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1、0,數據庫技術及應用,,,中國科學技術大學管理學院王衛(wèi)平主講,1,【開篇案例】,中國科技大學的在校生共有15500多人，其中：博士生1900多人，碩士生6200多人，本科生7400多人。學校的教學管理工作相當復雜和繁重，僅本科生開設的課程、教室安排事宜，每學期就多達950多個課堂。（即：全校每個學院，每個系，每個專業(yè)方向，不同的年級，在本學期開設的全部課程，安排在哪個教室，哪個節(jié)次？） 要用到哪些數據？用什么方法完成這件事？ 學校開發(fā)了教學管理系統(tǒng)，同學們任何時候都可以非常方便的查詢到課表和課堂安排 這就是使用數據庫技術開發(fā)的數據庫應用系統(tǒng),,2,,3,,,4,教學安排,課堂講授6
2、0學時，通過卷面考試檢查知識掌握情況，占總成績的70% 實驗課20-30機時，分小組完成一個數據庫應用系統(tǒng)的開發(fā)設計，占總成績的30% 課堂出勤抽查，占總成績的10%,5,第一章 緒論,1.1 數據庫系統(tǒng)概述 1.2 數據模型 1.3 數據庫系統(tǒng)結構 1.4 數據庫管理系統(tǒng),6,1.1 數據庫系統(tǒng)概述,1.幾個基本概念 數據(Data)：數據是數據庫中存儲的基本對象，數據的種類很多：數字、文字、圖形、圖像、聲音、學生檔案記錄等。 數據與其語義是不可分的（數據的含義稱為語義） 【例】93是一個數據 語義1：學生某門課的成績 語義2：火車票的價錢 語義3：二年級的學生人數 語義4：請同學給
3、出,7,1.1 數據庫系統(tǒng)概述,數據庫(DataBase,簡稱DB)：長期存儲在計算機內、有組織的、可共享的數據集合。 【例】學生檔案中的記錄 （李明，男，1985/02，北京，計算機系，2003） 語義:學生姓名，性別，出生年月，籍貫， 所在院系，入學時間。 解釋:李明是個男生，1985年2月出生，北京市 人，2003年考入科大計算機系。 請同學給出另一個解釋和語義,8,1.1 數據庫系統(tǒng)概述,我們收集了大量有關數據之后，如何科學地組織這些數據并將其存儲在數據庫中，又如何高效地處理這些數據呢？完成這個任務的是一個軟件系統(tǒng)：數據庫管理系統(tǒng) 數據庫管理系統(tǒng)(DataBase Manageme
4、nt System,簡稱DBMS)：是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數據管理軟件。它為用戶或應用程序提供訪問DB的方法。,9,1.1 數據庫系統(tǒng)概述,數據庫系統(tǒng)(DataBase System,簡稱DBS)：是指在計算機系統(tǒng)中引入數據庫技術后的系統(tǒng)，一般由數據庫、數據庫管理系統(tǒng)（及其開發(fā)工具）、應用系統(tǒng)、數據庫管理員和用戶構成。,10,1.1 數據庫系統(tǒng)概述,,11,1.1 數據庫系統(tǒng)概述,2.數據庫技術的產生和發(fā)展 數據庫技術是應數據管理任務的需要而產生的 數據管理是數據庫的核心任務，內容包括對數據進行分類、組織、編碼、存儲、檢索和維護。數據管理技術的發(fā)展，是隨著計算機硬件和軟件的發(fā)展而不斷發(fā)
5、展的。到目前為止，數據管理技術的發(fā)展經歷了三個階段：,12,1.1 數據庫系統(tǒng)概述-數據管理技術的發(fā)展,人工管理階段(20世紀50年代中期前) 這一階段的特點是： 數據不保存； 沒有對數據進行管理的軟件系統(tǒng)； 沒有文件的概念； 一組數據對應于一個程序，數據是面向應用的。,13,1.1 數據庫系統(tǒng)概述-數據管理技術的發(fā)展,文件系統(tǒng)階段(50年代后至60年代中期） 這一階段的特點是： 數據需要長期保存在外存上供反復使用； 程序和數據之間有了一定的獨立性； 文件的形式已經多樣化； 數據的存取基本以記錄為單位。,14,1.1 數據庫系統(tǒng)概述-數據管理技術的發(fā)展,數據庫系統(tǒng)階段(60年代后期） 這一階段
