實訓項目簡介第7章數(shù)據庫系統(tǒng)第7章數(shù)據庫系統(tǒng)7.1概述7.2關系數(shù)據庫7.3數(shù)據庫設計7.4數(shù)據庫技術的應用7.1概述7.1.1數(shù)據庫系統(tǒng)基本概念7.1.2數(shù)據管理技術的發(fā)展7.1.3數(shù)據模型7.1.4數(shù)據庫系統(tǒng)體系結構7.1.1數(shù)據庫系統(tǒng)基本概念四個基本概念數(shù)據庫（Database）數(shù)據(Data)數(shù)據庫管理系統(tǒng)(DBMS)數(shù)據庫系統(tǒng)(DBS)一、數(shù)據數(shù)據(Data)的定義數(shù)據是信息的具體表現(xiàn)形式，是信息的載體；是描述事物的符號記錄。數(shù)據的表現(xiàn)形式數(shù)據與其語義是不可分的數(shù)字文字圖形圖像聲音視頻等二、數(shù)據庫數(shù)據庫的定義數(shù)據庫(Database,簡稱DB)是長期儲存在計算機內、有組織的、可共享的大量數(shù)據的集合。特點數(shù)據結構化數(shù)據共享好減少冗余，避免不一致數(shù)據獨立性高數(shù)據由DBMS統(tǒng)一管理和控制，增強安全性。三、數(shù)據庫管理系統(tǒng)什么是DBMS數(shù)據庫管理系統(tǒng)（DatabaseManagementSystem，簡稱DBMS）是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據管理軟件。三、數(shù)據庫管理系統(tǒng)（續(xù)）小型數(shù)據庫管理系統(tǒng)dBASE/FoxBASEFoxPro/VisualFoxProAccess大型數(shù)據庫管理系統(tǒng)OracleSQLServerDB2SybaseInformix四、數(shù)據庫系統(tǒng)什么是數(shù)據庫系統(tǒng)數(shù)據庫系統(tǒng)（DatabaseSystem，簡稱DBS）是指在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據庫后的系統(tǒng)。數(shù)據庫系統(tǒng)的構成數(shù)據庫（DB）數(shù)據庫管理系統(tǒng)（DBMS）及其開發(fā)工具應用系統(tǒng)數(shù)據庫管理員（DBA）用戶四、數(shù)據庫系統(tǒng)（續(xù)）7.1.2數(shù)據管理技術的發(fā)展數(shù)據管理指對各種數(shù)據進行分類、組織、編碼、存儲、檢索和維護，它是數(shù)據處理的中心問題。數(shù)據處理是指對各種數(shù)據進行收集、存儲、加工和傳播等活動。數(shù)據管理技術的發(fā)展人工管理階段(40年代中--50年代中)文件系統(tǒng)階段(50年代末--60年代中)數(shù)據庫系統(tǒng)階段(60年代末--現(xiàn)在)一、人工管理(40年代中--50年代中)產生的背景應用需求 科學計算 硬件水平 紙帶、卡片、磁帶 軟件水平 沒有操作系統(tǒng) 處理方式 批處理特點數(shù)據不能長期保存應用程序管理其所涉及的數(shù)據數(shù)據不能共享數(shù)據與程序之間不具有獨立性 二、文件系統(tǒng)(50年代末--60年代中)產生的背景應用需求 科學計算、管理 硬件水平 磁盤、磁鼓 軟件水平 專門管理數(shù)據的文件系統(tǒng) 處理方式 聯(lián)機實時處理、批處理 特點數(shù)據以文件形式可長期保存由文件系統(tǒng)管理數(shù)據不再屬于某個程序，可以重復使用數(shù)據的獨立性,共享性差，冗余度高三、數(shù)據庫系統(tǒng)(60年代末--現(xiàn)在)產生的背景應用背景 大規(guī)模管理 硬件背景 大容量磁盤 軟件背景 有數(shù)據庫管理系統(tǒng) 處理方式 聯(lián)機實時處理、分布處理、批處理特點數(shù)據的結構化數(shù)據獨立性數(shù)據的共享性高,冗余度低由DBMS對數(shù)據進行統(tǒng)一管理和控制7.1.3數(shù)據模型數(shù)據模型：是對現(xiàn)實世界數(shù)據特征的抽象，對數(shù)據庫如何組織的一種模型化表示，是數(shù)據庫系統(tǒng)的核心和基礎。數(shù)據模型應滿足三方面要求：能比較真實地模擬現(xiàn)實世界，容易為人所理解，便于在計算機上實現(xiàn)。7.1.3數(shù)據模型數(shù)據模型具有三個要素：

