第一章数据库系统简介,回溯数据管理的发展阶段 数据抽象与数据库模式 数据模型 数据库系统的构成 数据库新方向,1.1 数据管理的发展阶段,考察要点： 各阶段的技术及应用背景： 计算机应用范围 外存储设备 数据管理软件 各个阶段的差别体现： 谁管理数据 数据面向谁 数据与应用的独立性,数据管理的发展阶段（续）,人工管理阶段（50年代中期以前） 文件系统阶段（50年代后期-60年代中期） 数据库系统阶段（60年代后期开始） 数据库系统 VS 文件系统 软件发展趋势 数据库系统的特点,人工管理阶段,背景： 计算机主要用于科学计算（数据量小、结构简单，如高阶方程、曲线拟和等）。 外存只有磁带、卡片、纸带等，没有磁盘等直接存取设备。 没有操作系统，没有数据管理软件（用户用机器指令编码）。,人工管理阶段（续）,特点： 用户负责数据的组织、存储结构、存取方法、输入输出等细节。 数据完全面向特定的应用程序，每个用户使用自己的数据，数据不保存，用完就撤走。 数据与程序没有独立性，程序中存取数据的子程序随着存储结构的改变而改变。,人工管理阶段（续）,文件系统阶段,背景： 计算机不但用于科学计算，还用于管理。 外存有了磁盘、磁鼓等直接存取设备。 有了专门管理数据的软件，一般称为文件系统，包括在操作系统中。,文件系统阶段（续）,特点： 系统提供存取方法（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（增、删、改、查等），用户程序不必考虑物理细节。数据的存取基本上以记录为单位。 一个数据文件对应一个或几个用户程序，还是面向应用的。 数据与程序有一定的独立性，因为文件的逻辑结构与存储结构由系统进行转换，数据在存储上的改变不一定反映在程序上。,文件系统阶段（续）,文件系统阶段（续）,数据与程序的独立性差： 文件系统的出现并没有从根本上改变数据与程序紧密结合的状况。文件系统只是解脱了程序员对物理设备存取的负担，它并不理解数据的语义，只负责存储。数据的语义信息只能由程序来解释，也就是说，数据收集以后怎么组织，以及数据取出来之后按什么含义应用，只有全权管理它的程序知道。数据的逻辑结构改变则必须修改应用程序。一个应用若想共享另一个应用生成的数据，必须同另一个应用沟通，了解数据的语义与组织方式。,文件系统阶段（续）,数据的冗余度大： 数据仍然是面向应用的。当不同应用程序所需要的数据有部分相同时，也必须建立各自的文件，而不能共享相同的数据。数据分散管理。 数据的不一致性： 由于数据存在很多副本，给数据的修改与维护带来了困难，容易造成数据的不一致性。,数据库系统阶段,背景： 计算机管理的数据量大，关系复杂，共享性要求强（多种应用、不同语言共享数据）。 外存有了大容量磁盘，光盘。 软件价格上升，硬件价格下降，编制和维护软件及应用程序成本相对增加，其中维护的成本更高，力求降低。,数据库系统阶段（续）,特点： 有了数据库管理系统。 面向全组织，面向现实世界。 独立性较强。 由DBMS统一存取，维护数据语义及结构,数据库系统阶段（续 ）,数据库观点：数据不是依赖于处理过程的附属品，而是现实世界中独立存在的对象。,数据库系统 vs 文件系统,文件系统,数据管理,应用,应用,文件系统,应用 数据管理,应用 数据管理,数据库系统 vs 文件系统（续）,例子： Supplier: sname, sno, city Project: jname, jno, city Part: pname, pno, color,供应商,项目,零件,供应,查询： “北京的所有工程” “供应红色零件给北京的工程的供应商” 维护： “不允许供应不存在的零件”,数据库系统 vs 文件系统（续）,文件系统： 分别组织三个文件，存储各类对象的记录。 系统不支持文件间的联系，由应用程序负责查询表达及数据的维护。,SELECT SNO FROM P, J, SPJ WHERE SPJ.JNO = J.JNOAND SPJ.PNO = P.PNOAND J.CITY = “BEIJING”AND P.COLOR = “RED”,数据库系统（关系）： 数据统一按表结构存放，联系也表为表形式，设为S，P，J，SPJ。 查询：只需提查询要求，由系统完成查询过程 维护：应用提出完整性约束，系统自动检查。,CREATE TABLE SPJ( ,FOREIGN KEY (PNO) REFERENCES P(PNO), ),数据库系统 vs 文件系统（续）,文件系统的弱点： 文件之间无联系 难于维护数据的完整性 数据库系统的用武之地： 有查询 数据复杂 效率两面观： 运行效率 开发效率,软件发展趋势,软件开发正由编码向集成转变,编码,集成,1970 1990 2010,软件发展趋势（续）,机器与汇编语言 1950 编译语言 1960 子程序 数据库服务 1985 特定域对象库 1990 预定义的结构及解决方案 商用对象库 2000 域标准，组件,子程序,服务,数据库系统的特点,面向全组织的复杂的数据结构 支持全企业的应用而不是某一个应用。 数据反映了客观事物间的本质联系，而不是着眼于面向某个应用，是有结构的数据。这是数据库系统的主要特征之一，与文件系统的根本差别。文件系统只是记录的内部有结构，一个文件的记录之间是个线性序列，记录之间无联系。 例：学校劳资科、学籍科、房产科。,数据库系统的特点（续）,数据的冗余度小，易扩充 数据面向整个系统，而不是面向某一应用，数据集中管理，数据共享，因此冗余度小。 节省存储空间，减少存取时间，且可避免数据之间的不相容性和不一致性。 每个应用选用数据库的一个子集，只要重新选取不同子集或者加上一小部分数据，就可以满足新的应用要求，这就是易扩充性。,数据库系统的特点（续）,具有较高的数据和程序的独立性 数据与程序相对独立，把数据库的定义和描述从应用程序中分离出去。