北京林業(yè)大學軟件教研室 1 第1章數(shù)據庫系統(tǒng)概述 北京林業(yè)大學軟件教研室 3 1 1信息 數(shù)據 數(shù)據處理與數(shù)據管理1 2數(shù)據庫技術的產生 發(fā)展1 3數(shù)據庫系統(tǒng)的組成1 4數(shù)據庫系統(tǒng)的模式結構1 5數(shù)據庫系統(tǒng)的外部體系結構1 6數(shù)據庫管理系統(tǒng) DBMS 1 7數(shù)據模型1 8四種數(shù)據模型1 9數(shù)據庫系統(tǒng)的發(fā)展1 10數(shù)據庫技術與其他相關技術的結合 北京林業(yè)大學軟件教研室 4 通訊錄 圖書館 數(shù)據庫 數(shù)據的倉庫 即數(shù)據存放的地方 小數(shù)據庫可用手工管理 大型數(shù)據庫必須由計算機進行管理 計算機三大主要應用領域 科學計算 過程控制 數(shù)據處理 70 北京林業(yè)大學軟件教研室 5 信息的特征 1 1信息 數(shù)據 數(shù)據處理與數(shù)據管理 1 1 1數(shù)據與信息 信息 能源 材料 客觀世界的三大要素 采集并加工 傳遞 消息情報指令數(shù)據信號 學號 S1姓名 趙亦性別 女年齡 17歲所在系別 計算機 源于物質和能量 可以感知 可存儲 加工 傳遞和再生 北京林業(yè)大學軟件教研室 6 數(shù)據數(shù)據是信息的具體表現(xiàn)形式數(shù)據的表現(xiàn)形式數(shù)據與信息的聯(lián)系數(shù)據是信息的符號表示或載體信息是數(shù)據的內涵 是對數(shù)據的語義解釋 S1趙亦女17歲計算機 數(shù)字文字圖形圖象聲音等 北京林業(yè)大學軟件教研室 7 1 1 2數(shù)據處理與數(shù)據管理 信息 數(shù)據 數(shù)據處理 將數(shù)據轉換成信息包括數(shù)據的收集 管理 加工利用乃至信息輸出 數(shù)據的收集 整理 組織 編碼 存儲 維護 檢索 傳輸?shù)炔僮?數(shù)據處理 數(shù)據管理 產出輸出結果 原料輸入 數(shù)據處理 的真正含義應該是為了產生信息而處理數(shù)據 北京林業(yè)大學軟件教研室 8 1 2數(shù)據庫技術的產生 發(fā)展 人工管理階段 文件系統(tǒng)階段 數(shù)據庫系統(tǒng)階段 數(shù)據不保存 不共享 無獨立性 無專用軟件管理數(shù)據 數(shù)據以文件形式長期保存 由文件系統(tǒng)管理數(shù)據 程序與數(shù)據間有一定獨立性 數(shù)據結構化 共享性高 冗余度低 獨立性高 有統(tǒng)一的數(shù)據控制功能 DBMS 數(shù)據的安全性控制數(shù)據的完整性控制并發(fā)控制數(shù)據恢復 北京林業(yè)大學軟件教研室 9 北京林業(yè)大學軟件教研室 10 北京林業(yè)大學軟件教研室 11 北京林業(yè)大學軟件教研室 12 1 3數(shù)據庫系統(tǒng)的組成 數(shù)據庫系統(tǒng) DBS 數(shù)據庫 計算機軟件系統(tǒng) 數(shù)據庫用戶 計算機硬件系統(tǒng) 圖1 6數(shù)據庫系統(tǒng) 用戶1 用戶2 用戶n 用戶 應用系統(tǒng) 應用開發(fā)工具 DBMS 操作系統(tǒng)OS 數(shù)據庫 數(shù)據庫管理員 軟件系統(tǒng) 北京林業(yè)大學軟件教研室 13 數(shù)據庫數(shù)據庫 DB 是存儲在計算機內 有組織的 可共享的數(shù)據集合用戶 集成性 共享性 終端用戶 應用程序員 數(shù)據庫管理員 對數(shù)據庫進行存儲 維護和檢索 非計算機專業(yè)人員使用數(shù)據庫 設計和編制應用程序 負責設計 建立 管理和維護數(shù)據庫以及協(xié)調用戶對數(shù)據庫要求的個人或工作團隊 北京林業(yè)大學軟件教研室 14 軟件 Software 系統(tǒng)硬件 Hardware 