1.1 数据管理技术的进展
1.1.1 基本概念
- 信息：以物理介质为载体，传递和反映世界各种事物存在方式和运动状态的表征。
- 数据：描述现实世界的各种信息（事物）的符号记录。数据的表现形式：数字、文字、图形、图像、声音、语言等。
- 信息和数据是两个既有联系又有区别的概念，数据是信息的载体，信息是数据的内涵。
- 数据处理：指对各种数据进行收集、存储、加工和传播的一系列活动的总和。
- 数据管理：指对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护操作。
1.1.2 数据管理技术的进展
- 人工管理阶段
- 数据不长期保存在计算机中
- 数据是面向应用的
- 数据与程序不具有独立性
- 无法实现数据共享
- 数据冗余度大
- 文件系统阶段
- 数据能够长期保存。
- 由专门软件对数据进行管理
- 数据共享性差
- 数据冗余度大
- 数据独立性较差
- 可实现以文件为单位的共享
- 数据库系统阶段
- 数据结构化
- 数据共享性高
- 数据冗余度低
- 数据易于扩充
- 数据独立性高
- 数据统一管理与控制
1.2 理解数据库系统
1.2.1 什么是数据库系统
- 数据库：长期存储在计算机内、有组织、可共享的数据集合。
- 数据库系统：引入数据库之后的计算机系统。
- 数据库管理系统：专门用于管理数据库的系统软件。
1.2.1.1 数据库系统的组成
数据库、数据库管理系统、应用开发工具、数据库管理员、数据库应用系统、用户
1.2.1.2 数据库特点
- 数据结构化
- 整体数据的结构化是数据库的主要特征。
- 数据的结构用数据模型描述，无需程序定义和解释。
- 数据共享性
- 降低数据的冗余度，节省存储空间
- 避免数据间的不一致性
- 使系统易于扩充
- 数据独立性
- 物理独立性：指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中数据是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。
- 逻辑独立性：指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，用户程序也可以不变。
- 数据库管理系统对数据的统一控制
- 数据的安全性保护：使每个用户只能按指定方式使用和处理指定数据，保护数据以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。
- 数据的完整性检查：将数据控制在有效的范围内，或保证数据之间满足一定的关系。
- 并发控制：对多用户的并发操作加以控制和协调，防止相互干扰而得到错误的结果。
- 数据库恢复：将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。
1.3 数据库系统结构
型：对某一类数据的结构和属性的说明
值：是型的一个具体赋值
1.3.1 数据库系统的三级模式结构
三级模式结构：外模式、模式、内模式
- 模式（也称逻辑模式）：
- 数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述
- 一个数据库只有一个模式
- 是数据库系统模式结构的中间层
- 与数据的物理存储细节和硬件环境无关
- 与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关
- 所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求
- 数据的逻辑结构（数据项名、类型、取值范围等）
- 数据之间的联系
- 数据有关的安全性、完整性要求
- 外模式（也称子模式或用户模式）：
- 数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述
- 数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示
- 外模式的地位：介于模式与应用之间
- 模式与外模式的关系：一对多
- 外模式通常是模式的子集
- 一个数据库可有多个外模式。反映了不同的用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求
- 对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同
- 内模式（也称存储模式）
- 是数据物理结构和存储方式的描述
- 是数据在数据库内部的表示方
- 一个数据库只有一个内模式
1.3.2 数据库系统的二级映像
数据库系统的二级映像是指外模式与模式之间、模式与内模式之间的映像关系 。
- 外模式/模式映像：
- 定义外模式与模式之间的对应关系
- 每个外模式都对应一个外模式／模式映象
- 映象定义通常包含在各自外模式的描述中
- 外模式／模式映象的用途：保证数据的逻辑独立性
- 当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式／模式映象，使外模式保持不变。
- 应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性。
