第1章 數(shù)據(jù)庫概覽——實例、概念與認識

數(shù)據(jù)管理 是 數(shù)據(jù)處理 的中心活動，直接影響數(shù)據(jù)處理的效率，兩者密不可分。隨著計算機科學與技術(shù)的發(fā)展，利用計算機進行數(shù)據(jù)管理經(jīng)歷了三個階段，即人工管理階段、文件系統(tǒng)階段和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段。

1.1 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的進展

• 人工管理階段
  計算機主要用于科學計算，無磁盤等直接存取的設(shè)備，無操作系統(tǒng)。程序員將數(shù)據(jù)處理納入程序設(shè)計的過程中。此階段數(shù)據(jù)不長期保存在計算機中；應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)與程序不具有獨立性；數(shù)據(jù)是面向應(yīng)用的。
• 文件系統(tǒng)階段
  計算機開始用于數(shù)據(jù)處理，外存儲器有了磁盤、磁鼓等直接存取設(shè)備，軟件有操作系統(tǒng)，且操作系統(tǒng)中有了專門的數(shù)據(jù)管理軟件——文件系統(tǒng)。此階段數(shù)據(jù)能夠長期保存，反復操作；由專門軟件對數(shù)據(jù)進行管理，程序與數(shù)據(jù)之間有了一定的獨立性。但由于數(shù)據(jù)文件是面向應(yīng)用的，數(shù)據(jù)的組織和管理直接依賴于應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)共享性差，冗余度大，數(shù)據(jù)獨立性差。
• 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段
  數(shù)據(jù)處理成為計算機應(yīng)用的主要領(lǐng)域，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要特征是數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型進行組織和存儲，由數(shù)據(jù)庫管理軟件進行統(tǒng)一管控，應(yīng)用程序在DBMS的控制下，采用統(tǒng)一的方式對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行訪問和操作。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段的特點：

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化

數(shù)據(jù)共享性高、冗余度低、易于擴充

數(shù)據(jù)獨立性高

數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與控制

1.2 理解數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

三個概念：數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

• 數(shù)據(jù)庫：長期存儲在計算機內(nèi)的、有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合。
• 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：位于用戶和操作系統(tǒng)之間，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理與控制的專門系統(tǒng)軟件。
• 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：帶有數(shù)據(jù)庫并利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行數(shù)據(jù)管理的計算機系統(tǒng)。

1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)、數(shù)據(jù)庫管理員(DBA)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)和用戶組成。數(shù)據(jù)庫系列產(chǎn)品很多，它們建立于不同的操作系統(tǒng)之上，支持不同的數(shù)據(jù)模型，采用不同的數(shù)據(jù)庫語言，但他們在體系結(jié)構(gòu)上具有相同的特征，即采用 三級模式 結(jié)構(gòu)，提供 兩級映像 功能。

• 模式也稱邏輯模式或概念模式，是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述。模式是面向所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖，是數(shù)據(jù)庫的全局視圖。一個數(shù)據(jù)庫只有一個模式，它既不涉及物理存儲細節(jié)，也不涉及應(yīng)用程序和程序設(shè)計語言。
• 外模式也稱子模式或用戶模式，它是模式的子集。外模式是具體面向應(yīng)用的，是數(shù)據(jù)庫用戶所能使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述。由于不同應(yīng)用有不同的外模式，因此一個數(shù)據(jù)庫應(yīng)有多個外模式。
• 內(nèi)模式也稱存儲模式，是數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)，是數(shù)據(jù)庫在存儲介質(zhì)上的存儲結(jié)構(gòu)。內(nèi)模式主要描述數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)和存儲方式，一個數(shù)據(jù)庫只有一個內(nèi)模式。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式是對數(shù)據(jù)的三個抽象層次，兩級映像定義了三級模式間的對應(yīng)關(guān)系。模式是數(shù)據(jù)庫的核心和關(guān)鍵，獨立于數(shù)據(jù)庫的其他層次。內(nèi)模式由DBMS定義，無需數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員設(shè)計。

三級模式兩級映像的優(yōu)點

• 保證數(shù)據(jù)獨立性。外模式/模式映像保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨立性；模式/內(nèi)模式映像保證了數(shù)據(jù)的物理獨立性。
• 有利于數(shù)據(jù)共享，減少數(shù)據(jù)冗余。
• 有利于數(shù)據(jù)的安全性。不同用戶在各自外模式下根據(jù)要求操作數(shù)據(jù)，只能對限定的數(shù)據(jù)進行操作。
• 簡化了用戶接口。用戶按外模式編寫應(yīng)用程序或輸入命令，而無需了解數(shù)據(jù)庫全局邏輯結(jié)構(gòu)和內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)，方便用戶使用。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主要功能：

