級數據庫教程1數據庫概述

數 據 庫 原 理 及 應 用主 講 ： 方 啟 泉 數 據 庫 原 理 1 數 據 庫 原 理 2l使 用 教 材 ： 數 據 庫 原 理 及 開 發(fā) 應 用 （ 周 屹 /清 華 ） u 熟 悉 數 據 庫 系 統(tǒng) 的 基 本 概 念 。u 掌 握 關 系 模 型 的 基 本 概 念 及 原 理 。u 掌 握 關 系 數 據 庫 查 詢 語 言 SQL。u 掌 握 數 據 庫 設 計 方 法 。u 了 解 數 據 庫 應 用 開 發(fā) 過 程 。u 掌 握 使 用 SQL SERVER進 行 數 據 管 理 。l 參 考 書 ： SQL SERVER 2005 入 門 與 提 高（ 文 龍 /清 華 ） 數 據 庫 原 理 3 課 程 目 標 第 1章 數 據 庫 概 述第 2章 數 據 模 型第 3章 關 系 數 據 庫 的 基 本 理 論第 4章 結 構 化 查 詢 語 言 SQL第 5章 關 系 模 式 的 規(guī) 范 化 設 計第 6章 數 據 庫 設 計第 7章 數 據 庫 的 安 全 與 保 護第 8章 SQL SERVER數 據 庫 應 用 數 據 庫 原 理 4l 上 機 實 驗 （ 使 用 SQL SERVER數 據 庫 ） 課 程 講 授 數 據 庫 原 理 5 信 息 與 數 據 數 據 管 理 技 術 發(fā) 展 數 據 庫 技 術 發(fā) 展 數 據 庫 系 統(tǒng) 結 構 數 據 庫 系 統(tǒng) 術 語1。 數 據 庫 概 述 數 據 庫 原 理 6數 據 (Data) 對 客 觀 對 象 的 符 號 表 示 ， 可 以 是 數 值 數 據 ， 也 可 以 是非 數 值 數 據 。 如 聲 音 、 圖 像 等 。數 據 是 數 據 庫 中 存 儲 的 基 本 對 象 。數 據 需 要 經 過 解 釋 才 有 意 義 ， 才 能 成 為 信 息 。 例 ： 學 生 檔 案 中 數 據 記 錄（ 李 明 ， 男 ， 1988， 青 島 ， 計 算 機 系 ， 2006） -記 錄 值（ 姓 名 ， 性 別 ， 生 日 ， 籍 貫 ， 系 專 業(yè) ， 年 級 ） -記 錄 類 型 現(xiàn) 實 世 界 在 人 們 頭 腦 中 的 反 映 ， 它 以 文 字 、 數 據 、 符 號 、聲 音 、 圖 像 等 形 式 記 錄 下 來 ， 可 以 進 行 傳 遞 和 處 理 ， 為 人們 的 生 產 、 建 設 、 管 理 提 供 依 據 。信 息 通 過 數 據 形 式 來 表 示 ， 是 數 據 中 蘊 含 的 意 義 。信 息 ( Info) 信 息 與 數 據數 據 是信 息 的表 現(xiàn) ，信 息 是 數 據 的含 義 數 據 庫 原 理 7 數 據 管理 技 術 對 數 據 的 收 集 、 整 理 、 組 織 、 存 儲 、 維 護 、 檢索 、 傳 送 等 操 作 ， 目 的 就 是 從 大 量 的 ， 雜 亂 無章 的 ， 難 以 理 解 的 數 據 中 篩 選 出 有 意 義 的 信 息 。 數 據 管 理 技 術 分 三 個 階 段 : 1. 人 工 管 理 階 段 （ 20世 紀 50年 代 中 期 以 前 ） 2. 文 件 系 統(tǒng) 階 段 （ 20世 紀 50年 代 后 期 60年 代 中 期 ） 3. 數 據 庫 系 統(tǒng) 階 段 （ 20世 紀 60年 代 后 期 今 ）硬 件 和 軟 件 的 發(fā) 展 ，數 據 管 理 需 求 擴 大 。數 據 管 理 技 術 的 發(fā) 展 數 據 庫 原 理 8 人 工 管 理 階 段 (-50年 代 中 期 )應 用 程 序 1 應 用 程 序 2 應 用 程 序 n數 據 集 1 數 據 集 2 數 據 集 nl 計 算 機 主 要 用 于 科 學 計 算 (處 理 對 象 主 要 是 數 學 公 式 。 )l 外 存 為 順 序 存 取 設 備 (磁 帶 、 卡 片 、 紙 帶 ， 沒 有 磁 盤 等 直接 存 取 設 備 。 )l無 操 作 系 統(tǒng) 及 數 據 管 理 軟 件 (機 器 語 言 或 匯 編 語 言 ， 數 據 對 應 具體 應 用 ， 由 編 程 人 員 單 獨 設 計 ， 數 據包 含 在 程 序 中 數 據 不 保 存 。 ) l 數 據 處 理 為 批 處 理 數 據 不 單 獨 保 存 (數 據 在 程 序 中 ， 與 相 應 程 序 共 存 。 )l應 用 程 序 管 理 數 據 (在 程 序 中 設 計 數 據 的 邏 輯 結 構 和 物 理存 儲 結 構 。 )l數 據 不 共 享 (數 據 與 程 序 對 應 ， 容 易 產 生 冗 余 。 )l數 據 不 具 有 獨 立 性 （ 脫 離 了 程 序 數 據 沒 有 任 何 存 在 的 意義 。 ）背 景 特 點 數 據 庫 原 理 9 l 文 件 系 統(tǒng) 階 段 （ -60年 代 中 期 ） 文 件系 統(tǒng) 文 件 1文 件 2文 件 n應 用 程 序 1應 用 程 序 2應 用 程 序 nl 計 算 機 不 但 用 于 科 學 計 算 還 用 于 管 理 。l 外 存 有 了 磁 盤 、 磁 鼓 等 直 接 存 取 設 備 。l 軟 件 出 現(xiàn) 操 作 系 統(tǒng) 和 高 級 軟 件 。l 批 處 理 ， 并 能 聯(lián) 機 實 時 處 理 。l 數 據 以 文 件 形 式 可 長 期 保 存 在 外 存 磁 盤 。l由 文 件 系 統(tǒng) 管 理 數 據 數 據 的 邏 輯 結 構 和 物 理 結 構 有 了 一 定 的 區(qū) 別 ， 用 戶 程 序 處 理 的 邏輯 結 構 與 物 理 存 儲 結 構 之 間 的 轉 換 由 文 件 系 統(tǒng) 存 取 方 式 來 實 現(xiàn) 。 l數 據 有 了 一 定 共 享 性 ， 缺 乏 聯(lián) 系 。 程 序 只 需 用 文 件 名 就 可 存 取 數 據 ， 數 據 之 間 的 聯(lián) 系 要 程 序 構 造 。l 文 件 只 存 儲 數 據 記 錄 ， 不 存 儲 結 構 描 述 信 息 。 文 件 數 據 操 作 都 要 程 序 實 現(xiàn) ， 文 件 之 間 是 孤 立 的 ， 不 能 反 映 現(xiàn) 實世 界 實 體 之 間 的 相 互 聯(lián) 系 。背 景特 點 數 據 庫 原 理 10 數 據 庫 系 統(tǒng) 階 段 （ 60年 代 末 期 以 來 ）應 用 程 序 1應 用 程 序 2應 用 程 序 n DBDBMS計 算 機 在 商 業(yè) 領 域 廣 泛 應 用 ， 數 據 管 理 量 大 ， 共 享 性 要 求 高 。外 存 有 了 大 容 量 存 儲 設 備 。出 現(xiàn) 專 門 數 據 庫 管 理 軟 件 。 聯(lián) 機 實 時 處 理 要 求 更 多 。 采 用 數 據 模 型 表 示 復 雜 的 數 據 結 構 。 (有 層 次 模 型 、 網 狀 模 型 、 關 系 模 型 、 對 象 模 型 等 ， 數 據 模 型 可 以 表 示 數 據 本 身 及 數 據 之 間 的 聯(lián) 系 。 ) 數 據 共 享 性 好 ， 冗 余 度 低 （ 數 據 之 間 建 立 聯(lián) 系 。 ） 數 據 獨 立 性 高 （ 數 據 庫 以 三 級 體 系 結 構 實 現(xiàn) ， 有 較 好 的 物 理 獨 立 性 和 邏 輯 獨 立 性 ） 數 據 由 DBMS統(tǒng) 一 管 理 和 控 制 （ 安 全 性 、 完 整 性 、 并 發(fā) 控 制 、 故 障 恢 復 ）背 景特 點 數 據 庫 原 理 11 從 上 世 紀 60年 代 末 數 據 庫 出 現(xiàn) 以 來 ， 數 據 庫 技 術 的 發(fā) 展經 歷 了 3代 ：l 第 一 階 段 （ 60年 代 末 -70年 代 ） 以 層 次 模 型 和 網 狀 模 型 的 數 據 庫 為 主 。l 第 二 階 段 （ 70年 代 -80年 代 ） 以 關 系 模 型 數 據 庫 為 主 。l 第 三 階 段 （ 80年 代 后 期 以 來 ） 以 對 象 數 據 模 型 為 特 征 ， 集 數 據 管 理 、 對 象 管 理 、 知 識 管 理 為 一 體 ，融 合 各 種 新 技 術 ， 如 網 絡 技 術 、 分 布 處 理 、 并 行 計 算 、 人 工 智 能 、 多 媒 體 等 ， 產 生 了 一 系 列 新 型 的 現(xiàn) 代 數 據 庫 技 術 ， 如 對 象 數 據 庫 ， 分 布式 數 據 庫 ， Web數 據 庫 、 知 識 庫 等 。數 據 庫 技 術 的 發(fā) 展1968年 ， IBM發(fā) 布 層 次 模型 IMS。1971年 ， 美 國 CODASYL數據 系 統(tǒng) 語 言 協(xié) 會 下 DBTG數據 庫 任 務 組 建 立 網 狀 模 型 。1970年 ， IBM Codd提 出 關系 模 型 。 數 據 庫 原 理 12 數 據 庫(DB) 長 期 儲 存 在 計 算 機 內 、 有 組 織 的 、 可 共 享 的 數 據 集 合 。數 據 庫 中 數 據 按 一 定 數 據 模 型 組 織 、 描 述 和 儲 存 。l 較 小 的 冗 余 度l 較 高 的 數 據 獨 立 性l 可 為 各 種 用 戶 共 享數 據 庫 技 術 基 本 概 念 96英 語C0002計 301信 息李 一 凡00097003 95高 等 數 學C0001信 103電 信王 峰 濤00097002 87英 語C0002管 201管 理張 麗00097001 90高 等 數 學C0001管 201管 理張 麗00097001 學 習 成 績Grade課 程 名NameCour課 程 號IdCour院 地 址Addr所 在 學 院Inst姓 名NameStu學 號IDStu 數 據 庫 原 理 13 數 據 庫管 理 系 統(tǒng)(DBMS) DBMS是 位 于 用 戶 與 操 作 系 統(tǒng) 之 間 的 一 層 數 據 管 理 軟 件 。為 用 戶 或 應 用 程 序 提 供 訪 問 DB的 方 法 。l 數 據 定 義 功 能l 數 據 操 縱 功 能 查 詢 、 插 入 、 刪 除 、 修 改 等 。硬 件操 作 系 統(tǒng)應 用 系 統(tǒng)D BM S l 數 據 庫 運 行 管 理 功 能 保 證 數 據 的 安 全 性 、 完 整 性 、 并 發(fā) 使用 及 故 障 恢 復 。l 數 據 庫 維 護 功 能 原 始 數 據 輸 入 和 轉 換 、 DB轉 儲 、 恢 復 、DB的 重 組 織 、 性 能 監(jiān) 視 、 分 析 功 能 等 。 數 據 庫 原 理 14 數 據 庫系 統(tǒng)(DBS ) 指 在 計 算 機 系 統(tǒng) 中 引 入 數 據 庫 后 構 成的 計 算 機 應 用 系 統(tǒng) 。數 據 庫 系 統(tǒng) 是 實 際 可 運 行 的 ， 存 儲 、維 護 及 可 以 為 應 用 系 統(tǒng) 提 供 數 據 訪 問 服 務的 集 成 系 統(tǒng) ， 是 存 儲 介 質 、 處 理 對 象 和 管理 系 統(tǒng) 的 集 合 體 ， 是 以 數 據 庫 方 式 管 理 大量 共 享 數 據 的 計 算 機 系 統(tǒng) 。