An Introduction to Database Systems

An Introduction to Database Systems
第一章绪论 An Introduction to Database Systems

第一章绪论 1.1 数据库系统概述 1.2 数据模型 1.3 数据库系统结构 1.4 数据库系统的组成 1.5 小结 An Introduction to Database Systems

数据库的地位数据库技术产生于六十年代末，是计算机科学的重要分支。数据库技术是信息系统的核心和基础，它的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透。数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志。 An Introduction to Database Systems

常见的数据库产品 IBM DB2 and Informix Microsoft SQL Server Sybase Oracle Microsoft Access MySql An Introduction to Database Systems

中国数据库市场 An Introduction to Database Systems

大数据时代的数据库 NoSQL数据库 Key-value数据库，如Voldemort 列存储数据库，如Hbase 文档数据库，如MongoDB 图存数据库，如Neo4j An Introduction to Database Systems

第一章绪论 1.1 数据库系统概述 1.1.1 四个基本概念 1.1.2 数据管理技术的产生和发展数据库系统的特点 An Introduction to Database Systems

四个基本概念数据(Data) 数据库(Database) 数据库管理系统(DBMS) 数据库系统(DBS) An Introduction to Database Systems

一、数据数据(Data)是数据库中存储的基本对象数据的定义描述事物的符号记录数据的种类文本、图形、图像、音频、视频、学生的档案记录、货物的运输情况等数据的特点数据与其语义是不可分的 An Introduction to Database Systems

数据举例数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的。例如 93是一个数据语义1：学生某门课的成绩语义2：某人的体重语义3：计算机系2003级学生人数语义4：请同学给出。。。 An Introduction to Database Systems

数据举例学生档案中的学生记录（李明，男，197205，江苏南京市，计算机系，1990）语义：学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在院系、入学时间解释：李明是个大学生，1972年5月出生，江苏南京市人，1990年考入计算机系请给出另一个解释和语义 An Introduction to Database Systems

二、数据库数据库的定义数据库(Database,简称DB)是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。数据库的基本特征数据按一定的数据模型组织、描述和储存可为各种用户共享冗余度较小数据独立性较高易扩展 An Introduction to Database Systems

三、数据库管理系统什么是DBMS 位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。是基础软件，是一个大型复杂的软件系统 DBMS的用途科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据 An Introduction to Database Systems

数据库在计算机系统中的位置协同软件办公软件软件产品应用软件平台中间件应用服务器软件基础构架平台基础软件平台数据库系统操作系统硬件平台 An Introduction to Database Systems

DBMS的主要功能数据定义功能提供数据定义语言(DDL) 定义数据库中的数据对象数据组织、存储和管理分类组织、存储和管理各种数据确定组织数据的文件结构和存取方式实现数据之间的联系提供多种存取方法提高存取效率 An Introduction to Database Systems

DBMS的主要功能（续一）数据操纵功能提供数据操纵语言(DML) 实现对数据库的基本操作 (查询、插入、删除和修改) 数据库的事务管理和运行管理数据库在建立、运行和维护时由DBMS统一管理和控制保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用发生故障后的系统恢复 An Introduction to Database Systems

DBMS的主要功能（续二）数据库的建立和维护功能(实用程序) 数据库初始数据装载转换数据库转储介质故障恢复数据库的重组织性能监视分析等其它功能 DBMS与网络中其它软件系统的通信两个DBMS系统的数据转换异构数据库之间的互访和互操作 An Introduction to Database Systems

四、数据库系统什么是数据库系统（Database System，简称DBS）在计算机系统中引入数据库后的系统构成数据库系统的构成数据库数据库管理系统（及其开发工具）应用系统数据库管理员 An Introduction to Database Systems

用户用户用户应用系统应用开发工具数据库管理系统数据库管理员操作系统数据库数据库系统 An Introduction to Database Systems

1.1 数据库系统概述 1.1.1 四个基本概念 1.1.2 数据管理技术的产生和发展数据库系统的特点 An Introduction to Database Systems

数据管理技术的产生和发展什么是数据管理对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护数据处理的中心问题数据管理技术的发展过程人工管理阶段(20世纪40年代中--50年代中) 文件系统阶段(20世纪50年代末--60年代中) 数据库系统阶段(20世纪60年代末--现在) An Introduction to Database Systems

