数据库的概念

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1、第 1 章 数据库的概念本章主要介绍数据库的意义、数据库的发展史、数据库的体系结构、数据库系统以及 数据库管理系统等内容，以便读者对数据库的概念有一个基本的了解。1.1 数据库的意义1.1.1 信息处理及数据处理诞生于 20 世纪中叶的计算机科学较之其他现代科学技术的发展更迅速，在 21 世纪到 来之际，它几乎可以称为“知识爆炸”了。21 世纪是信息和知识的社会，如何组织和利用 这些庞大的信息和知识已成为衡量一个国家科学技术水平高低的重要标志。早在 20世纪 60 年代，数据库技术作为现代信息系统基础的一门软件学科便应运而生 了。现在，数据库技术已成为计算机领域中最重要的技术之一，它是软件学科

2、中一个独立 的分支。它的出现使得计算机应用渗透到工农业生产、商业、行政、教育、科学研究、工 程技术和国防军事的各个部门。管理信息系统（MIS）、办公自动化系统（OA）、决策支 持系统等都是使用了数据库管理系统或数据库技术的计算机应用系统。数据库（Database,即DB）是存储在一起的相关数据的集合，是存储数据的“仓库”。因此，要理解数据库就需要先了解在数据处理领域中常遇到的两个基本概念：“信息” （information ）和“数据 ”（data ）。信息是关于现实世界事物的存在方式或运动状态的反映的组合。例如，上课用的黑板， 它的颜色是黑的，形状是矩形，尺寸是长3.2m，高1.4m,材料是

3、木材，这些都是关于黑板 的信息，都是关于黑板的存在状态的反映，从不同角度“反映”或“刻画”了黑板这个事 物。信息源于物质和能量，一切事物，包括自然和人类都产生信息，信息是物质和能量形 态的反应，它不可能脱离物质而存在。信息传递需要物质载体，信息的获取和传递要消耗 能量。信息是可以感知的和存储的，并且可以加工、传递和再生。电子计算机是信息处理 领域中最先进的工具之一，人类对收集到的信息可以进行取舍整理。几乎和信息同样广泛 使用的另一个概念是“数据”。所谓数据，通常指用符号记录下来的可加以鉴别的信息。 例如，为了描述黑板的信息，可以用一组数据“黑色、矩形、3.2mX1.4m”来表示，由于“黑色”、

4、“矩形”、“3.2”、“m”这些符号已经被人们赋予了特定的语义，所以 它们就具有了传递信息功能。从上面的例子中，可以看到信息和数据之间的固有联系：数据是信息的符号表示或称 为载体，信息则是数据的内涵，是对数据的语义解释。但另一方面，某一具体信息与表示 它的数据的这种对应关系又因环境而异。同一信息可能有不同的符号表示，同一数据也可 能有不同的解释。数据处理领域中的数据概念较之科学计算领域中数据概念已经大大地拓 宽了。定义中所说的符号，不仅包含数字符号，而且包含文字、图像和其他符号；而所谓 “记录下来”也不仅是指用笔写在纸上，还包括磁记录、光刻等各种记录形式。由于信息是现实世界中事物的存在方式和运

5、动状态的反应，而现实世界的事物常常是 相互关联的，这就使得人们在了解、掌握事物之间的固有联系和运动规律的基础上，可以 从一些已知的信息出发，经过演绎推理，导出新的信息，为人类社会生活的各种需要服务， 这就是常说的“信息处理”。例如，根据上述黑板的尺寸数据和木工定额标准，可以推算 出制作黑板所需的木材数量和制作费用。一般，人们将原始信息表示成源数据，然后对这些源数据进行综合推导加工，得出新 的数据。这些结果数据表示了新的信息，可以作为某种决策的依据(或用于新的推导加工)。 这整个过程通常称为“数据处理”。电子计算机使大规模的数据处理成为可能，它和通信、网络技术的发展一起，进一步 推动了信息处理和