數(shù)據結構：包括應用所涉及的對象、對象具有的特征和對象間的聯(lián)系。是對數(shù)據庫靜態(tài)特征的描述。數(shù)據操作：是一組對數(shù)據結構的任何實例執(zhí)行的操作集合，如查詢、插入、刪除、修改，反映了數(shù)據的動態(tài)特性。數(shù)據約束：是對數(shù)據靜態(tài)特征和動態(tài)特性的限定，定義了相容的數(shù)據庫狀態(tài)的集合及可允許的狀態(tài)變化，保證了數(shù)據庫中數(shù)據的正確、有效和安全。7.1.3數(shù)據模型層次模型層次模型用樹型結構表示實體及實體之間的關系，樹中每個節(jié)點表示一個記錄類型，樹狀結構表示實體之間的關系。層次模型由滿足如下條件的結點組成：根結點：是唯一的一個無雙親結點。其它結點：有且僅有一個雙親結點。7.1.3數(shù)據模型層次模型代表1968，IBM公司的IMS系統(tǒng)。優(yōu)缺點結構清晰，容易理解；結點間聯(lián)系簡單，記錄之間的聯(lián)系通過指針來實現(xiàn)，查詢效率較高。只能表示一對多的聯(lián)系盡管有許多輔助手段實現(xiàn)多對多的聯(lián)系，但比較復雜，不易掌握7.1.3數(shù)據模型網狀模型滿足如下條件的結點組成：允許一個以上的結點無雙親結點；一個結點可以有多個雙親結點。7.1.3數(shù)據模型網狀模型特征：是一種用圖狀結構來組織數(shù)據的數(shù)據模型。圖中的每個結點代表一種記錄類型。優(yōu)缺點在網狀模型中，結點間的聯(lián)系更具有任意性，更能表示事物之間的復雜聯(lián)系，更適合于描述客觀世界。結構比較復雜，而且隨著應用環(huán)境的擴大，數(shù)據庫的結構就變得越來越復雜，不利于最終用戶掌握。DDL、DML語言復雜，用戶不容易使用7.1.3數(shù)據模型關系模型關系模型是一種用二維表格結構表示數(shù)據及數(shù)據之間聯(lián)系的數(shù)據模型。關系模型以關系代數(shù)為基礎，實體間通過公共屬性實現(xiàn)聯(lián)系，與數(shù)據的物理結構無關。目前，關系模型是數(shù)據庫設計中最常用的模型。7.1.4數(shù)據庫系統(tǒng)體系結構數(shù)據庫系統(tǒng)內部的體系結構從邏輯上分為三級：模式模式也稱邏輯模式，是數(shù)據庫中全體數(shù)據的邏輯結構和特征的描述，是面向全體用戶的基本數(shù)據視圖。外模式外模式也稱子模式或用戶模式，是數(shù)據庫用戶可見和使用的局部數(shù)據的邏輯結構和特征的描述，是數(shù)據庫用戶的數(shù)據視圖。內模式內模式是數(shù)據物理結構和存儲結構的描述，是數(shù)據在數(shù)據庫內部的表示。7.1.4數(shù)據庫系統(tǒng)體系結構應用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數(shù)據庫的三級模式結構圖兩級映像外模式/模式映像當模式被改變時，可以由DBA改變各個外模式/模式映像，以保證外模式不發(fā)生變化，從而使根據外模式編寫的應用程序也無需變化，這樣就保證了數(shù)據與程序的邏輯獨立性。模式/內模式映像當數(shù)據的物理存儲(即內模式)變化了，也可以由DBA來修改模式/內模式的映像，使得模式能夠保持不變，外模式也不會變化，當然，應用程序也無需變動，從而保證了數(shù)據庫中數(shù)據與程序的物理獨立性。7.1.4數(shù)據庫系統(tǒng)體系結構數(shù)據獨立性邏輯獨立性指用戶的應用程序與數(shù)據庫的邏輯結構是相互獨立的。數(shù)據的邏輯結構改變了，用戶程序也可以不變。物理獨立性指用戶的應用程序與存儲在磁盤上的數(shù)據庫中數(shù)據是相互獨立的。當數(shù)據的物理存儲改變了，應用程序不用改變。數(shù)據獨立性是由DBMS的二級映像功能來保證的。7.1.4數(shù)據庫系統(tǒng)體系結構7.2關系數(shù)據庫7.2.1關系數(shù)據結構基本概念7.2.2關系操作7.2.3關系完整性7.2.4關系數(shù)據庫語言7.2.1關系數(shù)據結構基本概念關系模型是一種用二維表格結構表示數(shù)據及數(shù)據之間聯(lián)系的數(shù)據模型。一張二維表代表一個關系。課程號課程名學時C401001數(shù)據結構70C401002操作系統(tǒng)80C402001計算機原理60課程關系C

