数据库 － 数据库概论

数据库地位

数据库技术产生于六十年代末，是数据管理的最新技术，是计算机科学的重要分支。
数据库技术是信息系统的核心和基础，它的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透。
数据库的建设规模、数据库信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志。

数据

数据(Data)是数据库中存储的基本对象
数据的定义
描述事物的符号记录
数据的种类
文本、图形、图像、音频、视频、学生的档案记录、货物的运输情况等
数据的特点
数据与其语义是不可分的

数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的。
例如 93是一个数据
语义1：学生某门课的成绩
语义2：某人的体重
语义3：计算机系2003级学生人数
学生档案中的学生记录
（李明，男，197205，江苏南京市，计算机系，1990）
语义：学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在院系、
入学时间
解释：李明是个大学生，1972年5月出生，江苏南京市人，1990年考入计算机系

数据库

数据库的定义
数据库(Database,简称DB)是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。
数据库的基本特征
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

什么是DBMS, Database Management System
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
商业产品：Oracle, SQL Server, DB2, Sybase, Informix
开源产品： MySQL，Berkeley DB
DBMS的用途
科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据。
数据定义功能
提供数据定义语言(DDL)
定义数据库中的数据对象
数据组织、存储和管理
分类组织、存储和管理各种数据
确定组织数据的文件结构和存取方式
实现数据之间的联系
提供多种存取方法提高存取效率
数据操纵功能
提供数据操纵语言(DML)
实现对数据库的基本操作 (查询、插入、删除和修改)
数据库的事务管理和运行管理
数据库在建立、运行和维护时由DBMS统一管理和控制
保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用
发生故障后的事务恢复

数据库管理

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
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40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)

数据库系统特点

数据结构化
数据的共享性高，冗余度低，易扩充
数据独立性高
数据由DBMS统一管理和控制
整体数据的结构化是数据库的主要特征之一
整体结构化
不再仅仅针对某一个应用，而是面向全组织
不仅数据内部结构化，整体是结构化的，数据之间具有联系

数据库中实现的是数据的真正结构化
数据的结构用数据模型描述，无需程序定义和解释
数据可以变长
数据的最小存取单位是数据项

数据库系统从整体角度看待和描述数据，数据面向整个系统，可以被多个用户、多个应用共享使用。
数据共享的好处
减少数据冗余，节约存储空间
避免数据之间的不相容性与不一致性
使系统易于扩充
物理独立性
指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中数据是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。
逻辑独立性
指用户的应用程序与数据库的逻辑结构（逻辑模式）是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，用户程序可以保持不变。
数据独立性是由DBMS的二级映像功能来保证的

DBMS提供的数据控制功能
(1)数据的安全性（Security）保护
保护数据，以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。
(2)数据的完整性（Integrity）检查
将数据控制在有效的范围内，或保证数据之间满足一定的关系。
(3)并发（Concurrency）控制
对多用户的并发操作加以控制和协调，防止相互干扰而得到错误的结果。
(4)数据库恢复（Recovery）
将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。

数据模型

抽象：是从众多的事物中抽取出共同的、本质性的特征，而舍弃其非本质的特征。例如苹果、香蕉、生梨、桃子等，它们共同的特性就是水果。得出水果概念的过程，就是一个抽象的过程。要抽象，就必须进行比较，没有比较就无法找到在本质上共同的部分。共同特征是指那些能把一类事物与他类事物区分开来的特征，这些具有区分作用的特征又称本质特征。因此抽取事物的共同特征就是抽取事物的本质特征，舍弃非本质的特征。
数据模型分为两类（分属两个不同的层次）
(1) 概念模型 也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计。
(2) 逻辑模型和物理模型
逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面向对象模型等，按计算机系统的观点对数据建模，用于DBMS实现。
物理模型是对数据最底层的抽象，描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法。

数据结构

什么是数据结构
描述数据库的组成对象，以及对象之间的联系

描述的内容
与数据类型、内容、性质有关的对象
与数据之间联系有关的对象
数据结构是对系统静态特性的描述

数据操作

数据操作
对数据库中各种对象(型)的实例(值)允许执行的
操作及有关的操作规则
数据操作的类型
查询
更新(包括插入、删除、修改)
数据模型对操作的定义
操作的确切含义
操作符号
操作规则（如优先级）
实现操作的语言
数据操作是对系统动态特性的描述

数据的完整性约束条件

数据的完整性约束条件
一组完整性规则的集合。
完整性规则：给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则
用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。
数据模型对完整性约束条件的定义
反映和规定本数据模型必须遵守的基本的通用的完整性约束条件。例如在关系模型中，任何关系必须满足实体完整性和参照完整性两个条件。
提供定义完整性约束条件的机制，以反映具体应用所涉及的数据必须遵守的特定的语义约束条件。

概念模型

概念模型的用途
概念模型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
是数据库设计的有力工具
数据库设计人员和用户之间进行交流的语言
对概念模型的基本要求
较强的语义表达能力
能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识
简单、清晰、易于用户理解

信息世界中的基本概念

(1) 实体（Entity） 
客观存在并可相互区别的事物称为实体。
可以是具体的人、事、物或抽象的概念。
(2) 属性（Attribute） 
实体所具有的某一特性称为属性。
一个实体可以由若干个属性来刻画。  
(3) 码（Key） 
唯一标识实体的属性集称为码。
(4) 域（Domain） 
属性的取值范围称为该属性的域。 
(5) 实体型（Entity Type） 
用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型。
(6) 实体集（Entity Set） 
同一类型实体的集合称为实体集
(7) 联系（Relationship）  
现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界
     中反映为实体内部的联系和实体之间的联系。
实体内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系
实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系

常用数据模型

非关系模型
层次模型(Hierarchical Model)
网状模型(Network Model)
关系模型(Relational Model)
面向对象模型(Object Oriented Model）
对象关系模型(Object Relational Model)

层次模型

层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型
层次数据库系统的典型代表是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
层次模型
满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型
1. 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点
2. 根以外的其它结点有且只有一个双亲结点
层次模型中的几个术语
根结点，双亲结点，兄弟结点，叶结点
层次模型的特点：
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
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

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
典型代表是DBTG系统：
亦称CODASYL系统
70年代由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
实际系统
Cullinet Software Inc.公司的 IDMS
Univac公司的 DMS1100
Honeywell公司的IDS/2
HP公司的IMAGE
网状模型
满足下面两个条件的基本层次联系的集合：
1. 允许一个以上的结点无双亲；
2. 一个结点可以有多于一个的双亲。
表示方法(与层次数据模型相同)
实体型：用记录类型描述
每个结点表示一个记录类型（实体）
属性：用字段描述
每个记录类型可包含若干个字段
联系：用结点之间的连线表示记录类型（实体）之
间的一对多的父子联系

网状数据模型的数据结构

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个双亲结点
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

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San Jose研究室的研究员E.F.Codd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

关系模型的数据结构

关系（Relation）
一个关系对应通常说的一张表
元组（Tuple）
表中的一行即为一个元组
属性（Attribute）
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（Key）
表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。
域（Domain）
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）
学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级）
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
具有更高的数据独立性，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