數 據 庫 系 統(tǒng) 通 常 由 數 據 庫 、 軟 件 （ 包括 OS、 數 據 庫 管 理 系 統(tǒng) 、 應 用 系 統(tǒng) 、 開 發(fā)管 理 工 具 等 ） 、 各 級 人 員 （ 包 括 數 據 庫 管理 員 DBA、 開 發(fā) 人 員 、 用 戶 等 ） 組 成 。 數 據 庫 原 理 15 數 據 庫 系 統(tǒng)數 據 庫 軟 件 人 員DBMS OS 高 級語 言及 其編 譯系 統(tǒng) 應 用開 發(fā)工 具 DB應 用系 統(tǒng) DBA 系統(tǒng)分析員 應用程序員 用戶DB設計員數 據 庫 系 統(tǒng) 組 成 數 據 庫 原 理 16數 據 庫 系 統(tǒng) 結 構數 據 庫操 作 系 統(tǒng)DBMS 應 用 開 發(fā) 系 統(tǒng)應 用 系 統(tǒng)用 戶 用 戶 用 戶 DBA 數 據 庫 原 理 17 從 DBMS角 度從 最 終 用 戶 角 度 外 模 式 (External Schema)模 式 (Schema)內 模 式 (Internal Schema)單 用 戶 結 構分 布 式 結 構客 戶 /服 務 器 結 構主 從 式 結 構數 據 庫 系 統(tǒng) 結 構 數 據 庫 系 統(tǒng)結 構 兩 種 分類 方 法 ： DB管 理 角 度 及最 終 用 戶 角度 兩 種 角 度 。 數 據 庫 原 理 18 外 模 式 / 模 式 模 式 / 內 模 式用 戶 級 數 據 庫 概 念 級 數 據 庫物 理 級 數 據 庫 DBMSDBMS角 度數 據 庫 三 級模 式 結 構 數 據 庫 原 理 19例 ： 用 來 描 述 學 生 學 習 情 況 的 數 據 庫 概 念 模 式 可 由 學 生 檔 案 、 課程 情 況 及 學 生 成 績 三 個 記 錄 類 型 組 成 。學 生 檔 案 （ 學 號 ， 姓 名 ， 性 別 ， 出 生 年 月 ， 籍 貫 ， 所 在 學 院 ， 專業(yè) 班 級 ）課 程 情 況 （ 課 程 號 ， 課 程 名 ， 授 課 老 師 ， 所 用 教 材 ， 作 者 ）學 生 成 績 （ 學 號 ， 姓 名 ， 課 程 號 ， 課 程 名 ， 課 程 成 績 ） 概 念 模 式(Schema) 簡 稱 模 式 ， 是 數 據 庫 的 總 框 架 ， 是 對 數 據 庫 中 全 體 數據 的 邏 輯 結 構 和 特 征 的 描 述 。 一 個 數 據 庫 只 有 一 個 概 念模 式 。概 念 模 式 可 由 若 干 個 數 據 庫 記 錄 類 型 組 成 ， 用 數 據 定義 語 言 DDL來 描 述 ， 每 個 記 錄 類 型 可 以 生 成 一 張 數 據 表 。數 據 庫 結 構 的 基 本 術 語 數 據 庫 原 理 20 內 模 式(Internal) 也 稱 存 儲 模 式 。 是 對 數 據 庫 物 理 存 儲 結 構 的 描 述 ， 具體 說 明 數 據 如 何 存 儲 在 存 儲 介 質 上 。譬 如 ： 記 錄 的 物 理 存 儲 方 式 ， 索 引 方 式 ， 數 據 是 否 壓縮 ， 是 否 加 密 ， 數 據 的 存 儲 結 構 有 何 規(guī) 定 等 等 。外 模 式(External) 是 概 念 模 式 的 一 個 子 集 ， 面 向 用 戶 和 應 用 程 序 ， 也 稱用 戶 視 圖 ， 用 來 描 述 用 戶 所 看 到 的 數 據 庫 結 構 。 一 個數 據 庫 可 以 有 多 個 外 模 式 對 應 不 同 的 用 戶 應 用 。