6、利用社会化，极大地增强了人类社会信息处理能力。1.1.2 数据模型和数据库技术数据库系统就是实现有组织地、动态地存储大量相关数据，方便用户访问的计算机软、 硬资源组成的系统。而数据库技术是研究数据库的结构、存储、设计和使用的一门软件学 科。因此，数据库技术主要是研究如何存储、使用和管理数据。在计算机应用中，数据处 理占的比重最大，而数据库系统是数据处理的核心机构，所以它的效能往往决定了整个计 算机应用的经济效益。数据库离不开数据模型。数据模型是对现实世界客观事物及其联系的描述，它反映数 据项之间和记录之间的联系，在数据库技术中使用模型的概念描述数据库的结构与语义。 常用的3种数据模型是：层次模

7、型(hierarchical model)、网状模型(network model)和关 系模型(relational model)。此外，还有面向对象模型(object_oriented model)等。数据库这门学科与其他基础软件、系统软件、应用软件有着密切的联系。例如：操作 系统，数据技术是在操作系统的文件系统的基础上发展起来的，而且数据库系统本身就是 在操作系统(例如Windows )支持下才能工作。数据库与网络技术和多媒体技术的关系也 很密切，例如，分布式数据库要用上网络，数据库甚至可在国际互联网(Internet)上交换 海外的数据、声音、图像、图片等多媒体信息。数据库技术与数据结构

8、的关系也是不可分 的，数据库技术不仅要用到数据结构的知识，而且丰富了数据结构的内容。程序设计是使 用数据库系统的最基本方式，因为数据库中大量的应用程序多是用高级语言加上数据库的 操纵语言编写的。集合论、数理逻辑是关系数据库的理论基础，其很多概念、术语、思想都直接用到关系数据库中。1.2 数据库的由来和发展数据库这个名词起源于 20 世纪 50 年代，当时美国为了战争的需要，把各种情报集中 在一起，存入计算机，称为Information Base或Database。1963年美国Honeywell公司的IDS (Integrated Data Store)系统投入运行，揭开了数据库技术的序幕。1

9、965年美国利用数据 库帮助设计了阿波罗登月火箭，推动了数据库技术的产生。当时社会上产生了许多行行色 色的Database或Databank，但基本上都是文件系统的扩充。1968年美国IBM公司推出了 层次模型的IMS数据库系统，并于1969年形成产品；1969年，提出了 COBOL语言的美 国CODASYL(Conference on Date System Language，数据系统语言协会)组织的数据库任 务组(DBTG)发表了网状数据库系统的标准文本(1971年正式通过)；1970年初，IBM 公司的高级研究员E.F.Codd发表论文提出了关系模型，奠定了关系数据库的理论基础。20 世

10、纪 70 年代是数据库蓬勃发展的年代。网状系统和层次系统占领了市场，关系系 统开始处于实验阶段， IBM 公司研制出了原型关系语言 System R。 1979 年关系软件 (Relational Software)公司推出了第一个基于SQL的商用关系数据库产品Oracle。20 世纪 80 年代起，关系数据库产品已相当成熟，取代了网状系统和层次系统的市场。 同时关系数据库理论也日趋完善，走向更高级的阶段，有了分布式数据库系统(Distributed database Systems)等。后来，从不同的计算机应用领域提出了许多数据库的非传统应用课 题，诸如多媒体数据、空间数据、时序数据、科学数

11、据、复杂对象、知识、超文本管理等 为了适应这类应用的需要，提出了不少新的概念、新的数据模型和系统结构。经过几年的 研究和实践，逐步形成了面向对象数据库系统(Object-Oriented Database Systems)、主动 数据库系统(Active Database Systems)、大型知识库系统(Large Knowledge Base Systems)、 数据库中的知识发现(Knowledge Discovery in Database)以及科学数据库(Science Database) 等热点。 21 世纪数据库技术必将获得更加长足的发展。了解数据库的由来和发展的历史以 及数据管

12、理技术各阶段的特点，对学习好数据库显然十分必要。综观数据管理技术的发展可知：它与硬件(主要是外部存储器)、软件以及计算机应 用的范围有密切关系。数据管理技术大致经过以下 4个阶段：人工管理阶段、文件系统阶 段、数据库阶段以及高级数据库阶段。1.2.1 人工管理阶段( 20世纪 50年代中期以前)这一阶段的计算机主要用于科学计算。硬件中的外存只有卡片、纸带等。软件只有汇 编语言，没有数据管理方面的软件。数据处理的方式基本上是批处理。这个时期的数据管 理特点如下：1数据不保存 进行某一课题计算时将原始数据随程序一起输入主存，运算处理后将结果数据输出。 任务完成后，数据空间同程序空间一起释放。2没有

