数据库系统介绍

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数据库系统概述

数据库的基本概念

  • 数据(Data)——描述事物的符号记录
  • 数据库(Database, DB)——
  • 数据库管理系统(Database Management System, DBMS)——
  • 数据库系统(Database System, DBS)——
  1. 数据
    语义：数据于其语义是不可分的（比如”性别男，”男”和”性别”是不可分的）
    解释：针对数据的语义用自然语言描述（某人的性别是男性）
    结构：”记录”是计算机存储数据的一种格式/方法
  2. 数据库
    定义：数据库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。
    用处：收集并抽取出一个应用所需要的大量有用数据，将其保存，以供京一部加工处理。
    特征：按一定数据模型组织、描述、储存；可为各种用户共享、冗余度小、易扩展；数据独立性高。
  3. 数据库管理系统
    定义：位于应用程序与操作系统之间的一层数据管理软件。是大型复杂的软件系统。
    用途：科学地组值和存储数据、高效地获取和维护数据。
    功能：数据定义；数据管理；数据操纵；数据库管理等。
  4. 数据库系统
    定义：在计算机系统中引入数据库后的系统构成（常常将其简称为数据库）
    构成：数据库、数据库管理系统、应用程序、数据库管理员

数据管理技术的产生和发展

什么是数据管理?

  • 对数据进行分类、组织、编码、存储、检索、维护。
  • 数据处理和数据分析的中心问题。

数据管理技术的发展过程：

  • 人工管理阶段（20世纪50年代之前）
  • 文件系统阶段（20世纪50年代末——60年代中）
  • 数据库系统阶段（20世纪60年代末——现在）

数据库系统的特点

  • 数据结构化
  • 数据的共享性高，冗余度滴且易扩充
  • 数据独立性高
  • 数据由数据库管理系统统一管理和控制

数据库管理系统提供的数据控制功能

1.数据的安全性保护(Security)
2.数据的完整性检查(Integrity)
3.并发控制(Concurrency Control)
4.数据库恢复(Recovery)

数据模型

数据模型是对现实世界数据特征的抽象——现实世界的模拟。

数据模型应满足三方面要求：

  1. 能比较真实的模拟现实世界；
  2. 容易为人所理解；
  3. 便于在计算机上实现。

数据模型是数据库系统的核心和基础。

数据模型的两类（两个层次）

  1. 概念模型/信息模型：
    按照用户的观点来对数据的信息建模，用于数据库设计。
  2. 逻辑模型和物理模型：
    逻辑模型：按照计算机系统的观点对数据建模，用于DBMS实现。
    物理模型：描述数据在系统内（磁盘上）的表示方式和存取方法。

先将现实世界抽象为概念模型，再将概念模型转换为逻辑模型，再把逻辑模型转换为物理模型。
第一步由数据库设计人员完成，第二步设计人员借助工具完成，第三步由DBMS自动完成。

概念模型
概念模型用于信息世界的建模，是现实世界到机器的中间层次，也是数据库设计人员和用户之间交流的语言。

基本概念：

  1. 实体(Entity)（用正方形画）
    可关存在并可以相互区别的事务。
  2. 属性(Attribute)（用椭圆画）
    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. 键(key)
    唯一标识实体的属性集称为码。
  4. 实体型(Entity type)
    实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型。
  5. 实体集(Entity Set)
    同一类型实体的集合称为实体集。
  6. 联系(Relationship)（用菱形画，直线和实体相连）
    事物内部以及事物之间的联系被反应为实体(型)的联系。
    实体内部的联系：各个属性之间的联系。
    实体之间的联系：不同实体之间的联系。
    联系的类型：一对一、一对多、多对多。

概念模型的表示方法（E-R图）：
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数据模型的组成

  1. 数据结构——描述系统的静态特性
  2. 数据操作——描述系统的动态特性
  3. 完整性约束

数据结构： 描述对象之间的关系，描述数据库的组成对象。
数据操作： 对数据库中各种对象的实例允许指向的操作的集合。
完整性约束： 一种完整性规则的集合（数据及其联系所具有的制约和依存规则）

数据系统的结构

从数据库应用开发人员的角度看
数据库采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构。

从最终用户角度看

  1. 单用户结构
  2. 主从式结构
  3. 分布式结构
  4. 客户-服务器

数据库系统的三级模式结构

模式： 对数据库逻辑结构和特征的描述。是型的描述，不涉及具体值。模式是相对稳定的。
实例： 数据库某一时刻的状态——模式的一个具体值。
（比如说学生选课情况的模式，每一年的选课情况是实例。）

三级模式包括：外模式、模式、内模式。其中也包括外模式——模式映射、模式——内模式映射。
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模式（逻辑模式）

  • 数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述
  • 所有用户的公共数据视图

一般来说，一个应用的数据库有一个模式。
模式是数据库系统模式结构的中心，与数据的无聊存储细节和硬件无关，与具体应用和开发工具无关。
（用SQL语言定义）

外模式（用户模式）

  • 数据库用户使用的局部数据逻辑结构和特征描述
  • 数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据逻辑表示。

外模式与模式： 外模式通常是模式的子集，一个模式可以由多个外模式。其反应用户的不同需求。
外模式与应用： 一个外模式可以为多个应用使用，一个应用使用一个外模式。

（读出来的数据）

内模式（存储模式）

  • 数据物理结构和存储方式的描述
  • 数据再数据库内的表示方式

一个数据库只有一个内模式。
（存在系统里的数据结构）

数据库的二级映像

三级模式是对数据的三个抽象级别。
二级映像是三个抽象层次的联系和转换。

外模式——模式映像
对于每个外模式，有一个外模式——模式的映像。
映像定义通常包含在各外模式的描述中。

保证数据的逻辑独立性:

  1. 当模式改变时，数据库管理员对外模式/模式映像做出改变，使得外模式不变。
  2. 应用程序是依据外模式编写的，应用程序不必修改，保证了数据的逻辑独立性。

模式——内模式映像：
只有一个模式、一个内模式，所以只有一个模式/内模式映像。
定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。

保证数据的物理独立性：
当数据库的存储结构变了（换了种数据结构），数据库管理员修改模式/内模式映像，使模式保持不变。

数据系统的组成

  1. 数据库
  2. 数据库管理系统
  3. 应用程序
  4. 数据库管理员

从硬件平台及数据库的角度：

  1. 足够大的内存
  2. 足够大的磁盘或磁盘阵列等外部设备
  3. 较高的通道能力，提高数据传输率

从软件的角度：

  1. 支持数据库管理系统运行的操作系统
  2. 与数据库结构的高级语言及其编译系统
  3. 以数据库管理系统为核心的应用开发工具
  4. 以特定应用环境开发的数据库应用系统

从人员的角度：

  1. 数据库管理员
  2. 系统分析员和数据库设计人员
  3. 应用程序员
  4. 最终用户

小结

数据库的组成要素
三级模式与两级映像
逻辑独立性与物理独立性