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  • 以B方法和CompCert等软件的出现为标志,形式化软件开发方法实实在在地进入了实际软件系统开发的领域。本文介绍近年软件形式化开发的一些重要进展。今后我们会看到越来越多的经过严格证明的软件系统或者系统部件。另...

    几年前到某著名大学参加学术活动,无意中听到该校两位老师闲聊,现在还记得的一句话就是“形式化方法已经不行了”。看来真是隔行如隔山,不在一行里的人做评价,而且信口开河,难免出错。在关注形式化方法的人看来,它不仅没有“不行”,近年还发展得挺迅猛。只不过,形式化方法也就是做软件或硬件,并没有做出什么新东西,很难像近来热炒的云计算、大数据、人工智能那样,被疯狂追捧。

    一些情况说明,不少计算机(包括软件)专业人士对形式化方法的认识还停留在几十年前。这里想介绍一些事例,说明形式化方法已经取得了真正的进展,正在被人们用来解决软件开发中一直没有解决的问题,也实际开发了一些重要系统或系统部件。

    较早开展的与实际软件开发有关的形式化工作是证明程序正确性,工作以论文形式发表,内容是证明了一些小程序或算法(抽象程序)。研究者也想去证明复杂程序,但由于其中的复杂结构和设计,很难做下去。这种想法也因此被人诟病为“只能对付小程序”,没用。

    一些研究者想到,证明已有程序很难,而构造具有所需功能的正确程序(或软件),更多方面可以自主控制,可以采用构造与证明并进的方式,目标是做出“构造即正确”的软件。最早提出这方面想法的人可能是Dijkstra,其著名的A Discipline of Programming给出了许多严格推导的程序。后来还有些类似著作,如The Science of Programming、Programming fromSpecification等。这些工作流行于上世纪80-90年代,由一批著名计算机科学家推动,但这类方法并未受到软件领域的重视,主要批评还是说只能做“玩具程序”。

    用形式化技术开发实际系统的最早突破可能是法国Abrial的B方法。据Abrial自己说,他在牛津开发了Z语言后觉得这种想法可以用于实际软件领域,回法国后开发了B方法。B方法支持从系统抽象规范描述到代码生成(生成C或Ada代码)的整个开发流程,现在已有工业强度的开发工具(包括证明工具)。B方法的开发就是为了用于实际,其最早的应用案例是开发了巴黎地铁的信号系统和一些控制系统,包括巴黎地铁14号线的自动驾驶系统等。具粗略统计,目前全世界有数十条地铁线路的自动驾驶系统是用B方法开发的。B方法也被应用于其他安全攸关领域,如铁路、汽车和航空等领域。用B开发生成的控制系统可能大到数十万行的目标代码。我国从欧洲引进的高铁系统和设备中,有一些就是用B方法开发的。Abrial曾在2006年国际软件大会(在上海展开)做过有关“形式化方法的工业应用”的特邀报告,其著作The B-Book介绍了B方法。他与华东师大有长期合作,2016年被中国政府授予国际合作奖。Abrial曾告诉笔者,用B方法开发的(某个)系统在测试中没发现任何错误。对常规软件开发技术,这是根本不可能出现的情况。

    形式化方法在系统软件开发领域也取得了许多成果。这方面最重要的成果之一是CompCert编译器。编译器显然是最重要的系统软件,目前正在运行的绝大多数程序都是编译器生成的。但是,常用编译器都没经过验证,并不保证目标代码与源代码语义一致。2012年法国研究者发布了经过验证的优化编译器CompCert,后不断增加功能。目前版本能处理ANSI C几乎所有特征和一些C99扩充,能生成PowerPC、ARM和X86代码,支持64位系统结构、分别编译和连接,能生成DWARF调试信息和语法错误的解释等。CompCert基于计算机辅助证明系统Coq开发,严格证明了目标代码与源程序的等价性。X. Yang等人的论文Finding and Understanding Bugs in C Compilers(PLDI 2011)报告了他们用6年时间检查各种在用编译器(包括VC、gcc等)错误的工作,只有当时版本的CompCert验证过的部分没发现错误,其他广泛使用的编译器都发现了错误。

    近年的另一有趣工作是2015年MIT学者开发的经过验证的文件系统FSCQ(SOSP 2015),可以保证在使用中任何时候系统崩溃,系统重新boot都能正确恢复,不会丢失数据(称为crash safety)。常规的文件系统并没有这种保证。

