）同一類記錄的集合稱為文件。文件是用來描述實體集的例：所有學生的記錄組成了一個學生文件文件（File）能惟一標識文件中每個記錄的字段或字段集，或簡稱鍵關鍵字（Key）1.7三個世界中概念的對應關系2025/4/15數據庫原理及應用教程401.7描述數據或信息的模型的分類2025/4/15數據庫原理及應用教程41概念模型也稱為信息模型，是按用戶觀點對數據和信息建模，是對現實世界事物及聯系的第一級抽象。不依賴與具體的計算機系統，不涉及信息如何在計算機內表示、處理；主要用于數據庫設計時用戶和設計人員的交互，從現實世界到邏輯世界的轉換由數據庫設計人員完成實體聯系模型(EntityRelationshipmodel，簡稱E-R模型)是概念模型中的典型代表概念模型1.7實體聯系模型及E-R圖2025/4/15數據庫原理及應用教程42兩個實體之間的聯系1.7聯系2025/4/15數據庫原理及應用教程43實體型內部的聯系通常是指組成實體的各屬性之間的聯系實體型之間的聯系通常是指不同實體集之間的聯系兩個實體型之間的聯系有如下三種類型：圖1-14不同實體集實體之間的聯系ABABAB(a)一對一聯系

(b)一對多聯系

(c)多對多聯系

班級和班長班級和學生課程和學生2025/4/15數據庫原理及應用教程441.7實體聯系模型及E-R圖兩個實體以上之間的聯系同一實體內部的聯系領導職工1n1.7描述數據或信息的模型的分類2025/4/15數據庫原理及應用教程45邏輯模型是計算機世界中的模型，是按計算機的觀點對數據建模，是對現實世界的第二級抽象，有嚴格的形式化定義，以便于在計算機系統中實現主要用于DBMS的實現由概念模型到邏輯模型的轉換可由設計人員完成，也可以借助數據庫設計工具完成典型的邏輯模型：層次、網狀、關系、面向對象邏輯模型1.8層次模型2025/4/15數據庫原理及應用教程46層次模型的數據結構無雙親，根節點根以外的其他結點有且僅有一個雙親結點；父子結點之間的聯系是一對多（1:n）的聯系。1.8層次模型的例子2025/4/15數據庫原理及應用教程47具有四個實體型：D，R，S，TS與T是葉結點，它們沒有子女結點由D到R，R到T，由D到S均是一對多的關系1.8層次模型的優缺點層次模型的數據操縱與數據完整性約束進行插入操作時，如果沒有相應的雙親結點值就不能插入子女結點值。（插入前自然確定）進行刪除操作時，如果刪除雙親結點值，則相應的子女結點值也被同時刪除。（刪除前自然確定）修改操作時，應修改所有相應的記錄，以保證數據的一致性。2025/4/15數據庫原理及應用教程48層次模型的優缺點1.8網狀模型2025/4/15數據庫原理及應用教程49網狀模型的數據結構網狀模型是采用有向圖結構表示記錄型與記錄型之間聯系的數據模型。每個結點表示一個實體型，每個實體型可包含若干個屬性，實體型描述的是實體。結點間的帶箭頭的連線（或有向邊）表示記錄型間的1：n的父子聯系。網狀模型的特點：有一個以上的結點沒有雙親結點。允許結點有多個雙親結點。允許兩個結點之間有多種聯系（復合聯系）。1.8網狀模型2025/4/15數據庫原理及應用教程50網狀模型的數據操縱與完整性約束插入數據時，允許插入尚未確定雙親結點值的子女結點值。刪除數據時，允許只刪除雙親結點值。修改數據時，只需更新指定記錄即可。網狀模型的優缺點1.8關系模型2025/4/15數據庫原理及應用教程511.8關系模型2025/4/15數據庫原理及應用教程52關系模型的數據操縱與完整性約束關系模型中的數據操作是集合操作，操作對象和操作結果都是關系，即若干元組的集