数据库系统基本概念.docx
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数据库系统基本概念.docx
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数据库系统基本概念
数据库系统基本概念之总预览(零)
冬天天冷袜子不想天天洗,攒了一个星期用洗衣机洗,省时省事,但是有一个问题洗完之后一双一双要分开,甚是头疼。
昨天当我正犯愁的时候突然灵机一动,把老婆叫了过来问:
喜欢玩连连看吗?
老婆高高兴兴的跑了过来答:
喜欢那你把袜子分一下吧。
今天,数据库(DB,DataBase)这个名词已是家喻户晓,成为人们日常生活中不可缺少的一部分。
1、数据库系统基本概念之数据库管理技术的发展
(一)
2、数据库系统基本概念之数据库相关概念
(二)
3、数据库系统基本概念之数据描述(三)
4、数据库系统基本概念之数据抽象(四)
5、数据库系统基本概念之数据库管理系统(五)
6、数据库系统基本概念之数据库系统(六)
零测试
数据库系统基本概念之数据管理技术的发展
(一)
对于妈妈,我们说的话最多的是:
“妈,我衣服在哪?
”“妈,咱们晚饭吃什么?
”“妈,我能出去么?
”“妈,我饿了”……而对于爸爸,说的最多的话是“爸,我妈在哪?
”
使用计算机以后,数据处理的速度和规模是手工方式和机械方式无法比拟的,随着数据处理量的增长,产生了数据管理技术。
数据管理技术的发展,与计算机硬件、系统软件及计算机应用的范围有着密切的关系。
1、人工管理阶段
a)时间:
20世纪50年代中期以前
b)应用:
科学计算
c)处理方式:
批处理
d)特点:
i.数据不保存在计算机内
ii.没有专用的软件对数据进行管理
iii.只有程序(Program)概念,没有文件(File)概念
iv.数据面向程序
e)缺点:
i.不能保存数据
ii.数据不能重复利用
iii.数据的组织方式必须由程序自行设计与安排
2、文件系统阶段
a)时间:
20世纪50年代后期至60年代后期
b)应用:
科学计算+信息管理
c)处理方式:
批处理+实时处理
d)特点:
i.数据以文件形式长期保存在外部存储器的磁盘上
ii.数据的逻辑结构与物理结构有了区别,但比较简单
iii.文件组织已多样化
iv.数据不再属于某个特定的程序,可以重复使用,即数据面向应用
v.对数据的操作以记录为单位
e)缺点:
i.数据冗余(Redundancy)
ii.数据不一致(Inconsistency)
iii.数据联系弱(PoorDataRelationship)
3、数据库阶段
a)时间:
20世纪60年代末
b)应用:
科学计算+信息管理+其他
c)处理方式:
批处理+实时处理+分时处理+其他
d)进入数据库阶段的标志:
i.1968年美国IBM公司推出层次模型的IMS(InformationManagementSystem)系统;
ii.1969年美国CODASYL(ConferenceOnDataSystemLanguage)组织发布了DBTG报告,提出了网状模型;
iii.1970年美国IBM公司的E.F.Codd连续发表论文,提出关系模型,奠定了关系数据库的理论基础。
e)特点:
i.采用数据模型表示复杂的数据结构(数据模型不仅描述数据本身的特征,还要描述数据之间的联系)
ii.有较高的数据独立性(数据独立性是指应用程序与数据库的数据结构之间相互独立,分为物理数据独立性和逻辑数据独立性)