元組1元組2元組3關系關系模式名（屬性名1，屬性名2，…，屬性名n）屬性關系模式域課程（課程號，課程名，學時）候選碼如果一組屬性集能唯一地標識一個關系中的元組而又不含有多余的屬性，則稱該屬性集為該關系的候選碼。主碼用戶選定的那個候選碼。特點唯一性最小性學號姓名…班級200401001張華…200401200401002李建平…200401200401003王麗麗…200401…………學生關系S7.2.1關系數(shù)據結構基本概念7.2.1關系數(shù)據結構基本概念關系模型的特點數(shù)據結構單一采用集合運算數(shù)據完全獨立數(shù)學理論支持7.2.2關系操作關系操作查詢選擇、投影、連接、除、并、交、差、笛卡爾積其中選擇、投影、并、差、笛卡爾積是五種基本操作。其他操作可以用基本操作來定義和導出。數(shù)據更新插入、刪除、修改7.2.3關系完整性關系模型中三類完整性約束：實體完整性實體完整性是指關系的主碼不能為空值參照完整性參照完整性是指參照關系的外碼取值不能超出被參照關系的主碼取值。外碼取值必需滿足兩種情況之一：被參照關系中某元組主碼的值要么取空值用戶定義的完整性根據應用環(huán)境的要求和實際的需要對某一具體應用所涉及的數(shù)據提出約束性條件例學生關系性別的取值必須滿足為‘男’或‘女’外碼外碼（ForeignKey）設F是基本關系R的一個或一組屬性，但不是關系R的碼。如果F與基本關系S的主碼Ks相對應，則稱F是基本關系R的外碼?；娟P系R稱為參照關系，基本關系S稱為被參照關系。實例學生（學號，姓名，性別，專業(yè)號，年齡）專業(yè)（專業(yè)號，專業(yè)名）7.2.4關系數(shù)據庫語言SQL(StructuredQueryLanguage)結構化查詢語言，是一種數(shù)據庫查詢和程序設計語言，用于存取數(shù)據以及查詢、更新和管理關系數(shù)據庫系統(tǒng)。SQL語言能夠強大，簡單易學，是一種被廣泛采用的關系數(shù)據庫語言。7.2.4關系數(shù)據庫語言SQL語言的發(fā)展ChamberlinSEQUELSQL大型數(shù)據庫

SybaseINFORMIXSQLServerOracleDB2INGRES----------------小型數(shù)據庫

FoxProAccess7.2.4關系數(shù)據庫語言SQL標準的進展過程

標準大致頁數(shù)發(fā)布日期SQL/861986.10SQL/89(FIPS127-1)120頁1989年SQL/92622頁1992年SQL991700頁1999年SQL20032003年7.2.4關系數(shù)據庫語言SQL語言的特點1．非過程化只要提出做什么，而不必指明如何做，對于存取路徑的選擇和語句的操作過程均由系統(tǒng)自動完成。2．功能一體化SQL集數(shù)據定義語言DDL,數(shù)據操縱語言DML，數(shù)據控制語言DCL以及附件語言元素于一體，語言風格統(tǒng)一。使得各類用戶只需要學習一種語言形式即可完成多種平臺的數(shù)據請求。3．一種語法兩種使用方式人機交互方式與嵌入主語言方式。7.2.4關系數(shù)據庫語言SQL語言的特點4．面向集合操作SQL語言的操作對象可以是記錄集。SQL語句可以接受記錄集作為輸入，返回記錄集作為輸出，也可以將一條SQL語句的結果作為另一條SQL語句的輸入。5.語法簡潔、易學易用7.2.4關系數(shù)據庫語言SQL的核心動詞SQL功能極強，完成核心功能只用了9個動詞。7.2.4關系數(shù)據庫語言SQL的簡單實例一個學生—課程數(shù)據庫，包括三個表：

學生表：S(Sno,Sname,Ssex,Sdept)

課程表：C(Cno,Cname,Ccredit)

