数据库系统基本概念.ppt

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1、数据库原理,范春梅 Tel: 010-82056329 Email: ,第1章 数据库概述,主要内容,1.1数据管理技术的发展 1.2数据描述 1.3数据抽象的级别 1.4数据库管理系统 1.5数据库系统,1.1数据管理技术的发展,存储器的容量、存储速率直接影响数据管理技术的发展 数据处理包括：数据计算、数据管理 数据管理技术直接影响数据处理的效率 数据管理技术的发展与硬件、软件、计算机应用范围有密切联系 数据管理技术分为以下几个阶段 1.1.1人工管理阶段 1.1.2文件系统阶段 1.1.3数据库阶段 1.1.4高级数据库阶段,1.1.1人工管理阶段,计算机应用：科技计算 硬件：只有磁带、卡

2、片、纸带 软件：只有汇编语言，无数据管理软件 数据处理方式：批处理 数据管理特点：P1 数据不保存在机器中 无专门的数据管理软件 只有程序概念 数据面向程序,1.1.2文件系统阶段,计算机应用：科技计算、信息管理 硬件：已有磁盘、磁鼓 软件：有高级语言和操作系统，其中文件系统为数据管理软件 数据处理方式：批处理、联机实时处理 数据管理特点：P2 数据以“文件”形式保存在外存中 数据的物理结构与逻辑结构有区别，程序与数据有设备独立性 文件组织多样，但文件间相互独立，缺乏联系 数据与程序间的依赖关系减弱，但未根本改变 对数据的操作以记录为单位,1.1.2文件系统阶段,文件系统的缺陷：P2 例P3

3、数据冗余性 数据不一致性 数据联系弱 解决办法 倒排文件系统 通过指针的方式加强数据间的联系-数据库方式,1.1.3数据库阶段,进入该阶段的标志P3 数据库管理方式的特点P4 采用复杂的数据模型表示数据结构 有较高的数据独立性（物理数据、逻辑数据）P4 分为用户逻辑结构、整体逻辑结构、物理结构三级 数据库系统为用提供方便的用户接口 提供数据库恢复、并发控制、数据完整性、数据安全性功能，确保数据安全、正确、可靠 操作以记录或数据项为单位，增加系统灵活性 程序和数据联系图P5,1.1.3数据库阶段-相关概念,1、数据(DATA) 数据是描述现实世界中各种具体事务或抽象概念的可存储并具有明确意义的信

4、息。 数据的例子 数据与其语义是不可分的 数据的形式本身并不能完全表达其内容，需要经过语义解释。 例：100,1.1.3数据库阶段-相关概念,2、数据库(DB) 是一个数据集合，它存储的数据是按照一定的数据模型组织、描述和存储的。 方便共享 冗余度小 数据间联系密切 数据独立性高 数据库中存储的基本对象是数据。 例：一个按照关系模型组织的数据库实例链接1,1.1.3数据库阶段-相关概念,3、数据库管理系统(DBMS) 是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。 数据库在建立、运用和维护时由数据库管理系统统一管理、统一控制。 基于某种数据模型 层次型 网状型 关系型 面向对象型,1.1.3数据

5、库阶段-相关概念,4、数据库系统(DBS) 指在计算机系统中引入数据库后的系统构成。一般由计算机硬件、操作系统、数据库管理系统、数据库、应用程序和用户、数据库管理员等组成。 5、数据库技术 研究数据库的结构、存储、管理和使用的软件学科 是一门综合性强的学科,1.1.4高级数据库阶段,主要标志 20世纪80年代分布式数据库系统 21世纪Web数据库系统 面向对象的概念建模 实体联系图、对象联系图、UML类图 开放数据库互联技术 建立一个公共的、与DBMS型号无关的应用程序设计接口,事物特性到计算机中的具体表示，有三个阶段 概念设计 逻辑设计 物理设计 1.2.1 概念设计中的数据描述 1.2.2

6、逻辑设计中的数据描述 1.2.3物理设计中的数据描述 1.2.3数据联系的描述,1.2 数据描述,概念设计是根据用户需求设计数据库的概念结构 相关术语 P7 实体（entity） 实体集（entity set） 属性（attriute） 实体标示符（identifier）或键（key）,1.2.1 概念设计中的数据描述,逻辑设计是根据概念设计的结果设计数据库的逻辑结构 表达方式 实现方法 相关术语 P7 字段（field） 记录（record） 文件（file） 关键码（key）,1.2.2逻辑设计中的数据描述,概念设计和逻辑设计术语对应关系P7 概念的类型和值 类型是概念的内涵 值是概念的外