1.物理数据独立性:
在物理结构改变时,尽量不影响整体逻辑结构,用户的逻辑结构以及应用程序
2.逻辑数据独立性:
在整体逻辑结构改变时,尽量不影响用户的逻辑结构以及应用程序
iii.数据库系统为用户提供了方便的用户接口
iv.数据库系统提供了数据控制功能
1.数据库恢复:
在数据库被破坏或数据部可靠时,系统有能力把数据库恢复到最近某个正确的状态
2.数据库的并发控制:
对程序的并发操作加以控制,防止数据库被破坏,杜绝提供给用户不正确的数据
3.数据的完整性:
保证数据库中数据时钟是正确的
4.数据安全性:
保证数据的安全,防止数据丢失或被窃取,破坏
v.增加了系统的灵活性,对数据的操作不仅以记录为单位还可以以数据项为单位。
f)文件系统与数据库阶段的区别:
i.在文件系统阶段,程序设计处于主导地位
ii.在数据库阶段,数据结构设计处于主导地位
4、高级数据库阶段
a)时间:
20世纪80年代
b)应用:
科学计算+信息管理+其他
c)处理方式:
批处理+实时处理+分时处理+网络处理+其他
d)进入高级数据库阶段的标志:
i.分布式数据库系统的建立
ii.90年代的对象数据库系统的建立
iii.21世纪的WEB数据库系统
e)相关技术:
i.面向对象的概念建模
ii.开放数据库互联技术
零测试
数据库系统基本概念之数据库相关概念
(二)
今天在街上一个老大爷过马路,被一个面包车刮倒了。
人家大爷拍拍身子又站起来了,旁边人都以为就是摔一下,没什么大碍。
谁知那二货司机打开车窗喊:
”老王八犊子,你瞎啊!
”这老大爷满怀深意的看看司机,瞬间就躺下了!
后来听说那司机要卖车赔钱!
1、数据库(Database,DB):
数据库是长期存储在计算机内,有组织的,统一管理的相关数据的集合。
2、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,它为用户或应用程序提供访问数据库的方法,包括数据库的建立、查询、更新及在各种数据控制
3、数据库系统(DatabaseSystem,DBS):
数据库系统实现有组织地、动态地存储大量关联数据、方便多用户访问的计算机硬件,软件和数据资源组成的系统。
4、数据库技术:
是研究数据库的结构、存储、设计、管理和使用的软件学科。
5、数据独立性:
是指在某个层次上修改模式不影响较高一层模式的能力。
6、联系(Relationship)是实体之间的相互关系
7、联系的元数:
与一个联系有关的实体集个数
8、二元联系的分类
a)一对一联系(1:
1):
如果实体集E1中每个实体至多和实体集E2中的一个实体有联系,反之亦然,那么实体集E1和E2的联系称为一对一联系
b)一对多联系(1:
N):
如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意个实体间有联系,而E2中每个实体至多和E1中一个实体有联系,那么称为E1对E2的联系为一对多联系
c)多对多联系(M:
N)如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意个实体有联系,反之亦然,那么称E1和E2的联系时多对多联系
零测试
数据库系统基本概念之数据描述(三)
当年还是15、16岁的时候带5岁表妹出去玩,
大过年的到一烟花店这货干净利落的喊了声“妈妈,我要买这个!
”,
我一激动,脑子短路回了句“在外面不要叫我妈妈!
”
一想不对又大吼一句“叫姐姐!