學生選課表：SC(Sno,Cno,Grade)7.2.4關系數(shù)據庫語言數(shù)據定義1.創(chuàng)建表：例如，創(chuàng)建選課表SCCREATETABLESC(SnoCHAR(9)，

CnoCHAR(4)，

GradeSMALLINT，

PRIMARYKEY(Sno，Cno))7.2.4關系數(shù)據庫語言數(shù)據定義2.修改表：例如，為表S增加Sage列

ALTERTABLESADD

SageINT；3.刪除表：DROPTABLE

S7.2.4關系數(shù)據庫語言數(shù)據操縱1.插入：由VALUES子句定義。例如，在學生表S中插入一個學生信息。設這個學生的信息如下：學號：01021003，姓名：王力，性別：男，年齡：20，所在系：計算機系(CS)。寫出SQL語句如下：INSERTINTOS

VALUES(‘01021003’,‘王力’,‘男’,20,‘CS’)；數(shù)據操縱2.刪除：由WHERE子句定義刪除元組需要滿足的條件。例如，將學號為01021001的學生信息從學生表S中刪除。寫出SQL語句如下：

DELETE

FROMS

WHERESno=’01021001’；7.2.4關系數(shù)據庫語言數(shù)據操縱3.選擇例如，查詢學號為01021001的學生的基本信息。寫出SQL語句如下：

SELECT*

FROMS

WHERESno=’01021001’；

說明：“*”在此表示選擇所有的屬性。7.2.4關系數(shù)據庫語言數(shù)據操縱3.選擇例如，查詢學號為01021001的學生所選修的課程名。寫出SQL語句如下：

SELECTCname

FROMSC,C

WHERESC.Sno=’01021001’ANDSC.Cno=C.Cno；7.2.4關系數(shù)據庫語言7.3數(shù)據庫設計需求分析概念結構設計邏輯結構設計物理結構設計數(shù)據庫實施數(shù)據庫運行和維護7.3數(shù)據庫設計數(shù)據庫設計數(shù)據庫設計是指對于一個給定的應用環(huán)境，構造（設計）優(yōu)化的數(shù)據庫邏輯模式和物理結構，并據此建立數(shù)據庫及其應用系統(tǒng)；能夠有效地存儲和管理數(shù)據，滿足各種用戶的應用需求，包括信息管理要求和數(shù)據操作要求。7.3數(shù)據庫設計關系數(shù)據庫的設計步驟需求分析概念結構設計邏輯結構設計物理結構設計數(shù)據庫實施運行與維護7.3數(shù)據庫設計—需求分析1、需求分析任務對組織的工作現(xiàn)狀和用戶需求進行調查分析。明確用戶的信息需求和系統(tǒng)功能。提出擬建系統(tǒng)的邏輯方案。充分考慮今后可能的擴充和改變。重點調查的重點是“數(shù)據”和“處理”，獲得用戶對數(shù)據庫的要求信息要求處理要求安全性與完整性要求7.3數(shù)據庫設計—需求分析1、需求分析難點確定用戶最終需求用戶缺少計算機知識設計人員缺少用戶的專業(yè)知識解決方法設計人員必須不斷深入地與用戶進行交流7.3數(shù)據庫設計—概念結構設計2、概念結構設計將需求分析階段得到的用戶需求抽象為反映現(xiàn)實世界信息需求的數(shù)據庫概念結構。概念模型計算機現(xiàn)實世界信息信息世界概念化抽象DBMS支持的數(shù)據模型形式化轉換7.3數(shù)據庫設計—概念結構設計概念結構設計的特點能真實、充分地反映現(xiàn)實世界易于理解易于更改易于向關系、網狀、層次等各種數(shù)據模型轉換描述概念模型的工具E-R模型(實體-關系模型)7.3數(shù)據庫設計—概念結構設計E-R模型：用矩形表示實體型；用橢圓表示屬性；用菱形表示聯(lián)系，并標示出聯(lián)系的類型。課程學生選修學號姓名年齡性別系別課程號學分課程名成績mn7.3數(shù)據庫設計—邏輯結構設計3.邏輯結構設計邏輯結構設計任務把概念結構設計階段的E-R圖轉換成與具體的DBMS產品所支持的數(shù)據模型相一致的邏輯結構。邏輯結構設計的步驟①將概念結構轉化為一般的關系、網狀、層次模型②將轉換來的關系、網狀、層次模型向特定DBMS支持下的數(shù)據模型轉換③對數(shù)據模型進行優(yōu)化