数据管理技术的产生和发展(续) 数据管理技术的发展动力应用需求的推动计算机硬件的发展计算机软件的发展 An Introduction to Database Systems

一、人工管理阶段时期 20世纪40年代中--50年代中产生的背景应用需求科学计算硬件水平无直接存取存储设备软件水平没有操作系统处理方式批处理 An Introduction to Database Systems

人工管理阶段(续) 特点数据的管理者：用户（程序员），数据不保存数据面向的对象：某一应用程序数据的共享程度：无共享、冗余度极大数据的独立性：不独立，完全依赖于程序数据的结构化：无结构数据控制能力：应用程序自己控制 An Introduction to Database Systems

应用程序与数据的对应关系(人工管理阶段)
应用程序1 数据集1 应用程序2 数据集2 应用程序ｎ数据集n ...… 人工管理阶段应用程序与数据之间的对应关系 An Introduction to Database Systems

二、文件系统阶段时期 20世纪50年代末--60年代中产生的背景应用需求科学计算、管理硬件水平磁盘、磁鼓软件水平有文件系统处理方式联机实时处理、批处理 An Introduction to Database Systems

文件系统阶段(续) 特点数据的管理者：文件系统，数据可长期保存数据面向的对象：某一应用程序数据的共享程度：共享性差、冗余度大数据的结构化：记录内有结构,整体无结构数据的独立性：独立性差，数据的逻辑结构改变必须修改应用程序数据控制能力：应用程序自己控制数据独立性差： 1。靠程序定义和解释数据的结构 2。靠程序描述数据间的联系 An Introduction to Database Systems

应用程序与数据的对应关系(文件系统阶段)
应用程序１文件１应用程序２文件2 应用程序ｎ文件n 存取方法 ...… 文件系统阶段应用程序与数据之间的对应关系 An Introduction to Database Systems

文件系统中数据的结构记录内有结构。数据的结构是靠程序定义和解释的。数据只能是定长的。可以间接实现数据变长要求，但访问相应数据的应用程序复杂了。文件间是独立的，因此数据整体无结构。可以间接实现数据整体的有结构，但必须在应用程序中对描述数据间的联系。数据的最小存取单位是记录。 An Introduction to Database Systems

三、数据库系统阶段时期 20世纪60年代末以来产生的背景应用背景大规模管理硬件背景大容量磁盘、磁盘阵列软件背景有数据库管理系统处理方式联机实时处理,分布处理,批处理 An Introduction to Database Systems

1.1 数据库系统概述 1.1.1 四个基本概念 1.1.2 数据管理技术的产生和发展数据库系统的特点 An Introduction to Database Systems

数据库系统的特点数据结构化数据的共享性高，冗余度低，易扩充数据独立性高数据由DBMS统一管理和控制 An Introduction to Database Systems

数据结构化整体数据的结构化是数据库的主要特征之一整体结构化不再仅仅针对某一个应用，而是面向全组织不仅数据内部结构化，整体是结构化的，数据之间具有联系数据库中实现的是数据的真正结构化数据的结构用数据模型描述，无需程序定义和解释数据可以变长数据的最小存取单位是数据项 An Introduction to Database Systems

数据的共享性高，冗余度低，易扩充数据库系统从整体角度看待和描述数据，数据面向整个系统，可以被多个用户、多个应用共享使用。数据共享的好处减少数据冗余，节约存储空间避免数据之间的不相容性与不一致性使系统易于扩充 An Introduction to Database Systems

数据独立性高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。数据库的逻辑结构改变了，用户程序也可以不变。数据独立性是由DBMS的二级映像功能来保证的 An Introduction to Database Systems

数据由DBMS统一管理和控制 DBMS提供的数据控制功能 (1)数据的安全性（Security）保护保护数据，以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。 (2)数据的完整性（Integrity）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。 (3)并发（Concurrency）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。 (4)数据库恢复（Recovery）将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。 An Introduction to Database Systems

