數(shù)據(jù)庫原理課件01緒論1

1、1,數(shù)據(jù)庫技術(shù)簡介,數(shù)據(jù)庫技術(shù)產(chǎn)生于六十年代末，是數(shù)據(jù)管理的最新技術(shù)，是計算機科學的重要分支。數(shù)據(jù)庫技術(shù)是信息系統(tǒng)的核心和基礎，它的出現(xiàn)極大地促進了計算機應用向各行各業(yè)的滲透。數(shù)據(jù)庫的建設規(guī)模、數(shù)據(jù)庫信息量的大小和使用頻度已成為衡量一個國家信息化程度的重要標志。,2,數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展回顧,經(jīng)歷了三代演變層次/網(wǎng)狀系統(tǒng)、關(guān)系系統(tǒng)、新一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)造就了三位圖靈獎得主C.W.Bachman、E.F.Codd和James Gray發(fā)

2、展了一門計算機基礎學科以數(shù)據(jù)模型和DBMS核心技術(shù)為主，內(nèi)容豐富、領(lǐng)域?qū)拸V形成了一個巨大的軟件產(chǎn)業(yè)DBMS及其相關(guān)工具產(chǎn)品、應用解決方案,3,1998圖靈獎獲得者數(shù)據(jù)庫技術(shù)和事務處理專家——吉姆.格雷,數(shù)據(jù)庫方面三位圖靈獎獲得者,“關(guān)系數(shù)據(jù)庫之父” 1981,“網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫之父” 1973,4,第一章 緒論,1.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.2 數(shù)據(jù)模型1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成1.5 小結(jié),5,

3、1.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述,1.1.1 四個基本概念1.1.2 數(shù)據(jù)管理技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展1.1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點,返回,6,1.1.1 四個基本概念,返回,數(shù)據(jù)庫（Database）,數(shù)據(jù)(Data),數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS),數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBS),7,一、數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)(Data)的定義數(shù)據(jù)是信息的具體表現(xiàn)形式描述事物的符號記錄,數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式各類數(shù)據(jù)必須數(shù)字化后才能加工處理。,,數(shù)字文字圖形圖像聲

4、音等,8,一、數(shù)據(jù)（續(xù)）,數(shù)據(jù)與其語義是不可分的,,例如：93是一個數(shù)據(jù)語義1：學生某門課的成績語義2：某人的體重語義3：計算機系2007級學生人數(shù),例如：學生檔案中的一條記錄：（ 李明 男 1982 江蘇 計算機系 2000）,9,二、數(shù)據(jù)庫(續(xù)),數(shù)據(jù)庫的定義數(shù)據(jù)庫(Database,簡稱DB)是長期儲存在計算機內(nèi)、有組織的、可共享的大量數(shù)據(jù)的集合。,10,三、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),什么是DBMS數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Da

5、tabase Management System，簡稱DBMS）是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件。,DBMS的用途組織和存儲好大量的數(shù)據(jù)，并提供方便、高效地檢索數(shù)據(jù)和維護數(shù)據(jù)的手段。,11,DBMS的主要功能,12,四、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),什么是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Database System，簡稱DBS）是指在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)。,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（及其開發(fā)工具）應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理員

6、（DBA）,13,四、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(續(xù)),數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 構(gòu)成圖示,返回,數(shù)據(jù)庫,應用系統(tǒng),應用開發(fā)工具,操作系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),,,,,,,,,,,數(shù)據(jù)庫管理員,用戶,用戶,用戶,14,數(shù)據(jù)庫在計算機系統(tǒng)中的地位,返回,15,1.1.2 數(shù)據(jù)管理技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展,16,,1.1.2 數(shù)據(jù)管理技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展,數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展過程人工管理階段(40年代中--50年代中)文件系統(tǒng)階段(50年代末--60年代中)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段