”。
妹妹眼里噙着泪水怯怯的喊了声姐姐……
至今忘不了烟花店老板的眼神……
在数据处理中,数据描述将涉及到不同的范畴。
从事物的特性到计算机中的具体表示,数据描述经历了如下三个阶段。
1、概念设计
a)定义:
概念设计是根据用户的需求设计数据库的概念结构,它以规范的形式表达了用户需求所涉及事物的理解
b)术语:
i.实体(Entity):
可以相互区别的事物称为实体,实体可以是具体的对象(一本书),也可以是抽象的对象(一次借书)
ii.实体集(EntitySet):
性质相同的同类实体的集合(所有计算机的书)
iii.属性(Attribute):
实体有很多特性,每一个特性称为属性,每一个属性都有一个值域,类型可以是整型、字符型(书的作者,出版社)
iv.实体标识符(Identifier):
能唯一标识实体的属性或属性集
2、逻辑设计
a)定义:
逻辑设计是根据概念设计的结果设计数据库的逻辑结构,即表达方式和实现方法
b)术语:
i.字段(Field):
表示实体属性的命名单位称为字段或数据项(书的作者、出版社)
ii.记录(Record):
字段的有序集合称为记录,一般用一个记录描述一个实体(软件工程)
iii.文件(File):
同一类记录的集合称为文件,文件时用来描述实体集的(计算机的书)
iv.关键码(Key):
能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集,简称为键
3、物理设计
a)定义:
物理设计是根据逻辑设计的结果设计数据库的物理结构,即如何实现数据库的底层存储
b)术语:
i.位(Bit,比特):
一个二进制位称为位,一位只能取0或1两个状态
ii.字节(Byte,B):
8个bit称为一个字节,可以存放一个英文字符所对应的ASCII
iii.字(Word):
若干字节组成一个字
iv.字长:
一个字所含的二进制位的位数称为字长,各种计算机的字长是不一样的,有8位、16位、32位
v.块(Block):
称为物理块或物理记录,是内存和外存交换信息的最小单位,一般为2的10次方字节—2的14次方的字节
vi.桶(Bucket):
外存的逻辑单位,一个桶可以包含一个物理块或多个空间上部连续的物理块
vii.卷(Volume):
一个输入输出设备所能装载的全部有用信息称为卷,例如磁盘的一个磁盘组就是一卷
c)存储介质的分类:
i.高速缓冲存储器(Cache):
访问速度最快,最昂贵的存储器,一般由CPU直接管理
ii.主存储器(MainMemory):
称为内存,机器指令可以直接对内存中的数据进行修改,但是掉电数据就会丢失
iii.快擦写存储器(FlashDisk):
掉电后能保持数据部丢失,速度略低于内存,又称为电可擦可编程只读存储器
iv.磁盘存储器(MagneticDisk):
最流行的外部存储器,能长时间存储并能直接读取数据,掉电后不丢失,又称为直接存取存储器
v.光存储器(OpticalStorage):
数据以光的形式存储在盘里,然后用一个激光器去读,CD-ROM只能读不能写,DVD-RW可以读和写
vi.磁带(TapeStorage):
称为顺序存取存储器,用于存储拷贝的数据和归档的数据,价格最便宜
零测试
数据库系统基本概念之数据抽象(四)
我养了一只猫,她小的时候喜欢睡在我的拖鞋里(冬天的那种毛绒拖鞋)
一天我不在家,我舅舅来我家,穿了我的拖鞋……
晚上睡觉的时候,小猫照例躲到拖鞋里,没过多久就爬了出来,灰常纠结的绕着拖鞋叫…
从此,她再也不在那双拖鞋里睡觉了…
模型是对现实世界的抽象,在数据库技术中,我们用数据模型的概念描述数据库的结构和语义,对现实世界的数据进行抽象。
从现实世界的信息到数据库存储的数据以及用户使用的数据是一个逐步抽象的过程,有如下四种:
概念数据模型、逻辑数据模型、外部数据模型、和内部数据模型。
1、概念模型
a)定义:
表达用户需求观点的数据全局逻辑结构的模型
b)特点:
i.概念模型表达了数据的整体逻辑结构,它是系统用户对整个应用项目涉及的数据的全面描述;
