数据库复习--第1章

数据库系统概论第1章–绪论，如有错误烦请指正。

第一章 绪论

1.1 数据库系统概述

1.1.1 四个基本概念

• 数据：是数据库中存储的基本对象
  • 定义：描述事物的符号记录
  • 特点：数据与其语义是不可分的
• 数据库(DB)：是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合
  • 基本特征：
    • 数据按一定的数据模型组织、描述和储存
    • 可为各种用户共享
    • 冗余度较小
    • 数据独立性较高
    • 易扩展
• 数据库管理系统(DBMS):
  • 什么是DBMS：
    • 位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件
    • 是基础软件，是一个大型复杂的软件系统
  • DBMS的用途
    • 科学地组织和存储数、高效地获取和维护数据
• 数据库系统
  • 什么是？：在计算机系统中引入数据库后的系统构成
  • 组成：数据库、DBMS、应用系统、数据库管理员

1.1.2 数据管理技术的产生和发展

• 什么是数据管理
  • 对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护
  • 是数据处理的中心问题
• 数据管理技术的发展过程
  • 人工管理阶段（20世纪49年代中–50年代中）
  • 文件系统阶段（20世纪50年代末–60年代中）
  • 数据库系统阶段（20世纪60年代末–现在）
• 数据管理技术的发展动力
  • 应用需求的推动
  • 计算机硬件的发展
  • 计算机软件的发展

文件系统记录内有结构，整体无结构（因文件是独立的），数据只能是定长的，数据的最小存取单位是记录。

1.1.3 数据库系统的特点

• 数据结构化
  • 整体数据的结构化是数据库的主要特征之一
  • 整体结构化，不再仅针对某个应用，而是面向全组织，不仅数据内部结构化，整体也是结构化的，数据之间具有联系
  • 数据可以变长，最小存取单位是数据项。
• 数据的共享性高，冗余度低，易扩充
• 数据独立性高
  • 物理独立性
  • 逻辑独立性
  • 数据独立性由DBMS的二级映像功能来保证的
• 数据由DBMS统一管理和控制
  • 数据的安全性保护
  • 数据的完整性检查
  • 并发控制
  • 数据库恢复

1.2 数据模型

1.2.1 两大类数据模型

• 概念模型（信息模型），按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计。
• 逻辑模型（数据模型）和物理模型
  • 逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面向对象模型，用于DBMS实现
  • 物理模型是对最底层的抽象

1.2.2 数据模型的组成要素

• 数据结构
  • 定义：描述数据库的组成对象，以及对象之间的联系
  • 数据结构是对系统静态特性的描述
• 数据操作
  • 数据操作类型：查询、更新（插入、删除、修改）
  • 数据操作是对系统动态特性的描述
• 完整性约束条件
  • 在关系模型中，任何关系必须满足实体完整性和参照完整性两个条件。

1.2.3 概念模型

• 用途
  • 用于信息世界的建模，是现实世界到机器世界的一个中间层次，是数据库设计人员和用户之间进行交流的语言
• 常用E-R图表示
  • 实体性：用矩形表示，框内写明实体名
  • 属性：用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来
  • 联系：用菱形表示，框内写明联系名，用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n、m:n）
  • 联系的属性：联系本身也是一种实体型，也可以有属性

1.2.4 最常用的数据模型

• 非关系模型
  • 层次模型
  • 网状模型
• 关系模型
• 面向对象模型
• 对象关系模型

1.2.5 层次模型

层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型，典型代表是IBM公司的IMS(Information Management System)数据库管理系统。

层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系。

• 满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型：
  • 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根节点。
  • 根以外的其他结点有且只有一个双亲结点。
• 几个术语：
  • 根结点、双亲结点、兄弟结点、叶结点
• 特点：
  • 结点的双亲是唯一的
  • 只能直接处理一对多的实体联系
  • 每个记录类型可以定义一个排序字段，也称为码字段
  • 任何记录值只有按其路径查看时，才能显出它的全部意义
  • 没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在
• 多对多联系在层次模型中的表示
  • 将多对多联系分解成一对多联系
  • 方法：冗余结点法、虚拟结点法
• 完整性约束条件
  • 无相应的双亲结点值就不能插入子女结点值
  • 如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除
  • 更新操作时，应更新所有相应记录，以保证数据的一致性
• 存储结构
  • 邻接法：按照层次树前序遍历的顺序把所有记录值依次邻接存放，即通过物理空间的位置相邻来实现层次顺序
  • 链接法：用指针来反映数据之间的层次联系
    • 子女-兄弟链接法：每个记录两个指针，分别指向最左边的子女和最近的兄弟
    • 层次序列链接法：按树的前序遍历顺序链接各记录值
• 优缺点
  • 优点
    • 层次模型的数据结构比较简单清晰
    • 查询效率高，性能优于关系模型，不低于网状模型
    • 层次数据模型提供了良好的完整性支持
  • 缺点
    • 多对多联系表示不自然
    • 对插入和删除操作的限制多，应用程序的编写比较复杂
    • 查询子女结点必须通过双亲结点
    • 由于结构严密，层次命令趋于程序化