… 应用程序与数据的对应关系(数据库系统) 应用程序1 数据库 DBMS 应用程序2 数据库系统阶段应用程序与数据之间的对应关系
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1.2 数据模型两大类数据模型数据模型的组成要素概念模型最常用的数据模型层次模型网状模型关系模型 An Introduction to Database Systems

数据模型在数据库中用数据模型这个工具来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟。数据模型应满足三方面要求能比较真实地模拟现实世界容易为人所理解便于在计算机上实现 An Introduction to Database Systems

两大类数据模型数据模型分为两类（分属两个不同的层次） (1) 概念模型也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计。 (2) 逻辑模型和物理模型逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面向对象模型等，按计算机系统的观点对数据建模，用于DBMS实现。物理模型是对数据最底层的抽象，描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法。 An Introduction to Database Systems

两大类数据模型 (续) 客观对象的抽象过程---两步抽象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。 An Introduction to Database Systems

两大类数据模型 (续) 现实世界认识抽象现实世界概念模型数据库设计人员完成概念模型信息世界概念模型逻辑模型数据库设计人员完成 DBMS支持的数据模型逻辑模型物理模型由DBMS完成机器世界现实世界中客观对象的抽象过程 An Introduction to Database Systems

1.2.2 数据模型的组成要素数据结构数据操作完整性约束条件 An Introduction to Database Systems

一、数据结构什么是数据结构描述数据库的组成对象，以及对象之间的联系描述的内容与数据类型、内容、性质有关的对象与数据之间联系有关的对象数据结构是对系统静态特性的描述 An Introduction to Database Systems

二、数据操作数据操作对数据库中各种对象(型)的实例(值)允许执行的操作及有关的操作规则数据操作的类型查询更新(包括插入、删除、修改) An Introduction to Database Systems

数据操作(续) 数据模型对操作的定义操作的确切含义操作符号操作规则（如优先级）实现操作的语言数据操作是对系统动态特性的描述 An Introduction to Database Systems

三、数据的完整性约束条件数据的完整性约束条件一组完整性规则的集合。完整性规则：给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和储存规则用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。 An Introduction to Database Systems

数据的完整性约束条件(续) 数据模型对完整性约束条件的定义反映和规定本数据模型必须遵守的基本的通用的完整性约束条件。例如在关系模型中，任何关系必须满足实体完整性和参照完整性两个条件。提供定义完整性约束条件的机制，以反映具体应用所涉及的数据必须遵守的特定的语义约束条件。 An Introduction to Database Systems

概念模型信息世界中的基本概念两个实体型之间的联系两个以上实体型之间的联系单个实体型内的联系概念模型的一种表示方法一个实例 An Introduction to Database Systems

概念模型概念模型的用途概念模型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是数据库设计的有力工具数据库设计人员和用户之间进行交流的语言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 An Introduction to Database Systems

一、信息世界中的基本概念 (1) 实体（Entity）客观存在并可相互区别的事物称为实体。可以是具体的人、事、物或抽象的概念。 (2) 属性（Attribute）实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。 (3) 码（Key）唯一标识实体的属性集称为码。 An Introduction to Database Systems

信息世界中的基本概念(续) (4) 域（Domain）属性的取值范围称为该属性的域。 (5) 实体型（Entity Type）用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型 (6) 实体集（Entity Set）同一类型实体的集合称为实体集 An Introduction to Database Systems

信息世界中的基本概念(续) (7) 联系（Relationship）现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体内部的联系和实体之间的联系。实体内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系 An Introduction to Database Systems

二、两个实体型之间的联系用图形来表示两个实体型之间的这三类联系实体型A 联系名实体型B 1 1:1联系 n 1:n联系 m m:n联系 An Introduction to Database Systems

二、两个实体型之间的联系（续）一对一联系（1:1）　实例一个班级只有一个正班长一个班长只在一个班中任职定义：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（也可以没有）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 班级班级-班长班长 1 1:1联系 An Introduction to Database Systems

两个实体型之间的联系 (续) 一对多联系（1：n）实例一个班级中有若干名学生，每个学生只在一个班级中学习定义：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 班级组成学生 1 n 1:n联系 An Introduction to Database Systems

两个实体型之间的联系 (续) 多对多联系（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定义：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 课程选修学生 m n m:n联系 An Introduction to Database Systems

