数据模型与数据库系统结构(ppt 63页)

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1、第一章：绪论2第一章 绪论3第一章第一章 绪论绪论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。41.1 数据库系统概述1.1.1 四个基本概念l数据(Data)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5l数据库(Database)数据库的定义 数据库(Databa

2、se,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概括地讲，数据库数据具有永久存储、有组织、可共享三个基本特点。6l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据、高效地获取和维护数据DBMS主要功能 数据定义；数据组织、存储和管理；数据操纵；数据库的事务管理和运行管理；数据库的建立和维护；其他功能。7l数据库系统(DBS)数据库系统（Database System

3、，DBS）在计算机系统中引入数据库后的系统构成数据库系统的构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 8 数据库 应用系统应用开发工具 操作系统 数据库管理系统 数据库管理员用户用户用户 数据库系统91.1.2 数据管理技术的产生和发展在应用需求推动下，在计算机硬件、软件发展的基础上，数据管理经历了人工管理、文件系统、数据库系统3个阶段。l 人工管理阶段时间：20世纪50年代中期以前特点：数据不保存，程序管理数据，数据不共享，数据不具有独立性l 文件系统阶段时间：20世纪50年代后期到60年代中期特点：数据可长期保存，由文件系统管理数据 缺点：共享性差，冗余度大；独立性差l

4、数据库系统阶段时间：20世纪60年代末以来背景：计算机应用广泛，数据量剧增，共享需求强烈，硬件发展且价低101.1.3 数据库系统的特点l数据结构化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l数据的共享性高，冗余度低，易扩充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11l数据独立性高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

5、户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，用户程序也可以不变。12l数据由DBMS统一管理和控制并发共享：多个用户可以同时存取数据库中的数据，甚至可以同时存取数据库中同一个数据。为此，DBMS还需提供以下几方面的数据控制功能：(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

6、态恢复到某一已知的正确状态。13DBMS应用程序1应用程序2数据库数据库系统阶段应用程序与数据之间的对应关系 141.2 数据模型模型是对现实世界中某个对象特征的模拟和抽象。数据模型阤是一种模型，它是对现实世界数据特征的抽象。也就是说，数据模型是用来描述数据、组织数据和操作数据的。现有的数据库系统均是基于某种数据模型的。在数据库中用数据模型这个工具来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。1.2.1 两类数据模型数据模型应满足三方面要求能比较真实地模拟现实世界容易为人所理解便于在计算机上实现15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

7、，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。客观对象的抽象过程-两步抽象 现实世界中的客观对象抽象为概念模型；把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型。16DBMS支持的数据模型概念模型认识抽象信息世界机器世界现实世界中客观对象的抽象过程现实世界现实世界 概念模型数据库设计人员完成逻辑模型 物理模型由DBMS完成概念模型 逻辑模型数据库设计人员完成171.2.2 数据模型的组成要

8、素a)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18b)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)19c)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储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。201.2.3 概念模型概念模型实际上是现实世界到机器世界的一个中间层次。概念模型的用途概念模型用于信息世界的建

9、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21n 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22(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

10、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。23两个实体型之间的联系实体型A联系名实体型B111:1联系实体型A联系名1n1:n联系实体型A实体型B联系名mnm:n联系实体型B24两个以上实体型之间的联系实例 课程、教师与参考书三个实体型一门课程可以有若干个教师讲授，使用若干本参考书，每一个教师只讲授一门课程，每一本参考书只供一门课程使用课程讲授教师1m两个以上实体型间1:n联系参考书n25单个实体型内的联系实例 职工实体型内部具有领导与被领

11、导的联系某一职工（干部）“领导”若干名职工一个职工仅被另外一个职工直接领导这是一对多的联系职工领导1n单个实体型内部1:n联系26概念模型的一种表示方法：实体-联系方法实体联系方法(E-R方法)用E-R图来描述现实世界的概念模型E-R方法也称为E-R模型E-R图：实体型：用矩形表示，矩形框内写明实体名。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：联系本身用菱形表示，菱形框内写明联系名，并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或m:n）；联系本身也是一种实体型，也可以有属性。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来 27班

12、级班级-班长班长111:1联系课程选修学生mnm:n联系班级组成学生1n1:n联系28课程选修学生mn成绩29用E-R图表示某个工厂物资管理的概念模型实体仓库：仓库号、面积、电话号码零件：零件号、名称、规格、单价、描述供应商：供应商号、姓名、地址、电话号码、帐号项目：项目号、预算、开工日期职工：职工号、姓名、年龄、职称 实体之间的联系如下：(1)一个仓库可以存放多种零件，一种零件可以存放在多个仓库中。仓库和零件具有多对多的联系。用库存量来表示某种零件在某个仓库中的数量(2)一个仓库有多个职工当仓库保管员，一个职工只能在一个仓库工作，仓库和职工之间是一对多的联系。职工实体型中具有一对多的联系(3

13、)职工之间具有领导-被领导关系。即仓库主任领导若干保管员(4)供应商、项目和零件三者之间具有多对多的联系30311.2.4 最常用的数据模型层次模型(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)321.2.5层次模型 层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型 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