1.2.6 网状模型

网状数据库系统采用网状模型作为数据的组织方式，典型代表时DBTG系统，亦称CODASYL系统，是70年代有DBTG提出的一个系统方案，奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术。

• 满足下面两个条件的基本层次联系的集合
  • 允许一个以上的结点无双亲
  • 一个结点可以有多于一个的双亲
• 网状模型与层次模型的区别
  • 网状模型允许多个结点没有双亲结点
  • 网状模型允许结点有多于一个的双亲
  • 网状模型允许两个结点之间有多种联系（复合联系）
  • 网状模型可以更直接地去描述现实世界
  • 层次模型实际上是网状模型的一个特例
• 多对多联系在网状模型中的表示：将多对多联系直接分解成一对多联系
• 网状数据模型的操纵与完整性约束
  • 码：唯一标识记录的数据项的集合
  • 一个联系中双亲记录与子女记录之间是一对多联系
  • 支持双亲记录和子女记录之间某些约束条件
• 存储结构：单向链接、双向链接、环状链接、向首链接
• 优点：
  • 能够更为直接地描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲
  • 具有良好的性能，存取效率较高
• 缺点：
  • 结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握
  • DDL、DML语言复杂，用户不容易使用

1.2.7 关系模型

关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式，1970年美国IBM公司首次提出了数据库系统的关系模型，计算机厂商新推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型。

• 在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表。

• 数据结构

  • 关系：一个关系对应通常说的一张表
  • 元组：表中的一行即为一个元组
  • 属性：表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名
  • 主码：表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组
  • 域：属性的取值范围
  • 分量：元组中的一个属性值
  • 关系模式：对关系的描述
    关系名（属性1，属性2，……，属性n）

• 关系必须是规范化的，满足一定的规范条件

  • 最基本的规范条件：关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项，不允许表中还有表。

• 关系的完整性约束条件

  • 实体完整性
  • 参照完整性
  • 用户定义的完整性

• 优点：

  • 建立在严格的数学概念的基础上
  • 概念单一
    • 实体和各类联系都用关系来表示
    • 对数据的检索结果也是关系
  • 关系模型的存取路径对用户透明
    • 具体更高的数据独立性，更好的安全保密性
    • 简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作

• 缺点：

  • 存取路径对用户透明导致查询效率往往不如非关系数据模型
  • 为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化增加了开发DBMS的难度

1.3 数据库系统结构

从数据库管理系统角度看，通常采用三级模式结构，是数据库内部的系统结构
从数据库最终用户角度看，数据库系统的结构分为：单用户结构、主从式结构、分布式结构、客户/服务器、浏览器/应用服务器/数据库服务器多层结构等

1.3.1 数据库系统的三级模式结构

• 模式（也成逻辑模式）
  • 数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述
  • 所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求
  • 一个数据库只有一个模式
  • 是数据库系统模式结构的中间层
• 外模式
  • 数据库用户使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述
  • 数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示
  • 介于模式与应用之间
  • 一个数据库可以有多个外模式
  • 用途：
    • 保证数据库安全性的一个有力措施
    • 每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据
• 内模式
  • 是数据物理结构和存储方式的描述
  • 是数据在数据库内部的表示方式
  • 一个数据库只有一个内模式

1.3.2 数据库的二级映像功能与数据独立性

• 三级模式是对数据的三个抽象级别
• 二级映像在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换
  • 外模式/模式映像
  • 模式/内模式映像
• 外模式/模式映像
  • 模式描述的是数据的全局逻辑结构，外模式描述的是数据的局部逻辑结构
  • 每一个外模式，数据库系统都有一个外模式/模式映像
  • 保证数据的逻辑独立性
    • 当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式/模式映像，使外模式保持不变
    • 应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。
• 模式/内模式映像
  • 模式/内模式映像定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。
  • 数据库中模式/内模式映像是唯一的
  • 该映像描述通常包含在模式描述中
  • 保证数据的物理独立性
    • 当数据库的存储结构改变了，数据库管理员修改模式/内模式映像，使模式保持不变
    • 应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。

1.4 数据库的组成

• 数据库
• 数据库管理系统（及其开发工具）
• 应用系统
• 数据库管理员