7、延 数据描述的两种形式 物理数据描述 逻辑数据描述 两种数据要进行相互转换,1.2.2逻辑设计中的数据描述,1.2.3物理设计中的数据描述,存储器设备层次,物理存储中的数据描述 位（bit） 字节（byte） 字（word） 块（block） 桶（bucket） 卷（volume）,联系是实体之间的相互关系 二元联系的类型P9 一对一 一对多 多对多 三元联系和一元联系P11,1.2.4数据联系的描述,1.3 数据抽象的级别,1.3.1数据抽象的过程 1.3.2概念模型 1.3.3逻辑模型 1.3.4外部模型 1.3.5内部模型 1.3.6三层模式和两级映像 1.3.7高度的数据独立性,1.3

8、.1数据抽象的过程,模型是对现实世界的抽象 在数据库技术中，用模型的概念描述数据库的结构与语义，对现实世界的数据进行抽象。 根据数据抽象的级别，定义四种模型 P11 概念模型 逻辑模型 外部模型 内部模型 数据抽象过程（数据库设计过程）P12,1.3.2概念模型,概念模型的抽象级别最高 概念模型的特点 概念模型表达了数据的整体逻辑结构-系统用户 概念模型从用户需求的观点出发，对数据建模 概念模型独立于硬件和软件 概念模型是数据库设计人员与用户交流的工具 概念模型主要是实体联系模型（ER） 用ER图表示,1.3.2概念模型,ER图的四个基本成分 矩形框：实体类型 菱形框：联系类型 椭圆形框：实体

9、类型和联系类型的属性 直线：连接联系类型与其涉及的实体类型，标有联系种类,实体联系模型（例）,P13,1.3.2概念模型,ER模型的优点 接近于人的思维，容易理解 与计算机无关，用户容易接受 ER模型的局限 只能说明实体间语义的联系 没有详细的数据结构,1.3.3逻辑模型,逻辑模型的特点 表达了DB的整体逻辑结构-设计人员 逻辑模型从数据库实现的观点出发，对数据建模 逻辑模型独立于硬件，但依赖于软件（DBMS） 逻辑模型是数据库设计人员与程序员交流的工具 逻辑模型主要有层次、网状、关系模型,1.3.3逻辑模型-层次模型,构成（例P14） 用树型结构表示实体类型 树结点是记录类型，非根节点又且只

10、有一个父结点 上层记录类型与下层记录类型之间联系为：1：N 特点 记录之间的联系通过指针实现 查询效率高 缺点 只能表示1：N的联系，表示M：N的联系复杂 数据查询、更新操作复杂，导致编写应用程序复杂,1.3.3逻辑模型-网状模型,构成（例P15） CODASYL组织 用有向图表示实体类型及实体间的联系 有向图结点是记录类型 有向边表示从箭尾到箭头的记录类型之间联系为1：N 特点 记录之间的联系通过指针实现 M：N的联系容易实现 查询效率高 缺点 编写应用程序复杂 程序员要熟悉数据库的逻辑结构,1.3.3逻辑模型-关系模型,构成（例P16） 用二维表格结构表达实体集 用外键表示实体间的联系 概

11、念 关系即二维表格 关系模式为记录类型，其实例为关系 关系模型是由多个关系模式组成的集合 特点 用关键码导航数据 表格简单，编程时不涉及存储结构、访问技术的细节 是数学化模型(集合论、数理逻辑)，使用SQL语言 三种逻辑模型的比较P17,关系模型的数据结构,学生关系,课程关系,选课及成绩关系,三个关系模式组成数据结构,1.3.4外部模型,可为不同的业务单位设计不同的外部模型 外部模型中的模式成为“视图”（view） 视图只是一个定义 视图的数据从逻辑模型的数据库中得到 特点 外部模型是逻辑模型的一个逻辑子集 外部模型独立于硬件，依赖于软件 外部模型反映了用户使用数据库的观点 优点 简化了用户的

12、观点 有助于数据库的安全性保护 外部模型是对概念模型的支持,1.3.5内部模型,内部模型又称为物理模型，是数据最低层的抽象 内部模型主要描述 数据在磁盘或磁带上的存储方式（文件结构） 存取设备（外存的空间分配） 存取方法（主索引和辅助索引） 内部模型与硬件、软件紧密相连 在关系模型下不必考虑内部级的设计细节,1.3.6三级模式和两级映像,数据库的体系结构分为三层 外模式（外部模型） 外模式是用户与数据库系统的接口 是用户用到的那部分数据的描述 有若干个外部记录类型组成 逻辑模式（逻辑模型） 逻辑模式是数据库中全部数据的整体逻辑结构的描述 由若干个逻辑记录类型组成 描述记录间的联系、操作、数据的

13、完整性、安全性等要求 内模式（内部模型） 内模式是数据库在物理存储方面的描述 定义所有的内部记录类型、索引和文件组织方式 定义数据控制方面的细节,外部模型1,外部模型2,外部模型3,逻辑模型,内部模型1,1.3.6三级模式和两级映像,三级模式体系结构特点 用户使用数据操纵语言（DML）操作数据库 实际是操作外模式的外部记录 程序员与外模式发生联系 外模式是逻辑模式的逻辑子集 逻辑模式不涉及到存储结构、访问技术等 逻辑模式提供了连接外模式与内模式的中间观点，使它们彼此独立 内模式不涉及物理记录和设备约束 文件系统比内模式更接近物理存储和访问,1.3.6三级模式和两级映像,为实现三个抽象级别的联系

