數據庫管理系統(tǒng)

1、數據庫原理,倪巍偉wni@seu.edu.cn,,數據庫管理已經成為現代計算平臺的核心成分之一。本課程從平臺對應用的支持出發(fā)，討論DB系統(tǒng)的基本概念、方法、原理和技術，以提高設計、開發(fā)和系統(tǒng)分析能力。,(1) 數據庫技術是應數據管理的任務的需要而產生的。 數據管理是指如何對數據進行分類、組織、編碼、 存儲、檢索和維護，它是數據處理的中心問題。 (2) 數據管理經歷了三個階段.人工管理 .文件系統(tǒng)

2、.數據庫系統(tǒng),第1章 引論,1.1 數據管理的發(fā)展,,數據密集型應用（data intensive application）,數據密集型應用的特點 1.設及數據量大（TB），一般內存容納不下，需放在輔存； 2.數據為持久數據（persistent data）； 3.數據為多個應用程序所共享,MIS、銀行、辦公系統(tǒng)、網絡數據服務等。,數據管理,文件系統(tǒng)的缺點 1.編寫應用程序不方便; 2.數據冗余;

3、 3.文件結構的每一修改 將導致應用程序的修改， 應用程序維護工作量大; 4.文件系統(tǒng)不支持對文件的并發(fā)訪問； 5.數據的規(guī)范化與標準化較難達到。,新書入庫,讀者增刪,圖書出納,催還通知,書目文件,讀者文件,出借文件,,,,,,,,數據結構化 數據結構化是數據庫與文件系統(tǒng)的根本區(qū)別。在描述數據時不僅要描述數據本身，還要描述數據之間的聯(lián)系。,數據與單位（enterprise）對應，看成一

4、個單位的共享資源，由數據庫管理系統(tǒng)軟件（DataBase Management System，簡稱DBMS）統(tǒng)一管理。 數據庫系統(tǒng)以統(tǒng)一管理和共享數據為主要特征,數據庫系統(tǒng)（database system）,DBMS的發(fā)展,1964年，IDS（Integrated Data Store）網狀，通用電氣，Bachman（圖靈獎，1973）60年代末，IMS（Information Management System）層次，IB

5、M1970 Codd提出了關系模型（relational data model）（圖靈獎，1981）1977 IBM System R和Berkeley分校Ingres運行，關系模型80年代，商品化關系DBMS成為主流，DB2,Oracle,Sybase,Informix,MS SQL Server,Access等,,數據管理將繼續(xù)發(fā)展，應用是動力，新的軟硬件技術是基礎，數據庫是主要形式。,數據庫系統(tǒng)一般由數據庫、數據庫管理系統(tǒng)

6、(及其開發(fā)工具)、應用系統(tǒng)、數據庫管理員和用戶構成。下面分別介紹這幾個部分的內容。,1.2 數據庫系統(tǒng),DBMS的主要功能,提供高級的用戶接口查詢處理和優(yōu)化數據目錄管理并發(fā)控制恢復功能完整性約束檢查訪問控制,由于數據庫系統(tǒng)數據量都很大，加之DBMS豐富的功能使得自身的規(guī)模也很大，因此，整個數據庫系統(tǒng)對硬件資源提出了較高的要求，這些要求是：,1．硬件平臺及數據庫,(1)要有足夠大的內存，存放操作系統(tǒng)、DBMS的核心

7、模塊、數據緩沖區(qū)和應用程序。,(2)有足夠大的磁盤等直接存取設備存放數據庫和備份數據。,(3)要求系統(tǒng)有較高的通道能力，以提高數據傳送率。,數據庫系統(tǒng)的軟件主要包括： (1)DBMS。DBMS是為數據庫的建立、使用和 維護配置的軟件。,2、軟件,(2)支持DBMS運行的操作系統(tǒng)。,(3)具有數據庫接口的高級語言及其編譯系統(tǒng)，便于開發(fā)應用程序。,,,(4)以DBMS為核心的應用開發(fā)工具。 應用開發(fā)工具是系統(tǒng)為應用

