1、 数据库原理及应用SQL Server2019 第1章 数据库系统概述 主要内容1.1引言 1.2数据库技术的发展1.3 数据模型1.4 数据库系统 学习目标学习目标:了解数据库发展历史了解数据库系统的概念了解数据库系统结构了解数据库管理系统的组成 导入案例导入案例 远古时代，人类社会的生产力低下，生存环境恶劣，人们几乎没有剩余的物质财富，过着茹毛饮血的原始生活。这个时代，人们无暇顾及计数工具。在之后的岁月里，人们渐渐学会了火耕刀种。采集来的种子撒在地里，之后有了更多的果实，吃不了的猎物圈养起来，这样有了在人类社会中繁衍下去的家畜。物质的丰富，人类开始有了管理财物的需要。现代社会，人类的物质文
2、明和精神文明财富早已超出了个人的想象，使用高效的数据库系统来管理这些数据是社会发展的必然。本章主要介绍数据库系统的产生、数据库技术的发展、数据模型和数据库系统概述几个方面，使读者掌握数据库系统构建和应用的理论基础。1.1 引言引言计算机是人类计算工具发展的产物计算机是人类计算工具发展的产物数据库是计算机技术发展的产物数据库是计算机技术发展的产物SQL Server的优越性的优越性 1.2 数据库技术的发展数据库技术的发展信息与数据信息与数据数据处理数据处理人工管理阶段人工管理阶段文件系统阶段文件系统阶段数据库系统阶段数据库系统阶段高级数据库阶段高级数据库阶段 1.2.1 信息与数据信息与数据信
3、息信息的广泛性定义 专业性定义：以适合于通信、存储或处理的形式来表示的知识或消息。数据数据是用来记录信息的可识别的符号，是信息的具体表现形式。数据的概念在数据处理领域中已大大地拓宽了。数据是信息的符号表示或载体，信息则是数据的内涵，是对数据的语义解释。1.2.2 数据处理数据处理数据处理是将数据转换成信息的过程 1.2.3 人工管理阶段人工管理阶段 背景：计算机主要用于科学计算（数据量小、结构简单，如高阶方程、曲线拟和等）。外存只有磁带、卡片、纸带等，没有磁盘等直接存取设备。没有操作系统，没有数据管理软件，软件只有汇编（用户也用机器指令编码）。数据处理的方式基本上是批处理。人工管理阶段（续）特
4、点：数据不保存应用程序管理数据数据面向程序，数据不能共享数据不具有独立性 人工管理阶段（续）程序与数据的关系 数据集应用逻辑（处理）应用程序应用程序的逻辑结构数据的物理结构（存储结构存取方法）人工管理阶段（续）数据和程序是一一对应的，即一组数据只能用于一个程序。人工处理阶段缺点人工管理阶段的缺点是半自动化，效率低下。1.2.4 文件系统阶段文件系统阶段 背景：背景：计算机不但用于科学计算，还大量用于管理。硬件有了磁盘、磁鼓等直接存取设备。在软件方面，出现了高级语言和操作系统操作系统中有了专门管理数据的软件，一般称为文件系统。文件系统阶段（续）特点：数据以文件形式长期保存。按名访问，按纪录存取；
5、文件形式多样化（索引文件、链接文件、直接存取文件、倒排文件等）；一个数据文件对应一个或几个用户程序，还是面向应用的，具有一定的共享性；通过文件系统提供存取方法，支持对文件的基本操作（增、删、改、查等），用户程序不必考虑物理细节。数据的存取基本上以记录为单位；数据与程序有一定的独立性，因为数据的逻辑结构与存储结构由文件系统进行转换，数据在存储上的改变不一定反映在程序上。文件系统阶段（续）程序与数据的关系 数据的物理结构物理结构（存储结构存储结构 存取方法存取方法）文件1文件2文件n文件系统应用程序1数据的逻辑结构应用逻辑（处理）应用程序n数据的逻辑结构应用逻辑（处理）文件系统阶段（续）程序与数据
6、共享 文件系统应用程序1应用程序2应用程序n数据1数据2数据n 文件系统阶段的缺点数据冗余不一致性数据孤立数据独立性差并发访问异常 1.2.5 数据库系统阶段数据库系统阶段 背景：60年代后期，计算机应用于管理的规模更加庞大，数据量急剧增加；硬件方面出现了大容量磁盘，使计算机联机存取大量数据成为可能；软件价格上升，硬件价格下降，开发和维护成本增加，其中维护的成本更高。文件系统的数据管理方法已无法适应开发应用系统的的需要。为解决多用户、多个应用程序共享数据的需求，出现了统一管理数据的专门软件系统（数据库管理系统）。数据库系统阶段（续）数据库观点：数据不是依赖于处理过程的附属品，而是现实世界中独立