6、的特點是： 數據結構化 在文件系統(tǒng)中，只考慮了同一文件記錄內部數據項之間的聯系，而不同文件的記錄之間是沒有聯系的，也就是說，從整體上看數據是無結構的。 在DBS中，實現了整體數據的結構化，把文件系統(tǒng)中簡單的記錄結構變成了由記錄之間的聯系所構成的結構化數據。在描述數據時，不僅要描述數據本身，還要描述數據間的聯系。數據間的聯系通過存取路徑來實現，把相關的數據有機地聯系在一起。,15,例:,這樣的文件仍有局限性，因為這種靈活性只對一個應用而言。一個學校涉及許多應用，在DBS中不僅要考慮某個應用的數據結構，還要考慮整個學校的數據結構。,16,,通過所有存取路徑表示自然的數據聯系是DBS與文件系統(tǒng)的根本
7、區(qū)別。,17,1.1 數據庫系統(tǒng)概述-數據管理技術的發(fā)展,數據共享性好，冗余度低 DBS從整體角度看待和描述數據，數據不再面向某個應用而是面向整個系統(tǒng)，因此數據可以被多個用戶、多個應用共享使用。數據共享可以大大減少數據冗余，節(jié)約存儲空間。同時還能避免數據之間的不相容與不一致性。,18,1.1 數據庫系統(tǒng)概述-數據管理技術的發(fā)展,數據獨立性高 是指數據庫中的數據與應用程序之間不存在依賴關系，而是相互獨立的。 數據的獨立性包括數據的物理獨立性和數據的邏輯獨立性。 物理獨立性：指用戶的應用程序與存儲在磁盤上的數據庫中數據是相互獨立的。即當數據的存儲結構改變時，用戶的應用程序不用改變。 邏輯獨立性：
8、指用戶的應用程序與數據庫的邏輯結構是相互獨立的。即當數據的邏輯結構改變時，用戶的應用程序也不用改變。,19,1.1 數據庫系統(tǒng)概述-數據管理技術的發(fā)展,數據由DBMS統(tǒng)一管理和控制 由于對數據實行了統(tǒng)一管理，在使用數據時可有很靈活的方式，因此系統(tǒng)的彈性大并易于擴充。另外，為了適應數據共享的環(huán)境，數據庫管理系統(tǒng)還提供了四個基本控制功能： 數據的安全性 數據的完整性 并發(fā)控制 數據庫恢復,20,第一章 緒論,1.1 數據庫系統(tǒng)概述 1.2 數據模型 1.3 數據庫系統(tǒng)結構 1.4 數據庫管理系統(tǒng),21,1.2 數據模型,1.數據模型的概念 模型是對現實世界的抽象。在數據庫技術中，用模型
9、的概念描述數據庫的結構與語義，對現實世界進行抽象。即數據模型是現實世界數據特征的抽象，是用來描述數據的一組概念和定義。換言之，數據模型是能表示實體類型及實體間聯系的模型。,22,1.2 數據模型,2.數據模型的要素 數據模型通常由數據結構、數據操作和完整性約束三個要素組成。 數據結構：指對實體類型和實體間聯系的表達與實現，用于描述系統(tǒng)的靜態(tài)特征。 數據操作：指對數據庫的檢索和更新兩大類操作，用于描述系統(tǒng)的動態(tài)特征。 數據約束條件：一組完整性規(guī)則的集合，是數據及其聯系應具有的制約和依賴規(guī)則。,23,1.2 數據模型,3.數據模型的種類 概念數據模型：獨立于計算機系統(tǒng)，用于描述某種信息結構，是對
10、現實世界的第一層抽象。 邏輯數據模型：直接面向數據庫的邏輯結構，是對現實世界的第二層抽象。這類數據模型與DBS有關，有嚴格的形式化定義，以便于在計算機中實現。常用的有： 層次數據模型 網狀數據模型 關系數據模型 面向對象的數據模型,24,1.2 數據模型-數據模型的種類,,現實世界,信息世界概念模型,計算機世界邏輯模型,25,1.2 數據模型-數據模型的種類,(1)實體聯系模型(E-R模型) E-R模型用于信息世界的建模，涉及的主要概念有： 實體：客觀存在并可相互區(qū)別的事物稱為實體，實體可以是具體的人、事、物，也可以是抽象的概念或聯系。 屬性：實體所具有的某一特征稱為屬性。一個實體可
11、由若干個屬性來刻畫。 碼：能唯一標識實體的屬性集稱為碼。,26,1.2 數據模型-實體聯系模型,域：屬性的取值范圍。 實體集：同類實體的集合。 實體型：描述同類實體的框架，用實體名及其屬性名集合來抽象和刻畫。 聯系：實體之間(和實體內部屬性間)的聯系。 兩個實體間的聯系分為三類： 一對一聯系（1:1） 一對多聯系（1:n） 多對多聯系（m:n）,27,1.2 數據模型-實體聯系模型,E-R模型的表示方法 實體型：用矩形表示，矩形框內寫明實體名。 屬性：用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應的實體聯系起來。 聯系：用菱形表示，菱形框內寫明聯系名，并用無向邊分別與有關實體連接起來。同時在無向邊旁
