1.数据库系统概述

1.1 数据库的4个基本概念

• 数据（Data）
  数据库中存储的基本对象。描述事务的符号记录称为数据 。 数据的含义称为语义，数据与其语义是不可分的。

• 数据库（DataBase，DB）
  长期存储在计算机内，有组织的，可共享的大量数据的集合。
  数据库数据特点：
  1.永久存储
  2.有组织
  3.可共享
  数据库的基本特征：
  1.数据按一定的数据模型组织、描述和储存
  2.可为各种用户共享冗余度较小
  3.数据独立性较高
  4.易扩展
  5.可为各种用户共享

• 数据库管理系统（DataBase Management System,DBMS）
  位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。数据库管理系统和操作系统一样是计算机的基础软件。
  数据库管理系统的主要功能：
  1.数据定义功能
  2.数据组织、存储和管理
  3.数据操纵功能
  4.数据库的事务管理和运行管理
  5.数据库的建立和维护功能
  6.其它功能（数据库管理系统与网络中其它软件系统的通信、数据库管理系统系统之间的数据转换、异构数据库之间的互访和互操作）

• 数据库系统（DataBase System,DBS）-----注：BDS 包括 DB 和 DBMS
  数据库系统由数据库（DB），数据库管理系统(DBMS)，应用程序和数据库管理员(DBA)组成的存储、管理、处理和维护数据的系统。

1.2 数据管理技术的产生和发展

• 1. 人工管理阶段
  特点：数据不保存，应用程序管理数据、数据不共享、不具有独立性、应用程序管理数据。

• 2. 文件系统阶段
  特点：数据可以长期保存、由文件系统管理数据。但是 数据共享性差，冗余度大、数据独立性差。

• 3. 数据库系统阶段
  特点：数据结构化、数据的共享性高，冗余度低且易扩充、数据独立性高（包括物理独立性和逻辑独立性）、数据由数据库管理系统统一管理和控制。

1.3 数据库系统的特点

• 数据结构化
  数据库系统实现整体数据的结构化，这是数据库的主要特征之一，也是数据库系统与文件系统的本质区别。

• 数据的共享性高，冗余度低且易扩充
  （1）数据冗余可能导致的问题：
  1.浪费存储空间及修改麻烦。
  2.潜在的数据不一致性
  （2）数据共享的好处：
  1.减少数据冗余，节约存储空间
  2.避免数据之间的不相容性与不一致性
  3.使系统易于扩充

• 数据独立性高
  （1）物理独立性
  指用户的应用程序与数据库中数据的物理存储是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。
  （2）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，应用程序不用改变。
  数据独立性由数据库管理系统的二级映像功能来保证。

• 数据由数据库管理系统统一管理和控制
  （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
  保证数据的正确性、有效性和相容性。
  （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。

2.数据模型

数据模型是对现实世界数据特征的抽象，数据模型是数据库系统的核心和基础。

数据模型通常由数据结构，数据操作，数据的完整性约束条件三部分组成。

2.1 两类数据模型

根据模型应用的不同目的，数据模型可以分为两大类，分别属于两个不同层次。

• 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。

• 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、面向对象数据模型、对象关系数据模型、半结构化数据模型等。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。

2.2 概念模型

• 信息世界的基本概念：
  （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。
  （4）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
  （5）实体集（Entity Set）
  同一类型实体的集合称为实体集
  （6）联系（Relationship）
  实体内部联系指组成实体的各属性间的联系，实体间的联系可分为一对一，一对多，多对多三种。
• 概念模型的一种表示方法：实体-联系方法（Entity-Relationship Approach）
  该方法用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

2.3 组成要素

• 数据结构 ： 描述数据库的组成对象，以及对象之间的联系
  数据结构是对系统静态特性的描述

• 数据操作 ： 对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则
  数据操作是对系统动态特性的描述

• 数据的完整性约束条件 ： 数据的完整性约束条件是一组完整性规则的集合

2.4 常用的数据模型

1.层次模型（Hierarchical Model）
2.网状模型（Network Model）
3.关系模型（Relational Model)）
4.面向对象数据模型（Object Oriented Data Model）
5.对象关系数据模型（Object Relational Data Model）
6.半结构化数据模型（Semistruture Data Model）

2.5 层次模型

• 层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系
• 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
• 层次模型的数据操纵：查询、插入、删除、更新
• 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
• 优点
  1.层次模型的数据结构比较简单清晰
  2.查询效率高，性能优于关系模型，不低于网状模型
  3.层次数据模型提供了良好的完整性支持
• 缺点
  1.结点之间的多对多联系表示不自然
  2.对插入和删除操作的限制多，应用程序的编写比较复杂
  3.查询子女结点必须通过双亲结点
  4.层次命令趋于程序化

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
• 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。
• 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描述现实世界
  层次模型实际上是网状模型的一个特例
• 优点
  1.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
  2.具有良好的性能，存取效率较高
• 缺点
  1.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
  2.DDL、DML语言复杂，用户不容易使用
  3.记录之间联系是通过存取路径实现的，用户必须了解系统结构的细节

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

• 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。
  1.关系：一个关系对应通常说的一张表。
  2.属性：表中的一列即为一个属性。
  3.域：属性的取值范围。
  4.元组：表中的一行即为一个元组。
  5.码：也称码键。表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。
  6.分量：元组中的一个属性值。
  7.关系模式：对关系的描述，一般表示为 ：关系名（属性1，属性2，…，属性n）

• 关系模型要求关系必须是规范化的，关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项。

• 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

• 优点
  1.建立在严格的数学概念的基础上
  2.概念单一
  3.关系模型的存取路径对用户透明

• 缺点
  1.存取路径对用户透明，查询效率往往不如格式化数据模型
  2.为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化，增加了开发数据库管理系统的难度

3.数据库系统结构

3.1 数据库系统模式的概念

• 模式（Schema）
  数据库逻辑结构和特征的描述
  是型的描述，不涉及具体值
  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

3.2 三级模式结构

• 模式（Schema）（也称逻辑模式）
  模式也称逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图
  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。

• 外模式（External Schema）（也称子模式或用户模式）
  外模式也称子模式或用户模式，它是数据库用户（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，是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
  一个数据库可以有多个外模式。

• 内模式（Internal Schema）（也称存储模式）
  内模式也称存储模式，它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组织方式
  一个数据库只有一个内模式

3.3 二级映像功能

三级模式是对数据的三个抽象级别

二级映象在数据库管理系统内部实现这三个抽象层次的联系和转换

• 外模式／模式映像
  (1)同一个模式可以有任意多个外模式
  (2)保证数据的 逻辑独立性 ：当模式改变时，数据库管理员对外模式／模式映象作相应改变，使外模式保持不变。应用程序是依据数据的外模式编写的，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

• 模式／内模式映像
  (1)数据库中模式／内模式映象是唯一的
  (2)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。

3.4 数据独立性

• 硬件平台及数据库

• 软件

• 人员
  人员主要包括：数据库管理员系统分析员和数据库设计人员、应用程序员和最终用户。
  其中，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

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