8、開發(fā)人員和最終用戶提供的高效率、多功能的應用生成器、第四代語言等各種軟件工具。它們?yōu)閿祿煜到y(tǒng)的開發(fā)和應用提供了良好的環(huán)境。,(5)為特定應用環(huán)境開發(fā)的數據庫應用系統(tǒng)。,開發(fā)、管理和使用數據庫系統(tǒng)的人員主要是：數據庫管理員、系統(tǒng)分析員和數據庫設計人員、應用程序員和最終用戶。不同的人員涉及不同的數據抽象級別，具有不同的數據視圖，有各自的職責。,3．人員,(1)數據庫管理員(DataBase Administrator，DBA

9、) 具體職責包括：,1)決定數據庫中的信息內容和結構 2)決定數據庫的存儲結構和存取策略 3)定義數據的安全性要求和完整性約束條件 4)監(jiān)控數據庫的使用和運行,另外，在數據運行過程中，大量數據不斷插入、刪除、修改，時間一長，會影響系統(tǒng)的性能。因此，DBA要定期對數據庫進行重組織，以提高系統(tǒng)的性能。,,當用戶的需求增加或者改變時，DBA還要對數據庫進行較大的改造，包括修改部分設計，即數據庫的重構造。,(2)系統(tǒng)

10、分析員和數據庫設計人員 系統(tǒng)分析員負責應用系統(tǒng)的需求分析和規(guī)范說明，要和用戶及DBA相結合，確定系統(tǒng)的軟硬件配置，并參與數據庫系統(tǒng)的概要設計。,數據庫設計人員負責數據庫中數據的確定、數據庫各級模式的設計。數據庫設計人員必須參加用戶需求調查和系統(tǒng)分析，然后進行數據庫設計。在很多情況下，數據庫設計人員就由數據庫管理員擔任。,,(3)應用程序員 應用程序員負責設計和編寫應用系統(tǒng)的程序模塊，并進行調試和安裝。(4)用戶

11、 這里用戶是指最終用戶(EndUser)。最終用戶通過應用系統(tǒng)的用戶接口使用數據庫。常用的接口方式有瀏覽器、菜單驅動、表格操作、圖形顯示、報表書寫等。,模型，特別是具體的實物模型，人們并不陌生。例如，一張地圖，一組建筑設計沙盤，一架精致的航模飛機，都是具體的模型。一眼望去，就會使人聯(lián)想到真實生活中的事物。模型是現實世界特征的模擬和抽象。數據模型(DataModel)也是一種模型，它是現實世界數據特征的抽象。,1.3 數據、數據模型和數

12、據模式,數據是信息存在的一種形式，只有通過解釋或處理才能成為有用的信息。,對事物描述的符號記錄稱為數據。,數據庫是某個企業(yè)、組織或部門所涉及的數據的綜合，它不僅要反映數據本身的內容，而且要反映數據之間的聯(lián)系。由于計算機不可能直接處理現實世界中的具體事物，所以人們必須事先把具體事物轉換成計算機能夠處理的數據。在數據庫中用數據模型這個工具來抽象、表示和處理現實世界中的數據和信息。通俗地講數據模型就是現實世界的模擬。,現有的數據庫系統(tǒng)均是基

13、于某種數據模型的。因此，了解數據模型的基本概念是學習數據庫的基礎。 數據模型應滿足三方面要求：一是能比較真實地模擬現實世界；二是容易為人所理解；三是便于在計算機上實現。 一種數據模型要很好地滿足這三方面的要求在目前還很困難。在數據庫系統(tǒng)中針對不同的使用對象和應用目的，采用不同的數據模型。,,不同的數據模型實際上是提供給我們模型化數據和信息的不同工具。,數據模型是數據庫系統(tǒng)的核心和基礎。各種機器上實現的DBMS軟件

14、都是基于某種數據模型的。,為了把現實世界中的具體事物抽象、組織為某一DBMS支持的數據模型，人們常常首先將現實世界抽象為信息世界，然后將信息世界轉換為機器世界。,,也就是說，首先把現實世界中的客觀對象抽象為某一種信息結構，這種信息結構并不依賴于具體的計算機系統(tǒng)，不是某一個DBMS支持的數據模型，而是概念級的模型；然后再把概念模型轉換為計算機上某一DBMS支持的數據模型。,數據模型的組成要素,一般地講，數據模型是嚴格定義的一

15、組概念的集合。這些概念精確地描述了系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性和完整性約束條件。因此數據模型通常由數據結構、數據操作和完整性約束三部分組成。,數據結構是所研究的對象類型的集合。這些對象是數據庫的組成成分，它們包括兩類:,1．數據結構,一類是與數據類型、內容、性質有關的對象，例如網狀模型中的數據項、記錄，關系模型中的域、屬性、關系等；,一類是與數據之間聯(lián)系有關的對象，例如網狀模型中的系型(Set type)。,數據結構是刻畫一個數據模

