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1、第九章 数据库设计基础9.1数据库系统概述数据库系统概述9.29.2数据模型数据模型9.3关系代数关系代数 9.4数据库设计与管理数据库设计与管理 9.1 9.1 数据库系统概述数据库系统概述数据库系统概述数据库系统概述 随随着着计计算算机机科科学学与与技技术术的的发发展展，计计算算机机应应用用的的深深入入与与拓拓展展，数数据据库库在在计计算算机机应应用用中中的的地地位位与与作作用用日日益益重重要要，它它在在商商业业中中、事事务务处处理理中中占占有有主主导导地地位位。近近年年来来在在统统计计领领域域、多多媒媒体体领领域域、智智能能化化应应用用领领域域以以及及网网络络应应用用中中的的地地位位与与
2、作作用用也也变变得得十十分分重重要要，数数据据库库系系统统已已成成为为构构成成一一个个计计算算机机应应用用系系统统的的重重要要的的支持性软件。支持性软件。9.1.1 9.1.1 9.1.1 9.1.1 数据库系统的基本概念数据库系统的基本概念数据库系统的基本概念数据库系统的基本概念 1.1.1.1.数据数据数据数据(Data)Data)Data)Data)数据实际上就是描述事物的符号记数据实际上就是描述事物的符号记录，是数据库中存储的基本对象。录，是数据库中存储的基本对象。n n文本型数据文本型数据文本型数据文本型数据 数字、字母、文字和其他特数字、字母、文字和其他特殊字符殊字符n n多媒体型
3、数据多媒体型数据多媒体型数据多媒体型数据 图形、图像、动画、声音图形、图像、动画、声音等等 临时性数据临时性数据临时性数据临时性数据：随着程序的结：随着程序的结束而消失束而消失按生存周期按生存周期持久性数据持久性数据：对系统起着长期持久的作用2.2.2.2.数据库数据库数据库数据库(DatabaseDatabaseDatabaseDatabase，简称简称简称简称DB)DB)DB)DB)数数据据库库是是存存放放数数据据的的仓仓库库，是是长长期期存存放放在在计计算算机机存存储储介介质内统一、有组织并可共享的数据集合。质内统一、有组织并可共享的数据集合。数据库特点：集成性、共享性。数据库特点：集成
4、性、共享性。3.3.3.3.数数数数据据据据库库库库管管管管理理理理系系系系统统统统(Database Database Database Database Management Management Management Management SystemSystemSystemSystem，简称简称简称简称DBMS)DBMS)DBMS)DBMS)数数据据库库管管理理系系统统是是位位于于用用户户与与操操作作系系统统间间负负责责数数据据库库管管理理的一种系统软件的一种系统软件数据库管理系统功能：数据库管理系统功能：数据库管理系统功能：数据库管理系统功能：(1)(1)(1)(1)数数数数据据据据
5、模模模模式式式式定定定定义义义义。数数据据库库管管理理系系统统负负责责为为数数据据库库构构建建模模式式，即为数据库构建其数据框架。即为数据库构建其数据框架。(2)(2)(2)(2)数数数数据据据据物物物物理理理理存存存存取取取取及及及及构构构构建建建建。数数据据库库管管理理系系统统负负责责为为数数据据模式的物理存取及构建提供有效的存取方法与手段。模式的物理存取及构建提供有效的存取方法与手段。(3)(3)数数数数据据据据操操操操纵纵纵纵。数数据据库库管管理理系系统统为为用用户户使使用用数数据据库库中中的的数数据据提提供供方方便便，它它一一般般提提供供查查询询、插插入入、修修改改以以及及删删除除数