14、各类实体以及实体间的联系n层次数据模型的数据结构 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33 1 根结点 2 兄弟结点 3 叶结点 4 兄弟结点 5 叶结点 叶结点图1.16 一个层次模型的示例34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35图1.17 教员学生层次数据库模型 根结

15、点记录型系的子女结点记录型教员的双亲结点叶结点叶结点字段36图1.18 教员学生层次数据库的一个值 37n 多对多联系在层次模型中的表示用层次模型间接表示多对多联系方法将多对多联系分解成一对多联系分解方法冗余结点法虚拟结点法38n层次模型的数据操纵与完整性约束层次模型的数据操纵查询：在层次模型中如果要查找一个记录必须从跟结点开始。插入：插入数据可先将数据写入系统输入/输出区，然后指定一个由根记录开始的插入层次路径，完成数据的插入工作。删除：当删除一个记录的时候，其从属的所有子记录都将删除更新：先查询定位为当前记录，然后将该记录读到系统输入/输出区，在输入/输出区中对数据进行修改，然后用相应命令

16、将修改后的记录值写回到数据库中39层次模型的完整性约束条件 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40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A1A2C8C6C4B6C9C2B4C14C7C5C3B1A1图1.21 邻接法 41链接法用指引来反映数据之间的层次联系子女兄弟链接法层次序列链接法层次模型的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42缺点多对多联系表示不

17、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 431.2.6 网状模型在现实世界中事物之间的联系殉的是非层次关系的，用层次模型表示非树形结构是 很不直接的，网状模型则可以克服这一弊病。网状数据模型的数据结构：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。与层次模型一样，网状模型中每个结点表示一个刻录类型（实体），每个记录类型可包含若干个字段（实体的属性），结点间的连线表示记录类型之间一对多的父子联系。44多对多联系在网状模型中的表示用网状模型间接表示多对多联系方法：将多

18、对多联系直接分解成一对多联系n 网状数据模型的操纵与完整性约束网状数据库系统对数据操纵加了一些限制，提供了一定的完整性约束码：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 45n网状数据模型的存储结构关键实现记录之间的联系常用方法单向链接双向链接环状链接向首链接46图1.25 学生/选课/课程的网状数据库实例 学生记录课程记录选课记录47n网状数据模型的优缺点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

19、握DDL、DML语言复杂，用户不容易使用481.2.7 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 n关系数据模型的数据结构关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。学 号姓 名年 龄性 别系 名年 级2005004王小明19女社会学20052005006黄大鹏20男商品学20052005008张文斌18女法律200549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（At

20、tribute）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。50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）l 学生、系、系与学生之间的一对多联系：学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）系(系号，系名，办公地点)l 学生、课程、学生与课程之间的多对多联系：学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）课程（课程号，课程名，学分）选修（学号，课程号，成绩）51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

21、分量必须是一个不可分的数据项,不允许表中还有表 图1.27中工资和扣除是可分的数据项,不符合关系模型要求 52n关系数据模型的操纵与完整性约束数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系查询插入删除更新数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”，不必详细说明“怎么干”53n关系数据模型的存储结构实体及实体间的联系都用表来表示表以文件形式存储有的DBMS一个表对应一个操作系统文件有的DBMS自己设计文件结构n关系数据模型的优缺点优点建立在严格的数学概念的基础上概念单一关系模型的存取路径对用户透明54缺点存取路径对用户透明导致查询效

22、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551.3 数据库系统结构从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构 从数据库最终用户角度看（数据库系统外部的体系结构），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561.3.1 数据库系统模式的概念 “型”和“值”的概念 模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅涉及到型的描述，不涉及到具体的值。模式的一个具体值称为模型的一个实例，同一个模式可以有多个实例。例如571.3.2数据库系统的三级模式结

23、构数据库的三级模式结构 是指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成。模式的具体定义：数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）数据之间的联系数据之间的联系数据有关的安全性、完整性要求数据有关的安全性、完整性要求58l 外模式也称子模式数据库用户（包括应用程序员和最终用户）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外模式的地位：介于模式与应用之间模式与外模式的关系：一对多外模式通常是模式的子集一个数据库可以有多个外模式。反映了不同的用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求对模式中同一

24、数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同外模式与应用的关系：一对多同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用但一个应用程序只能使用一个外模式59外模式的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l内模式（也称存储模式）是数据物理结构和存储方式的描述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是数据在数据库内部的表示方式 记录的存储方式（顺序存储，按照记录的存储方式（顺序存储，按照B B树结构存储，按树结构存储，按hashhash方法方法存储）存储）索引的组织方式索引的组织方式 数据是否压缩存储数据是否压缩存储 数据是否加密数

25、据是否加密 数据存储记录结构的规定数据存储记录结构的规定一个数据库只有一个内模式601.3.3数据库的二级映像功能与数据独立性二级映象在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：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 同一个模式可以有任意多个外模式 每一个外模式，数据库系统都有一个外模式模式映象，定义外模式与模式之间的对应关系映象定义通常包含在各自外模式的描述中61模式内模式映像模式内模式映象定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的数据库中模式内模式映象是唯一的该映象定义通常包含在模式描述中优点：数据与程序之间的独立性，使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去 数据的存取由DBMS管理用户不必考虑存取路径等细节简化了应用程序的编制大大减少了应用程序的维护和修改 621.4 数据库系统的组成 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 本章作业：6、12、21