12、標上聯系的類型。,28,1.2 數據模型-實體聯系模型,例：,,,,P,n,m,29,1.2 數據模型-實體聯系模型,完整的E-R圖,30,1.2 數據模型-數據模型的種類,(2)層次數據模型 用樹結構表示實體及實體間聯系的數據模型 a)數據結構 按照樹的定義，層次模型有以下兩個限制: 只有一個結點無雙親結點，稱為根結點 根以外的其他結點有且僅有一個雙親結點 由定義可看出層次模型只能處理一對多的聯系,31,,每個結點表示一個記錄型(實體)，包含若干字段(屬性),有向線表示記錄型之間的聯系，只能是1:n的父子聯系,,32,1.2 數據模型-層次數據模型,n:m聯系在層次模型中的表示： 引入邏輯D
13、B的概念，把n:m聯系分介為1:n再表示。 分介方法:冗余結點法(實偶對) 虛擬結點法(虛偶對),33,例:,,,34,1.2 數據模型-層次數據模型,b)數據操作與完整性約束 操作：查詢，插入，刪除，更新。 完整性約束條件： 無雙親結點值就不能插入子女結點值 刪除雙親結點值，子女結點值也同時刪除 更新時，若一處要更新，則所有出現該值的地方都要更新,35,1.2 數據模型-層次數據模型,c)層次模型的存儲結構 鄰接法：自頂向下，自左向右的順序排列。 例:,36,1.2 數據模型-層次數據模型,鏈接法：按自頂向下，自左向右順序用指針鏈 接起來。,,,37,1.2 數據模型-數據模型的種類
14、,(3)網狀數據模型 用叢結構表示實體及實體間聯系的數據模型 a)數據結構 滿足以下兩個條件的基本層次聯系的集合: 允許一個以上的結點無雙親 一個結點可以有多于一個的雙親,38,例：,39,1.2 數據模型-網狀數據模型,b)數據操作與完整性約束 操作：查詢，插入，刪除，更新。 完整性約束條件： 允許插入尚未確定雙親結點值的子女結點值 允許刪除雙親結點值而保留子女結點值 c)網狀模型的存儲結構 常用：鏈接法，單向鏈，雙向鏈，環(huán)狀鏈， 向首鏈。,40,1.2 數據模型-網狀數據模型,,,,,,,,,41,1.2 數據模型-數據模型的種類,(4)關系數據模型 用表格數據表示實體及實體間聯系的數
15、據模型 a)數據結構 二維表(邏輯結構),學生登記表,,元組,關系名,主碼,分量,屬性,域:學號從9800198045 性別為“男”或“女”等,42,1.2 數據模型-數據模型的種類,對關系的描述一般可表示為： 關系名(屬性1，，屬性n)，稱為關系模式 例如前面的關系可表示為: 學生(學號，姓名，性別，所在系， ) 在關系模式中，關系之間的聯系也是用關系來描述的。如學生和課程之間的多對多聯系可表示為: 學生(學號,姓名,性別,所在系,年齡,籍貫) 課程(課程號,課程名,學分) 選修(學號,課程號,成績),43,1.2 數據模型-關系數據模型,關系必須是規(guī)范化的，即關系必須滿足一定的規(guī)范條件，
16、其中最基本的：每一分量不可再分 例:,,44,1.2 數據模型-關系數據模型,b)數據操縱與完整性約束 操縱：查詢，插入，刪除，更新。 關系操作的特點為：集合操作 完整性約束條件: 實體完整性(實體區(qū)別性) 參照完整性(表間不矛盾) 用戶自定義完整性(系統(tǒng)尊重用戶要求) c)關系模型的存儲結構 以文件形式存儲,45,1.2 數據模型-關系數據模型,關系模型與非關系模型(層次、網狀模型)的主要差別: 非關系模型 實體之間的聯系用指針鏈實現 關系模型 實體之間的聯系用表格數據表示,46,第一章 緒論,1.1 數據庫系統(tǒng)概述 1.2 數據模型 1.3 數據庫系統(tǒng)結構 1.4 數據庫管理系統(tǒng),47,1
17、.3 數據庫系統(tǒng)結構,1.“型”和“值”的概念 數據模型中有“型”和“值”之分。 型 是對某一類數據的結構和屬性的描述 值 是型的一個具體賦值 例如：學生可以用 （學號,姓名,性別,出生年月,系別） 這樣的記錄型來描述，而 （PB01204018,李勇,男,83.11.15,信息系） 就是該記錄型的一個記錄值。,48,1.3 數據庫系統(tǒng)結構,2.模式的概念 模式：是數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述。模式是相對穩(wěn)定的，它反映的是數據的結構及其聯系，是型的概念。 實例：模式的一個具體值，同一個模式可以有很多實例。模式的實例是相對變動的，它反映的是數據庫某一時刻的狀態(tài)。,49,1.3 數據庫