7.3數(shù)據庫設計—邏輯結構設計邏輯結構設計時的3個步驟7.3數(shù)據庫設計—物理結構設計4、物理結構設計數(shù)據庫在物理設備上的存儲結構與存取方法稱為數(shù)據庫的物理結構，它依賴于選定的數(shù)據庫管理系統(tǒng)。為一個給定的邏輯數(shù)據模型選取一個最適合應用環(huán)境的物理結構的過程，就是數(shù)據庫的物理設計。物理結構設計依賴于給定的硬件環(huán)境和數(shù)據庫產品。數(shù)據庫物理設計的步驟①確定數(shù)據庫的物理結構，在關系數(shù)據庫中主要指存取方法和存儲結構，系統(tǒng)配置②對物理結構進行評價，評價的重點是時間和空間效率。如果評價結果滿足原設計要求，則可進入到物理實施階段，否則，就需要重新設計或修改物理結構，有時甚至要返回邏輯設計階段修改數(shù)據模型。7.3數(shù)據庫設計—物理結構設計數(shù)據庫物理結構設計確定數(shù)據庫的物理結構評價數(shù)據庫的物理結構邏輯結構設計數(shù)據庫實施物理模型邏輯模型7.3數(shù)據庫設計—物理結構設計7.3數(shù)據庫設計—數(shù)據庫實施5、數(shù)據庫實施根據邏輯設計和物理設計的結果，在選用的DBMS上建立起數(shù)據庫。具體有以下三項工作：建立數(shù)據庫結構。載入實驗數(shù)據并測試應用程序。載入全部實際數(shù)據并試運行應用程序。7.3數(shù)據庫設計—數(shù)據庫實施數(shù)據庫試運行在原有系統(tǒng)的數(shù)據有一小部分已輸入數(shù)據庫后，就可以開始對數(shù)據庫系統(tǒng)進行聯(lián)合調試，稱為數(shù)據庫的試運行

數(shù)據庫試運行主要工作包括：1）功能測試實際運行數(shù)據庫應用程序，執(zhí)行對數(shù)據庫的各種操作，測試應用程序的功能是否滿足設計要求如果不滿足，對應用程序部分則要修改、調整，直到達到設計要求2）性能測試測量系統(tǒng)的性能指標，分析是否達到設計目標如果測試的結果與設計目標不符，則要返回物理設計階段，重新調整物理結構，修改系統(tǒng)參數(shù)，某些情況下甚至要返回邏輯設計階段，修改邏輯結構

7.3數(shù)據庫設計—數(shù)據庫運行和維護6、數(shù)據庫的運行和維護數(shù)據庫試運行合格后，數(shù)據庫即可投入正式運行。數(shù)據庫投入運行標志著開發(fā)任務的基本完成和維護工作的開始。在數(shù)據庫運行階段，對數(shù)據庫經常性的維護工作主要是由DBA完成的，包括：數(shù)據庫的備份和恢復數(shù)據庫的安全性、完整性控制數(shù)據庫性能的監(jiān)督、分析和改進數(shù)據庫的重組織和重構造7.4數(shù)據庫系統(tǒng)的應用7.4.1管理信息系統(tǒng)7.4.2數(shù)據挖掘系統(tǒng)7.4.3空間數(shù)據庫7.4.4多媒體數(shù)據庫7.4.1管理信息系統(tǒng)管理信息系統(tǒng)（ManagementInformationSystem，簡稱MIS）是一個以人為主導，利用計算機硬件、軟件、網絡通信設備以及其他辦公設備，進行信息的收集、傳輸、加工、儲存、更新和維護，為企事業(yè)單位的運行、管理、分析和決策等職能提供信息支持的綜合性計算機應用系統(tǒng)，是管理人員實現(xiàn)其目標的有效工具。7.4.1管理信息系統(tǒng)一個完整的MIS應包括：輔助決策系統(tǒng)（DSS）工業(yè)控制系統(tǒng)（CCS）辦公自動化系統(tǒng)（OA）數(shù)據庫、模型庫、方法庫、知識庫與上級機關及外界交換信息的接口。從MIS的功能和服務對象，可分為：國家經濟信息系統(tǒng)企業(yè)管理信息系統(tǒng)事務型管理信息系統(tǒng)行政機關辦公型管理信息系統(tǒng)專業(yè)型管理信息系統(tǒng)等。7.4.2數(shù)據挖掘系統(tǒng)數(shù)據挖掘的概念概念數(shù)據挖掘是從存放在數(shù)據庫、數(shù)據倉庫或其他信息