16、型性質最重要的方面，是對系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述。因此，在數據庫系統(tǒng)中，通常按照其數據結構的類型來命名數據模型。例如層次結構、網狀結構和關系結構的數據模型分別命名為層次模型、網狀模型和關系模型。,數據操作是指對數據庫中各種對象(型)的實例(值)允許執(zhí)行的操作的集合，包括操作及有關的操作規(guī)則。 數據庫主要有檢索和更新(包括插入、刪除、修改)兩大類操作。數據模型必須定義這些操作的確切含義、操作符號、操作規(guī)則(如優(yōu)先級)以及實現操作的語言。

17、 數據操作是對系統(tǒng)動態(tài)特性的描述。,2. 數據操作,數據的約束條件是一組完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則是給定的數據模型中數據及其聯(lián)系所具有的制約和依存規(guī)則，用以限定符合數據模型的數據庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證數據的正確、有效、相容。,3．數據的約束條件,數據模型是用來描述現實世界的，因此，越自然越好（易于理解）。,在數據庫中，針對不同的使用對象和應用目的，采用多級數據模型，一般可分為三級：,1.  概念數據模型（

18、與DBMS無關） 主要用來描述一個單位的概念化結構，面向用戶、面向現實世界，是一種語義模型，常用E-R圖表示，接近人的思維，容易理解。,2．邏輯數據模型（與DBMS有關） 用概念數據模型表示的數據必須轉化為邏輯數據模型表示的數據，才能在DBMS中實現，因此，邏輯模型既要面向用戶，也要面向實現。,3.物理數據模型（與DBMS、OS硬件有關） 它反映數據的存儲結構，如物理塊、指針、索引等。物理數據模型不但與DBMS

19、有關，還與OS和硬件有關。,什么叫數據模式？ 以一定的數據模型對一個單位的類型、結構及其相互間的關系所進行的描述。,型:,一個值:,? 數據模型和數據模式區(qū)別：數據模型是描述現實世界數據的手段、工具。數據模式是利用這個手段和工具對具體對象相互間的關系所進行的描述。是關于型的描述。它與DBMS和OS硬件無關。,例：C語言和用C語言編寫的程序的區(qū)別。,? 數據模式通常分為三級：1．概念模式 是用邏輯數據模型對一個單

20、位的數據的描述。是一個單位的全局模式，是整個數據庫的邏輯結構。,2．外模式 是用邏輯數據模型，對用戶所用到的那部分數據的描述。它是概念模式的一部分或由前者推導而來的。（這是每一個用戶看到的模式。每一個用戶的外模式不一定相同，外模式是一種局部模式）,3．內模式 是用物理數據模型對數據的描述。表示數據庫存儲結構，即物理結構。,概念模式、外模式和內模式都存于數據目錄中,是數據目錄的最基本內容。DBMS通過數據目錄,管

21、理和訪問數據模式。,1.4 數據庫應用,數據庫的應用就是選擇合適的DBMS，設計、建立維護和管理數據庫系統(tǒng)，為用戶服務。,1.數據庫系統(tǒng)的規(guī)劃,2.數據庫設計,數據庫設計,信息需求,處理需求,DBMS特性,硬件、操作系統(tǒng)特性,,,數據模式,典型應用程序,,圖 1--5 數據庫設計的基本任務,,,,,,,,,3.數據庫的建立,4.數據庫的運行、管理和維護,5.數據庫的擴充和維護,數據庫技術的發(fā)展*,第一代數據庫系統(tǒng) 20世紀7

22、0年代 層次和網狀數據庫系統(tǒng) 第二代數據庫系統(tǒng) 關系數據庫系統(tǒng)第三代數據庫系統(tǒng)面向對象數據模型數據庫技術和其他學科內容相結合（分布式數據庫、工程數據庫、演繹數據庫、知識數據庫、時態(tài)數據庫、空間數據庫）,,Internet時代的數據庫技術 Internet技術的發(fā)展促進新的數據庫應用，諸如支持高層決策的數據倉庫、OLAP分析、數據挖掘、電子商務等。 出現了Web信息檢索技術與系統(tǒng)、Web數據集成與共享技術與