13、专用软件对数据进行管理 每个应用程序要包括存储结构、存取方法、输入/输出方式等，数据结构与程序不具有 独立性，一旦存储结构改变，就必须由应用程序员修改程序。由于程序直接面向存储结构， 因此不存在逻辑结构与物理结构的区别。3. 只有程序（PROGRAM）的概念，没有文件（FILE）的概念即使有文件，也大多是顺序文件，其他组织方式必须由程序员自行设计与安排。4. 数据面向应用即一组数据对应于一个程序。由于各应用程序处理的数据不会毫无联系，程序之间会有重复。5. 对数据的存取以记录为单位其灵活性差。1.2.2 文件系统阶段（ 20世纪 50年代后期至 60年代中后期）这一阶段的计算机不仅用于科学计算

14、，还大量用于信息管理。外存已有磁盘、磁鼓等 直接存取设备。软件方面出现了高级语言和操作系统。操作系统中的文件系统（有时也称 为“信息处理模块”）是专门处理外存的数据管理软件。处理数据方式有批处理，也有联 机实时处理。这一阶段数据管理情况如下：1.特点（1）数据可长期保存在外存的磁盘上。用户经常随时通过程序对文件进行查询、修改 以及删除等处理。由于计算转向管理，数据处理的工作量增大。（2）数据的物理结构与逻辑结构有了区别，但较简单。程序与设备之间有设备独立性 （程序只需用文件名与数据打交道，不必关心数据的物理位置），由操作系统的文件系统 提供存取方法（读/写）。由存取方法实现数据的逻辑结构与物理

15、结构之间的转换。（3）文件的形式已多样化，有索引文件、链接文件和直接存取等，因而对文件的记录 可顺序访问，也可随机访问。但文件之间是独立的，联系要通过程序去构造，文件的共享 性差。（4）有了存储文件以后，数据不再仅仅属于某个特定的程序，而可以重复使用。但文 件结构的设计仍然是基于特定的用途，程序仍然是基于特定的物理结构和存取方法编制的， 因此，数据结构与程序之间的依赖关系并未根本改变。（5）对数据的存取基本上还是以记录为单位。2缺陷在文件系统中，改变存储设备，不必改变应用程序。虽然文件系统提供了存取方法， 但这只是初级的数据管理。这种文件系统，还未能彻底体现用户观点下的数据逻辑结构独 立于数据

16、在外存的物理结构要求。因此，数据的物理结构修改时，仍然需要修改用户的应 用程序。文件系统有 3 大缺陷：（1）数据冗余性（redundancy），由于文件之间缺乏联系，造成每个应用程序都有对 应的文件，有可能同样的数据在多个文件中重复存储；（ 2）不一致性（ inconsistency） ，这往往是由数据冗余造成的，在进行更新操作时， 稍不谨慎，就可能同样的数据在不同的文件中不一样；（3）数据联系弱（poor data relatinship），这是文件之间独立，缺乏联系造成的。由于这些原因，促使人们研究一种新的数据管理技术，这就是 20 世纪 60 年代末产生 的数据库技术。1.2.3 数据

17、库阶段（20世纪60 年代末开始）20 世纪 60 年代末，磁盘技术取得了重大进展，大容量（数百兆字节以上）和快速存 取的磁盘陆续进入市场，成本有了很大的下降，为数据库技术的实现提供了物质条件。60年代中期，出现的大多数系统（database或databank）还不能称为真正的数据库系 统。数据管理技术进入数据库阶段的标志是前面讲到的 60 年代后期的 3 大事件，即 1969 年IBM公司推出的IMS产品（层次数据库系统）和CODASYL研究和建议的DBTG系统 （网状数据库系统），以及1970年起，IBM公司E.F.Codd连续发表的一系列论文，奠定 了关系数据库理论基础。70 年代以来，

18、数据库技术得到迅速发展，并投入使用。数据库系统阶段根据其支持的 数据模型（data model），到目前为止经历了 3代：从上面讲到的层次网状代，到关系模型 代以及后面高级数据库阶段讲到的面向对象代。关系模型代从70年代初E.F.Codd奠定了 关系数据库理论基础后， 70 年代末推出了一些试验系统， 80年代初出现了一批商品化的关 系数据库系统，如 Oracle、SQL/DS、DB2、INGRES、INFORMIX、UNIFY 以及 dBASE、 FoxBASE等。SQL语言在1986年被美ANSI和国际标准化组织（ISO）采纳为关系数据库 语言的国际标准。与文件系统相比，数据库系统克服了文