有效地組織、存取和維護數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)定義功能。DBMS通過數(shù)據(jù)定義語言（DDL）定義數(shù)據(jù)庫的各類數(shù)對象，包括數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)約束條件等。

數(shù)據(jù)操縱功能。DBMS提供數(shù)據(jù)操縱語言（DML），用戶使用DML實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行查詢、增加、刪除和修改操作。

數(shù)據(jù)庫的事務(wù)管理和運行管理。DBMS提供數(shù)據(jù)控制語言（DCL），數(shù)據(jù)庫管理員使用DCL實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的安全性保護、完整性檢查、并發(fā)控制、數(shù)據(jù)庫恢復等數(shù)據(jù)庫控制功能。

數(shù)據(jù)庫的建立和維護功能。

其他功能。包括：數(shù)據(jù)庫初始數(shù)據(jù)輸入與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)儲、數(shù)據(jù)庫重組、數(shù)據(jù)庫性能監(jiān)視與分析、數(shù)據(jù)通信等，這些功能通常由DBMS提供的實用程序或管理工具完成。

1.4 數(shù)據(jù)模型

1.4.1 數(shù)據(jù)模型的概念

模型是現(xiàn)實世界特征的抽象與模擬，可分為實物模型和抽象模型。數(shù)據(jù)模型是一種抽象模型，是對現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象，為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的信息表示和操作提供必須的抽象框架。

數(shù)據(jù)模型的選擇應(yīng)滿足三方面要求：①能較真實地模擬現(xiàn)實世界②易于理解③便于在計算機上實現(xiàn)。根據(jù)實際問題的需要和應(yīng)用目的的不同，有三種層面上的數(shù)據(jù)模型。

概念數(shù)據(jù)模型（概念模型、信息模型）
面向用戶的模型，是現(xiàn)實世界到機器世界的一個中間層次。其基本特征是按用戶觀點對信息建模，與具體的DBMS無關(guān)。概念數(shù)據(jù)模型的作用和意義在于描述現(xiàn)實世界的概念化結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員在設(shè)計的初始階段能夠擺脫計算機系統(tǒng)和DBMS具體技術(shù)的約束，集中精力分析數(shù)據(jù)及其聯(lián)系。最常用的概念模型是實體-聯(lián)系（E-R）模型。

邏輯數(shù)據(jù)模型（結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型）
按計算機系統(tǒng)的觀點對數(shù)據(jù)建模，服務(wù)于DBMS的應(yīng)用實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)模型包括：層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型等。

物理數(shù)據(jù)模型
用于描述數(shù)據(jù)在存儲介質(zhì)上的組織結(jié)構(gòu)，它與具體DBMS有關(guān)，也與操作系統(tǒng)和硬件有關(guān)，是物理層次上的數(shù)據(jù)模型。

1.4.2 概念數(shù)據(jù)模型

概念數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)實世界到信息世界的抽象，是數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員與用戶進行交流的工具。因此概念數(shù)據(jù)模型的選擇應(yīng)具有較強的語義表達能力，同時還應(yīng)簡單、清晰、便于用戶理解。目前使用較多的概念數(shù)據(jù)模型描述工具有E-R模型、UML等。

E-R模型的三要素：實體、屬性、聯(lián)系
實體指客觀存在并可相互區(qū)別的事物。實體可以是人、事或物，也可以是抽象的概念。屬性是實體的特征，刻畫了實體在某方面的特征。現(xiàn)實世界中事物之間的聯(lián)系反映在E-R模型中就是實體間的聯(lián)系。

實體型和實體值
在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，引入的對象通常都有“型”和“值”之分。“型”是對象特征的抽象描述，“值”是對象的具體內(nèi)容。實體型指對某一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和特征的描述，通常由實體名和屬性名的集合來抽象和刻畫同類實體。實體值是實體型的內(nèi)容，由描述實體的各個屬性值組成。實體集指具有相同實體型的若干實體構(gòu)成的集合。

聯(lián)系的分類
實體內(nèi)部/之間的聯(lián)系：實體集內(nèi)部各實體間/不同實體集中實體間的聯(lián)系。
存在性/功能性聯(lián)系：學校有老師，工廠有車間/老師授課，學生選課。
兩個實體型之間的聯(lián)系：一對一聯(lián)系（1:1）、一對多聯(lián)系（1：n）、多對多聯(lián)系（m：n）。

E-R模型表示——E-R圖
用矩形框表示實體型，框內(nèi)標明實體名；用橢圓表示實體型的屬性；用無向線段連接實體和屬性；用菱形框表示聯(lián)系，用無向邊分別與有關(guān)實體連接，同時在無向邊旁標注聯(lián)系類型。