    美国国防部的HACMS项目(High-AssuranceCyber Military Systems,高可信军事网络系统)的目标是开发高可信、黑客无法入侵的军用系统。该项目的一个成果是一个无人机控制系统,开发成功后组织白帽黑客攻击,没被攻破。该系统的基础是经过形式化验证的OS内核seL4,在该内核上用Isabelle形式化工具开发和验证整个系统。HACMS项目的另一成果是邵中领导开发的经过验证的支持多核CPU的操作系统内核CertiKOS(OSDI'16)。

    显然,上面这些例子都是很重要软件,而且是很难做的软件。这些工作的完成,说明形式化方法确实能用于做软件,而且能做出最高质量的重要软件。

    形式化开发的工作过程与常规软件开发有类似之处。B方法基于一阶逻辑和集合论,其开发过程从高层规范开始,基于一种严格定义的精化(refinement)概念,可看作是软件领域中重要的自上而下开发方法和程序设计的逐步求精方法的严格化。另一方面,上面说到的好几项工作都是用Coq系统开发的,包括CompCert、FSCQ和CertiKOS,其中CertiKOS的开发中还使用了CompCert,系统的大部分是经过验证的C代码,用CompCert编译到汇编。这些工作的开发流程基本是自下而上,逐个(逐层)构造所需软件概念和部件,最终得到整体的软件。当然,最关键的特征就是开发与证明携手并进。

    特别值得提出,CertiKOS是一个操作系统内核体系结构,可用于开发实际的操作系统。OSDI'16论文中报告的一个具体系统只用了两个人年,这一效率十分惊人。对形式化软件开发的另一重要质疑是成本,CertiKOS可看作一个证据,说明情况可能并不悲观。

    形式化开发的工作在国内也有些进展,例如王生原领导的小组开发了从同步流语言Lustre到C语言的经过验证的编译器,可以通过CompCert接力,生成可执行代码。Lustre是国际上开发控制系统使用很多的语言,特别是在核电领域。这一工作结果也已成为国内某核企业的重要工具。此外,上海一些开发团队也在做轨道交通方面应用系统的形式化开发。笔者没有下功夫去收集这方面的信息,恳请有关专家自己补充。

    当然,软件形式化开发还处在起步阶段,许多问题尚未研究。对于形式化软件开发方法本身,一个重要问题是正确性的组合和传播:如何严格保证由证明正确的部分构造出的系统仍然正确,即使这些部分是基于不同方法构造出来的。作为与常规方式不同的另一种软件质量保证手段,形式化方法将怎样与常规开发方法相互作用?很多事情都还不清楚。但无论如何,这方面工作已经取得了实质性进展,并已开始在实际领域发挥作用。

    可以认为,以B方法和CompCert等软件的出现为标志,形式化软件开发方法实实在在地进入了实际软件系统开发的领域。今后我们会看到越来越多的经过严格证明的软件系统或者系统部件。另一方面,有些用户也可能要求经过证明的系统。回顾一下各种重要的软件规范标准,其最高级别的质量保证都要求形式化方法,有些作为选择性要求,,只是因为撰写时还缺乏实践基础。下一版的标准将会怎样?某些标准强制性地要求严格证明,不是不可能出现的情况。这些都要求我们及早做好准备。

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    信息的概念

    在信息系统中,信息可定义如下:
    信息是经过加工后的数据,它对接收者有用,对决策或行为有现实或潜在的价值。

    数据和信息可看作原材料和成品的关系。

    在这里插入图片描述
    世界银行推出了《1998年世界发展报告——知识促进发展》:
    数据是未经组织的数字、词语、声音、图像等;
    信息是以有意义的形式加以排列和处理的数据(有意义的数据);
    知识是用于生产的信息(有意义的信息),是人类关于自然界、人类社会及思维方式与运动规律的认识、经验的总和。
    知识=6W+1Q。 know—what、know—why、know—how、know—who、know—when、know—where、know—quantity

    例:气温器上的温度指示,数据
    今天我要出门,最低气温是0度,信息
    水在0度结冰,知识
    今年冬天平均气温非常低,燃料将短缺,情报

    从信息系统的角度看,信息有以下基本属性:
    事实性 扩散性 传输性 共享性 增值性 不完全性 等级性 滞后性

    人和计算机都是信息处理器,都有信息的输入、处理和输出功能。
    人作为信息处理器的特点:
    全人工
    全自动(工业控制领域的信息处理)
    人机结合(管理领域的信息处理)

    人进行信息处理的特点:
    人需要反馈
    人需要一些多余的信息
    人们需要信息的压缩
    人们对信息需求的口味各异
    人需要非口语的信息输入