三、两个以上实体型之间的联系两个以上实体型之间一对多联系若实体集E1，E2，...，En存在联系，对于实体集Ej（j=1，2，...，i-1，i+1，...，n）中的给定实体，最多只和Ei中的一个实体相联系，则我们说Ei与E1，E2，...，Ei-1，Ei+1，...，En之间的联系是一对多的 An Introduction to Database Systems

两个以上实体型之间的联系(续) 实例课程、教师与参考书三个实体型一门课程可以有若干个教师讲授，使用若干本参考书，每一个教师只讲授一门课程，每一本参考书只供一门课程使用课程讲授教师 1 m 两个以上实体型间1:n联系参考书 n An Introduction to Database Systems

两个以上实体型之间的联系(续) 供应商供应项目 m p 两个以上实体型间m:n联系零件 n 多个实体型间的一对一联系两个以上实体型间的多对多联系实例供应商、项目、零件三个实体型一个供应商可以供给多个项目多种零件每个项目可以使用多个供应商供应的零件每种零件可由不同供应商供给 An Introduction to Database Systems

四、单个实体型内的联系一对多联系实例职工实体型内部具有领导与被领导的联系某一职工（干部）“领导”若干名职工一个职工仅被另外一个职工直接领导这是一对多的联系一对一联系请举例职工领导 1 n 单个实体型内部1:n联系 An Introduction to Database Systems

单个实体型内的联系多对多联系请举例实体型1 联系名 m n 单个实体型内的m:n联系 An Introduction to Database Systems

五、概念模型的一种表示方法实体－联系方法(E-R方法) 用E-R图来描述现实世界的概念模型 E-R方法也称为E-R模型 An Introduction to Database Systems

E-R图实体型用矩形表示，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学生教师学生学号年龄性别姓名 An Introduction to Database Systems

E-R图(续) 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） An Introduction to Database Systems

联系的表示方法实体型A 联系名实体型B 1 1:1联系 n 1:n联系 m m:n联系 An Introduction to Database Systems

联系的表示方法示例班级班级-班长班长 1 1:1联系课程选修学生 m n m:n联系组成 1:n联系 An Introduction to Database Systems

联系的属性联系的属性：联系本身也是一种实体型，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课程选修学生 m n 成绩 An Introduction to Database Systems

六、一个实例用E-R图表示某个工厂物资管理的概念模型实体仓库：仓库号、面积、电话号码零件：零件号、名称、规格、单价、描述供应商：供应商号、姓名、地址、电话号码、帐号项目：项目号、预算、开工日期职工：职工号、姓名、年龄、职称 An Introduction to Database Systems

一个实例实体之间的联系如下： (1)一个仓库可以存放多种零件，一种零件可以存放在多个仓库中。仓库和零件具有多对多的联系。用库存量来表示某种零件在某个仓库中的数量。 (2)一个仓库有多个职工当仓库保管员，一个职工只能在一个仓库工作，仓库和职工之间是一对多的联系。职工实体型中具有一对多的联系 (3)职工之间具有领导-被领导关系。即仓库主任领导若干保管员。 (4)供应商、项目和零件三者之间具有多对多的联系 An Introduction to Database Systems

一个实例 An Introduction to Database Systems

1.2.4 最常用的数据模型非关系模型层次模型(Hierarchical Model) 网状模型(Network Model) 关系模型(Relational Model) 面向对象模型(Object Oriented Model）对象关系模型(Object Relational Model) An Introduction to Database Systems

1.2.5 层次模型层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型层次数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS（Information Management System）数据库管理系统层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系 An Introduction to Database Systems

一、层次数据模型的数据结构层次模型满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型 1. 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点 2. 根以外的其它结点有且只有一个双亲结点层次模型中的几个术语根结点，双亲结点，兄弟结点，叶结点 An Introduction to Database Systems

层次数据模型的数据结构(续) Ｒ 1 根结点 2 兄弟结点 3 叶结点 4 5 图1.16 一个层次模型的示例 An Introduction to Database Systems