6、数据据的的功能。功能。(4)(4)(4)(4)数据的完整性、安全性定义与检查数据的完整性、安全性定义与检查数据的完整性、安全性定义与检查数据的完整性、安全性定义与检查。n n完完完完整整整整性性性性：数数据据库库中中的的数数据据具具有有内内在在语语义义上上的的关关联联性与一致性。保证数据库中数据正确的必要条件；性与一致性。保证数据库中数据正确的必要条件；n n安安安安全全全全性性性性：数数据据库库中中的的数数据据具具有有共共享享性性，而而数数据据共共享可能会引发数据的非法使用；享可能会引发数据的非法使用；n n检查检查检查检查：使用时做检查。使用时做检查。(5)(5)数据库的并发控制与故障恢复
7、。数据库的并发控制与故障恢复。数据库的并发控制与故障恢复。数据库的并发控制与故障恢复。n n数数数数据据据据库库库库的的的的并并并并发发发发控控控控制制制制：数数据据库库是是一一个个集集成成、共共享享的的数数据据集集合合体体，它它能能为为多多个个应应用用程程序序服服务务，所所以以就就存存在在着着多多个个应应用用程程序序对对数数据据库库的的并并发发操操作作。在在并并发发操操作作中中如如果果不不加加控控制制和和管管理理，多多个个应应用用程程序序间间就会相互干扰，从而对数据库中的数据造成破坏。就会相互干扰，从而对数据库中的数据造成破坏。n n故障恢复：故障恢复：故障恢复：故障恢复：数据遭受破坏，有能
8、力及时恢复。数据遭受破坏，有能力及时恢复。(6)(6)(6)(6)数数数数据据据据服服服服务务务务。数数据据库库管管理理系系统统提提供供对对数数据据库库中中数数据据的的多多种种服服务务功功能能，如如数数据据拷拷贝贝、转转存存、重重组组、性能监测、分析等。性能监测、分析等。4.4.4.4.数据库管理员数据库管理员数据库管理员数据库管理员(DatabaseDatabaseDatabaseDatabaseAdministratorAdministratorAdministratorAdministrator简称简称简称简称DBA)DBA)DBA)DBA)由于数据库的共享性，因此对数据库的规划、由于数
9、据库的共享性，因此对数据库的规划、设计、维护、监视等需要专人管理，称他们为数设计、维护、监视等需要专人管理，称他们为数据库管理员。据库管理员。DBADBADBADBA主要通过主要通过DBMSDBMS与操作系统完成与操作系统完成以下以下功能功能功能功能：n n 数据库设计数据库设计(Database Design)Database Design)n n 数据库维护数据库维护 n n 改善系统性能，提高系统效率改善系统性能，提高系统效率 5.5.5.5.数据库系统数据库系统数据库系统数据库系统(Database SystemDatabase SystemDatabase SystemDatabas
10、e System简称简称简称简称DBS)DBS)DBS)DBS)数据库系统是在系统软、硬件平台基础上，数据库系统是在系统软、硬件平台基础上，加上数据库加上数据库(数据数据)，数据库管理系统，数据库管理系统(软件软件)、数、数据库管理员据库管理员(人员人员)构成的一个以数据库为核心的构成的一个以数据库为核心的完整的运行实体。完整的运行实体。硬件：计算机与网络硬件：计算机与网络 软件：操作系统软件：操作系统 数据库系统开发工具数据库系统开发工具 接口软件接口软件 6.6.6.6.数数数数据据据据库库库库应应应应用用用用系系系系统统统统(DatabaseDatabaseDatabaseDatabas
11、eApplicationApplicationApplicationApplicationSystemSystemSystemSystem简称简称简称简称DBAS)DBAS)DBAS)DBAS)利用数据库系统进行开发可构成一个利用数据库系统进行开发可构成一个DBMSDBMS。DBSDBS再加上应用软件再加上应用软件 DBASDBAS 应用界面应用界面应用系统应用系统数据库管理系统数据库管理系统操作系统操作系统硬件硬件平台平台应用开发工具软件应用开发工具软件图图9.1数据库应用系统组成数据库应用系统组成9.1.29.1.29.1.29.1.2数据库系统的发展数据库系统的发展数据库系统的发展数据库