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)指存儲和運行數(shù)據庫系統(tǒng)的硬件設備 數(shù)據庫系統(tǒng)在整個計算機系統(tǒng)中的地位如圖所示 DBMS OS 應用系統(tǒng) 軟件系統(tǒng) 核心 DBMS在操作系統(tǒng)支持下工作 應用程序在DBMS支持下才能使用數(shù)據庫 北京林業(yè)大學軟件教研室 15 1 4數(shù)據庫系統(tǒng)的模式結構 1 4 1數(shù)據庫系統(tǒng)的三級模式結構數(shù)據庫系統(tǒng)內部的體系結構從邏輯上分為三級 型 值 模式 實例 外模式 模式 內模式 北京林業(yè)大學軟件教研室 16 圖1 8數(shù)據庫系統(tǒng)的三級模式結構 應用1 應用2 應用n 外模式1 外模式m 外模式 模式映象 模式 模式 內模式映象 內模式 數(shù)據庫 用戶級 概念級 物理級 北京林業(yè)大學軟件教研室 17 內模式是整個數(shù)據庫實際存儲的表示模式是整個數(shù)據庫實際存儲的抽象表示外模式是概念模式的某一部分的抽象表示 外模式 模式 內模式 數(shù)據庫中全體數(shù)據的邏輯結構和特征的描述 數(shù)據庫用戶能看到并允許使用的那部分局部數(shù)據的邏輯結構和特征的描述 它是對數(shù)據庫存儲結構的描述 是數(shù)據在數(shù)據庫內部的表示方式 可有多個 只有一個 北京林業(yè)大學軟件教研室 18 1 4 2數(shù)據庫系統(tǒng)的二級映象與數(shù)據獨立性 DBMS在三級模式之間提供了二級映象功能 保證了數(shù)據庫系統(tǒng)中的數(shù)據能夠具有較高的邏輯獨立性與物理獨立性 外模式 模式映象 模式 內模式映象 保證了數(shù)據與程序間的邏輯獨立性 確保了數(shù)據的物理獨立性 北京林業(yè)大學軟件教研室 19 1 5數(shù)據庫系統(tǒng)的外部體系結構 單用戶結構的數(shù)據庫系統(tǒng) 主從式結構的數(shù)據庫系統(tǒng) 分布式結構的數(shù)據庫系統(tǒng) 客戶 服務器結構的數(shù)據庫系統(tǒng) 瀏覽器 服務器結構的數(shù)據庫系統(tǒng) 一臺計算機 不能共享數(shù)據 大型主機帶多個終端 主機處理 終端輸出 是分布在計算機網絡上的多個邏輯相關的數(shù)據庫的集合 把DBMS的功能與應用程序分開 管理數(shù)據的節(jié)點稱為服務器應用DBMS的節(jié)點稱為客戶機 將客戶端運行的應用程序轉移到應用服務器上 充當了客戶機和數(shù)據庫服務器的中介 北京林業(yè)大學軟件教研室 20 DBS 1 6數(shù)據庫管理系統(tǒng) DBMS 1 6 1DBMS的主要功能數(shù)據定義功能定義數(shù)據的模式 外模式和內模式三級模式結構定義模式 內模式和外模式 模式二級映象定義有關的約束條件 DBMS 核心 數(shù)據定義查詢更新各種控制 北京林業(yè)大學軟件教研室 21 數(shù)據操縱功能數(shù)據庫的基本操作 檢索 更新 包括插入 修改 刪除 等 DML有兩類 自主型宿主型數(shù)據庫運行管理功能對數(shù)據庫運行的管理是DBMS運行的核心部分 DBMS對數(shù)據庫的控制主要通過四個方面實現(xiàn) 數(shù)據的安全性控制 數(shù)據的完整性控制 多用戶環(huán)境下的并發(fā)控制和數(shù)據庫的恢復 獨立使用 嵌入在如Fortran Pascal C等高級語言中 北京林業(yè)大學軟件教研室 22 數(shù)據庫的建立和維護功能數(shù)據庫的建立包括數(shù)據庫的初始數(shù)據的裝入與數(shù)據轉換等 數(shù)據庫的維護包括數(shù)據庫的轉儲 恢復 重組織與重構造 系統(tǒng)性能監(jiān)視與分析等 數(shù)據通信接口數(shù)據組織 存儲和管理 北京林業(yè)大學軟件教研室 23 1 6 2DBMS的組成 語言編譯處理程序 