    比较人机处理信息的特点,实现合理分工
    在这里插入图片描述
    总之,计算机比人快,人比计算机聪明。

    信息与管理

    信息是管理的基础,管理的基本职能离不开信息:
    计划 组织 控制 激励 领导
    管理的决策理论学派认为:“管理就是决策”,决策过程就是收集、处理和使用信息的过程。

    管理活动一般可分为三个层次:高层/战略层、中层/战术层、基层/作业层。
    不同管理层次使用信息不同:
    战略信息 战术信息 业务信息

    管理是分层次的,不同层次的信息特点不同
    (→表示过渡)
    在这里插入图片描述
    信息作为管理的基础,竞争的第一要素,已成为比物质、能量更重要的经济资源。
    对信息的有效管理和充分利用,能降低决策中的不确定性和风险,使各项资源得到最大限度的合理运用,为企业和社会创造更大财富。
    信息管理的理解有狭义和广义之分。
    狭义信息管理认为信息管理就是对信息本身的管理,即采用各种技术方法和手段对信息进行组织、规划、控制、存储和检索等,并达到预定目标。
    广义信息管理认为是对信息资源及其相关资源(如信息设备、信息技术、信息人员、信息系统等)进行规划、组织、领导和控制的过程。
    信息管理是一种特殊的管理活动,信息管理离不开信息技术的支持,所以很多场合采用计算机信息管理这一说法。

    信息系统

    信息系统的举例
    企业/商业:进销存系统、物流配送系统
    媒体:稿件采编发系统
    银行:存/贷款管理系统、信用卡系统
    政府:各种政务系统(工商登记、税务征收、专利受理等)、内部办公自动化系统
    教育:高考招生系统、教务管理系统
    医疗:药房管理系统、门诊挂号系统
    ……

    信息系统定义

    有很多人提出各种不同的定义,早期产生的专有名词为“管理信息系统”(MIS),代表定义有:
    Walter T.Kennevan(肯尼万) 所下的最早定义:
    以书面或口头的形式,在合适的时间向经理、职员以及外界人员提供过去的、现在的、预测未来的有关企业内部及其环境的信息,以帮助他们进行决策。
    Gondon B.Davis (高登.戴维斯,管理信息系统学科奠基人)关于管理信息系统的定义
    是一个利用计算机硬件和软件,手工作业,分析、计划、控制和决策模型,以及数据库的用户-机器系统,它能提供信息,支持企业或组织的运行、管理和决策功能。

    信息系统(IS, Information Sytem)是MIS的引申,多数场合IS/MIS可互换概念。
    信息系统就是输入数据,通过加工处理,产生信息的系统。
    以计算机为基础的信息系统是结合管理理论和方法,应用信息技术解决管理问题,为管理决策提供支持的系统。
    百度百科:
    信息系统是由计算机硬件、网络和通讯设备、计算机软件、信息资源、信息用户和规章制度组成的以处理信息流为目的的人机一体化系统。

    信息系统的特点:
    管理理论、系统科学方法论和信息技术交叉形成的综合性应用学科
    面向管理,但不讨论具体的管理问题
    使用信息技术,但不致力于计算机科学技术的研究在这里插入图片描述
    管理模型是指——系统所服务领域的专门知识(分析处理该领域对象的模型),也称为对象的处理模型。
    信息处理模型是指系统处理信息的结构与方法。管理模型中的理论及分析方法转化为信息生命周期中各个阶段的规则。
    系统实现条件包括——计算机技术、通信技术、从事领域对象工作的人以及对这些资源的控制与整合。

    从业人员的素质要求:
    具备必要的商务知识(或者是领域专家)
    懂得利用信息技术增强组织性能
    较强的分析和批判思维能力
    具备良好的沟通能力、团队精神及伦理价值观

    信息系统功能

    信息的采集和输入:主要是识别、采集、校验
    信息的传输:数据通信的手段
    信息的存储:介质?在哪?时效?
    信息的加工:查询、排序、归并、数学模型、人工智能
    信息的维护:准确、及时、安全、保密
    信息的使用:技术层面、价值深度

    信息系统结构

    按照抽象程度:
    概念结构
    基于管理职能的逻辑结构
    基于计算机实现的物理结构

    1、信息系统的概念结构
    在这里插入图片描述
    2、基于管理职能的逻辑结构
    在这里插入图片描述

    3、 基于计算机实现的物理结构
    信息系统的物理结构体现在两个方面:
    硬件结构(物理设备、网络连接等方面)
    软件结构(程序代码、组件、数据文件等方面)