7、(60年代末--現(xiàn)在),數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展動力應用需求的推動、計算機軟/硬件的發(fā)展,17,一、人工管理,時期40年代中--50年代中產(chǎn)生的背景應用需求科學計算硬件水平紙帶、卡片、磁帶軟件水平?jīng)]有操作系統(tǒng)處理方式批處理,18,一、人工管理,邏輯結(jié)構(gòu)存儲結(jié)構(gòu)存取方法輸入方式等,,數(shù)據(jù)不保存,數(shù)據(jù)由程序各自管理,數(shù)據(jù)不共享：一組數(shù)據(jù)只能對應一個程序,數(shù)據(jù)不具獨立性：數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后（物理或邏輯上），應用

8、程序必須做相應的修改。,19,應用程序與數(shù)據(jù)的對應關(guān)系(人工管理階段),,返回,20,二、文件系統(tǒng),時期50年代末--60年代中產(chǎn)生的背景應用需求科學計算、管理硬件水平磁盤、磁鼓軟件水平專門管理數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)處理方式聯(lián)機實時處理、批處理,21,應用程序與數(shù)據(jù)的對應關(guān)系(文件系統(tǒng)),,22,文件系統(tǒng)(續(xù)),特點數(shù)據(jù)可長期保存數(shù)據(jù)的管理者：文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化：記錄內(nèi)有結(jié)構(gòu),整體無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的獨立性：有了一

9、定的獨立性，數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變必須修改應用程序數(shù)據(jù)面向的對象：某一應用程序 數(shù)據(jù)的共享程度：共享性差、冗余度大,,,23,三、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),時期60年代末以來產(chǎn)生的背景應用背景大規(guī)模管理硬件背景大容量磁盤軟件背景有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)處理方式聯(lián)機實時處理、分布處理、批處理,返回,24,應用程序與數(shù)據(jù)的對應關(guān)系(數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)),,25,1.1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點,特點數(shù)據(jù)的管理者：DBMS數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化：整體

10、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的共享程度：共享性高數(shù)據(jù)的獨立性：高度的物理獨立性和一定的 邏輯獨立性數(shù)據(jù)控制能力：由DBMS統(tǒng)一管理和控制,,,,返回,26,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化,整體數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化是數(shù)據(jù)庫的主要特征之一，也是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別。,數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)的真正結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)內(nèi)部是結(jié)構(gòu)化的，整體也是結(jié)構(gòu)化的。不僅描述數(shù)據(jù)本身，也描述數(shù)據(jù)間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)用數(shù)據(jù)模型描述，無需程序定義和解釋。數(shù)據(jù)的

11、最小存取單位是數(shù)據(jù)項。,27,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化,例如，建立學生信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)包含的數(shù)據(jù)：學生文件：學生（學號、姓名、性別、系別、年齡）課程文件：課程（課程號、課程名）成績文件：成績（學號、課程號、成績）,,其實3個文件的記錄之間是有聯(lián)系的，成績文件中的學號必須是成績文件中某個學生的學號，選課的課程號必須是課程文件中某門課程的編號。,28,數(shù)據(jù)獨立性,物理獨立性指用戶的應用程序與存儲在磁盤上的數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)是相互獨立的。當數(shù)據(jù)的物理存

12、儲改變了，應用程序不用改變。邏輯獨立性指用戶的應用程序與數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)是相互獨立的。數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變了，用戶程序也可以不變。數(shù)據(jù)獨立性是由DBMS的二級映像功能來保證的。,,29,DBMS對數(shù)據(jù)的控制功能,數(shù)據(jù)的安全性（Security）保護使每個用戶只能按指定方式使用和處理指定數(shù)據(jù)，保護數(shù)據(jù)以防止不合法的使用造成的數(shù)據(jù)的泄密和破壞。,,返回,數(shù)據(jù)的完整性（Integrity）檢查將數(shù)據(jù)控制在有效范圍內(nèi)，或保證數(shù)據(jù)間滿足一

13、定的關(guān)系。,并發(fā)（Concurrency）控制對多用戶的并發(fā)操作加以控制和協(xié)調(diào)，防止相互干擾而得到錯誤的結(jié)果。,數(shù)據(jù)庫恢復（Recovery）將數(shù)據(jù)庫從錯誤狀態(tài)恢復到某一已知的正確狀態(tài)。,30,1.2 數(shù)據(jù)模型,1.2.1 兩類數(shù)據(jù)模型 1.2.2 數(shù)據(jù)模型的組成要素 1.2.3 概念模型 1.2.4 最常用的數(shù)據(jù)模型 1.2.5 層次模型 1.2.6 網(wǎng)狀模型 1.2.7 關(guān)系模型,31,1