层次数据模型的数据结构(续) 层次模型的特点：结点的双亲是唯一的只能直接处理一对多的实体联系每个记录类型可以定义一个排序字段，也称为码字段任何记录值只有按其路径查看时，才能显出它的全部意义没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在 An Introduction to Database Systems

层次数据模型的数据结构(续) 字段记录型系的子女结点记录型教员的双亲结点根结点叶结点叶结点图1.17 教员学生层次数据库模型 An Introduction to Database Systems

层次数据模型的数据结构(续) 图1.18 教员学生层次数据库的一个值 An Introduction to Database Systems

二、多对多联系在层次模型中的表示多对多联系在层次模型中的表示用层次模型间接表示多对多联系方法将多对多联系分解成一对多联系分解方法冗余结点法虚拟结点法 An Introduction to Database Systems

三、层次模型的数据操纵与完整性约束层次模型的数据操纵查询插入删除更新 An Introduction to Database Systems

层次模型的数据操纵与完整性约束（续）层次模型的完整性约束条件无相应的双亲结点值就不能插入子女结点值如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除更新操作时，应更新所有相应记录，以保证数据的一致性 An Introduction to Database Systems

四、层次数据模型的存储结构邻接法按照层次树前序遍历的顺序把所有记录值依次邻接存放，即通过物理空间的位置相邻来实现层次顺序 An Introduction to Database Systems

层次数据模型的存储结构（续）按邻接法存放图1.20（b）中以根记录A1为首的层次记录实例集按邻接法存放图1.20（b）中以根记录A1为首的层次记录实例集图1.20 层次数据库及其实例 A1 B1 C3 C5 C7 C14 B4 C2 C9 B6 C4 C6 C8 A2 A1 … 图1.21 邻接法 An Introduction to Database Systems

层次数据模型的存储结构（续）链接法用指引来反映数据之间的层次联系子女－兄弟链接法层次序列链接法 An Introduction to Database Systems

层次数据模型的存储结构（续）子女-兄弟链接法每个记录设两类指针，分别指向最左边的子女（每个记录型对应一个）和最近的兄弟 An Introduction to Database Systems

层次数据模型的存储结构（续）层次序列链接法按树的前序穿越顺序链接各记录值 An Introduction to Database Systems

五、层次模型的优缺点优点层次模型的数据结构比较简单清晰查询效率高，性能优于关系模型，不低于网状模型层次数据模型提供了良好的完整性支持缺点多对多联系表示不自然对插入和删除操作的限制多，应用程序的编写比较复杂查询子女结点必须通过双亲结点由于结构严密，层次命令趋于程序化 An Introduction to Database Systems

1.2.6 网状模型网状数据库系统采用网状模型作为数据的组织方式典型代表是DBTG系统：亦称CODASYL系统 70年代由DBTG提出的一个系统方案奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术实际系统 Cullinet Software Inc.公司的 IDMS Univac公司的 DMS1100 Honeywell公司的IDS/2 HP公司的IMAGE An Introduction to Database Systems

1.网状数据模型的数据结构网状模型满足下面两个条件的基本层次联系的集合： 1. 允许一个以上的结点无双亲； 2. 一个结点可以有多于一个的双亲。 An Introduction to Database Systems

网状数据模型的数据结构（续）表示方法(与层次数据模型相同) 实体型：用记录类型描述每个结点表示一个记录类型（实体）属性：用字段描述每个记录类型可包含若干个字段联系：用结点之间的连线表示记录类型（实体）之间的一对多的父子联系 An Introduction to Database Systems

网状数据模型的数据结构（续）网状模型与层次模型的区别网状模型允许多个结点没有双亲结点网状模型允许结点有多个双亲结点网状模型允许两个结点之间有多种联系（复合联系）网状模型可以更直接地去描述现实世界层次模型实际上是网状模型的一个特例 An Introduction to Database Systems

网状数据模型的数据结构（续）网状模型中子女结点与双亲结点的联系可以不唯一要为每个联系命名，并指出与该联系有关的双亲记录和子女记录 R2与R3之间的联系L2 R1与R3之间的联系L1 An Introduction to Database Systems

网状数据模型的数据结构（续）网状模型的例子 An Introduction to Database Systems

网状数据模型的数据结构（续）多对多联系在网状模型中的表示用网状模型间接表示多对多联系方法：将多对多联系直接分解成一对多联系 An Introduction to Database Systems