19、件系统的缺陷，提供了对数据更高级、更有效 的管理。概括起来，数据库技术的管理方式具有以下特点：1采用复杂的数据模型（结构）数据模型不仅要描述数据本身的特点，还要描述数据之间的联系。这种联系是通过存 取路径来实现的。通过一切存取路径来表示自然的数据联系是数据库与传统文件的根本区 别。这样数据不再面向特定的某个或多个应用，而是面向整个应用系统。数据冗余明显减 少，实现了数据共享。2有较高的数据独立性在数据库系统中，系统提供映像的功能，确保应用程序对数据结构和存取方法有较高 的独立性。数据的物理结构和逻辑结构差别可以很大。用户以简单的逻辑结构操作数据而 无需考虑数据的物理结构。数据库结构分成用户的逻

20、辑结构、数据库整体逻辑结构和数据 库物理结构（如图 1.1 所示）。用户（应用程序或终端用户）的数据和外存中的数据之间 的转换由数据库管理系统实现。为提高效率、减少冗余或增加新的数据，常需改变数据结 构。在改变物理结构时，不影响整体逻辑结构、用户的逻辑结构以及应用程序，这样就认 为数据库达到了物理数据独立性。在改变整体逻辑时，不影响用户的逻辑结构以及应用程 序，这样就认为数据库达到了逻辑数据独立性。3数据库系统为用户提供了方便的用户接口用户可使用查询语言或简单的终端命令操作数据库，也可以使用程序方式（用高级语 言如 C、FORTRAN 等语言和数据库操纵语言编制的程序）操作数据库。4提供下述

21、4 方面的数据控制功能（1）数据完整性：保证数据库始终包含正确的数据。用户可设计一些完整性规则以确 保数据值的正确性。例如可把数据值限制在某个范围内，并对数据值之间的联系进行各种 检验。逻辑数据用户的逻辑结构数据库 物理结构物理数据数据库 整体逻辑结构独立性图 1.1 数据库系统的结构（2）数据安全性：保证数据的安全和机密，防止数据丢失或被窃取。（3）数据库的并发控制：避免并发程序之间的相互干扰，防止数据库数据被破坏，杜 绝提供给用户不正确的数据。（4）数据的恢复：在数据库被破坏时或数据不可靠时，系统有能力把数据库恢复到最 近某个时刻的正确状态。5还可以以数据项为单位操作对数据库的操作除了以记

22、录为单位外还可以数据项为单位。数据库阶段的程序和数据的联系可用图 1.2 表示。DBMS数据库 管理系统数 据 库应用程序1应用程序2应用程序n图 1.2 程序和数据的联系综上所述，数据库可以定义为：一个存储起来为某个特定组织的多种应用服务并具 有尽可能小的冗余度的互相关联的数据集合。其数据结构独立于使用数据的程序，对数据 的增添、删除、修改及检索，由系统进行统一的控制，而且数据模型也有利于将来应用的 发展。从文件系统发展到数据库技术是信息处理领域的一个重大变化。在文件系统阶段程序 设计处于主导地位，数据只起着服从程序设计需要的作用；而在数据库方式下，数据开始 占据了中心位置，数据的结构设计成

23、为信息系统首先关心的问题，而利用这些程序的应用 程序设计则退居到以既定的数据结构为基础的外围地位。目前在国内外数据库应用已相当普及，各行业都建立了以数据库技术为基础的大型计 算机网络系统，并在国际互联网（Internet ）的基础上建立了国际性联机检索系统，其应用 深入到人类社会生活的各个领域，甚至家庭。1.2.4 高级数据库阶段（20 世纪70年代后期开始）这一阶段的主要标志是分布式数据库系统、面向对象数据库、智能数据库系统的出现1.分布数据库系统（distributed database systems）集中式数据库把数据集中在一个数据库中，集中管理，减少了数据冗余和不一致性， 而且数据联