    物理结构的类型:
    ——集中式结构
    ——分布式结构
    (文件服务器 C/S结构 B/S结构)

    集中式:
    主机-终端集中式结构
    处理能力集中于主机,集中存储、集中计算
    终端用于输入和输出,无CPU
    在这里插入图片描述
    分布式:
    1、文件服务器分布式结构
    程序和数据集中于文件服务器中
    客户机可以根据权限存取服务器中的文件,客户机具有处理能力
    在这里插入图片描述
    2、传统客户机-服务器分布式结构
    处理分布于客户机和服务器,也称C/S结构
    客户机完成本地运算,可向服务器请求某种服务(如查询数据),服务器相应请求,完成运算后,将结果返回给客户机。
    在这里插入图片描述
    3、浏览器/服务器分布式结构
    增加Web服务器,获取客户端请求,解析处理后生成HTML文件返回给客户端
    客户端配置浏览器软件(如IE),通过网页方式实现信息的访问,简称B/S结构
    在这里插入图片描述
    客户机-服务器的软件结构
    在这里插入图片描述发展趋势
    客户端:
    -客户端采用富客户端技术(Rich Client)开发出的应用系统(Rich Internet Applications,RIA)具有良好的用户界面操作体验。
    -移动客户端
    服务器端:
    -采用集群技术可以将一组服务器连接起来共同工作,从而实现高性能计算
    其他:云计算 大数据技术

    信息系统分类

    信息系统的分类可以按以下方式划分:
    按技术发展分类
    按应用行业分类
    按管理应用分类

    1、按技术发展分类

    IS历史发展阶段:
    1950-1960年 数据处理系统(EDPS)
    -电子数据处理、业务处理、记录保存、传统的簿记应用

    电子数据处理系统(EDPS)也称事务处理系统(TPS)阶段
    以计算机代替人工操作的计算机系统
    面向操作层的数据存储、处理
    强调系统的效率
    处理高度结构化的日常业务
    以单项应用为主,往往隶属于一个单一的职能部门,数据资源不能共享
    批处理方式为主

    1960-1970年 管理信息系统(MIS)
    -管理信息系统、管理报告系统、信息管理系统

    管理信息系统阶段(MIS)
    集成的人-机系统
    面向中层管理人员
    解决结构化决策问题
    产生各种管理报告
    采用数据库和网络技术

    1970-1980年 决策支持系统(DSS)
    -决策支持系统

    决策支持系统(DSS)
    利用数据和模型,帮助决策人员解决非结构化或半结构化问题的人机交互计算机系统
    面向决策、中高层管理人员
    强调系统的灵活性、易用性、快速响应能力
    用户驱动和模型驱动
    解决的是半结构化或非结构化问题

    1980-1990年 战略和终端用户支持系统
    -主管/经理信息系统(EIS)、主管支持系统(ESS)
    -专家系统(ES)
    -战略信息系统(SIS)、竞争情报系统(CIS)

    主管支持系统(ESS)
    服务于组织的高层经理
    为经理的通讯、分析、决策、组织等提供全方位的支持
    迅速、方便地以图文表格等多种形式展示信息
    需要企业外部数据和信息
    应用数据挖掘、数据仓库、商务智能等技术
    在这里插入图片描述TPS/EDPS、MIS、DSS和ESS之间不是相互取代的关系。它们分别服务于不同的企业管理层次,而且相互间有着密切的联系。
    TPS是企业业务运行的自动化系统,其核心任务是数据处理。TPS位于企业组织管理的最低层-业务运行层,是MIS、DSS、ESS的数据基础。
    MIS集中了信息系统的活动,增加了信息处理的功能。MIS位于运行控制层,按功能分割,服务于不同的功能部门,是DSS和ESS的信息基础。
    DSS位于战术规划层,它使用TPS、MIS提供的数据或信息进行模型分析,以支持企业决策者进行半结构化的决策。

    信息系统的技术发展是从解决结构化问题逐步发展为解决半结构化问题。
    在这里插入图片描述2、按行业划分
    针对不同行业的应用特点,有不同的信息系统:
    金融行业
    教育行业
    服务行业
    生产制造行业
    医疗行业
    ……

    3、按管理应用划分
    一些典型的应用系统经过多年实践总结和演化,不仅形成了成熟的软件产品,而且在相关领域发展出一套先进的管理理念和方法,得到大规模推广应用,比如:
    企业资源计划(enterprise resource planning,ERP)
    供应链管理(supply chain management,SCM)
    客户关系管理(customre relationship management,CRM)
    电子商务(electronic business,EB)