网状数据模型的数据结构（续）例如：一个学生可以选修若干门课程，某一课程可以被多个学生选修，学生与课程之间是多对多联系引进一个学生选课的联结记录，由3个数据项组成学号课程号成绩表示某个学生选修某一门课程及其成绩 An Introduction to Database Systems

网状数据模型的数据结构（续）图1.24 学生/选课/课程的网状数据模型 An Introduction to Database Systems

网状数据模型的操纵与完整性约束（续）网状数据库系统（如DBTG）对数据操纵加了一些限制，提供了一定的完整性约束码：唯一标识记录的数据项的集合一个联系中双亲记录与子女记录之间是一对多联系支持双亲记录和子女记录之间某些约束条件 An Introduction to Database Systems

三、网状数据模型的存储结构关键实现记录之间的联系常用方法单向链接双向链接环状链接向首链接 An Introduction to Database Systems

网状数据模型的存储结构（续）选课记录学生记录课程记录图1.25 学生/选课/课程的网状数据库实例 An Introduction to Database Systems

四、网状数据模型的优缺点优点能够更为直接地描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲具有良好的性能，存取效率较高缺点结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握 DDL、DML语言复杂，用户不容易使用 An Introduction to Database Systems

1.2.7 关系模型关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式 1970年美国IBM公司San Jose研究室的研究员E.F.Codd首次提出了数据库系统的关系模型计算机厂商新推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型 An Introduction to Database Systems

一、关系数据模型的数据结构在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。属性元组学生登记表学号姓名年龄性别系名年级王小明 19 女社会学 2005 黄大鹏 20 男商品学张文斌 18 法律 … An Introduction to Database Systems

关系数据模型的数据结构（续）关系（Relation）一个关系对应通常说的一张表元组（Tuple）表中的一行即为一个元组属性（Attribute）表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名 An Introduction to Database Systems

关系数据模型的数据结构（续）主码（Key）表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。域（Domain）属性的取值范围。分量元组中的一个属性值。关系模式对关系的描述关系名（属性1，属性2，…，属性n）学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级） An Introduction to Database Systems

关系数据模型的数据结构（续）例1 学生、系、系与学生之间的一对多联系：学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）系 (系号，系名，办公地点) 例2 系、系主任、系与系主任间的一对一联系 An Introduction to Database Systems

关系数据模型的数据结构（续）例3 学生、课程、学生与课程之间的多对多联系：学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）课程（课程号，课程名，学分）选修（学号，课程号，成绩） An Introduction to Database Systems

关系数据模型的数据结构（续）关系必须是规范化的，满足一定的规范条件最基本的规范条件：关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项, 不允许表中还有表图1.27中工资和扣除是可分的数据项 ,不符合关系模型要求职工号姓名职称工资扣除实发基本津贴职务房租水电 86051 陈平讲师 1305 1200 50 160 112 2283 图1.27 一个工资表(表中有表)实例 An Introduction to Database Systems

关系数据模型的数据结构（续）表1.2 术语对比关系术语一般表格的术语关系名表名关系模式表头（表格的描述）关系（一张）二维表元组记录或行属性列属性名列名属性值列值分量一条记录中的一个列值非规范关系表中有表（大表中嵌有小表） An Introduction to Database Systems

二、关系数据模型的操纵与完整性约束数据操作查询插入删除更新数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”，不必详细说明“怎么干” An Introduction to Database Systems

关系数据模型的操纵与完整性约束（续）关系的完整性约束条件实体完整性参照完整性用户定义的完整性 An Introduction to Database Systems

三、关系数据模型的存储结构实体及实体间的联系都用表来表示表以文件形式存储有的DBMS一个表对应一个操作系统文件有的DBMS自己设计文件结构 An Introduction to Database Systems

四、关系数据模型的优缺点优点建立在严格的数学概念的基础上概念单一实体和各类联系都用关系来表示对数据的检索结果也是关系关系模型的存取路径对用户透明具有更高的数据独立性，更好的安全保密性简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作 An Introduction to Database Systems