1.4.3 邏輯數(shù)據(jù)模型

邏輯數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)呈現(xiàn)給用戶的數(shù)據(jù)模型，即用戶從數(shù)據(jù)庫中看到的數(shù)據(jù)組織形式，它與DBMS直接相關(guān)。用概念數(shù)據(jù)模型描述的數(shù)據(jù)，必須用邏輯數(shù)據(jù)模型表示才能由DBMS管理。

數(shù)據(jù)模型的三要素
邏輯數(shù)據(jù)模型是嚴格定義的一組概念的集合，主要由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)完整性約束三部分組成，通常稱為邏輯數(shù)據(jù)模型的三要素。

數(shù)據(jù)模型的類型
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是刻畫數(shù)據(jù)模型最重要的方面。因此在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，通常按照其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來命名數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型的發(fā)展帶動了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的更新?lián)Q代。先后出現(xiàn)了層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ汀ο箨P(guān)系模型等邏輯數(shù)據(jù)模型。其中層次模型和網(wǎng)狀模型統(tǒng)稱為格式化模型。

關(guān)系數(shù)據(jù)模型
關(guān)系模型源于數(shù)學，具有完備的關(guān)系理論作為基礎(chǔ)，因此被普遍采用。
（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。非形式化地討論，關(guān)系模型地基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是表格，使用二維表來表示實體及其聯(lián)系。
（2）數(shù)據(jù)操作。關(guān)系模型的數(shù)據(jù)操作主要包括查詢和更新。關(guān)系數(shù)據(jù)操作有兩個顯著特點：操作對象和結(jié)果均為集合；關(guān)系模型將操作中的存取路徑向用戶屏蔽起來。
（3）數(shù)據(jù)完整性約束。對數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)操作必須滿足完整性約束規(guī)則。關(guān)系完整性約束規(guī)則包括三類：實體完整性、參照完整性和用戶定義完整性。

1.5 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展

1.5.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)展的階段

第一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
采用規(guī)格化模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)屬于第一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。層次模型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)代表：IBM公司的IMS(Information Management System)；網(wǎng)狀模型的典型代表是DBTG系統(tǒng)。
第一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要特點有：
（1）支持三級模式體系結(jié)構(gòu)。
（2）用存儲路徑表示實體間的聯(lián)系。
（3）導航式的數(shù)據(jù)操縱語言。

第二代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
第二代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是指支持關(guān)系數(shù)據(jù)模型的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。關(guān)系模型由E.F.Codd提出。支持的實驗系統(tǒng)有System R和INGRES，商用系統(tǒng)有System R發(fā)展來的SQL/DS以及INGRES實驗系統(tǒng)發(fā)展來的INGRES關(guān)系數(shù)據(jù)庫軟件產(chǎn)品。Foxpro、Access、Oracle、SQL Server、 Sybase、 DB2、 Informix。
第二代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要特點有：
（1）概念單一，實體以及實體之間的聯(lián)系都用關(guān)系表示。
（2）以關(guān)系代數(shù)為基礎(chǔ)，形式化基礎(chǔ)好。
（3）數(shù)據(jù)獨立性強，數(shù)據(jù)的物理存取路徑對用戶屏蔽。
（4）語言標準化，即創(chuàng)建了結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL(Structured Query Language)。

第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是指以更豐富的數(shù)據(jù)模型、更強大的數(shù)據(jù)管理能力為特征，滿足更廣泛更復雜的新應(yīng)用需求的各類數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的大家族。這些新的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括：面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫、分布式數(shù)據(jù)庫、并行數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫等。
第三代數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的三個基本特征：
（1）第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)支持數(shù)據(jù)管理，對象管理和知識管理。
（2）第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)必須保持或繼承第二代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的技術(shù)。即必須保持第二代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的非過程化數(shù)據(jù)存取方式和數(shù)據(jù)獨立性等特征。
（3）第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)必須對其他系統(tǒng)開放。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開放性表現(xiàn)在：支持數(shù)據(jù)庫語言標準，支持網(wǎng)絡(luò)標準，系統(tǒng)具有良好的可移植性、可連接性、可擴展性和互操作性等。

1.5.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要研究領(lǐng)域

DBMS軟件研制。
DBMS是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心，開發(fā)可靠性好、效率高、功能齊全的DBMS始終是數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容。并且為了充分發(fā)揮數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用功能，還需開發(fā)一些必須能在DBMS上運行的軟件系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。
在DBMS支持下，設(shè)計與開發(fā)滿足用戶要求的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，這是數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域研究的另一個重要內(nèi)容。

數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)理論。自關(guān)系數(shù)據(jù)模型提出以來，很長一段時間內(nèi)，數(shù)據(jù)庫理論研究主要集中在數(shù)據(jù)理論上，包括關(guān)系數(shù)據(jù)模型、規(guī)范化理論等。隨著新的數(shù)據(jù)模型的提出，近年來開始了對與新型數(shù)據(jù)庫的理論研究。

總結(jié)

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