系統(tǒng)運行控制程序 系統(tǒng)建立 維護程序 數(shù)據字典 數(shù)據定義語言DDL編譯程序 數(shù)據操縱語言DML編譯程序 系統(tǒng)總控程序安全性控制程序完整性控制程序并發(fā)控制程序數(shù)據存取和更新程序通信控制程序 裝配程序重組程序系統(tǒng)恢復程序 描述數(shù)據庫中有關信息的數(shù)據目錄 北京林業(yè)大學軟件教研室 24 1 6 3DBMS的數(shù)據存取的過程 DBMS對數(shù)據的存取通常需要以下幾個步驟 1 用戶使用某種特定的數(shù)據操作語言向DBMS發(fā)出存取請求 2 DBMS接受請求并將該請求解釋轉換成機器代碼指指令 3 DBMS依次檢查外模式 外模式 模式映象 模式 模式 內模式映象及存儲結構定義 4 DBMS對存儲數(shù)據庫執(zhí)行必要的存取操作 5 從對數(shù)據庫的存取操作中接受結果 6 對得到的結果進行必要的處理 如格式轉換等 7 將處理的結果返回給用戶 北京林業(yè)大學軟件教研室 25 應用程序 數(shù)據庫 DBMS 數(shù)據請求 處理結果 低層指令 結果 圖1 11DBMS的工作方式 應用程序 應用程序 DBMS 操作系統(tǒng) 外模式 模式 內模式 數(shù)據庫 圖1 12DBMS存取數(shù)據的過程示意圖 北京林業(yè)大學軟件教研室 26 1 7數(shù)據模型 數(shù)據模型是數(shù)據庫的框架數(shù)據模型是數(shù)據庫系統(tǒng)的核心和基礎1 7 2三個世界的劃分及其有關概念三個世界的劃分首先將現(xiàn)實世界的事物及聯(lián)系抽象成信息世界的信息模型然后再抽象成計算機世界的數(shù)據模型數(shù)據加工經歷了現(xiàn)實世界 信息世界和計算機世界三個不同的世界 經歷了兩級抽象和轉換 組織方式表達方式存取路徑 數(shù)據及其聯(lián)系 北京林業(yè)大學軟件教研室 27 現(xiàn)實世界 概念模型 認識抽象 DBMS支持的數(shù)據模型 圖1 13數(shù)據處理的抽象和轉換過程 北京林業(yè)大學軟件教研室 28 現(xiàn)實世界現(xiàn)實世界即客觀存在的世界人們總是選用感興趣的最能表征該事物的若干特征來描述該事物信息世界及其有關基本概念實體客觀存在并且可以相互區(qū)別的 事物 稱為實體實體可以是具體的人 事 物 也可以是抽象的事件屬性實體所具有的某一特性稱為屬性 型 值 屬性名 具體值 北京林業(yè)大學軟件教研室 29 實體型具有相同屬性的實體必然具有共同的特征實體集同型實體的集合稱為實體集鍵能惟一標識一個實體的屬性或屬性集稱為實體的鍵域屬性的取值范圍稱為該屬性的域 學生 學號 姓名 年齡 性別 系 北京林業(yè)大學軟件教研室 30 聯(lián)系實體型內部的聯(lián)系通常是指組成實體的各屬性之間的聯(lián)系實體型之間的聯(lián)系通常是指不同實體集之間的聯(lián)系兩個實體型之間的聯(lián)系有如下三種類型 A B A B A B a 一對一聯(lián)系 b 一對多聯(lián)系 c 多對多聯(lián)系 北京林業(yè)大學軟件教研室 31 計算機世界及其有關基本概念字段 Field 標記實體屬性的命名單位稱為字段 記錄 Record 字段的有序集合稱為記錄 如 一個學生 990001 張立 20 男 計算機 為一個記錄 文件 File 同一類記錄的集合稱為文件 所有學生的記錄組成了一個學生文件 關鍵字 Key 能惟一標識文件中每個記錄的字段或字段集 稱為記錄的關鍵字 北京林業(yè)大學軟件教研室 32 北京林業(yè)大學軟件教研室 33 1 7 3數(shù)據模型的分類 概念模型它是按用戶的觀點對數(shù)據和信息建模用來描述某個特定組織所關心的信息結構概念模型屬于信息世界中的模型邏輯模型 或稱數(shù)據模型 和物理模型邏輯模型是屬于計算機世界中的模型邏輯模型主要包括層次模型 網狀模型 關系模型 面向對象模型等物理模型描述數(shù)據在磁盤或磁帶上的存儲方式和存取方法 