第一章 数据库入门
第一章 数据库入门
目录
1、数据库基本概念
1.1 数据库划分
1.1.1 简介
1.1.2 数据库大体划分及其作用
1.1.3数据库系统与其他课程的关系
###1.2 概念
1.2.1 数据库
1、 数据库与信息管理
- 数据库是电子化信息的集合，将信息规范化并使之电子化,形成电子信息‘库’,以便利用计算机对这些信息进行快速有效的存储、检索、统计与管理
2、数据库与”表“
- 数据库起源于规范化“ 表(Table)” 的处理，Table: 以按行按列形式组织及展现的数据
3、影响
- E.F.Codd, 基于对“表(Table)”的理解:提出了“ 关系” 及关系模型，提出了关系数据库理论，开创了数据库的时代，当前普遍应用的数据库管理系统的奠基者， 获得了计算机领域最高奖“图灵奖
4、对“ 表” 的抽象
- 开始“抽象”: 理解-区分-命名-表达
- Table的构成暨关于Table的常用术语
5、数据库与“ 表” 的关系:Database: 相互之间有关联关系的Table的集合
6、数据库的分类:关系数据库、图像数据库、工程数据库
1.2.2 数据库系统
1、数据库系统的构成—概念层次
- 数据库(DB): Database
- 数据库管理系统(DBMS): Database Management System
- 数据库应用(DBAP): DataBase Application
- 数据库管理员(DBA): DataBase Administrator
- 计算机基本系统
2、数据库系统构成— 实例层次
1.2.3数据库管理系统
1、用户角度
- 数据库定义 : 定义数据库中Table 的名称、标题(内含的属性名称及对该属性的值的要求)等 ，DBMS 提供一套数据定义语言**(DDL**:Data Definition Language) 给用户，用户使用DDL 描述其所要建立表的格式，DBMS 依照用户的定义，创建数据库及其中的Table。
- 数据库操纵 : 向数据库的Table中增加/删除/更新数据及对数据进行查
询、检索、统计等。 DBMS 提供一套数据操纵语言(DML:Data Manipulation Language) 给用户，用户使用DML 描述其所要进行的增、删、改、查等操作，DBMS 依照用户的操作描述，实际执行这些操作。 - 数据库控制 : 控制数据库中数据的使用— 哪些用户可以使用, 哪些不可以，DBMS 提供一套数据控制语言(DCL:Data Control Language) 给用户，用户使用DCL 描述其对数据库所要实施的控制，DBMS 依照用户的描述，实际进行控制。
- 数据库维护 : 转储/恢复/重组/性能监测/分析，DBMS 提供一系列程序( 实用程序/ 例行程序) 给用户，在这些程序中提供了对数据库维护的各种功能，用户使用这些程序进行各种数据库维护操作，数据库维护的实用程序，一般都是由数据库管理员(DBA)。
2、数据库语言：使用者通过数据库语言利用DBMS操作数据库
数据库各种操作的执行，DBMS 按用户要求进行定义、操纵、控制和维护
3、数据库语言与高级语言
一条数据库语言语句相当于高级语言的一个或多个循环程序，数据库语言可以嵌入到高级语言(宿主语言)中使用
4、系统实现角度看DBMS
“形式—>构造 ----->自动化”---->数据库管理系统的实现，解析语言并执解析语言并执行的系统-数据库管理系统
DBMS 为完成DB 管理，在后台运行着一系列程序
- 语言编译器：将用数据库语言书写的内容，翻译成DBMS可执行的命令。例如: DDL编译器, DML编译器, DCL编译器等;
- 查询优化(执行引擎)与查询实现(基本命令的不同执行算法)：提高数据库检索速度的手段；例如贯穿于数据存取各个阶段的优化程序;
- 数据存取与索引：提供数据在磁盘、磁带等上的高效存取手段。例如:存储管理器，缓冲区管理器，索引/文件和记录管理器等;
- 通信控制：提供网络环境下数据库操作与数据传输的手段;
- 事务管理：提供提高可靠性并避免并发操作错误的手段
- 故障恢复：使数据库自动恢复到故障发生前正确状态的手段，例如提供
了备份、运行日志操控等实用程序 - 安全性控制：提供合法性检验，避免非授权非法用户访问数据库的手段
- 完整性控制：提供数据及数据操作正确性检查的手段
- 数据字典管理：管理用户已经定义的信息
- 应用程序接口(API)：提供应用程序使用DBMS特定功能的手段
- 数据库数据装载、重组等实用程序
- 数据库性能分析：统计在运行过程中数据库的各种性能数据，便于优化
运行