18、系統(tǒng)結構,3.數據庫系統(tǒng)的模式結構 數據庫系統(tǒng)采用三級模式結構，即是指數據庫系統(tǒng)是由外模式、概念模式和內模式三級構成。如下圖所示：,50,物理結構和存儲方式的描述,全局邏輯結構,局部邏輯結構,51,1.3 數據庫系統(tǒng)結構-數據庫系統(tǒng)的模式結構,(1)模式 模式也稱邏輯模式，是數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述，是所有用戶的公共數據視圖。一個數據庫只有一個模式，處于數據庫系統(tǒng)模式結構的中間層。,52,1.3 數據庫系統(tǒng)結構-數據庫系統(tǒng)的模式結構,(2)外模式 外模式也稱子模式或用戶模式，它是數據庫用戶看見和使用的局部數據的邏輯結構和特征的描述，是數據庫用戶的數據視圖。 外模式通常是模式的子集
19、，一個數據庫可以有多個外模式，以滿足不同用戶的應用需求。 (3)內模式 內模式也稱存儲模式，它是數據物理和存儲結構的描述，是數據在數據庫內部的表示方式。一個數據庫只有一個內模式。,53,1.3 數據庫系統(tǒng)結構-數據庫系統(tǒng)的模式結構,(4)數據庫的二級映像功能 DBS的三級模式是對數據的三個抽象級別，它把數據的具體組織留給DBMS管理，使用戶能邏輯地抽象地處理數據，而不必關心數據在計算機中的具體表示方式與存儲方式。為了能夠在內部實現這三個抽象層次的聯系和轉換，DBS在三級模式之間提供了兩層映像： 外模式/模式映像 模式/內模式映像,54,1.3 數據庫系統(tǒng)結構-數據庫系統(tǒng)的模式結構,外模式/模式
20、映像 定義了外模式與模式之間的對應關系。當模式改變時，由數據庫管理員對各個外模式/模式的映像作相應改變，可以使外模式保持不變，從而應用程序不必修改，保證了數據的邏輯獨立性。 模式/內模式映像 定義了數據全局邏輯結構與存儲結構之間的對應關系。當數據庫的存儲結構改變了，由數據庫管理員對模式/內模式映像作相應改變，可以使模式保持不變，從而保證了數據的物理獨立性。,55,1.3 數據庫系統(tǒng)結構-數據庫系統(tǒng)的模式結構,4.數據庫系統(tǒng)的體系結構 從最終用戶的角度去看DBS的體系結構，可分為: 單用戶DBS 主從式結構DBS 分布式結構的DBS 客戶/服務器結構的DBS,56,第一章 緒論,1.1 數據庫系
21、統(tǒng)概述 1.2 數據模型 1.3 數據庫系統(tǒng)結構 1.4 數據庫管理系統(tǒng),57,1.4 數據庫管理系統(tǒng),DBMS是介于用戶和操作系統(tǒng)之間的一個數據庫系統(tǒng)軟件。是數據庫系統(tǒng)的核心組成部分。它的主要職能是維護數據庫，接受和完成用戶或命令提出的訪問數據的各種請求。 1.DBMS的組成 數據定義語言DDL：包括模式DDL，子模式DDL， 物理DDL。 數據操縱語言DML：有宿主型和自主型兩種。 DB 管理實用程序：包括語言翻譯處理，系統(tǒng)運 行控制系統(tǒng)建立維護等程序。,58,1.4 數據庫管理系統(tǒng),2.DBMS的功能 數據定義：包括建立數據庫和定義表的結構。 數據操作：包括輸入、查詢、更新、插入、刪除等。 數據庫運行管理：包括并發(fā)控制、完整性檢查、安全性維護等。 數據庫維護：包括數據庫內部索引、數據字典自動維護、備份、恢復等可靠性保障。 數據通信：網絡環(huán)境中的數據通信。,59,1.4 數據庫管理系統(tǒng),3.DBMS的工作模式 (1)接受應用程序的數據請求和處理請求 (2)將用戶的數據請求轉換成機器代碼 (3)實現對DB的操作 (4)從對DB的操作中接受查詢結果 (5)對查詢結果進行處理(格式轉換) (6)將處理結果返回給用戶,60,4.用戶訪問數據過程示例,61,, 第一章結束 ,
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