E R模型 北京林業(yè)大學軟件教研室 34 1 7 4實體聯(lián)系模型及E R圖 E R圖的基本成分 學生 學號 選修 a 實體 b 屬性 c 聯(lián)系 1 11 nm n 北京林業(yè)大學軟件教研室 35 E R圖的幾種基本形式 兩個實體之間的聯(lián)系 系主任 成績 領導 系 學生 屬于 系 學生 選修 課程 1 1 1 n n m 北京林業(yè)大學軟件教研室 36 兩個以上實體間的聯(lián)系 數(shù)量 供應商 供應 零件 n m 項目 n 領導 職工 1 n 同一實體集內部各實體之間的聯(lián)系 北京林業(yè)大學軟件教研室 37 設計一個圖書館數(shù)據庫對每個借閱者保存記錄 讀者號 姓名 地址 性別 年齡 單位對每本書保存記錄 書名 作者 出版社對每一本被借出的書保存 讀者號 借出日期 應還日期 歸還日期 北京林業(yè)大學軟件教研室 38 1 7 5數(shù)據模型的組成要素 數(shù)據結構 數(shù)據操作 數(shù)據的完整性約束 層次結構 網狀結構 關系結構 查詢 插入 刪除 修改 更新 正確 有效 相容 北京林業(yè)大學軟件教研室 39 1 8四種數(shù)據模型 1 8 1層次模型層次模型的數(shù)據結構 無雙親 根節(jié)點 根以外的其他結點有且僅有一個雙親結點 父子結點之間的聯(lián)系是一對多 1 n 的聯(lián)系 北京林業(yè)大學軟件教研室 40 具有四個記錄型 D R S TS與T是葉結點 它們沒有子女結點由D到R R到T 由D到S均是一對多的關系 北京林業(yè)大學軟件教研室 41 層次模型的數(shù)據操縱與數(shù)據完整性約束進行插入操作時 如果沒有相應的雙親結點值就不能插入子女結點值 進行刪除操作時 如果刪除雙親結點值 則相應的子女結點值也被同時刪除 修改操作時 應修改所有相應的記錄 以保證數(shù)據的一致性 層次模型的優(yōu)缺點 結構簡單 層次分明 查詢效率高 提供良好的數(shù)據完整性支持 不能直接表示多對多聯(lián)系 插入和刪除數(shù)據限制太多 查詢子女結點必須通過雙親結點 優(yōu)點 缺點 北京林業(yè)大學軟件教研室 42 1 8 2網狀模型 網狀模型的數(shù)據結構網狀模型是采用有向圖結構表示記錄型與記錄型之間聯(lián)系的數(shù)據模型 每個結點表示一個記錄型 每個記錄型可包含若干個字段 記錄型描述的是實體 結點間的帶箭頭的連線 或有向邊 表示記錄型間的1 n的父子聯(lián)系 網狀模型的特點 有一個以上的結點沒有雙親結點 允許結點有多個雙親結點 允許兩個結點之間有多種聯(lián)系 復合聯(lián)系 北京林業(yè)大學軟件教研室 43 網狀模型的數(shù)據操縱與完整性約束插入數(shù)據時 允許插入尚未確定雙親結點值的子女結點值 刪除數(shù)據時 允許只刪除雙親結點值 修改數(shù)據時 只需更新指定記錄即可 網狀模型的優(yōu)缺點 可表示實體間的多種復雜聯(lián)系 具有良好的性能和存儲效率 數(shù)據結構復雜 數(shù)據定義語言 數(shù)據操縱語言復雜 用戶需要了解系統(tǒng)結構的細節(jié) 優(yōu)點 缺點 北京林業(yè)大學軟件教研室 44 1 8 3關系模型 關系模型的數(shù)據結構及有關概念 小型數(shù)據庫系統(tǒng) Foxpro Access 大型數(shù)據庫系統(tǒng) Oracle SQLServer Informix Sybase 關系 二維表 元組 屬性 域 屬性的取值范圍 男 女 北京林業(yè)大學軟件教研室 45 分量每一行對應的列的屬性值 即為元組中的一個屬性值 關鍵字 Key 可惟一標識一個元組的屬性或屬性集 也稱為關系鍵或主碼 如S表中學號可以惟一確定一個學生 為學生關系的主碼 關系模式關系模式是對關系的描述 是關系模型的 型 一般表示為 關系名 屬性1 屬性2 屬性n 如 學生 學號 姓名 性別 年齡 系別 關系實例關系實例是關系模式的 值 是關系的數(shù)據 