- 模式／内模式映象
- 定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。
- 数据库中模式／内模式映象是唯一的
- 其定义通常包含在模式描述中
- 模式／内模式映象的用途：保证数据的物理独立性
- 当数据库的存储结构改变了，数据库管理员修改模式／内模式映象，使模式保持不变;
- 应用程序不受影响，保证了数据与程序的物理独立性。
- 三级模式与二级映像结构的优点：
- 保证数据独立性：将外模式与模式分开，保证了数据的逻辑独立性；将内模式与模式分开，保证了数据的物理独立性。
- 有利于数据共享，减少数据冗余。
- 有利于数据的安全性：不同的用户在各自的外模式下根据要求操作数据，只能对限定的数据进行操作。
- 简化了用户接口：用户按照外模式编写应用程序或输入命令，而无须了解数据库全局逻辑结构和内部存储结构，方便用户使用。
1.3.3 数据库管理系统
数据库管理系统（DBMS）是对数据进行统一管理与控制的专门系统软件。
主要功能：
- 数据定义功能
- 数据操纵功能
- 数据控制功能
- 数据库的建立和维护功能
- 数据组织、存储和管理
1.3.4 数据库系统所需人员
- 开发、管理和使用数据库系统的人员主要包括：
- 数据库管理员
- 系统分析员
- 数据库设计人员
- 应用程序员
- 最终用户
1.3.4.1 数据库管理员
- 是指对数据库和DBMS进行管理的一个或一组人员，负责全面管理和控制数据库系统。
- 其具体职责包括：
- 参与数据库设计。
- 数据完整性和安全性管理。
- 数据库运行维护和性能评价。
- 数据库改进和重构。
1.3.4.2 系统分析员
负责应用系统的需求分析和规格说明，要和用户及DBA协商，确定系统的软/硬件配置，并参与数据库系统的概要设计。
1.3.4.3 数据库设计人员
- 是数据库设计的核心人员，负责数据库中数据内容及结构的确定、数据库各级模式的设计。数据库设计人员必须参加用户需求调研和系统分析，然后进行数据库设计。
- 通常情况下，数据库设计人员是由DBA或系统分析员担任的
1.3.4.4 应用程序员
负责设计和开发数据库应用程序，并负责进行调试和安装。
1.3.4.5 最终用户
- 偶然用户：不确定的或很少使用系统的人员
- 简单用户：使用应用系统访问数据库的人员（如，银行的职员、机票预定人员、旅馆总台服务员等）
- 复杂用户：直接使用数据库语言访问数据库，甚至能够基于数据库管理系统的API编制自己的应用程序（如，工程师、科学家、经济学家、科技工作者等）
1.4 数据模型
1.4.1 数据模型的概念
- 模型：是对现实世界的模拟和抽象。
- 数据模型：是现实世界中数据特征的抽象。
- 数据模型的作用：用来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。
- 数据模型的定义：数据的组织结构称为数据模型，它决定了数据及其之间联系的表达方式。
- 数据模型应满足三方面要求
- “模拟逼真”：能较真实地模拟现实世界
- “易理解”：容易为人所理解
- “易实现”：便于在计算机上实现
- 现实世界中的客观对象抽象为概念模型；
- 把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型。
1.4.2 概念数据模型
- 概念数据模型事现实世界到信息世界的抽象
- 概念模型与DBMS无关
- 概念模型的用途
- 用于信息世界的建模
- 是现实世界到机器世界的一个中间层次
- 数据库设计人员和用户之间进行交流
- 对概念模型的基本要求：。
- 较强的语义表达能力，能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识
- 简单、清晰、易于用户理解
1.4.2.1 概念模型的表示方法
- 实体－联系(Entity-Relationship)方法(E-R方法)：用E-R图来描述现实世界的概念模型
1.4.2.2 E-R模型的三要素
- 实体（Entity）
- 实体是指客观存在并可相互区别的事物。实体可以是人、事或物，也可以是抽象的概念。例如，一件商品、一个客户、一份订单等都是实体。
- 属性（Attribute）
- 实体通常有若干特征，每个特征称为实体的一个属性。属性刻画了实体在某方面的特性。例如，商品实体的属性可以有商品编号、商品类别、商品名称、生产商等。
- 联系（Relationship）
- 现实世界中事物之间的联系反映在E-R模型中就是实体间的联系。例如，订单就是客户和商品之间的联系。
1.4.2.3 实体型和实体值
实体型（Entity Type）是指对某一类数据结构和特征的描述。通常实体型由实体名和属性名的集合来抽象和刻画同类实体。
例如，商品(商品编号，商品类别，商品名称，生产商，单价，库存量，保质期)是一个实体型。
实体值（Entity Value）是实体型的内容，由描述实体的各个属性值组成。
例如，(50020005，体育用品，足球，美好体育用品公司，120，20，2012-1-1)是实体值。
1.4.2.4 两个实体型间联系的类型
- 1：1 联系