    这些信息系统包含两方面的知识:
    1、企业管理理论、方法和流程
    2、软件系统的设计和实现,从而支持管理方法和管理流程的执行

    企业资源计划(ERP)
    企业资源计划是建立在信息技术基础之上,利用现代管理思想,全面集成组织所有资源信息,为组织提供决策、计划、控制和经营业绩评估的全方位和系统化的管理平台。
    在这里插入图片描述
    客户关系管理(CRM)
    CRM是一种以客户为中心的管理思想和经营理念。
    在这里插入图片描述

    信息系统与组织

    信息系统在组织中不再仅仅支持事务数据的简单处理,辅助实现管理的自动化,而是成为大多数业务过程中的重要组成部分,成为支持企业战略目标实现的重要工具,在很大程度上改变了企业运作的方式。
    信息系统与组织的关系从以下两个方面分析:
    —信息系统的地位
    —信息系统对组织的影响

    信息系统在组织中的地位
    对某些企业来说,信息系统对企业的生存是至关重要的,而对其他一些企业来说,信息系统的应用是对企业管理运作带来了便利和帮助,但并非是战略性的。
    根据信息系统在企业中的地位差别,企业有以下四种类型:
    战略型 转变型 工厂型 支持型

    1.战略型
    信息系统具战略地位的企业利用信息技术赢得竞争优势。比如沃尔玛、联邦快递等,信息技术是这些企业核心竞争力的一部分,以及谷歌、阿里巴巴、携程商务等企业的生存和发展完全依托于信息技术。
    2.转变型
    处于转变型定位的企业并不完全依赖于不中断的、快速响应的、有效成本下的信息技术来实现运作目标。但是新的应用信息技术和信息系统应用对实现企业战略目标来说是绝对必需的。例如一些已实施ERP的制造公司,其快速发展需要设计和实施新的信息架构才能摆脱各种困境,信息技术将逐步转变为公司未来成功的战略性支柱。
    3.工厂型
    这类企业非常依赖低成本高效率的信息技术支持,信息技术已经是企业顺利运作的保障。然而信息系统的应用虽然能给他们带来丰厚的利润,但终究成为不了企业的核心竞争力。例如传统的银行业。
    4.支持型
    支持型定位是指信息系统对企业当前运作和未来战略的影响不大,即使企业有信息系统,但它们只是些低层面的应用,可以实现简单和零散的事务支持,如果信息系统发生运行故障甚至实施失败的话,对公司业务的继续运作不会造成很严重的影响。如传统教育机构。

    信息系统对组织的影响
    经济学理论:
    缩小公司规模(IC交通卡)
    降低交易成本(网络商店)
    减少内部管理成本(支持多处办公的校园网)
    行为理论:
    组织结构扁平化
    员工更自律
    组织虚拟化,工作不受地域的限制
    ……
    其他:
    促进管理变革和创新
    负面影响(交流减少,失业率增高,信息安全问题更严峻,更具隐蔽性的计算机犯罪……)

    信息系统的发展

    发展趋势:
    渗透性更强、范围更广
    -无处不在的IS
    -创造企业价值
    技术更深、智能化程度更强
    -模块化定制、个性化
    -云计算
    -人工智能、语义理解

    影响信息系统发展的因素
    三个方面因素:
    信息技术的发展:比如新一代网络的出现、人工智能技术的发展,各种专家系统或决策系统、新的设备和技术的出现(比如无线射频识别RFID)、数据挖掘、移动计算……
    管理领域的发展:新的管理思想的出现,比如全面质量管理、精益生产、敏捷制造、供应链管理,运筹学模型的推动……
    竞争环境的变化:个性化服务、企业协同、全球经济一体化……

    信息系统在企业中的发展趋势
    过去:利用信息为现存的管理构架服务
    现在和未来:信息系统战略构成了现代组织战略不可分割的一部分,信息系统将重塑管理构架
    在这里插入图片描述

    总结

    总结:信息、管理、信息系统
    信息、管理和信息系统三者的关系:
    信息是主体
    管理是目的
    信息系统是手段
    三者与组织的关系:
    信息反映了组织内部和外部相关组织的各种资源、关系和活动状态
    管理是组织利用信息从事协调、控制以达成组织目标的活动过程
    信息系统是对组织管理职能的技术支持系统

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  • 数据库原理与系统设计 数据模型:描述数据结构、数据操作以及数据约束的数学形式体系 概念(数据)模型 独立于计算机系统的模型,是现实世界的第一层抽象 比如实体-联系模型(E-R模型)、面向对象模型(OO模型) ...