12、系统的发展数据管理发展至今已经历了三个阶数据管理发展至今已经历了三个阶段：段：n n人工管理阶段n n文件系统阶段n n数据库系统阶段。人工管理人工管理文件系统文件系统数据库系统数据库系统背背景景应用背景应用背景科学计算科学计算科科学学计计算算、管管理理大规模管理大规模管理硬件背景硬件背景无直接存取设备无直接存取设备磁盘、磁鼓磁盘、磁鼓大容量磁盘大容量磁盘软件背景软件背景没有操作系统没有操作系统文件系统文件系统数据库管理系统数据库管理系统处理方式处理方式批处理批处理联机实时处理联机实时处理批处理批处理联机实时处理联机实时处理分布处理分布处理批处理批处理特特点点数数据据管管理理者者人人文件系统文
13、件系统数据库管理系统数据库管理系统数数据据面面向向对象对象某个应用程序某个应用程序某个应用程序某个应用程序现实世界现实世界数数据据共共享享程度程度无共享无共享冗余度大冗余度大共享性差共享性差冗余度大冗余度大共享性高共享性高冗余度小冗余度小数数据据独独立立性性不不独独立立，完完全全依依赖程序赖程序独立性差独立性差具具有有高高度度的的物物理理独独立立性性和和一定的逻辑独立性一定的逻辑独立性数数据据结结构构化化无无结结构构记录内有结构记录内有结构整体无结构整体无结构整整体体结结构构化化，用用数数据据模模型型描述描述数数据据控控制制能力能力应应用用程程序序自自己己控控制制应应用用程程序序自自己己控制控
14、制由由DBMSDBMS提提供供数数据据安安全全性性、完整性、并发控制和恢复完整性、并发控制和恢复9.1.39.1.39.1.39.1.3数据库系统的特点数据库系统的特点数据库系统的特点数据库系统的特点1.1.数据的数据的集成性集成性2.2.数据的数据的高共享性与低冗余性高共享性与低冗余性3.3.数据数据独立性独立性4.4.数据数据统一管理与控制统一管理与控制9.1.49.1.49.1.49.1.4数据库系统的内部结构数据库系统的内部结构数据库系统的内部结构数据库系统的内部结构数数据据模模式式是是数数据据库库系系统统中中数数据据结结构构的的一一种种表表示示形形式式，它它具具有有不不同同的的层层次
15、次与与结结构构方方式式。数数据据库库系系统统结结构构如如图图9.29.2所所示示，系系统统内内部部结结构中具有三级模式及二级映射。构中具有三级模式及二级映射。1.1.数据库系统的三级模式数据库系统的三级模式数据库系统的三级模式数据库系统的三级模式 n n概念模式概念模式(Conceptual Schema)(Conceptual Schema)。n n外模式外模式(External Schema)(External Schema)。n n 内模式内模式(Internal Schema)(Internal Schema)。(1)(1)(1)(1)概念模式概念模式概念模式概念模式(Conceptu
16、al Schema)(Conceptual Schema)(Conceptual Schema)(Conceptual Schema)。简称为简称为模式或逻辑。模式或逻辑。n n 概念模式概念模式概念模式概念模式是是数据库系统中全局数据逻辑结构的数据库系统中全局数据逻辑结构的数据库系统中全局数据逻辑结构的数据库系统中全局数据逻辑结构的描述描述描述描述，仅涉及数据型的描述，不涉及具体的值，仅涉及数据型的描述，不涉及具体的值，是全体用户是全体用户(应用应用)公共数据视图。此种描述是公共数据视图。此种描述是一种抽象的描述，它不涉及具体的硬件环境与一种抽象的描述，它不涉及具体的硬件环境与平台，也与具体