7、存在的对象。数据独立于程序。数据库系统阶段（续）1.2.6 高级数据库阶段高级数据库阶段并行数据库系统分布式数据库系统面向对象数据库系统数据仓库多媒体数据库智能型知识数据库等 1.3 数据模型数据模型现实世界到机器世界的抽象 数据模型数据模型模型是现实世界特征的模拟和抽象。数据模型则是现实世界数据特征的抽象，是数据库技术的核心。数据模型应满足三个方面的要求：能比较真实地模拟现实世界；容易为人理解；便于在计算机上实现。数据模型的主要内容数据模型的主要内容数据模型的分类数据模型的分类概念模型概念模型层次模型层次模型网状模型网状模型关系模型关系模型 1.3.1 数据模型的分类数据模型的分类数据库中的
8、数据是按一定的逻辑结构存放的，这种结构是用数据模型来表示的。从数据库开发的方法和过程来对数据和信息建模。按数据库系统实现的观点来建模。分类1从数据库开发的方法和过程来看，对数据和信息建模，分为概念模型、逻辑模型和物理模型。概念模型 用于组织信息世界的概念，表现从现实世界中抽象出来的事物以及它们之间的联系。这类模型强调其语义表达能力，概念简单、清晰，易于用户理解。它是现实世界到信息世界的抽象，如E-R模型。逻辑模型 从计算机实现的角度来对数据建模。是信息世界中的概念和联系在计算机世界中的表示方法。如从E-R图转化的关系模式。物理模型 从计算机的物理存储角度对数据建模。是数据在物理设备上的存放方法
9、和表现形式的描述，以实现数据的高效存取。分类2按数据库系统实现的观点来建模，主要研究如何组织、管理数据库系统内部的数据。这种数据模型由三个组成要素构成：数据结构、数据操作和数据完整性约束。数据结构数据结构：描述系统的静态特性，即实体对象存储在数据库中的记录型的集合。包括数据本身（类型、内容、性质）和数据之间的联系。在数据库系统中一般按数据结构的类型来命名数据模型。按照数据结构的特点分类，数据模型主要有层次模型，网状模型和关系模型。数据操作数据操作：是对系统动态特性的描述，用于描述施加于数据之上的各种操作，即对数据库中各种对象（型）的实例允许执行的操作的集合，包括操作及操作规则。主要有检索、更新
10、（插入、删除、修改）两大类操作。数据模型要定义操作含义、操作符号、操作规则，以及实现操作的语言。数据的约束条件数据的约束条件：是完整性规则的集合，规定数据库状态及状态变化所应满足的条件，以保证数据的正确、有效、相容。有“通用的完整性约束条件”和“特定的语义约束条件”之分。1.3.2 概念模型概念模型概念模型是把现实世界中的具体事务抽象为某种信息结构，使其成为某种数据库管理系统支持的数据模型，这种信息结构并不依赖于计算机系统，而是概念级的模型。概念模型的几个术语概念模型的几个术语实体（Entity）指客观存在并相互区分的事物；属性（Attribute）实体所具有的特性；键（Key）能唯一标识一个
11、实体的属性及属性值；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；如 学生（学号,）实体集（Entity Set）具有相同属性（或特性）的实体的集合；联系（Relationship）实体（型）内部或实体（型）之间的联系。实体联系有两种形式实体联系有两种形式实体内部（属性）间的联系；实体间的联系，一般指不同实体集之间的联系。两实体型之间的联系一对一 1:1如：班级，班长一对多 1:M 如：班级，学生多对多 M:N 如：学生，教师.同一实体集内的联系同一实体集内的各实体间也存在一对一、一对多和多对多的联系。实体联系模型实体联系模型 E-R（Entity-Relatio