14、.2.1 兩大數(shù)據(jù)模型,模型是對現(xiàn)實世界中某個對象特征的模擬和抽象。,數(shù)據(jù)模型也是一種模型，它是對現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象。數(shù)據(jù)模型是用來描述數(shù)據(jù)、組織數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的。應滿足三方面要求能比較真實地模擬現(xiàn)實世界容易為人所理解便于在計算機上實現(xiàn),32,兩大數(shù)據(jù)模型(續(xù)),數(shù)據(jù)模型分為兩類（分屬兩個不同的層次）,(1) 概念模型：也稱信息模型，它是按用戶的觀點來對數(shù)據(jù)和信息建模，用于數(shù)據(jù)庫設計。(2) 邏輯模型和物理模型邏輯模

15、型主要包括網(wǎng)狀模型、層次模型、關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ偷?，按計算機系統(tǒng)的觀點對數(shù)據(jù)建模，用于DBMS實現(xiàn)。物理模型描述數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部的表示方式和存取方法，在磁盤或磁帶上的存儲方式和存取方法。,33,兩大類數(shù)據(jù)模型 (續(xù)),返回,34,1.2.2 數(shù)據(jù)模型的組成要素,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 描述數(shù)據(jù)庫的組成對象，以及對象之間的聯(lián)系是對系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述數(shù)據(jù)操作 對數(shù)據(jù)庫中各種對象（型）的實例（值）允許執(zhí)行的操作及有關(guān)的操作規(guī)則。數(shù)據(jù)操作是對系

16、統(tǒng)動態(tài)特性的描述數(shù)據(jù)的約束條件 一組完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則是對數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)及其聯(lián)系定義的制約和儲存規(guī)則。,返回,35,1.2.3 概念模型,信息世界中的基本概念兩個實體型之間的聯(lián)系兩個以上實體型之間的聯(lián)系單個實體型內(nèi)的聯(lián)系概念模型的一種表示方法一個實例,返回,36,一、信息世界中的基本概念,(1) 實體（Entity） 客觀存在并可相互區(qū)別的事物稱為實體。可以是具體的人、事、物或抽象的概念。,(2) 屬性（

17、Attribute） 實體所具有的某一特性稱為屬性。一個實體可以由若干個屬性來刻畫。,(3) 碼（Key） 唯一標識實體的屬性集稱為碼。,37,信息世界中的基本概念(續(xù)),(4) 域（Domain） 屬性的取值范圍稱為該屬性的域。,(5) 實體型（Entity Type） 用實體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實體稱為實體型,(6) 實體集（Entity Set） 同型實體的集合稱為實體集,38,信息世界中的基本概念(續(xù))

18、,(7) 聯(lián)系（Relationship） 現(xiàn)實世界中事物內(nèi)部以及事物之間的聯(lián)系在信息世界中反映為實體內(nèi)部的聯(lián)系和實體之間的聯(lián)系。實體內(nèi)部的聯(lián)系通常是指組成實體的各屬性之間的聯(lián)系。實體之間的聯(lián)系通常是指不同實體集之間的聯(lián)系。,返回,39,二、兩個實體型間的聯(lián)系,40,兩個實體型間的聯(lián)系,一對一聯(lián)系 　 如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中至多有一個實體與之聯(lián)系，反之亦然，則稱實體集A與實體集B具有一對一聯(lián)系。記為1:1。

19、,實例班級與班長之間的聯(lián)系：一個班級只有一個正班長一個班長只在一個班中任職,41,兩個實體型間的聯(lián)系 (續(xù)),一對多聯(lián)系如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個實體（n≥0）與之聯(lián)系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中至多只有一個實體與之聯(lián)系，則稱實體集A與實體集B有一對多聯(lián)系。記為1:n,實例班級與學生之間的聯(lián)系：一個班級中有若干名學生，每個學生只在一個班級中學習,42,兩個實體型間的聯(lián)系 (續(xù)),多對

