数据库系统工程师01绪论.docx

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数据库系统工程师01绪论

第一章绪论

1.1数据库系统概论

1.1.1区分数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统

（1）数据（Data）：

数据库中存储的基本对象。

数据的解释是指对数据含义的说明。

数据的含义称为数据的语义。

例：

（李明，男，21，1972，江苏，计算机系，1990）

（2）数据库（DataBase,DB）:

长期存储在在计算机内的、有组织、可共享的数据集合。

（3）数据库管理系统（DataBaseManagementSystem,DBMS）：

数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。

A、数据定义功能（DataDefinitionLanguage,DDL）。

CreateAlterDrop

B、数据操纵功能（DataManipulationLanguage,DML）。

SelectInsertUpdateDelete

C、数据库的运行管理：

统一管理，统一控制，以保证数据的安全性、完整性、多用户对沪剧的并发使用以及故障恢复。

D、数据库的建立和维护功能：

数据传输、转换功能、转存恢复功能。

性能监视、分析。

（4）数据库系统（DataBaseSystem,DBS）：

在计算机系统中引入数据库后的系统，一般由数据库、数据库管理系统及开发工具、应用系统、数据管理员和用户构成。

一般把数据库系统简称为数据库。

数据库系统数据库系统在计算机系统中的地位

1.1.2数据管理技术的产生和发展

（1）人工管理阶段（50年代中期以前）

背景：

计算机主要用于科学计算（数据量小、结构简单，如高阶方程、曲线拟和等）。

外存只有磁带、卡片、纸带等，没有磁盘等直接存取设备。

没有操作系统，没有数据管理软件（用户用机器指令编码）。

特点：

用户负责数据的组织、存储结构、存取方法、输入输出等细节。

数据完全面向特定的应用程序，每个用户使用自己的数据，数据不保存，用完就撤走。

数据与程序没有独立性，程序中存取数据的子程序随着存储结构的改变而改变。

（画图示例）

（2）文件系统阶段（50年代后期---60年代中期）

背景：

计算机不但用于科学计算，还用于管理。

外存有了磁盘、磁鼓等直接存取设备。

有了专门管理数据的软件，一般称为文件系统，包括在操作系统中。

特点：

系统提供存取方法（索引文件、链接文件、直接存取文件、倒排文件等），支持对文件的基本操作（增、删、改、查等），用户程序不必考虑物理细节。

数据的存取基本上以记录为单位。

一个数据文件对应一个或几个用户程序，还是面向应用的。

数据与程序有一定的独立性，因为文件的逻辑结构与存储结构由系统进行转换，数据在存储上的改变不一定反映在程序上。

（画图示例）

存在问题：

数据与程序的独立性差：

文件系统的出现并没有从根本上改变数据与程序紧密结合的状况。

文件系统只是解脱了程序员对物理设备存取的负担，它并不理解数据的语义，只负责存储。

数据的语义信息只能由程序来解释，也就是说，数据收集以后怎么组织，以及数据取出来之后按什么含义应用，只有全权管理它的程序知道。

数据的逻辑结构改变则必须修改应用程序。

一个应用若想共享另一个应用生成的数据，必须同另一个应用沟通，了解数据的语义与组织方式。

数据的冗余度大：

数据仍然是面向应用的。