2、数据库系统的标准结构
典型书店数据库系统
2.1 数据库系统的分层抽象：DBMS管理数据的三个层次
1、External Level = User Level： 某一用户能够看到与处理的数据, 全局数据中的某一部分
2、Conceptual Level = Logic level： 从全局角度理解/管理的数据, 含相应的关联约束
3、Internal Level = Physical level：存储在介质上的数据，含存储路径、存储方式 、索引方式等
2.2 数据( 视图) 与模式
模式(Schema)：对数据库中数据所进行的一种结构性的描述，即所观察到数据的结构信息
- 数据的结构---- 模式：学生登记表( 号 学号 char(8), 姓名 char(10),性别 Char(2), 月 出生年月 datetime, 入学日期 Datetime, 址 家庭住址 Char(40) )
- 视图(View)/ 数据(Data)：某一种表现形式下表现出来的数据库中的数据
- 展现的数据---- 视图： 表单
2.3 三级模式两层映像
三级模式
1、External Schema ---- (External) View：某一用户能够看到与处理的数据的结构描述
2、(Conceptual) Schema ---- Conceptual View：从全局角度理解/管理的数据的结构描述, 含相应的关联约束，体现在数据之间的内在本质联系
3、Internal Schema ---- Internal View：存储在介质上的数据的结构描述，含存储路径、存储方式 、索引方式等
两层映像
1、E-C Mapping：External Schema-Conceptual Schema Mapping
- 将外模式映射为概念模式，从而支持实现数据概念视图向外部视图的转换,便于用户观察和使用
2、C-I Mapping：Conceptual Schema-Internal Schema Mapping - 将概念模式映射为内模式，从而支持实现数据概念视图向内部视图的转换，便于计算机进行存储和处理
2.4 数据库系统的标准结构
2.5 两个独立性
1、逻辑数据独立性：当概念模式变化时，可以不改变外部模式(只需改变E-C Mapping)，从而无需改变应用程序
2、物理数据独立性：当内部模式变化时，可以不改变概念模式(只需改变C-I Mapping) ，从而不改变外部模式
3、数据模型
3.1 数据模型的概念
模式 与 模式的结构：数据模型
- 规定模式统一描述方式的模型，包括：数据结构、操作和约束
- 数据模型是对模式本身结构的抽象，模式是对数据本身结构形式的抽象
- 关系模型：所有模式都可为抽象表(Table)的形式[数据结构]，而每一个具体的模式都是拥有不同列名的具体的表。对这种表形式的数据有哪些[操作]和[约束]
3.2 三大经典的数据模式
3.2.1 关系模型： 表 的形式组织数据
关系模型(表的形式)：元组，属性，表名
关系模型的模式：学生登记表( 学号 char(8), 姓名char(10), 性Char(2), 出生年月datetime, 入学日期 Datetime, 家庭住址Char(40) )
关系模型的数据：二维表单填充的数据
3.2.2 层次模型： 树 的形式组织数据
3.2.3 网状模型： 图 的形式组织数据
4、数据库系统的演变与发展
4.1 简要发展史:四个阶段
- 第一阶段：数据库技术探索阶段(59-65/67)研制成功格式文件系统， 正式提出“ Data Base” ，并开始进行研究
- 第二阶段：数据库技术确立阶段(65/68-75)：三大数据库：层次、网状及关系数据库相继提出并进行了深入研究，商用数据库出现并应用，但多为网状及层次型系统，数据库研究形成理论基础：关系数据库理论
- 第三阶段：数据库技术成熟阶段(76-80s 前期)，提出了标准化数据库系统结构模型，关系DB 系统迅速发展：如SQL, QBE, System R ,Ingres等 ，关系理论日臻完善，包括规范化理论，关系语言，RDB的设计与实现，新型关系模型等；数据库应用已十分普及，渗透到社会各个方面，出现众多DB的技术分
支，DB 走向全面成熟，人称70 年代为“数据库的年代“。 - 第四阶段：数据库技术深化发展阶段(85 年以来)，数据库方法逐步理论化、数据库设计理论不断完善。新型数据模型、专用数据模型, 专用型、新型数据库系统，不断涌现。数据库技术+ 其他计算机技术结合 == 面向各行各业的专用数据库
4.2 由文件系统到数据库
-