20、多聯(lián)系（m:n）如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個實體（n≥0）與之聯(lián)系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中也有m個實體（m≥0）與之聯(lián)系，則稱實體集A與實體B具有多對多聯(lián)系。記為m:n,返回,實例課程與學生之間的聯(lián)系：一門課程同時有若干個學生選修一個學生可以同時選修多門課程,43,三、多個實體型間的聯(lián)系(續(xù)),多個實體型間的一對多聯(lián)系若實體集E1，E2，...，En存在聯(lián)系，對于實體集Ej（j=1，2

21、，...，i-1，i+1，...，n）中的給定實體，最多只和Ei中的一個實體相聯(lián)系，則我們說Ei與E1，E2，...，Ei-1，Ei+1，...，En之間的聯(lián)系是一對多的。,44,多個實體型間的聯(lián)系(續(xù)),實例 課程、教師與參考書三個實體型一門課程可以有若干個教師講授，使用若干本參考書，每一個教師只講授一門課程，每一本參考書只供一門課程使用,45,多個實體型間的聯(lián)系(續(xù)),多個實體型間的一對一聯(lián)系多個實體型間的多對多聯(lián)

22、系供應商、項目、零件三個實體型一個供應商可以供給多個項目多種零件，每個項目可以使用多個供應商供應的零件，每種零件可由不同供應商供給。,返回,46,四、同一實體集內(nèi)各實體間的聯(lián)系,一對多聯(lián)系實例職工實體型內(nèi)部具有領(lǐng)導與被領(lǐng)導的聯(lián)系某一職工（干部）“領(lǐng)導”若干名職工一個職工僅被另外一個職工直接領(lǐng)導這是一對多的聯(lián)系,返回,47,五、概念模型的表示方法,概念模型的表示方法很多實體－聯(lián)系方法(E-R方法)用E-R圖來描述

23、現(xiàn)實世界的概念模型E-R方法也稱為E-R模型P.P.S.Chen于1976年提出,48,E-R圖,實體型用矩形表示，矩形框內(nèi)寫明實體名。屬性用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應的實體連接起來,學生,教師,49,E-R圖(續(xù)),聯(lián)系聯(lián)系本身：用菱形表示，菱形框內(nèi)寫明聯(lián)系名，并用無向邊分別與有關(guān)實體連接起來，同時在無向邊旁標上聯(lián)系的類型（1:1、1:n或m:n） 聯(lián)系的屬性：聯(lián)系本身也是一種實體型，也可以有屬性。如果一個

24、聯(lián)系具有屬性，則這些屬性也要用無向邊與該聯(lián)系連接起來。,返回,50,六、一個實例,用E-R圖表示某個工廠物資管理的概念模型實體倉庫： 倉庫號、面積、電話號碼零件 ：零件號、名稱、規(guī)格、單價、描述供應商：供應商號、姓名、地址、電話號碼、帳號項目：項目號、預算、開工日期職工：職工號、姓名、年齡、職稱,51,一個實例,實體之間的聯(lián)系如下： (1)一個倉庫可以存放多種零件，一種零件可以存放在多個倉庫中。倉庫和零件具有多對多的

25、聯(lián)系。用庫存量來表示某種零件在某個倉庫中的數(shù)量。 (2)一個倉庫有多個職工當倉庫保管員，一個職工只能在一個倉庫工作，倉庫和職工之間是一對多的聯(lián)系。職工實體型中具有一對多的聯(lián)系 (3)職工之間具有領(lǐng)導-被領(lǐng)導關(guān)系。即倉庫主任領(lǐng)導若干保管員。 (4)供應商、項目和零件三者之間具有多對多的聯(lián)系。,52,一個實例,返回,53,1.2.4 常用的數(shù)據(jù)模型,層次模型（Hierarchical Model）網(wǎng)狀模型(Network Mode