    数据库原理与系统设计

    1. 数据模型:描述数据结构、数据操作以及数据约束的数学形式体系

      • 概念(数据)模型
        • 独立于计算机系统的模型,是现实世界的第一层抽象
        • 比如实体-联系模型(E-R模型)、面向对象模型(OO模型)
      • 逻辑(数据)模型
        • 用于描述数据库数据的逻辑结构,是现实世界的第二层抽象
        • 按计算机系统的观点对数据建模,即数据的计算机实现形式,主要用DBMS实现
        • 比如,层次模型(树)、网状模型(图)、关系模型(二维表)、面向对象模型、XML模型等
      • 物理(数据)模型
        • 是数据抽象的最低层,用来描述数据的物理存储结构和存取方法
        • 物理模型的具体实现是DBMS的任务,数据库设计人员要了解和选择模型
    2. 关系模型

      • 元组:表中的一行成为一个元组
      • 属性:表中的一列成为一个属性
      • 超码:唯一地标识关系r中的一个元组
      • 候选码:是超码,但属性集的任意真子集都不是超码
      • 主码:候选码中的一个
      • 外码:用来描述本关系中的元组与另一个关系中的元组之间的联系
    3. 完整性规则

      • 实体完整性:所有主属性不能为空
      • 参照完整性:外码的取值要么为null,要么对那个某一元组中的主码
      • 用户定义的完整性
    4. 数据库的三级模式结构

      • 外模式

        • 也称用户模式,对应于视图层数据抽象,他是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述
        • 外模式是模式的子集
      • 外模式/模式映像

        • 模式描述数据的全局逻辑结构,外模式描述数据的局部逻辑结构
        • 对应于一个模式可以有多个外模式
        • 对应于每一个外模式,数据库都有一个模式/外模式映像,它定义了该外模式与模式之间的对应关系
      • 模式

        • 也称逻辑模式,对应于逻辑层数据抽象,是所有用户的公共数据实体图
        • 他是数据库管理系统模式结构的中间层,既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境,也与具体的应用程序、所使用的应用开发工具及高级程序设计语言无关
      • 模式/内模式映像

        • 数据库只有一个模式,也只有一个内模式,所以模式/内模式映像是唯一的
          它定义了数据全局逻辑结构与存储逻辑结构之间的对应关系
      • 内模式

        • 也称存储模式,对应于物理层数据抽象,它是数据的物理结构和存储方式的描述,是数据在数据库内部的表示方式
    5. 数据库中包含4类数据:用户数据、元数据、索引、应用元数据

      • 用户数据:通过结构化关系(二维表)组织的所有业务数据的集合
      • 元数据:是对关系数据库结构的描述数据和数据库的有关统计数据,也成为数据字典
      • 索引:为了改进数据库性能和访问行而建立的附加数据
      • 应用元数据:用户窗体、报表、查询和其他形式的应用组件
    6. 连接

      • 等值连接:属性值相等的元组
      • 自然连接:等值连接基础上去掉重复属性列
      • 自表连接:某表与自己进行连接
      • 左外连接:连接结果中包含做关系中的所有元组,对于做关系中没有连接上的元组,其右关系中的相应属性用空值代替
    7. 查询中的关键字:

      • SELECT [DISTINCT] institute [AS 学院]
      • COUNT [DISTINCT|ALL] 统计关系的元组个数或者一列中值的个数
      • SUM [DISTINCT|ALL] 统计一列中的总和(次列必须为数值型)
      • AVG [DISTINCT|ALL] 统计一列中值的平均值(次列必须为数值型)
      • [MAX|MIN] [DISTINCT|ALL] 统计一列中值的最[大|小]值
      • FROM class [FULL|LEFT|RIGHT] [OUTER|INNER] [JOIN]
      • WHERE [NOT] BETWEEN AND
      • WHERE [NOT] IN
      • WHERE IS [NOT] NULL
      • WHERE [NOT] LIKE
      • WHERE [AND] [OR] [NOT]
      • WHERE > >= < <= = <> != [ANY|ALL]
      • UNION
      • GROUP BY 对查询结果按列分组,值相等的一组
      • HAVING 对分组结果进行选择,仅输出满足条件的组
      • ORDER BY [ASC|DESC]
    8. 通配符