文件系统：文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管
理、文件保护、向用户提供操作接口。 - 提供了不同的存取方法(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 支持对文件的基本操作( 增、删、改、查等), 数据存取基本上以 数据存取基本上以 记录 为单位
-
优点: 用户( 程序) 不必考虑文件存储的物理细节, 解脱了对物理设备存取
复杂性处理的负担 -
不足: 数据与程序紧密结合，数据的组织及语义紧密依赖于处理该文件的
应用程序，数据结构发生改变则必须修改应用程序，文件之间无联系，文件
的记录之间无联系，共享性差，冗余度大，不一致性高 - 数据库系统: 由DBMS统一存取、维护数据组织形式及语义，可较强地独立于应用程序(数据的物理独立性和逻辑独立性)。把数据及数据结构的定义和描述从应用程序中分离出去，交给DBMS, 使得多个应用程序可共享数据及数据结构的操作, 数据存取可以 数据存取可以 记录为单位，也可以以数据项 和 记录集合 为单位。
4.3 由层次模型数据库、网状模型数据库到关系数据库
- 层次模型与网状模型数据库：数据之间的关联关系由复杂的指针系统来维系，结构描述复杂，数据检索操作依赖于由指针系统指示的路径，逐一记录的操作，不能有效支持记录集合的操作
- 关系模型数据库：数据之间的关联关系由Table中属性的值来表征，结构描述简单： 中属性的值来表征，结构描述简单：Table/relation。数据检索操作 不依赖于 路径信息或过程信息，支持非过程化的数据操作。有效支持记录集合的操作。较为完善的理论基础。
- 关系数据库： 按行按列形式组织数据：关系的第1范式，数据项的不可再分特性。关系运算: 关系代数、元组演算、域演算–标准SQL。关系数据库设计理论。
4.4 由关系数据库到对象关系数据库、面向对象数据库4.
- 对象-关系数据库：可有效支持不满足关系第1范式的数据项 范式的数据项。以对象来封装需分解的数据项，行对象与列对象；聚集对象与结构对象
- 面向对象数据库：面向对象技术(O-O) 与集合/ 聚集操作技术(SQL)的结合。支持复杂的数据类型，数据封装与抽象数据结构。支持面向对象的一些特性：类、继承、封装、多态…
- XML 数据库：是数据库的另一种形式, 被称为半结构化数据库；数据与数据的语义 合并在一起进行存储和处理 合并在一起进行存储和处理；面向数据交换而提出 而提出, 在 在 互联网世界得到广泛应用 得到广泛应用.
4.5 由多种多样的数据库到多数据库开放式互连
- 多种多样的数据库：Oracle、Sybase、Ingres、DB 2、MS Access、Informix……
- 开放互连多种多样的数据库： ODBC、JDBC
4.6 由普通数据库到与各种先进技术结合所形成的新型数据库
OA ：DB + Management Information System
Database Machine --> DB + Computer Architecture
Intelligent Database --> DB + Artificial Intelligence
Distributed Database(DDB) --> DB + Computer Network。 。
Image Database / Multimedia Database --> DB + Image processing/ Multimedia processing。 。
Temporal Database --> DB + 时态技术处理。
Mobile Database --> DB + 移动计算技术。
Active Database --> DB + 产生式规则/ 触发器技术。
Fuzzy Database --> DB + 模糊处理技术。
Real-Time Database --> DB + 实时处理技术。
Engineering Database --> DB + CAD/CAPP/CAM 技术。
Geographical Databas 和空间数据库(Spacial Database) --> DB +数字地图、全球定位、空间分析技术。
Statistical Database --> DB + 统计学。
Internet Database --> DB + Internet/WWW( 网页/HTML 文档)。 。
Data Warehouse/Data Mining --> DB + OLAP + 统计学。
NoSQL