当不同应用程序所需要的数据有部分相同时，也必须建立各自的文件，而不能共享相同的数据。

数据分散管理。

数据的不一致性：

由于数据存在很多副本，给数据的修改与维护带来了困难，容易造成数据的不一致性。

（3）数据库系统阶段（60年代后期开始）

背景：

计算机管理的数据量大，关系复杂，共享性要求强（多种应用、不同语言共享数据）。

外存有了大容量磁盘，光盘。

软件价格上升，硬件价格下降，编制和维护软件及应用程序成本相对增加，其中维护的成本更高，力求降低。

特点：

有了数据库管理系统。

面向全组织，面向现实世界。

独立性较强。

由DBMS统一存取，维护数据语义及结构

数据库观点：

数据不是依赖于处理过程的附属品，而是现实世界中独立存在的对象。

（画图示例）

1.1.3数据库系统VS文件系统

文件系统的弱点：

文件之间无联系，难于维护数据的完整性。

数据库系统的用武之地：

有查询，数据复杂

效率两面观：

运行效率，开发效率

1.1.4数据库系统的特点（与文件系统比较）

（1）面向全组织的复杂的数据结构：

支持全企业的应用而不是某一个应用。

数据反映了客观事物间的本质联系，而不是着眼于面向某个应用，是有结构的数据。

这是数据库系统的主要特征之一，与文件系统的根本差别。

文件系统只是记录的内部有结构，一个文件的记录之间是个线性序列，记录之间无联系。

（2）数据的冗余度小，易扩充：

数据面向整个系统，而不是面向某一应用，数据集中管理，数据共享，因此冗余度小。

节省存储空间，减少存取时间，且可避免数据之间的不相容性和不一致性。

每个应用选用数据库的一个子集，只要重新选取不同子集或者加上一小部分数据，就可以满足新的应用要求，这就是易扩充性。

（3）具有较高的数据和程序的独立性：

数据与程序相对独立，把数据库的定义和描述从应用程序中分离出去。

描述又是分级的（全局逻辑、局部逻辑、存储），数据的存取由系统管理，用户不必考虑存取路径等细节，从而简化了应用程序。

A、数据独立性：

当数据的结构发生变化时，通过系统提供的映象（转换）功能，使应用程序不必改变。

B、数据的物理独立性：

当数据的存储结构改变时，通过数据的存储结构与逻辑结构之间的映象，数据的逻辑结构可以保持不变，从而应用程序也不必改变。

C、数据的逻辑独立性：

当数据的总体逻辑结构改变时，通过数据的总体逻辑结构与局部逻辑结构之间的映象，数据的局部逻辑结构可以保持不变，从而应用程序也不必改变。

数据独立性是由DBMS的二级映象功能来保证的。

（4）统一的数据控制功能，数据共享程度高

A、数据的安全性控制（Security）：

保护数据以防止不合法的使用所造成的数据泄露和破坏。

措施：

用户标识与鉴定，存取控制。

B、数据的完整性控制（Integrity）：

数据的正确性、有效性、相容性。

措施：

完整性约束条件定义和检查。

C、并发控制（Concurrency）：

对多用户的并发操作加以控制、协调，防止其互相干扰而得到错误的结果并使数据库完整性遭到破坏。

措施：

封锁。

D、数据库恢复技术。

1．2数据抽象与数据库模式

数据模型是是一种模型，是现实世界数据特征的抽象。

1．2．1数据抽象

信息世界:

数据库系统是面向计算机的，而应用是面向现实世界的，两个世界存在着很大差异，要直接将现实世界中的语义映射到计算机世界是十分困难的，因此引入一个信息世界作为现实世界通向计算机实现的桥梁。

一方面，信息世界是对现实世界的抽象，从纷繁的现实世界中抽取出能反映现实本质的概念和基本关系;另一方面，信息世界中的概念和关系，要以一定的方式映射到计算机世界中去，在计算机系统上最终实现。