26、l )關(guān)系模型(Relational Model) 面向?qū)ο竽Ｐ?Object Oriented Model）對象關(guān)系模型(Object Relational Model）,這里講的數(shù)據(jù)模型都是邏輯上的，是計算機能夠理解，且被 DBMS 支持的數(shù)據(jù)視圖。,返回,54,1.2.5 層次模型,1. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2. 數(shù)據(jù)操縱3. 完整性約束 4. 存儲結(jié)構(gòu) 5. 優(yōu)缺點,返回,55,1. 層次數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),層次模型

27、滿足下面兩個條件的基本層次聯(lián)系的集合為層次模型。1.有且只有一個結(jié)點沒有雙親結(jié)點，該結(jié)點稱為根結(jié)點2.根以外的其它結(jié)點有且只有一個雙親結(jié)點,56,層次數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(續(xù)),,圖1.16 一個層次模型的示例,57,層次數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(續(xù)),表示方法實體型:用記錄類型描述,每個結(jié)點表示一個記錄類型。屬性：用字段描述,每個記錄類型可包含若干個字段。聯(lián)系：用結(jié)點之間的連線（有向邊)表示記錄型之間的一對多的聯(lián)系。實例：教員-

28、學生數(shù)據(jù)模型,58,層次數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(續(xù)),圖1.17 教員學生層次數(shù)據(jù)庫模型,字段,根結(jié)點,記錄型系的子女結(jié)點記錄型教員的雙親結(jié)點,葉結(jié)點,葉結(jié)點,59,圖1.18 教員學生層次數(shù)據(jù)庫的一個值,60,層次數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(續(xù)),特點結(jié)點的雙親是唯一的每個記錄類型定義一個排序字段，也稱為碼字段任何記錄值只有按其路徑查看時，才能顯出它的全部意義沒有一個子女記錄值能夠脫離雙親記錄值而獨立存在只能直接處理一對多的實體聯(lián)

29、系,61,多對多聯(lián)系在層次模型中的表示,多對多聯(lián)系在層次模型中的表示用層次模型間接表示多對多聯(lián)系,返回,方法將多對多聯(lián)系分解成一對多聯(lián)系分解方法冗余結(jié)點法虛擬結(jié)點法,62,多對多聯(lián)系在層次模型中的表示(續(xù)),學生實體與課程實體之間的多對多聯(lián)系： 一個學生可以選修多門課程，一門課程可以由多個學生選修；,返回,63,多對多聯(lián)系在層次模型中的表示(續(xù)),冗余結(jié)點法：,返回,,,S,C,S,C,64,多對多聯(lián)系在層次模型中的表示

30、(續(xù)),虛擬結(jié)點法：,返回,,,S,C,S,C,V.C,V.S,65,2.層次模型的數(shù)據(jù)操縱,查詢插入刪除更新進行插入、刪除、更新操作時要滿足層次模型的完整性約束條件。,返回,66,3. 層次模型的完整性約束,1、無相應的雙親結(jié)點值就不能插入子女結(jié)點值,返回,2、如果刪除雙親結(jié)點值，則相應的子女結(jié)點值也被同時刪除,3、更新操作時，應更新所有相應記錄，以保證數(shù)據(jù)的一致性,67,4.層次數(shù)據(jù)模型的存儲結(jié)構(gòu),鄰接法 按照層次樹前序

31、遍歷的順序把所有記錄值依次鄰接存放，即通過物理空間的位置相鄰來實現(xiàn)層次順序,,返回,68,層次數(shù)據(jù)模型的存儲結(jié)構(gòu)（續(xù)）,,69,4.層次數(shù)據(jù)模型的存儲結(jié)構(gòu),鏈接法用指針來反映數(shù)據(jù)之間的層次聯(lián)系子女－兄弟鏈接法 P24層次序列鏈接法 P24,,,返回,70,層次數(shù)據(jù)模型的存儲結(jié)構(gòu)（續(xù)）,子女-兄弟鏈接法每個記錄設兩類指針，分別指向最左邊的子女（每個記錄型對應一個）和最近的兄弟。,,71,層次數(shù)據(jù)模型的存儲結(jié)構(gòu)（續(xù)）,層次