14、和转换，DBMS提供两个层次的映像（mapping） 外模式/模式映像 存在于外模式和逻辑模式之间 定义外模式和概念模式间的对应性 在外模式中描述 模式/内模式映像 存在于逻辑模式级和内模式之间 定义逻辑模式和内模式间的对应性 一般在内模式中描述,数据库管理员建立与维护,DBMS,OS,1.3.7高度的数据独立性,基础：三级模式结构 数据独立性(Data Independence)指应用程序和数据库的数据结构之间相互独立，不受影响。 物理数据独立性 内模式修改时，修改模式/内模式映像，而不影响逻辑模式 逻辑数据独立性 逻辑模式修改，修改外模式/模式映像，而不影响外模式和程序,1.3数据抽象的级

15、别,数据库三级模式结构的优缺点 优点：提供数据物理独立性和逻辑独立性。 缺点：增加系统额外开销。 系统要保存三级结构、两级映象的内容 用户与数据库的数据传输要在三级结构中转换 说明：实际的商用DBMS中，三级结构常常模糊处理,1.3数据抽象的级别,用户、宿主语言（主语言）P19 自含型(交互型) DML 、嵌入型(宿主型) DML 用户界面是用户和数据库系统间的一条分界线 数据库模式和模式的“实例” 数据库模式：是一个数据库的基于特定模型的数据结构的定义，相对稳定。 数据库实例：在任意一个特定的时刻，数据库中存储的数据称为一个数据库的实例，随时改变。 例：说明数据库模式与数据库实例。链接2 数

16、据抽象各层中记录的联系,1.4数据库管理系统,1.4.1 DBMS的工作模式 1.4.2 DBMS的主要功能,1.4.1 DBMS的工作模式,数据库管理系统就是指数据库系统中管理数据的软件系统。P20DBMS工作示意图 是数据库系统的核心组成部分 对DB的一切操作都通过DBMS进行 DBMS的主要目标：把数据作为可管理的资源 用户访问数据的过程P21 由DBMS把操作从应用程序带到外部级、概念级，在导向内部级 DBMS为应用程序开辟缓冲区：数据传输和格式转换 用数据字典存放三级结构定义,返回,1.4.2 DBMS的主要功能,1、数据库的定义功能 2 、数据库的操作功能 提供DML实现对数据的操

17、作：检索和更新 过程性DML和非过程性DML P21 查询语言是DML中的检索语句部分 3 、数据库的保护功能 数据库的恢复 数据库的并发控制 数据库的完整性控制 数据库的安全性控制,1.4.2 DBMS的主要功能,4、数据库的维护功能 数据的载入、转换、转储 数据库改组 性能监控程序 5、数据字典（DD）：存放三级结构定义 对数据库的操作都要经过DD才能完成 DD子系统,1.5数据库系统（DBS）,组成 数据库：与应用有关的全部数据的集合 应用数据集合：物理数据库 各级数据结构的描述：由DD管理 硬件 软件：DBMS、OS、各种主语言、应用开发支撑软件 数据库管理员（DBA）P23 DBA的

18、素质 DBA的定义 DBA的的主要职责,1.5数据库系统（DBS）,数据库系统的全局结构,1.5数据库系统（DBS）,DBS的效益 灵活性 简易性 面向用户 有效的数据控制 加快应用系统的开发速度 维护方便 标准化,本章小结,数据管理技术的发展阶段 了解三个发展阶段，理解每个阶段的特点。 数据库系统阶段的数据独立性最高。 数据库中的几个基本概念 掌握DB、DBMS和DBS的概念，理解它们的区别。 数据库系统的用户 了解在DBS中，不同用户在任务上有什么不同,本章小结,数据描述和数据模型 理解数据描述的三个领域。 理解数据模型的概念。 识记数据模型的种类，了解信息世界、数据世界中各自常用的数据模

19、型。 信息世界概念模型（ER模型） 数据世界关系模型 概念模型不仅独立于计算机硬件设备，而且独立于DBMS,本章小结,数据描述和数据模型 识记结构数据模型的三个组成部分。 数据模型表示的是数据库的框架，是客观事物及其联系的描述 ，能够以一定的结构形式表示出各种不同数据之间的联系 。数据模型不是数据本身。,本章小结,数据库的体系结构 理解数据库的三级模式结构和两级映象的概念，以及这种结构的好处。 数据库管理系统 掌握DBMS的主要功能。 掌握通常的DBMS组成部分。 数据库系统 理解DBS的组成以及它的全局结构。 数据库语言包括两个子语言，一个是数据定义子语言，另一个是数据操纵子语言 元数据与数据字典的概念 数据模型的概念,