关系数据模型的优缺点（续）缺点存取路径对用户透明导致查询效率往往不如非关系数据模型为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化增加了开发DBMS的难度 An Introduction to Database Systems

1.3 数据库系统结构从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构从数据库最终用户角度看（数据库系统外部的体系结构），数据库系统的结构分为: 单用户结构主从式结构分布式结构客户／服务器浏览器／应用服务器／数据库服务器多层结构等 An Introduction to Database Systems

数据库系统结构（续） 1.3.1 数据库系统模式的概念数据库系统的三级模式结构 1.3.3 数据库的二级映像功能与数据独立性 An Introduction to Database Systems

1.3.1 数据库系统模式的概念 “型” 和“值” 的概念型(Type) 对某一类数据的结构和属性的说明值(Value) 是型的一个具体赋值例如学生记录型：（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）一个记录值：（900201，李明，男，计算机，22，江苏） An Introduction to Database Systems

数据库系统模式的概念（续）模式（Schema）数据库逻辑结构和特征的描述是型的描述反映的是数据的结构及其联系模式是相对稳定的实例（Instance）模式的一个具体值反映数据库某一时刻的状态同一个模式可以有很多实例实例随数据库中的数据的更新而变动 An Introduction to Database Systems

数据库系统模式的概念（续）例如：在学生选课数据库模式中，包含学生记录、课程记录和学生选课记录 2003年的一个学生数据库实例，包含： 2003年学校中所有学生的记录学校开设的所有课程的记录所有学生选课的记录 2002年度学生数据库模式对应的实例与 2003年度学生数据库模式对应的实例是不同的 An Introduction to Database Systems

1.3.2 数据库系统的三级模式结构模式（Schema）外模式（External Schema）内模式（Internal Schema） An Introduction to Database Systems

数据库系统的三级模式结构（续）图1.28 数据库系统的三级模式结构 An Introduction to Database Systems

一、模式（Schema）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所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求一个数据库只有一个模式模式的地位：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 An Introduction to Database Systems

模式（续）模式的定义数据的逻辑结构（数据项的名字、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 An Introduction to Database Systems

二、外模式（External Schema）
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 An Introduction to Database Systems

外模式（续）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以有多个外模式。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外模式与应用的关系：一对多同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用但一个应用程序只能使用一个外模式 An Introduction to Database Systems

外模式（续）外模式的用途保证数据库安全性的一个有力措施每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据 An Introduction to Database Systems

三、内模式（Internal Schema）
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式记录的存储方式（顺序存储，按照B树结构存储，按hash方法存储）索引的组织方式数据是否压缩存储数据是否加密数据存储记录结构的规定一个数据库只有一个内模式 An Introduction to Database Systems

内模式（续）例如学生记录，如果按堆存储，则插入一条新记录总是放在学生记录存储的最后，如右图所示 An Introduction to Database Systems

内模式（续）如果按学号升序存储，则插入一条记录就要找到它应在的位置插入，如图1.29（b）所示如果按照学生年龄聚簇存放，假如新插入的S3是16岁，则应插入的位置如图1.29（c）所示图1.29 记录不同的存储方式示意图 An Introduction to Database Systems

1.3.3 数据库的二级映像功能与数据独立性三级模式是对数据的三个抽象级别二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换外模式／模式映像模式／内模式映像 An Introduction to Database Systems

一、外模式／模式映象模式：描述的是数据的全局逻辑结构外模式：描述的是数据的局部逻辑结构同一个模式可以有任意多个外模式每一个外模式，数据库系统都有一个外模式／模式映象，定义外模式与模式之间的对应关系映象定义通常包含在各自外模式的描述中 An Introduction to Database Systems

外模式／模式映象（续）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，简称数据的逻辑独立性。 An Introduction to Database Systems

二、模式／内模式映象模式／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。例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的数据库中模式／内模式映象是唯一的该映象定义通常包含在模式描述中 An Introduction to Database Systems

模式／内模式映象（续）保证数据的物理独立性当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），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，简称数据的物理独立性。 An Introduction to Database Systems

模式／内模式映象（续）数据库模式即全局逻辑结构，是数据库的中心与关键独立于数据库的其他层次设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式 An Introduction to Database Systems