描述又是分级的（全局逻辑、局部逻辑、存储），数据的存取由系统管理，用户不必考虑存取路径等细节，从而简化了应用程序。 数据独立性：当数据的结构发生变化时，通过系统提供的映象（转换）功能，使应用程序不必改变,数据库系统的特点（续）,数据的物理独立性：当数据的存储结构改变时，通过数据的存储结构与逻辑结构之间的映象，数据的逻辑结构可以保持不变，从而应用程序也不必改变。 数据的逻辑独立性：当数据的总体逻辑结构改变时，通过数据的总体逻辑结构与局部逻辑结构之间的映象，数据的局部逻辑结构可以保持不变，从而应用程序也不必改变。,数据库系统的特点（续）,统一的数据控制功能，数据共享程度高 数据的安全性控制（Security） 保护数据以防止不合法的使用所造成的数据泄露和破坏。 措施：用户标识与鉴定，存取控制。 数据的完整性控制（Integrity） 数据的正确性、有效性、相容性。 措施：完整性约束条件定义和检查。 并发控制（Concurrency） 对多用户的并发操作加以控制、协调，防止其互相干扰而得到错误的结果并使数据库完整性遭到破坏。 措施：封锁。,1.2 数据抽象与数据库模式,数据抽象 数据库模式,数据抽象,信息世界: 数据库系统是面向计算机的，而应用是面向现实世界的，两个世界存在着很大差异，要直接将现实世界中的语义映射到计算机世界是十分困难的，因此引入一个信息世界作为现实世界通向计算机实现的桥梁。 一方面，信息世界是对现实世界的抽象，从纷繁的现实世界中抽取出能反映现实本质的概念和基本关系;另一方面，信息世界中的概念和关系，要以一定的方式映射到计算机世界中去，在计算机系统上最终实现。信息世界起到了承上启下的作用。,数据抽象（续）,数据库模式,模式： 数据的抽象，数据的描述。 元数据（meta-data)：描述数据的数据。 例：身份证，文献索引，2n-1。 型与值的区别 数据字典 从HTML到XML，Why？,数据库模式（续）,模式的分级： 为了提高数据的物理独立性和逻辑独立性，使数据库的用户观点，即用户看到的数据库，与数据库的物理方面，即实际存储的数据库区分开来，数据库系统的模式是分级的。 数据库系统三级模式结构： CODASYL（Conference On Data System Language,美国数据系统语言协商会）提出模式、外模式、存储模式三级模式的概念。三级模式之间有两级映象。,数据库模式（续）,数据库,内模式,模 式,外模式2,外模式1,外模式3,应用A,应用B,应用C,应用D,应用E,外模式/模式映象,模式/内模式映象,数据库模式（续）,外模式(Sub-Schema)： 用户的数据视图。是数据的局部逻辑结构，模式的子集。 模式(Schema)： 所有用户的公共数据视图。是数据库中全体数据的全局逻辑结构和特性的描述。 内模式(Storage Schema)： 又称存储模式。数据的物理结构及存储方式。,数据库模式（续）,外模式/模式映象： 定义某一个外模式和模式之间的对应关系，映象定义通常包含在各外模式中。当模式改变时，修改此映象，使外模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为逻辑独立性。 模式/内模式映象： 定义数据逻辑结构与存储结构之间的对应关系。存储结构改变时，修改此映象，使模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为物理独立性。,数据库模式（续）,ANSI/X3/SPARC(75,78)提出SPARC报告，其ANSI模型分为外部级、概念级、内部级。,存储视图,概念视图,用户视图2,用户视图3,用户视图1,1.3 数据模型,数据模型定义 概念数据模型 结构数据模型的三要素 结构数据模型示例,数据模型定义,数据模型定义（续）,数据模型： 是数据库系统中用于提供信息表示和操作手段的形式构架。 概念数据模型： 按用户的观点来对数据和信息建模。用于组织信息世界的概念，表现从现实世界中抽象出来的事物以及它们之间的联系。这类模型强调其语义表达能力，概念简单、清晰，易于用户理解。它是现实世界到信息世界的抽象，是用户与数据库设计人员之间进行交流的语言。如E-R模型。,数据模型定义（续）,结构数据模型： 从计算机实现的观点来对数据建模。是信息世界中的概念和联系在计算机世界中的表示方法。一般有严格的形式化定义，以便于在计算机上实现。如层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型。,概念数据模型（E/R）,学生,课程,选修,学号,姓名,系别,课程名,先修课,主讲老师,成绩,实体,联系,属性,概念数据模型（ODL）,Product,Person,Company,category,name,price,name,stockprice,name,address,ssn,buys,worksFor,madeBy,employs,makes,类,关联,属性,结构数据模型的三要素,数据结构 数据操作 数据的约束条件,数据结构,数据结构：描述系统的静态特性，即组成数据库的对象类型。包括： 数据本身：类型、内容、性质。如网状模型中的数据项、记录，关系模型中的域、属性，关系等。 数据之间的联系：例如网状模型中的系型（Set Type） 在数据库系统中一般按数据结构的类型来命名数据模型。,数据操作,描述系统的动态特性，即对数据库中对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及操作规则。一般有检索、更新（插入、删除、修改）操作。 数据模型要定义操作含义、操作符号、操作规则，以及实现操作的语言。,数据约束条件,数据的约束条件是完整性规则的集合，规定数据库状态及状态变化所应满足的条件，以保证数据的正确、有效、相容。,结构数据模型示例,层次模型 网状模型 关系模型,