- 如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个实体与之联系，反之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一联系。记为1:1。
- 实例：班级与班长之间的联系(一个班级只有一个正班长,一个班长只在一个班中任职)
- 1：n 联系
- 如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之联系；反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对多联系；记为1:n
- 实例：班级与学生之间的联系(一个班级中有若干名学生，每个学生只在一个班级中学习)
- m：n 联系
- 如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体（m≥0）与之联系，则称实体集A与实体B具有多对多联系。记为m:n
- 实例：课程与学生之间的联系(一门课程同时有若干个学生选修,一个学生可以同时选修多门课程)
1.4.2.5 两个以上的实体型之间的联系
两个以上的实体型内的各实体之间也可以存在一对一，一对多，多对多的联系 。
1.4.2.6 单个实体型内的联系
同一个实体型内的各实体之间也可以存在一对一，一对多，多对多的联系 。
1.4.2.7 E-R模型的表示—E-R图
- 实体型的表示
- 用矩形表示，矩形框内写明实体名。
- 属性
- 用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来。
- 联系
- 联系本身：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n）。
- 联系的属性：联系也可以有属性。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来。
【例】客户订购某类商品均有数量，则实体型“客户”与实体型“商品”之间的联系就具有属性“数量”，其E-R图表示如下。
1.4.3 逻辑数据模型
- 是信息模型（概念模型）的数据化，从计算机角度出发，提供表示和组织数据的方法。
- 三要素：
- 数据结构：记录间的组织形式。静态
- 数据操纵：建立在特定结构下的操纵实现。动态
- 数据完整性约束：完整性约束是数据的一组完整性规则的集合，是对记录内部及记录间的限定。
- 逻辑数据模型的分类
- 层次模型
- 网状模型
- 关系模型
1.4.4 关系模型
- 1970年由美国IBM公司San Jose研究室的研究员E.F.Codd提出。
- 数据结构 – 实体、联系均用二维表：关系模型中基本的数据结构是表格，关系模型使用二维表来表示实体及其联系。
- 数据操作 – 集合操作，存取路径透明：关系数据操作具有两个显著特点：一是关系操作是集合操作，即操作的对象和结果均为集合；二是关系模型将操作中的存取路径向用户屏蔽起来，用户只要说明做什么，而不必指出怎样做。
- 数据完整性约束：关系完整性约束规则包括三类：实体完整性、参照完整性和用户定义完整性。
- 关系模型的特点：
- 优点
- 建立在严格的数学概念的基础上
- 概念单一
- 存取路径对用户透明
- 缺点
- 查询效率往往不如非关系数据模型
- 增加了开发DBMS的难度
- 优点
1.5 数据库系统的发展
1.5.1 数据库系统的发展阶段
-
第一代数据库系统
- 20世纪70年代，层次和网状数据库系统
- 代表：层次模型数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS；网状模型的规范是DBTG，实际系统有：HP公司的IMAGE、Honeywell公司的IDS/2等。
-
第二代数据库系统
- 20世纪70年代后期以后，关系数据库系统
- 代表：Oracle、SQL Server、Sybase、DB2、Informix等。
-
第三代数据库系统
- 数据库技术和其他学科内容相结合（分布式数据库、工程数据库、演绎数据库、知识数据库、时态数据库、空间数据库等）
1.5.2 数据库系统主要研究领域
- 数据库管理系统软件的研制
- DBMS核心
- 一组相互联系的软件系统
- 工具软件
- 中间件
- 数据库设计
- 数据库设计理论、方法
- 设计工具
- 数据模型和数据建模
- 数据库理论
- 关系数据模型
- 关系规范化理论
- 新的数据模型等
本章小结
- 数据库系统概述
- 数据库的基本概念
- 信息、数据、数据处理、数据管理、数据库、数据库系统、数据库管理系统
- 数据管理的发展过程
- 手工管理、文件系统、数据库系统
- 数据库系统的特点
- 结构化、共享性、独立型、统一管理与控制
- 数据库的基本概念
- 数据模型
- 数据模型的概念：对数据特征的抽象描述
- 概念模型，E-R模型(三种实体型联系，ER图)
- 逻辑数据模型
- 层次模型、网状模型、关系模型
- 数据库系统的体系结构
- 数据库系统三级模式结构
- 模式、外模式、内模式
- 数据库系统的二级映像
- 模式/外模式映像、模式/内模式映像
- 数据库系统三级模式结构
- 数据库系统的组成
- 数据库、数据库管理系统、应用开发工具、数据库管理员DBA、数据库应用系统、用户