模式／内模式映象（续）数据库的内模式依赖于它的全局逻辑结构独立于数据库的用户视图，即外模式独立于具体的存储设备将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储策略进行组织，以达到较好的时间与空间效率 An Introduction to Database Systems

模式／内模式映象（续）数据库的外模式面向具体的应用程序定义在逻辑模式之上独立于存储模式和存储设备当应用需求发生较大变化，相应外模式不能满足其视图要求时，该外模式就得做相应改动设计外模式时应充分考虑到应用的扩充性 An Introduction to Database Systems

模式／内模式映象（续）特定的应用程序在外模式描述的数据结构上编制的依赖于特定的外模式与数据库的模式和存储结构独立不同的应用程序有时可以共用同一个外模式数据库的二级映像保证了数据库外模式的稳定性从底层保证了应用程序的稳定性，除非应用需求本身发生变化，否则应用程序一般不需要修改 An Introduction to Database Systems

模式／内模式映象（续）数据与程序之间的独立性，使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去数据的存取由DBMS管理用户不必考虑存取路径等细节简化了应用程序的编制大大减少了应用程序的维护和修改 An Introduction to Database Systems

1.4 数据库系统的组成数据库数据库管理系统（及其开发工具）应用系统数据库管理员 An Introduction to Database Systems

数据库系统的组成（续）硬件平台及数据库软件人员 An Introduction to Database Systems

一、硬件平台及数据库数据库系统对硬件资源的要求 (1) 足够大的内存操作系统 DBMS的核心模块数据缓冲区应用程序 An Introduction to Database Systems

硬件平台及数据库（续） (2) 足够大的外存磁盘或磁盘阵列数据库光盘、磁带数据备份 (3) 较高的通道能力，提高数据传送率 An Introduction to Database Systems

二、软件 DBMS 支持DBMS运行的操作系统与数据库接口的高级语言及其编译系统以DBMS为核心的应用开发工具为特定应用环境开发的数据库应用系统 An Introduction to Database Systems

三、人员数据库管理员系统分析员和数据库设计人员应用程序员用户 An Introduction to Database Systems

人员（续）不同的人员涉及不同的数据抽象级别，具有不同的数据视图，如下图所示图1.30 各种人员的数据视图 An Introduction to Database Systems

1. 数据库管理员(DBA) 具体职责： 1.决定数据库中的信息内容和结构 2.决定数据库的存储结构和存取策略 3.定义数据的安全性要求和完整性约束条件 An Introduction to Database Systems

数据库管理员(续) 4.监控数据库的使用和运行周期性转储数据库数据文件日志文件系统故障恢复介质故障恢复监视审计文件 An Introduction to Database Systems

数据库管理员(续) 5. 数据库的改进和重组性能监控和调优定期对数据库进行重组织，以提高系统的性能需求增加和改变时，数据库须需要重构造 An Introduction to Database Systems

2. 系统分析员和数据库设计人员系统分析员负责应用系统的需求分析和规范说明与用户及DBA协商，确定系统的硬软件配置参与数据库系统的概要设计 An Introduction to Database Systems

系统分析员和数据库设计人员（续）数据库设计人员参加用户需求调查和系统分析确定数据库中的数据设计数据库各级模式 An Introduction to Database Systems

3. 应用程序员设计和编写应用系统的程序模块进行调试和安装 An Introduction to Database Systems

4. 用户用户是指最终用户（End User）。最终用户通过应用系统的用户接口使用数据库。 1. 偶然用户不经常访问数据库，但每次访问数据库时往往需要不同的数据库信息企业或组织机构的高中级管理人员 An Introduction to Database Systems

用户（续） 2. 简单用户主要工作是查询和更新数据库银行的职员、机票预定人员、旅馆总台服务员 3. 复杂用户工程师、科学家、经济学家、科技工作者等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 An Introduction to Database Systems

1.5 小结数据库系统概述数据库的基本概念数据管理的发展过程数据模型数据模型的三要素概念模型， E-R 模型三种主要数据库模型 An Introduction to Database Systems

小结(续) 数据库系统的结构数据库系统三级模式结构数据库系统两层映像系统结构数据库系统的组成 An Introduction to Database Systems

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