相當于二維表中的數(shù)據 北京林業(yè)大學軟件教研室 46 關系模型的數(shù)據操縱與完整性約束關系模型中的數(shù)據操作是集合操作 操作對象和操作結果都是關系 即若干元組的集合 關系模型把對數(shù)據的存取路徑隱蔽起來 用戶只要指出 干什么 而不必詳細說明 怎么干 從而大大地提高了數(shù)據的獨立性 提高了用戶操作效率 關系模型的優(yōu)缺點 有嚴格的數(shù)學理論根據 用關系描述實體間的聯(lián)系 具有更高的數(shù)據獨立性 更好的安全保密性 優(yōu)點 查詢效率不如非關系模型 缺點 北京林業(yè)大學軟件教研室 47 1 8 4面向對象模型 對象和對象標識對象是現(xiàn)實世界中實體的模型化 對象標識獨立于對象的內容和存儲位置 是一種邏輯標識符 通常由系統(tǒng)產生 它在整個系統(tǒng)范圍內是惟一的 兩個對象即使內部狀態(tài)值和方法都相同 如標識符不同 仍認為是兩個相等而不同的對象 每個對象都包含一組屬性和一組方法 一個學生一門課程一次考試記錄 對象 屬性 方法 對象 屬性 方法 北京林業(yè)大學軟件教研室 48 類 Class 和繼承 Inheritance 具有同樣屬性和方法集的所有對象構成了一個對象類 一個對象是某一類的實例 類的屬性域可以是基本數(shù)據類型 如整型 實型 字符型等 也可以是類 類的表示具有層次性和繼承性 對象 類 型 值 北京林業(yè)大學軟件教研室 49 面向對象模型的優(yōu)缺點 能完整地描述現(xiàn)實世界的數(shù)據結構 具有豐富的表達能力 優(yōu)點 模型相對比較復雜 缺點 涉及的知識比較多 因此 面向對象數(shù)據庫尚未達到關系數(shù)據庫的普及程度 北京林業(yè)大學軟件教研室 50 1 9數(shù)據庫系統(tǒng)的發(fā)展 關系數(shù)據模型 格式化數(shù)據模型 層次數(shù)據模型和網狀數(shù)據模型 面向對象的數(shù)據模型 支持三級模式的體系結構 用存取路徑來表示數(shù)據之間的聯(lián)系 獨立的數(shù)據定義語言 導航的數(shù)據操縱語言 概念單一 實體以及實體之間的聯(lián)系都用關系來表示 以關系代數(shù)為基礎 形式化基礎好 數(shù)據獨立性強 數(shù)據的物理存取路徑對用戶隱蔽 關系數(shù)據庫語言是非過程化的 大大降低了用戶編程的難度 支持面向對象的數(shù)據模型 保持或繼承第二代數(shù)據庫系統(tǒng)的優(yōu)點 具有開放性 第一代 第二代 第三代 傳統(tǒng)數(shù)據庫缺點 面向機器的語法數(shù)據模型 數(shù)據類型簡單 固定 結構與行為完全分離 被動響應 事務處理能力較差 北京林業(yè)大學軟件教研室 51 1 10數(shù)據庫技術與其他相關技術的結合 數(shù)據庫技術與分布處理技術相結合 出現(xiàn)了分布式數(shù)據庫 數(shù)據庫技術與人工智能技術相結合 出現(xiàn)了演繹數(shù)據庫 主動數(shù)據庫和知識庫等 數(shù)據庫技術與多媒體技術相結合 出現(xiàn)了多媒體數(shù)據庫 1 10 1分布式數(shù)據庫集中式系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)集中式數(shù)據庫就是集中在一個中心場地的電子計算機上 以統(tǒng)一處理方式所支持的數(shù)據庫 集中控制處理效率高 可靠性好 數(shù)據冗余少 數(shù)據獨立性高 易于支持復雜的物理結構去獲得對數(shù)據的有效訪問 北京林業(yè)大學軟件教研室 52 分散式數(shù)據庫系統(tǒng) 北京林業(yè)大學軟件教研室 53 分布式數(shù)據庫的定義分布式數(shù)據庫是一組結構化的數(shù)據集合 它們在邏輯上屬于同一系統(tǒng)而在物理上分布在計算機網絡的不同結點上 分布式數(shù)據庫的特點 自治與共享 冗余的控制 分布事務執(zhí)行的復雜性 數(shù)據的獨立