ii.概念模型是从用户需求观点出发,对数据建模;
iii.概念模型独立于硬件和软件;
iv.概念模型是数据库设计人员与用户之间进行交流的工具。
c)主要方法:
概念模型主要采用的是实体联系(ER)模型,ER模型主要用ER图来表示。
d)ER图:
ER图中把研究的对象分成实体和联系两大类,用矩形表示实体类型,菱形表示联系类型,椭圆形表示属性,实体标识符用属性下的一根下划线表示。
e)优点:
i.简单,容易理解,真实地反应用户的需求;
ii.是与计算机无关,用户容易接受。
2、逻辑模型
a)定义:
表达计算机实现观点的DB全局逻辑结构的模型,选定DBMS后,根据选定的DBMS的特点从概念模型转换成逻辑模型。
b)特点:
i.逻辑模型表达了DB的整体逻辑结构,它是设计人员对整个应用项目数据库的全面描述;
ii.逻辑模型是从数据库实现的观点出发,对数据建模;
iii.逻辑模型独立于硬件,依赖于软件;
iv.逻辑模型是数据库设计人员与应用程序员之间交流的工具。
c)分类:
i.层次模型(Hierarchicalmodel)
1.定义:
用树形结构表示实体类型及实体间联系的数据模型。
2.数据联系:
指针
3.数据结构:
树结构
4.优点:
记录之间通过指针来实现,查询效率较高
5.缺点:
只能表示1:
N联系;由于层次顺序的严格和复杂,引起数据的查询和更新操作很复杂,因此编写程序也很复杂
6.代表:
IMS
7.盛行:
20世纪70年代
ii.网状模型(Networkmodel)
1.定义:
用有向图结构表示实体类型及实体间联系的数据模型
2.数据联系:
指针
3.数据结构:
有向图结构
4.优点:
记录之间的联系通过指针实现,M:
N也较容易实现,查询效率较高
5.缺点:
数据结构复杂和编程复杂
6.代表:
IDS,IMAGE/3000,IDMS,TOTAL
7.盛行:
20世纪70-80年代中期
iii.关系模型(RelationalModel)
1.定义:
用二维表结构表示实体类型及实体间联系的数据模型
2.数据联系:
通过二维表间的公共属性
3.数据结构:
二维表
4.优点:
记录之间的联系采用关键码实现,表格简单,用户易懂;用查询语句就可以实现对数据库操作,不设计存储结构和访问技术
5.缺点:
更复杂的数据结构,如多媒体数据、多维表格数据显得力不从心
6.代表:
Oracle,Sybase,DB2,SQLServer,Infomix
7.盛行:
20世纪80年代到现在
3、外部模型
a)定义:
表达用户使用观点的DB局部逻辑结构的模型。
根据业务的特点划分成若干业务单位,每个业务单位都有特定的约束和需求
b)特点:
i.外部模型是逻辑模型的一个逻辑子集;
ii.外部模型独立于硬件,依赖于软件;
iii.外部模型反映了用户使用数据库的观点。
c)优点:
i.简化了用户的观点;
ii.有助于数据库的安全性保护;
iii.外部模型是对概念模型的支持。
4、内部模型
a)定义:
表达DB物理结构的模型。
又称为物理模型,是数据库最底层的抽象,它描述数据在磁盘或磁带上的存储方式,存取设备和存取方法。
b)特点:
i.内部模型是与硬件和软件紧密相连的;
ii.内部模型反映了数据库的底层实现细节。
5、三层模式和两级映射
a)三层模式的定义:
在用户到数据库之间,DB的数据结构有三个层次外部模型、逻辑模型和内部模型,这个三个层次使用数据定义语言(DataDefinitionLanguage,DDL)定义以后就称为模式(Schema),即外模式、逻辑模式和内模式。
数据库的数据结构描述有三个层次:
i.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
ii.逻辑模式是数据库中全部数据的整体逻辑结构的描述
iii.内模式是数据库在物理存储方面的描述。
b)三层模式体系结构的特点:
i.用户使用数据库的数据操纵语言(DataManipulationLanguage,DML)语句对数据库进行操作,实际上是对外模式的外部记录进行操作;