17、的软件环境无关。平台，也与具体的软件环境无关。n n 概念模式概念模式概念模式概念模式主要描述数据的逻辑结构以及它们间主要描述数据的逻辑结构以及它们间的关系，它还包括一些数据间的语义约束，对的关系，它还包括一些数据间的语义约束，对它的描述可用它的描述可用DBMSDBMS中的中的DDLDDL语言定义。语言定义。(2)(2)外模式外模式(External Schema)(External Schema)n n 外模式也称子模式外模式也称子模式外模式也称子模式外模式也称子模式(Subschema)(Subschema)(Subschema)(Subschema)或用户模式或用户模式或用户模式或用户模
18、式(Users Schema)(Users Schema)(Users Schema)(Users Schema)它是用户的数据视图它是用户的数据视图它是用户的数据视图它是用户的数据视图，也就是，也就是用户所见到的数据模式，它由概念模式推导而出。用户所见到的数据模式，它由概念模式推导而出。n n 概念模式给出了系统全局的数据描述而概念模式给出了系统全局的数据描述而外模式外模式外模式外模式则给出每个用户的局部数据描述。则给出每个用户的局部数据描述。则给出每个用户的局部数据描述。则给出每个用户的局部数据描述。n n 个概念模式可以有若干个外模式，每个用个概念模式可以有若干个外模式，每个用户只关心与
19、它有关的模式，这样不仅可以屏蔽大户只关心与它有关的模式，这样不仅可以屏蔽大量无关信息而且有利于数据保护。量无关信息而且有利于数据保护。(3)(3)内模式内模式(Internal Schema)(Internal Schema)内模式又称物理模式内模式又称物理模式(Physical Schema)(Physical Schema)或存或存储模式，它给出了数据库物理存储结构与物理存储模式，它给出了数据库物理存储结构与物理存取方法取方法 n n 数据模式给出了数据库的数据框架结构，数数据模式给出了数据库的数据框架结构，数据是数据库中的真正的实体，但这些数据必须按据是数据库中的真正的实体，但这些数据必
20、须按框架所描述的结构进行组织。框架所描述的结构进行组织。以概念模式为框架所组成的数据库叫以概念模式为框架所组成的数据库叫概念数据库概念数据库概念数据库概念数据库以外模式为框架所组成的数据库叫以外模式为框架所组成的数据库叫用户数据库用户数据库用户数据库用户数据库以内模式为框架所组成的数据库叫以内模式为框架所组成的数据库叫物理数据库物理数据库物理数据库物理数据库 物理数据库是真实存在于计算机外存中，其物理数据库是真实存在于计算机外存中，其他两种数据库并不真正存在于计算机中，而是通他两种数据库并不真正存在于计算机中，而是通过两级映射由物理数据库映射而成。过两级映射由物理数据库映射而成。2.数据库系统
21、的两级映射数据库系统的两级映射 (1)(1)外模式到概念模式的映射外模式到概念模式的映射外模式到概念模式的映射外模式到概念模式的映射。概念模式是一个。概念模式是一个全局模式而外模式是用户的局部模式。一个概念全局模式而外模式是用户的局部模式。一个概念模式中可以定义多个外模式，而每个外模式是概模式中可以定义多个外模式，而每个外模式是概念模式的一个基本视图。念模式的一个基本视图。(2)(2)概念模式到内模式的映射概念模式到内模式的映射概念模式到内模式的映射概念模式到内模式的映射。该映射给出了概念。该映射给出了概念模式中数据的全局逻辑结构到数据的物理存储结模式中数据的全局逻辑结构到数据的物理存储结构间的对应关系，此种映射一般由构间的对应关系，此种映射一般由DBMSDBMS实现。实现。外模式1（用户数据库1）应用A外模式3（用户数据库3）应用D外模式2（用户数据库2）应用B应用C概念模式（模式）（概念数据库）内模式（物理数据库）数据库外模式到概念模式映射概念模式到内模式映射图图9.2数据库系统内部结构体系数据库系统内部结构体系