12、nship Model）EE-R（Extend Entity-Relationship Model）实体联系模型有E-R和EE-R两种类型。实体联系模型的表示实体联系模型用简单的图形方式描述现实世界中的数据。其中信息由实体、实体属性和实体联系来表示。实体：概念模型的对象，用“矩形”表示；实体属性：说明实体，用“椭圆”表示；实体联系：实体类型间有名称的关联，用“菱形”表示。学生ER模型图 学生选课E-R图 1.3.3 层次模型层次模型在具有层次模型的数据集合中，数据对象之间是一种一对一或一对多的联系，模型中层次清晰，可沿层次路径存取和访问各个数据，用树结构表示实体之间的这种联系的模型叫层次模型。
13、代表产品：IBM的IMS数据库，1969年研制成功。数据结构层次模型的数据结构是树。数据操纵 主要有查询、插入、删除和修改。完整性约束进行插入、删除和修改操作时要满足层次模型的完整性约束条件：插入：如果没有相应的双亲结点值就不能插入子女结点值；删除：如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除；修改：应修改所有相应的记录，以保证数据的一致性。层次模型的优点 操作比较简单，只需很少几条命令。逻辑结构较易理解和实现。它提供了良好的数据完整性支持。层次模型的缺点无法直观的表现复杂的事物关系。对数据的插入和删除的操作限制太多。查询子女结点必须通过双亲结点，浪费搜索时间。1.3.4网状模型网状模型
14、各数据实体之间建立的是一种层次不清的一对一、一对多或多对多的联系。标志：1969的DBTG报告。数据结构数据结构是一个有向图。可以有一个以上的节点无父节点。至少有一个节点有多于一个的父节点。数据操纵 数据操纵主要包括查询、插入、删除和修改数据。完整性约束插入：允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值。eg:可增加一名尚未分配到某个教研室的新教师，也可增加一些刚来报到，还未分配宿舍的学生。删除：允许只删除双亲结点值。eg:可删除一个教研室，而该教研室所有教师的信息仍保留在数据库中。修改：可直接表示非树形结构，而无需像层次模型那样增加冗余结点，因此，修改操作时只需更新指定记录即可。网状模型的优点 能
15、更为直接地描述客观世界，可表示实体间的多种复杂联系。具有良好的性能和存储效率 网状模型的缺点 由于更好的体现了事物之间的联系，所以实现起来结构复杂诸多的联系导致了数据独立性差 1.3.5关系模型关系模型关系模型是一种易于理解并具有较强数据描述能力的数据模型 数据结构是用二维表来表示实体及实体之间的联系 每张二维表称为一个关系（Relation），其中存放了两种类型的数据：实体本身的数据，实体间的联系是通过不同关系中具有相同的属性名来实现的。教师表 基本概念（1）关系（Relation）：一个关系对应一张二维表，如表1-1。（2）元组（Tuple）：表格中的一行，如S表中的一个学生记录即为一个元
16、组。（3）属性（Attribute）：表格中的一列，相当于记录中的一个字段，如S表中有五个属性（学号，姓名，性别，年龄，系别）。（4）关键字（Key）：可唯一标识元组的属性或属性集，也称为关系键或主码，如S表中学号可以唯一确定一个学生，为学生关系的主码。（5）域（Domain）：属性的取值范围，如年龄的域是（1440）,性别的域是（男，女）。（6）分量：每一行对应的列的属性值，即元组中的一个属性值，如学号、姓名、年龄等均是一个分量。（7）关系模式：对关系的描述，一般表示为：关系名（属性1，属性2，属性n），如：学生（学号，姓名，性别，年龄，系别）。关系表示一切在关系模型中，实体是用关系来表示的
17、，如：学生（学号，姓名，性别，年龄，系别），课程（课程号，课程名，课时）。实体间的关系也是用关系来表示的，如:学生和课程之间的关系选课关系（学号，课程号，成绩）。数据操纵 主要包括查询、插入、删除和修改数据 完整性约束数据操作必须满足关系的完整性约束条件，即实体完整性、参照完整性和用户定义的完整性。与非关系模型比较在非关系模型中，操作对象是单个记录而关系模型中的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；用户只要指出“干什么”，而不必详细说明“怎么干”，从而大大地提高了数据的独立性，提高了用户的生产率。关系模型的特征（1）结构单一化：关系模型的逻辑结构实际上是二维表，基于