ii.逻辑模式必须不涉及到存储结构、访问技术等细节;
iii.内模式并不涉及到物理设备的约束。
c)两级映射的定义:
由于三层模式的数据结构可能不一致,即记录类型、字段类型的命名和组成可能不一样,因此需要三层模式之间的映像来说明外部记录、逻辑记录、内部记录之间的对应性。
三层模式之间存在两级映像:
i.外模式/逻辑模式映像存在于外模式和逻辑模式之间,用于定义外模式和逻辑模式之间的对应性,这个映像一般放在外模式中描述
ii.逻辑模式/内模式映像存在于逻辑模式和内模式之间,用于定义逻辑模式和内模式之间的对应性,这个映像一般放在内模式中描述
d)飞
6、数据抽象的过程(即数据库设计的过程)
a)根据用户需求,设计数据库的概念模型<概念设计>
b)根据转换规则,把概念模型转换成数据库的逻辑模型
c)根据用户的业务特点,需根据逻辑模型设计不同的外部模型,给程序员使用,外部模型与逻辑模型之间的对应性称为映像<逻辑设计>
d)数据库实现时,需根据逻辑模型设计其内部模型,内部模型与逻辑模型之间的对应性称为映像<物理设计>
7、数据独立性(DataIndependence)
a)定义:
是指应用程序和数据库的数据结构之间相互独立、不受影响,在修改数据结构时,尽可能不修改应用程序,则称系统达到了数据独立性目标。
b)分类:
i.物理数据独立性:
如果数据库的内模式要修改,即数据库的物理结构有所变化,那么只要对逻辑模式/内模式映像作相应的修改,可是使逻辑模式尽可能保持不变。
对内模式的修改尽量不影响逻辑模式。
ii.逻辑数据独立性:
如果数据库的逻辑模式要修改,那么只要对外模式/逻辑模式映像作相应的修改,可是使外模式和应用程序尽可能保持不变。
对逻辑模式的修改尽量不影响外模式。
零测试
数据库系统基本概念之数据库管理系统(五)
某大学有个周易课!
老师拿着个罗盘进来,围着教室神神叨叨地转了一圈。
然后,吐出一句话:
同学们,今天不宜上课,放学
1、数据库管理系统(DatabaseManagementSystem,DBMS)的定义:
是指数据库系统中对数据进行管理的软件系统,它是数据库系统的核心组成部分。
对数据库的一切操作,包括定义、查询、更新和各种控制,都是通过DBMS进行的。
2、DBMS的分类:
DBMS总是基于某种数据模型的,是某种数据模型在计算机系统上的具体实现
a)层次型
b)网状型
c)关系型
d)面向对象型
3、DBMS的工作模式:
a)接受应用程序的数据请求和处理请求;
b)将用户的数据请求转换成复杂的机器代码;
c)实现对数据库的操作;
d)从对数据库的操作中接受查询结果;
e)对查询结构进行处理;
f)将处理结果返回给用户。
4、DBMS的主要功能
a)数据库定义功能:
DBMS提供DDL定义数据库的三级结构、两级映像,定义数据的完整性约束、保密性等约束。
因此DBMS中包括DDL编译程序。
b)数据库的操纵功能:
DBMS提供DML实现对数据的操作,基本数据操作包括查询和更新。
因此DBMS中包括DML的编译程序或解释程序。
c)数据库的保护功能:
数据是信息社会的战略资源,因此对数据的保护至关重要
i.数据库的恢复
ii.数据库的并发控制
iii.数据完整性控制
iv.数据安全性控制
d)数据库的维护功能:
包括数据库的载入、转换、转存,数据库的改组以及性能监控等功能。
e)数据字典:
数据库系统中存放三级结构定义的数据库称为数据字典(DataDictionary,DD),对数据库的操作都要通过DD实现,DD还存放数据库运行时的统计信息。
管理DD的子系统称为DD系统。
零测试
数据库系统基本概念之数据库系统(六)
希望有一天可以开一家咖啡馆,躲在僻静的巷子里,店里摆满自己喜欢的书,老沙发上睡几只慵懒的猫,我煮咖啡,你做蛋糕,就这样平平淡淡的日子——有这样想法的人,基本可判断为穷货
1、数据库系统(DatabaseSystem,DBS)的定义:
数据库系统是采用了数据库技术的计算机系统,是一个实际可运行的,按照数据库方法存储、维护和向应用系统提供数据支持的系统,是数据库、硬件、软件和数据库管理员的集合体。