信息世界起到了承上启下的作用。

模型分为两大类：

1类是概念模型，2是数据模型。

概念化

1．2．2数据库系统模式

模式：

是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，仅仅涉及到“型“，不涉及到具体的值，是相对稳定的。

型与值的区别：

型是指对某一类数据的结构和属性的说明，值是型的一个具体的赋值。

（举例）

元数据（meta-data）/数据字典：

描述数据的数据。

例：

身份证，文献索引。

1．2．3数据库模式

模式的分级：

为了提高数据的物理独立性和逻辑独立性，使数据库的用户观点，即用户看到的数据库，与数据库的物理方面，即实际存储的数据库区分开来，数据库系统的模式是分级的。

数据库系统三级模式结构：

CODASYL（ConferenceOnDataSystemLanguage,美国数据系统语言协商会）提出模式、外模式、存储模式三级模式的概念。

三级模式之间有两级映象。

模式（Schema）：

也称逻辑模式。

所有用户的公共数据视图。

是数据库中全体数据的全局逻辑结构和特性的描述。

不涉及具体的物理存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序无关。

一个数据库只有一个模式。

外模式（Sub-Schema）（用户模式，子模式）：

用户的数据视图。

是数据的局部逻辑结构，模式的子集，有力的控制安全性。

内模式（StorageSchema）：

又称存储模式。

数据的物理结构及存储方式。

（举例）

1．2．4数据库二级映象功能

外模式/模式映象：

定义某一个外模式和模式之间的对应关系，映象定义通常包含在各外模式中。

当模式改变时，修改此映象，使外模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为逻辑独立性。

模式/内模式映象：

定义数据逻辑结构与存储结构之间的对应关系。

存储结构改变时，修改此映象，使模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为物理独立性。

1．2．5ANSI/X3/SPARC（75,78）提出SPARC报告，其ANSI模型分为外部级、概念级、内部级。

1．3概念模型

1．3．2概念模型

概念数据模型：

按用户的观点来对数据和信息建模。

用于组织信息世界的概念，表现从现实世界中抽象出来的事物以及它们之间的联系。

这类模型强调其语义表达能力，概念简单、清晰，易于用户理解。

它是现实世界到信息世界的抽象，是用户与数据库设计人员之间进行交流的语言。

如E-R模型。

（1）实体（entity）：

客观存在并且可以相互区别的事物。

（2）属性（attribute）：

实体所具有的某一特性。

（3）（主）码（key）：

唯一标识实体的属性集。

PrimaryKey（PK）

（4）域（Domain）：

属性的取值范围称为该属性的域。

（5）实体型（entrytype）：

用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体。

例：

学生（学号，姓名，性别，出生日期）

（6）实体集（entryset）：

同型实体的集合称为实体集。

例：

全体学生。

（7）联系（Relationship）:

组成实体的各属性之间的联系。

（8）元组：

表中的一行。

（9）分量：

元组中的某一个属性值。

（10）外码：

参考到其他表的属性列。

对应关系：

1:

11:

NN:

M

1.3.3概念模型表示方法

实体型：

用矩型表示，矩型内写名实体名。

属性：

用椭圆表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来。

联系：

用菱型表示，菱形内写明联系名。

如果一个联系也具有属性，则这些属性也要用无向边联系。

例：

工厂物资管理E-R图。

图1-1至1-4

1．4数据模型

1．4．1数据模型定义

数据模型就是现实世界的模拟。

1．4．2数据模型

数据模型：

是数据库系统中用于提供信息表示和操作手段的形式构架。

1．4．3数据模型的三要素

（1）数据结构：

描述系统的静态特性，即组成数据库的对象类型。

包括：

数据本身：

类型、内容、性质。

如网状模型中的数据项、记录，关系模型中的域、属性，关系等。

数据之间的联系：

例如网状模型中的系型（SetType）

在数据库系统中一般按数据结构的类型来命名数据模型，如：

“层次结构、网状结构、关系结构。

（2）数据操纵：

描述系统的动态特性，即对数据库中对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及操作规则。

一般有检索、更新、插入、删除操作。

数据模型要定义操作含义、操作符号、操作规则，以及实现操作的语言。

（3）完整性约束：

数据的约束条件是完整性规则的集合，规定数据库状态及状态变化所应满足的条件，以保证数据的正确、有效、相容。

1．4．4常用数据模型

（1）层次模型：

用树结构表示实体之间联系的模型叫层次模型。

树由节点和连线组成，节点代表实体型，连线表示两实体型间的一对多联系。

树有以下特性：

有且仅有一个节点，无父节点，此节点称为树的根（Root）。

树中的其它节点都有且仅有一个父节点。

父节点，子节点，根节点

优点：

结构简单，易于实现。

缺点：

支持的联系种类太少，只支持二元一对多联系。

数据操纵不方便，子结点的存取只能通过父结点来进行。

代表产品：

IBM的IMS数据库，1969年研制成功。

（2）网状模型

是一个满足下列条件的有向图：

可以有一个以上的节点无父节点。

至少有一个节点有多于一个的父节点（排除树结构）。

特点：

表达的联系种类丰富。

结构复杂。

（3）关系模型

用二维表来表示实体及其相互联系

姓名

学号

年龄

系别

张三

101

男

计算机系

李四

201

男

数学系

王五

302

女

物理系

优点：

简单，表的概念直观，用户易理解。

非过程化的数据请求，数据请求可以不指明路径。

数据独立性，用户只需提出“做什么”，无须说明“怎么做”。

坚实的理论基础。

1．5数据库系统的构成

1．5．1几个相关概念

数据库：

数据的集合。

由DBMS统一管理，多用户共享。

数据库管理系统DBMS：

系统软件，对数据库进行统一管理和控制。

数据库系统：

带有数据库的整个计算机系统，包括硬件、软件、数据、人员。

1．5．2数据库系统的软硬件层次

1．5．3数据库系统的主要成分

硬件：

内存大，放得下OS，DBMS核心，系统缓冲区，用户工作区等；大容量、直接存取的外存设备；作数据备份的磁带。

软件：

OS，DBMS，高级语言编译系统及其与数据库的接口，应用开发工具，应用系统。

数据：

包括目标数据（数据本身）及描述数据（对数据的说明信息）。

用户：

最终用户：

通过应用系统的用户接口（菜单等）使用数据库。

应用程序员：

基于外模式来编写应用程序。

系统分析员：

负责应用系统的需求分析和规范定义，确定系统的软硬件配置，参与数据库模式设计。

数据库管理员DBA：

负责数据库的全面管理和控制。

1．5．4DBA的重要性：

重要资源，维护整个组织的信息资源。

共享资源，多用户共享，需要统一管理、协调、监控。

1．5．5DBA职责

建库方面：

确定模式、外模式、存储结构、存取策略、负责数据的整理和装入。

用库方面：

定义完整性约束条件，规定数据的保密级别、用户权限，监督和控制数据库的运行情况，制定后援和恢复策略，负责故障恢复。

改进方面：

（1）监督分析系统的性能（空间利用率，处理效率）；

（2）数据库重组织，物理上重组织，以提高性能；（3）数据库重构造，设计上较大改动，模式和内模式修改。

1.5.5DBMS的层次结构

1．5．6DBMS的主要功能

（1）数据库定义功能：

提供DDL语言（DataDescriptionLanguage）描述外模式、模式、内模式（源模式）。

模式翻译程序把源模式翻译成目标模式，存入数据字典中。

（2）数据存取功能：

提供DML语言（Datamanipulationlanguage）对数据库进行检索、插入、修改、删除。

DML类型：

a、宿主型：

DML不独立使用，嵌入到高级语言（主语言）程序中使用。

B、自含型：

独立使用，交互式命令方式。

DBMS控制并执行DML语句：

a、宿主型：

有预编译和增强编译两种方式。

B、自含型：

解释执行。

（3）数据库运行管理：

并发控制、存取控制、完整性约束条件检查和执行，日志组织和管理，事务管理和自动恢复。

（4）数据组织、存储和管理：

用户数据、索引、数据字典的组织、存储和管理，包括文件结构、存取方式、数据之间的联系的实现等。

（5）数据库的建立和维护功能：

数据的装入、转换、卸出，数据库的转储、恢复、性能监视和分析等。

1．6数据库新方向

1．6．1新的数据库管理系统

（1）面向对象数据库

（2）对象-关系数据库

（3）并行数据库

（4）分布式数据库

1．6．2新的数据库应用

（1）数据仓库

（2）数据挖掘

（3）OLAP