24、系比文件系统强得多。但集中式系统也有弱点，如其系统庞大，通信拥挤等。 为了真正实现对分布在不同地方的数据资源共享，早在70 年代就开始了分布式数据库的研 究。经过 10多年的努力，到 1986 年在软件市场上开始出现了分布式数据库产品。当时， 关系技术公司（现为INGRES公司）宣布了称为INGRES/STAR的分布式版本。其后不久, Oracle 公司也宣布了称为 SQL*STAR 的 Oracle 分布式版本。这些年来，分布式数据库的研 究和应用有了很大的进展。（1）多数据库系统多数据库系统（MBS）是为在多个数据库之间实现互操作，解决数据资源共享的一种 技术途径。多数据库系统是由若干数据

25、库组成的一个集合,其中每个数据库称为分数据库。 分数据库系统可以是集中式的，或是分布式的。它们都受各自的、可能是不同的DBMS（数 据库管理系统）管理。如果所有的分数据库系统都是相同的DBMS，则称其为同构型的 MBS，否则称为异构型MBS。MBS不考虑全局模式，所有分数据库系统都是自治的，即 数据定义自治、数据复制自治，以及在逻辑和物理级上的数据重构自治等。对MBS来说, MBS 语言很重要，它应当提供数据库语言和允许分数据库实现互操作的全部功能，支持用 户非过程的操作。SYBASE和Oracle都提供分布式处理的功能，支持分布多数据库系统。SYBASE采用客户/服务器的体系结构，支持在网络

26、环境下应用的分布计算模式。客户 部分包括Client应用程序开发工具和Client接口。Client工具为应用软件开发的各个阶段提 供支持，Client接口实现Client与Server间的连接，以及OPEN Client的开放互连。Server 分为 SQL Server 和 Open Server 两部分 SQL Server 完成分布式 RDBMS 的功能,Open Server 完成与其他非SQL Server管理的数据源和各种事务处理应用系统的互连。Oracle主要通过SQL* Net和它的RDBMS实现分布式处理。它实现的是多点分布式 查询，即一个查询可以涉及多个结点的数据库。 O

27、racle 对多种平台、多种网络、多种操作 系统的支持能力很强，特别在Oracle环境内，它提供的4GL工具具有比较强的分布查询能 力。1992年Oracle公司发表了版本Oracle7。从该产品起便采用协调服务器技术，提高分 布检索功能和数据复制功能。（2）联邦数据库系统 联邦数据库系统是多个协作数据库系统的集合，其中每个数据库系统是自治的，可能 是异构的。组成的各个数据库系统可以在不同程度上集成。控制和协调操纵组成数据库系 统的软件称为联邦数据库管理系统（FDBMS）。联邦数据库系统的特点是分布、异构和自 治。联邦数据库系统的体系结构一般采用 5 级模式：局域模式组成模式 联邦模式 输出模

28、式 外模式联邦数据已愈来愈引起数据库界的重视。它可以利用分布式数据库的技术，但与分布 式数据库又不完全相同。经过多年研究，分布式数据库在学术上已很完美，但实现技术复 杂，开销太大，商品化比较困难。在实际系统和应用需求方面，人们对分布环境下各结点 之间的联系并不要求像分布式数据库那样紧密，逻辑上成为一个整体，而联邦式的联系更 加实际可行。2主动数据库系统主动数据库是最近出现的一个重要而活跃的研究领域，属于智能数据库的一种。主动 数据库因有自动触发执行一些系统或用户预定义操作序列的功能而得名。相应地，传统的 数据库系统可称为被动数据库系统。目前大多数工作是旨在将产生式规则嵌入数据库系统， 并加入自

29、动根据情景触发执行动作的机制。目前，一些原型系统正在被建造之中。在这些 原形系统中，加入数据库的规则一般具有如下形式：WHEN事件IF条件THEN 动作, IF 条件THEN 表示当事件发生时，将触发执行后面跟着的一条（或一组）规则。IF-THEN规则（或 规则组）的执行则按产生式系统的控制方式进行。可见,这种规则仅比一般产生式规则多 了一个触发事件，用以控制何时触发执行。由于产生式规则提供了一种表示触发、警报、断言、完整性约束、存取约束、诱导数 据以及按快照（snapshots ）等的统一机制，所以上述嵌入了产生式规则的这种主动数据库 系统可以有十分广泛的应用。例如，除了传统的完整性约束、一