為 了 數 據 安 全 ， 應 用 程 序 是 根 據 外 模 式 對 數 據 的 描 述編 寫 的 ， 不 直 接 訪 問 概 念 模 式 。 一 個 外 模 式 可 以 對 應多 個 應 用 程 序 ； 但 一 個 應 用 程 序 只 能 對 應 一 個 外 模 式 。 數 據 庫 原 理 21 為 了 實 現(xiàn) 三 個 層 次 模 式 之 間 的 數 據 轉 換 ， DBMS在 三 級 模 式之 間 提 供 了 兩 層 映 象 ， 以 實 現(xiàn) 較 高 的 邏 輯 獨 立 性 和 物 理 獨 立 性 。u 外 模 式 /模 式 映 象u 模 式 /內 模 式 映 象 定 義 數 據 庫 全 局 邏 輯 結 構 與 存 儲 結 構 之 間 的 對 應 性 ， 模 式 /內 模 式 映 象 是 唯 一 的 ， 該 映 像 定 義 包 含 在 模 式 的 描 述 中 。 當 DB存 儲 結 構 改 變 時 ， 由 DBA對 模 式 /內 模 式 的 映 象 作 相 應改 變 ， 可 使 模 式 保 持 不 變 ， 從 而 應 用 程 序 不 必 修 改 ， 實 現(xiàn) 了 數據 與 程 序 的 物 理 獨 立 性 。模 式 /內 模 式 映 象數 據 庫 的 二 級 映 象 功 能 數 據 庫 原 理 22 定 義 外 模 式 和 模 式 之 間 的 對 應 關 系 。 外 模 式 有 多 個 ， 對每 一 個 外 模 式 ， 數 據 庫 系 統(tǒng) 都 有 一 個 外 模 式 /模 式 映 象 。 這 些映 像 定 義 包 含 在 各 自 外 模 式 的 描 述 中 。 當 模 式 改 變 時 ， 譬 如 增 加 新 的 關 系 、 新 的 屬 性 、 改 變 屬性 的 數 據 類 型 等 ， 由 DBA對 各 個 外 模 式 /模 式 的 映 象 作 相 應 改變 ， 可 使 外 模 式 保 持 不 變 ， 從 而 應 用 程 序 不 必 修 改 ， 實 現(xiàn) 了數 據 與 程 序 的 邏 輯 獨 立 性 。外 模 式 /模 式 映 象 數 據 庫 原 理 23 外 模 式 / 模 式 模 式 / 內 模 式用 戶 級 數 據 庫 概 念 級 數 據 庫物 理 級 數 據 庫 DBMS數 據 庫三 級模 式 結 構 數 據 庫 原 理 24 數 據 表 示 應 用 系 統(tǒng)外 模 式模 式內 模 式DB OSDBMS數 據 抽 象 級 別 軟 件 系 統(tǒng) 層 次用 戶DBA,系 統(tǒng)分 析 員應 用 程序 員 各 種 人 員 的 數 據 視 圖 數 據 庫 原 理 25 1.5 數 據 庫 技 術 的 研 究 領 域DBMS軟 件 的 研 制數 據 庫 設 計 數 據 庫 理 論 DBMS本 身以 DBMS為 核 心 的 一 組 相 互 聯(lián) 系 的 軟 件 系 統(tǒng)（ 工 具 軟 件 及 中 間 件 ）目 標 ： 提 高 系 統(tǒng) 的 可 用 性 、 可 靠 性 、 可 伸 縮 性 ； 提 高 性 能 和 提 高 用 戶 生 產 率 。DB設 計 方 法 、 工 具 和 理 論 的 研 究數 據 模 型 和 建 模 的 研 究計 算 機 輔 助 數 據 庫 設 計 方 法 及 軟 件 系 統(tǒng) 的 研 究DB設 計 規(guī) 范 和 標 準 的 研 究目 標 ： 設 計 結 構 合 理 、 使 用 方 便 、 效 率 較 高 的 數 據 庫 及 其 應 用 系 統(tǒng) 。關 系 的 規(guī) 范 化 理 論關 系 數 據 理 論數 據 邏 輯 演 繹 、 知 識 推 理 、 知 識 發(fā) 現(xiàn)并 行 算 法