2、数据库系统(DatabaseSystem,DBS)的组成
a)数据库(Database,DB)
i.定义:
数据库是一个企业组织各项应用有关的全部数据的集合。
ii.分类:
1.物理数据库:
是应用数据的集合,它是数据库的主体;
2.描述数据库:
是各级数据结构的描述,由DD系统管理。
b)硬件
i.定义:
是包括中央处理器、内存、外存、输入输出设备等硬件。
ii.关注指标:
内存、外存、I/O存取速度、可支持终端数和性能稳定性。
c)软件
i.数据库管理系统(DatabaseManagementSystem,DBMS):
是指数据库系统中对数据进行管理的软件系统,它是数据库系统的核心组成部分。
ii.操作系统(OS):
主要是管理所有硬件的一个系统软件
iii.各种主语言:
编写应用程序的语言可以是C,C++,Java一类高级程序设计语言,称为主语言或宿主语言(Hostlanguage)<第三代语言3GL范畴>
iv.应用开发支撑软件:
为应用开发人员提供的高效率、多功能的交互式程序设计系统,有Depphi6.0,PowerBuilder10.0等<第四代语言4GL范畴>
d)数据库管理员(DatabaseAdministrator,DBA)
i.定义:
DBA是控制数据整体结构的一组人员,负责DBS的正常运行,承担创建、监控和维护数据库结构的责任。
ii.工作职责
1.定义模式;
2.定义内模式;
3.与用户的联络;
4.定义安全性规则,对用户访问数据库的授权;
5.定义完整性规则,监督数据库的运行;
6.数据库的转存和恢复工作。
iii.需要素质
1.熟悉企业全部数据的性质和用途;
2.对所有用户的需求有充分的了解;
3.对熊的性能非常熟悉;
4.兼有系统分析员和运筹学专家的品质和知识
iv.常用工具
1.一系列的实用程序:
如DBMS的装配、重组、日志、恢复、统计分析等程序;
2.DD系统:
管理着三级结构的定义,DBA可以通过数据字典(DataDictionary,DD)掌握整个系统的工作情况。
3、数据库系统的全局结构:
DBS的全局结构从用户、界面、DBMS和磁盘等四个层次考虑个模块功能之间的联系,实际上还有OS提供了DBS最基本的服务(读写磁盘)
a)数据库用户:
按照与系统交互方式不同,分成四类用户
i.DBA:
DBA负责三级结构的定义和修改,以及访问授权、日常维护等工作。
DBA和DBMS之间的界面是“数据库模式”。
ii.专业用户:
指数据库设计中的上层人士(系统分析员),专业用户和DBMS之间的界面是“数据库查询工具”。
iii.应用程序员:
指使用主语言和DML语言编写应用程序的计算机工作者,应用程序员和DBMS之间的界面是“应用程序”。
iv.终端用户:
指使用应用程序的非计算机人员。
终端用户与DBMS之间的界面是“应用程序的运行界面”
b)DBMS的查询处理器:
分类如下四类
i.DDL解释器:
解释DDL语句,并将这些定义登录在数据字典中。
ii.DML编译器:
对DML语句进行优化,并转换成查询求值引擎能执行的底层指令。
iii.嵌入式DML的预编译器:
把潜入在主语言中的DML语句处理成规范的过程调用形式
iv.查询求值引擎:
执行由DML编译器产生的底层指令。
c)DBMS的存储管理器
i.权限和完整性管理器:
测试应用程序对数据库的修改是否满足完整性约束,检查用户访问数据的合法性。
ii.事务管理器:
DBS的逻辑工作单元称为事务(Transaction),事务是由对DB的操作序列组成。
用于确保DB一致性状态,保证并发操作正确执行。
iii.文件管理器:
负责磁盘空间的合理分配,管理物理文件的存储结构和存取方式。
iv.缓冲区管理器:
为应用程序开辟DB的系统缓冲区,负责将磁盘中读出的数据送入内存缓冲区
d)磁盘存储器中的数据结构
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