30、致性存取约束等可用它来 实现之外，还可以用它来实现诸如“例外处理”、错误自动处置，以及各种自动警报功能。 当仓库存货低于某阈限时就自动发出适量进货的报告。此外，规则还可用来支持数据库的 演绎推理功能，以及使大系统开发的合作更加方便等，因为可实现用户定义的资源共享策 略、继承机制、版本控制、配置控制和工作流控制等。主动数据库管理系统的特点是：（ 1）规则是通过事件或数据触发执行，而不是识别一执行周期；（2）采用规则作为完整性、存取控制、视图变换、触发等的统一机制；（3）在数据库模式中定义规则、存储在数据库中，由数据库管理系统执行，采用查询 优化的技术；（ 4）采用数据库管理系统中并发控制和恢复。

31、目前建成的模型或产品系统有 ETM、HiPAC、Postgres、CPLEX、Starbust、RUBIS、 O2、ATM、ODE、Alert、SAMOS 等。3面向对象数据库面向对象程序设计是软件工程的重要发展方向之一，它可以提高程序设计的生产率、 重用性以及可扩充性。为了满足各种新的数据应用的需要，诸如多媒体数据、空间数据、 复杂对象、超本文、知识、时序数据等的管理，面向对象数据库引起广泛兴趣。目前，面向对象数据库核心系统的一些技术问题已基本解决，诸如数据模型、数据语言、查询处理、对象管理、消息管理、版本管理、事务管理、物理结构等都有了具体的解 决办法。当前有关论文主要讨论面向对象数据库的

32、数据模型、程序设计语言和提高性能。 从 1987 年以来已出现许多商品化的面向对象数据库系统，例如 Servio 公司的 GemStone ， Object Design 公 司的 ObjectStore ，Objectivity 公司 的 Objectivity/DB ， Versant Object Technology 公司的 Versant，ONTOS 公司的 ONTOS，Itasca Systems 公司的 Itasca，O2 Technology公司的02。这些产品都支持面向对象数据模型。具体地说，它们允许用户建立 新的属性和方法类型，可以从父类继承属性和方法，建立具有惟一对象标识

33、的例示，可以 单个或集体地检索例示，装载和运行方法。这里，以02为例说明面向对象数据库的结构。02是一个开放的系统，用C和C + +编 写，在Unix环境下运行。它的接口工具用C + +编写，在XII和OSF/Motif下运行。图 1.3 给出了 02 的系统框图。方法工具CASE ToolsO2APIO2CO2SQ LC+图 1.3 02 系统框图GUI标准工业应用作为O2系统核心的O2 Engine具有下列特点:（1）完全的面向对象模型；（2）客户/服务器体系结构；（3）支持多种数据库；（4）支持多种模式；（5）数据库中的方法；（6）递增式无用单元收集器；（7）提供安全保护；（8）提供索引

34、。O2 Engine的框图如图1.4所示。I Log |O2APL全局事物管理器全局登录管理器页缓冲器模式管理器对象管理器局部事物管理器页缓冲器DB图 1.4 O2 Engine 体系结构02 API是应用程序与02 Engine的接口，它可以直接访问02 Engine，对数据管理提 供紧控制，具有高的性能。用 O2 编程非常方便。意大利阿巴莫（A.Albam o）等人的论文“一种强类型面向对象数据库程序设计语言的 关系机制”主要提出一种对象关系数据模型。这种模型的特点是：（ 1）将联系表示成为类之间 n 元对称关系； （2）联系可以被组成专门的层次结构；（ 3 ）参考完整性约束实际上是强迫的；（4）联系的一些约束，诸如基数、映射、依赖性和非易变性可以说明性定义；（5）系统要求实现联系，参考约束可以在合理的代价下实现。在这个模型中，典型的面向对象的聚集机理仍然可以用来建立对象之间的关系，用对 象类型定义对象属性。类是相同类型各种元素的一个有序集合。联系是满足固定特征的各 种联结的有序集合。类和联系都是语言的第一类值，它们的结构可以描述为：Class （Element Type） Key Keylist.Key KeylistnAssoc （Signature） Key Keylist.Key Keylistn面向对象数据模型本书不展开赘述，这里的 02等可作为面向对象模型的实例。