      • % 任意长度的字符串
      • _ 任意一个字符
      • ESCAPE’’ 声明’'为换码字符,对通配符进行转义
    9. 嵌套子查询 [IN|比较运算符|EXISTS]

      • 非相关子查询:子查询结果不依赖上层查询
      • 相关子查询:上层查询元组发生变化时,子查询必须重新执行
    10. 数据库设计过程:

      • 需求分析:功能需求、数据需求、数据联系及约束、性能需求、数据使用业务规则…形成需求规格说明书
      • 概念设计:是根据需求分析中得到的信息,运用适当的工具将这些需求转化为数据库的概念模型。形成E-R图
      • 逻辑设计:层次、网状、关系、面向对象、XML
      • 模式求精:对相关逻辑模式进行优化,如减少数据冗余,消除更新、插入与删除异常等。
      • 物理设计:数据库文件的组织格式、文件内部的存储结构、建立索引、表的聚集
      • 应用与安全设计:访问权限
    11. 存储过程和函数的区别:

      • 函数有限制只能返回一个标量,而存储过程可以返回多个。并且函数是可以嵌入在SQL中使用的,可以在SELECT等SQL语句中调用,而存储过程不行
    12. SQL数据定义语言

    操作对象 创建 修改 删除
    数据库 CREATE DATABASE ALTER DATABASE DROP DATABASE
    基本表 CREATE TABLE ALTER TABLE DROP TABLE
    视图 CREATE VIEW ALTER VIEW DROP VIEW
    索引 CREATE INDEX - DROP INDEX
    1. 数据库命名规则

      • 长度1~30,第一个字符必须是字母,或者下划线_,或者字符@
      • 在首字符后的字符可以是字母、数字或者前面规则中提到的符号
      • 名称中不能有空格
    2. 基本数据类型

    类型 - - - -
    整型 int(4B) smallint(2B) tinyint(1B)
    实型 float real(4B) decimal(p,n) numeric(p,n)
    字符型 char(n) varchar(n) text
    二进制型 binary(n) varbinary(n) image
    逻辑型 bit(只能取0和1,不能为空)
    货币型 money(8B,4位小数) smallmoney(4B,2位小数)
    时间型 datetime(4B,从1753-01-01开始) smalldatetime(4B,从1900-01-01开始)

    其中image为存储图像的数据类型,text存放大文本数据

    1. 索引

    建立索引后,系统存取数据时会自动选择合适的索引作为存取路径。索引是加快数据检索的一种工具,由系统自动维护,一个基本表可以建立多个索引,可从不同的角度加快查询速度,但如果索引建立得较多,会给数据库维护带来较大的系统开销。

    索引中的记录通常由搜索码和指针构成,并按照搜索码值进行排序,但不改变基本表中记录的物理顺序。索引和基本表分别存储。

    数据库中的索引一般是按照B+树结构来存储的,但也有Hash索引和二进制位索引等。

    索引类型有聚集和非聚集两种。一个基本表可以建立多个非聚集索引,但只能建立一个聚集索引。聚集索引可以极大地提高查询速度,但是给搜索码属性的修改带来困难,一般建立了聚集索引的基本表很少对搜索码属性进行更新操作,仅执行查询操作。

    创建索引后,与该索引相关的描述信息会保存到数据库系统表中去。

    1. 视图

    视图是虚表,是从一个或多个基本表(或视图)中导出的表,在数据库系统表中仅存放了视图的定义,不存放视图对应的数据。当基本表中的数据发生变化时,从视图中查询出的数据也随之改变。

    视图的主要作用是:

    • 简化用户操作
    • 使用户能以多种角度看待同一数据库模式
    • 对重构数据库模式提供了一定程度的逻辑独立性
    • 能够对数据库中的机密数据提供一定程度的安全保护
    • 适当地利用视图可以更清晰地表达查询
    1. 存储过程

    存储过程是为了完成特定功能汇集而成的一组命名了的SQL语句集合,该集合编译后存放在书韩剧看中,可根据实际情况重新编译。该存储过程可在服务器端运行,也可在客户端远程调用运行。

    存储过程的优点:

    • 将业务操作封装
    • 便于事务管理
    • 实现一定程度上的安全性保护(对存储过程只需要授予执行权限,不需要授予表或者视图的操作权限)
    • 特别适合统计和查询操作
    • 减少网络通信量
    1. 触发器