18、关系模型的关系数据库的逻辑结构也是二维表（2）坚实的数学理论基础。关系模型的优点 简单，表的概念直观，处理数据效率高。描述的一致性，不仅用关系描述实体本身，也用关系描述实体之间的联系。数据独立性高，有较好的一致性和良好的保密性。可以动态地导出和维护视图。数据结构简单，便于了解和维护。可以配备多种高级接口。关系模型的缺点 由于存取路径对用户透明，查询效率往往不如非关系模型，因此，为了提高性能，必须对用户的查询表示进行优化，增加了开发数据库管理系统的负担 1.4 数据库系统数据库系统数据库系统定义 数据库系统组成 数据库系统特点 数据库系统模式 DBMS管理功能 数据库系统的不同视图 1.4.1数
19、据库系统定义数据库系统定义数据库（Data Base）数据库管理系统（Data Base Management System）数据库系统DBS（Data Base System，简称DBS）1.4.2数据库系统组成数据库系统组成数据库系统通常由软件、数据库和数据管理员组成。数据库系统（DBS）通常涉猎四部分：数据库 Data Base，硬件 Hardware，软件 Software，用户 User。计算机系统涉及的内容 1.4.3数据库系统特点数据库系统特点数据结构化数据集成与共享数据独立性好方便的外部接口统一的控制机制 1.4.4数据库系统模式数据库系统模式在数据模型中包含型与值，型是指对某
20、一类数据的结构和属性的说明，值是型的一个具体赋值。模式是数据库的框架，是对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式的一个实例。数据字典 数据库系统三级模式结构 外模式(Sub-Schema)又称子模式：用户的数据视图。是数据的局部逻辑结构，模式的子集。模式(Schema)：所有用户的公共数据视图。是数据库中全体数据的全局逻辑结构和特性的描述。内模式(Storage Schema)又称存储模式：数据的物理结构及存储方式。三级模式之间的两级映象 外模式/模式映象：定义某一个外模式和模式之间的对应关系，映象定义通常包含在各外模式中。当模
21、式改变时，修改此映象，使外模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为逻辑独立性。模式/内模式映象：定义数据逻辑结构与存储结构之间的对应关系。存储结构改变时，修改此映象，使模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为物理独立性。三级模式结构图 1.4.5 DBMS管理功能管理功能数据库管理系统(database management system)是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库，简称DBMS。DBMS管理层次结构 DBMS主要功能数据定义 数据操作 数据库的运行管理 数据组织、存储与管理 数据库的保护 数据库的维护 通信 DBMS的工作过程 1.4.6 数据库系统的不同视图数据库系统的不同视图 小结小结数据处理技术经历了人工处理阶段、文件系统阶段和数据库系统阶段。数据库系统无论从专业设计人员角度还是用户角度出发，都需要经历在现实世界中调研抽象为数据模型在计算机中实现三个步骤。数据模型分为概念模型、逻辑模型和物理模型。概念模型主要以E-R图为主要建模工具。逻辑模型是将概念模型转化为物理模型的理论模型。物理模型是数据库在计算机中具体存储的模型。数据模型由三部分构成：数据结构、数据操纵和数据完整性约束。按照数据结构的不同，数据模型分为：层次模型、网状模型和关系模型。数据库系统由数据库应用人员、数据库管理系统、数据库和支持它的计算机软、硬件组成。
