第一章 绪论

1.1 数据库系统概论

1.1.1 数据库的4个基本概念

1. 数据

• 数据：描述事物的符号
• 数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的

2. 数据库（DB）

• 数据库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
• 数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和存储
• 具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。
• 数据库数据特点：永久存储、有组织和可共享

3.数据库管理系统（DBMS）

• 数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件
• 主要功能：
  • 数据定义功能（DDL）：对数据库中的数据对象的组成与结构进行定义
  • 数据组织、存储和管理 ：提高存储空间利用率和方便存取
  • 数据操纵语言（DML）：对数据的基本操作-增删改查
  • 数据库的事物管理和运行管理
  • 数据库的建立和维护功能

4.数据库系统（DBS）

• 数据库系统是由数据库、数据库管理系统（及其应用开发工具），应用程序和数据库管理员（DBA）组成的存储、管理、处理和维护数据的系统。

1.1.2 数据管理技术的产生和发展

• 经历的三个阶段
  • 人工管理
  • 文件系统
  • 数据库系统

• 从文件系统到数据库系统标志着数据管理技术的飞跃

1.1.3 数据库系统的特点

• 数据结构化：数据库系统与文件系统的本质区别
• 数据的共享性高、冗余度低且易扩充
• 数据独立性高：
  • 物理独立性：用户的应用程序与数据库的数据的物理存储是相互独立的
  • 逻辑独立性：用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的
• 数据由数据库管理系统统一管理和控制
  • 数据的安全性保护：保护数据以防止不合法使用造成的数据泄露和破坏
  • 数据的完整性检查：数据的正确性、有效性和相容性
  • 并发控制：必须对多用户的并发操作加以控制和协调
  • 数据库恢复：将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态的功能
• 数据库系统从加工数据的程序为中心转向围绕共享的数据库为中心的新阶段。

1.2 数据模型

• 数据模型是对现实世界数据特征的抽象，用来描述数据、组织数据和对数据进行操作的
• 数据模型是数据库系统的核心和基础

1.2.1 两类数据模型

• 第一类：概念模型
  • 按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计
• 第二类：逻辑模型和物理模型
  • 逻辑模型：是按计算机系统的观点对数据建模，用于数据库管理系统的实现，例如层次模型、网状模型、关系模型、面向对象数据模型、对象关系数据模型、半结构化数据模型等
  • 物理模型：对数据最底层的抽象，描述数据在系统内部的表示方法和存取方法，在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法，是面向计算机系统的
• 主要将现实世界抽象为信息世界（概念模型），再将信息世界转换为机器世界（数据库管理系统支持的数据模型）

1.2.2 概念模型

1.基本概念

• 实体：客观存在并可相互区别的事物称为实体
• 属性：实体所具有的某一特性
• 码：唯一标识实体的属性集
• 实体型：实体名和属性名集合来抽象和刻画同类实体，eg.学生（学号，姓名，性别）
• 实体集：同一类型实体的集合
• 联系:实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系
  • 一对一：实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个实体与之联系，反之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一关系。（两边都是一对一）
  • 一对多：实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n>=0）与之联系，反之，实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对多的联系。（一边是一对一，一边是一对多）
  • 多对多：实体集A中每一个实体，实体集B中有n(n>=0)个实体与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m（m>=0）个实体与之联系，则称实体集A与实体集B具有多对多联系。（两边都是多对多）

2.概念模型的表示方法

• 实体-联系方法：E-R图

1.2.3 数据模型的组成要素

• 数据结构
• 数据操作
• 数据的完整性约束条件

1.2.4 层次模型

• 有且只有一个结点没有双亲节点，这个为根节点
• 根以为的其他结点有且只有一个双亲结点
• 层次模型的结点的双亲是唯一的

1.2.5 网状模型

• 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
• 层次模型中子女结点与双亲结点的联系是唯一的，再网状模型中这种联系可以不唯一

1.2.6 关系模型

1. 数据结构

• 关系：一个关系对应一张表
• 元组：一行即为一个元组
• 属性：一列即为一个属性
• 码（key）:可以唯一确定一个元组
• 域：具有相同数据类型的值的集合
• 分量：元组中的一个属性值
• 关系模型：对关系的描述（规范化、每一个分量必须是一个不可分的数据项）

2. 关系模型的数据操纵域完整性约束

• 实体完整性
• 参照完整性
• 用户定义完整性

3. 关系模型的优缺点

• 优点：
  • 关系模型与格式化模型不同，是建立在严格的数学概念的基础上的
  • 关系模型的概念单一，所以数据结构简单、清晰
  • 关系模型的存取路径对用户透明，有更高的数据独立性
• 缺点：
  • 存取路径对用户是隐蔽的，查询效率不高
  • 增加了开发数据库管理系统的难度

1.3 数据库系统的结构

1.3.1 数据库系统的三级模式结构

• 模型：即逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图
  • 使用数据定义语言（DDL）严格定义模式
• 外模式：即子模式/用户模式，是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图。
  • 使用数据定义语言（DDL）严格定义外模式
• 内模式：即存储模式，一个数据库只有一个内模式，它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组织方式。

1.3.2 数据库的二级映像功能与数据独立性

• 外模式/模式映像：当模式改变的时候，对外模式/模式映像做出改变，使外模式保持不变
• 模式/内模式映像：当存储结构改变时，对模式/内模式映像做出改变，使模式保持不变。

1.4 数据库系统的组成

• 硬件平台及数据库
• 软件
• 人员
  • 数据库管理员（DBA）
  • 系统分析员和数据库设计人员
  • 应用程序员
  • 用户