    触发器是用户定义在关系表上的一类由事件驱动的存储过程,由服务器自动激活。触发器是一种特殊的存储过程,它的优点是不管什么原因造成的数据变化都能自动相应,对于每条SQL语句,触发器仅执行一次,事务可用于触发器中。

    触发器常用于维护复杂的完整性约束,不用于业务处理,凡是可以用一般约束限制的,就不要用触发器,因为:

    • 触发器是自动执行的,多个触发器必然加大系统开销
    • 如果触发器设计得不好,会带来不可预知的后果
    • 业务处理常常使用存储过程实现
    1. 事务

    事务是具有完整逻辑意义的数据库操作序列的集合。这些操作是一个不可分割的逻辑工作单元,要么都做,要么都不做。

    数据库管理系统允许多个书屋并发执行,但若不对事务的并发执行加以控制,可能会破坏数据库的一致性,主要包括:

    • 读脏数据
    T1 T2 解读
    初始有10张票
    R(A) 事务T1读取,余10张
    A=A-2 事务T1买2,余8张
    W(A) 事务T1提交,余8张
    R(A) 事务T2读取,余8张
    rollback 事务T1回滚,余10张
    A=A-3 事务T2买3,应余7张
    W(A) 事务T2提交,实余5张
    • 不可重复读
    T1 T2 解读
    初始有10张票
    R(A) 事务T2读取,余10张
    R(A) 事务T1读取,余10张
    A=A-2 事务T1买2,余8张
    W(A) 事务T1提交,实余8张
    R(A) 事务T2读取,应余10张
    • 丢失更新
    T1 T2 解读
    初始有10张票
    R(A) 事务T1读取,余10张
    R(A) 事务T2读取,余10张
    A=A-3 事务T2买3,应余7张
    W(A) 事务T2提交,实余7张
    A=A-2 事务T1买2,应余5张
    W(A) 事务T1提交,实余8张
    1. truncate、drop、delete
    • truncate与drop是DDL语句,执行后无法回滚;delete是DML语句,可回滚。
    • truncate只能作用于表;delete,drop可作用于表、视图等。
    • truncate会清空表中的所有行,但表结构及其约束、索引等保持不变;drop会删除表的结构及其所依赖的约束、索引等。
    • truncate会重置表的自增值;delete不会。
    • truncate不会激活与表有关的删除触发器;delete可以。
    • truncate后会使表和索引所占用的空间会恢复到初始大小;delete操作不会减少表或索引所占用的空间,drop语句将表所占用的空间全释放掉。
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    一、数据库系统基本概念知识

    1、 数据(Data)

    用来描述事物的符号记录,它具有多种表现形式比如文字、图形、图像、视频等。

    信息:是现实事物的存在方式或状态的反映。信息的特性有可感知、可存储、可加工、可传递、可再生等。

    2、 数据库系统(DBMS)

    采用了数据库技术,有组织地、动态地存储大量相关的数据集合。特点:数据间关系密切、冗余度小、独立性高、易扩展、共享性。

    数据库系统组成主要有数据库、硬件、软件、人员。

    数据库(DB):它是由统一管理的、长期存储在计算机内的,有组织的相关数据集合。特点:数据之间关系紧密、冗余度低、独立性较高、容易扩展、数据共享。

    硬件:用来支撑数据库系统的物理设备,包括存储数据库所需要的外部设备。计算机硬件的配置应满足整个数据库系统的需要。

    软件:包括操作系统、数据库管理系统及应用程序。数据库管理系统是数据库系统的核心软件,由一组相互关联的数据集合和一组用以访问这些数据的软件组成。

    人员:

    数据库系统设计的用户主要有四类。

    1、系统分析员分析员和数据库设计人员

    系统分析员:负责应用系统的需求分析和规范说明,主要工作是确定数据库系统的硬件配置和数据库系统的概要设计

    数据库设计人员:负责数据库中数据的确定、数据库各级模式的设计。

    2、应用程序员

    负责编写使用数据库的应用程序,从而实现对数据库的数据检索、建立、修改、删除。

    3、最终用户

    利用应用系统的接口或利用查询语言访问数据库。

    4、数据库管理员(DBA)

    负责数据库的总体信息控制。DBA的主要职责是决定数据库中的信息内容和结构;决定数据库的存储结构和存取策略;定义数据库的安全性要求和完整性约束条件;监控数据库的运行;数据库的性能改进、重组、重构,以提高系统的性能。

    二、数据库系统典型应用

    数据库系统应用非常广泛,典型的应用领域有:销售行业、金融行业、银行、航空、制作业、人力资源、学校等。利用数据库存储各种数据。

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