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  • 文章目录第一章 数据库系统综述一、基本概念二、数据库发展阶段![请添加图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/4bac5ff9a6384b628e19ff5377bcc6aa.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s...

    以下内容为参考课件和《数据库系统概论》(第5版,王珊等著)的个人整理,若有错误欢迎指出

    第一章 数据库系统综述

    一、基本概念

    1、信息:是指现实世界事物的存在方式或运动状态的反映

    2、数据:描述事务的符号记录,是信息的载体,有多种形式。

    ​ 数据处理:利用计算机进行数据处理的过程。包括采集、组织(保存)、加工等

    3、数据库(DB):长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合,数据按照一定的数据模型存储

    4、数据库管理系统(DBMS):介于用户与操作系统之间的一层数据管理软件,功能:

    • 数据定义功能:DDL语言描述三级模式(源模式,用户使用),模式翻译程序将源模式翻译成目标模式,存入数据字典
    • 数据操纵(存取)功能:DML语言(数据操纵语言,增删改查等)
    • 数据库的事务管理和运行管理:事务的正确性
    • 数据组织、存储和管理:用户数据、索引、数据字典的组织、存储和管理,包括文件结构、存取方式、数据之间的联系的实现等。
    • 数据库的建立和维护
    • ……

    管理层次:

    请添加图片描述

    5、数据库系统(DBS):由数据库、数据库管理系统、应用程序和数据库管理员(DBA)组成的存储、管理、处理和维护数据的系统

    关系:DBS 包含DBMS包含DB

    二、数据库发展阶段

    请添加图片描述
    1、人工管理阶段:无软件

    特点:数据不保存;应用程序管理数据(.data);不共享;无独立性(独立性指数据结构变换而应用程序不用改)

    2、文件系统管理阶段

    特点:数据以文件形式长期保存;文件系统管理数据;有一定的共享、独立性(但数据格式一变程序还是要变)

    存在问题:数据冗余和不一致、完整性(数据检查是否符合限制)、原子性、并发性访问、安全性(可以随意改数据文件)

    3、数据库系统阶段:数据是独立存在的对象

    特点:

    • 面向全组织的结构化(统一结构描述数据及其关联,面向所有应用)
    • 数据共享性高,冗余度低(有时可用冗余换取性能),易扩充(每个应用选数据子集或加上一点即可)
    • 数据独立性好(物理独立性:应用程序与数据的物理存储独立;逻辑独立性:应用程序与数据的逻辑结构独立,比如增删字段)
    • 统一的控制机制(安全性控制、完整性检查、并发控制、数据库恢复)
      请添加图片描述

    三、数据模型

    前面提到需要统一的数据模型

    1、模型是现实世界特征的模拟和抽象。数据模型则是现实世界数据特征的抽象。

    2、数据模型的组成要素

    • 数据结构(本身、联系,描述静态特性)
    • 数据操作(增删改查等功操作,描述动态特性)
    • 数据的完整性约束条件(保证数据的正确有效)

    3、分类

    (1)概念数据模型:按用户的观点(用户需求确定事物及其关系)来对数据和信息建模,如E-R模型

    主要概念:

    • 实体(entity):客观存在、可相互区分的事物

    • 属性(attribute):实体的特性

    • 域(domain):属性的取值范围

    • 实体型(entity type):描述同类实体的实体名与其属性名集合(一类实体一般有共性属性,因此就用这些属性+实体名来描述)

    • 实体集(entity set):同型实体的集合

    • 码(key):能唯一标识实体的属性集

    • 联系(relationship):实体(型)内部(一般指各属性之间的联系)或不同实体(型)之间的联系。

      联系可有属性,同类联系的集合为联系集

    具体的E-R图例子:
    请添加图片描述

    (2)逻辑数据模型:从计算机的实现来对数据建模,如关系模型等

    常用的(遵从时间顺序):

    • 层次模型:树结构(结点-实体型,连线-关系),性能好但无法表示多对多、无双亲

    • 网状模型:有向图,良好性能但结构复杂用户不易使用

      可以看到前两者,描述实体是记录(各属性),描述关系一般由指针实现

    • 关系模型:二维表,以集合论为基础、简单、概念统一(既可以描述实体也可以描述联系)、存取路径对用户透明(不像前面的需要遍历)但性能不如其他模型

      一些术语:

      关系(relation)–表,元组(tuple)–一行,属性–一列

    • 面向对象模型:目的是不同对象有不同操作,但不易用

    (3)物理数据模型:从计算机的物理存储角度对数据建模,如索引

    数据模型要求能反映现实、便于用户使用、计算机实现,所以目前没有单独一个模型能做到。一般在数据库设计的不同阶段(设计、实现、调优)会用到不同的模型。

    构建模型需要概念化、形式化

    四、数据库系统的模式

    1、型:某一类数据的结构和属性的说明

    2、值:具体赋值

    3、模式(schema):对数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述(用模型根据需求设计出具体的模式)

    实例:具体值

    4、三级逻辑结构:三级模式两级映像

    • 模式——公共视图(唯一)
    • 外模式——用户视图,即终端用户可以看到的部分数据的逻辑结构,模式的子集
    • 内模式——数据的物理结构及存储方式(唯一)
      请添加图片描述

    再论独立性:

    逻辑独立性——模式改变,调整映像,外模式不变

    物理独立性——模式改变,调整映像,内模式不变

    五、数据库系统的组成

    1、组成部分

    • 硬件及数据库:内存、磁盘等存取设备等。

      • 数据库:包括目标数据(数据本身)及描述数据(数据字典,对数据的描述信息)
    • 软件:DBMS及支持其的OS,与DB接口的高级语言,应用开发工具等

    • 人员:终端用户、应用程序员、DBA等
      请添加图片描述

      • DBA职责

        • 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

        • 定义数据的安全性要求和完整性约束条件

        • 监控数据库的使用和运行

        • 数据库的改进和重组重构

      • 用户

        • 偶然用户:不经常访问数据库
        • 简单用户:一般通过已有的应用程序界面查询更新数据
        • 复杂用户:熟悉DBMS的操作

    2、软硬件层次
    在这里插入图片描述

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  • 数据库技术是应数据管理任务的需求而产生的,应用需求的驱动下,计算机硬件,软件发展的基础上,数据管理技术经历了人工管理,文件系统,数据库系统三个阶段。一.人工管理阶段在20世纪50年代中期以前,计算机...

    数据库技术是应数据管理任务的需求而产生的,在应用需求的驱动下,在计算机硬件,软件发展的基础上,数据管理技术经历了人工管理,文件系统,数据库系统三个阶段。

    一.人工管理阶段

    在20世纪50年代中期以前,计算机主要用于科学计算。当时的硬件外存只有纸带,卡片,磁带,没有磁盘等直接存取的存储设备;而软件方面,没有操作系统,没有专门管理数据的软件;数据的处理方式是批处理。

    人工管理阶段特点:

    ①数据不保存(当时计算机主要用于科学计算,一般不需要将数据进行长期保存)

    ②应用程序管理数据(数据需要由应用程序自己设计,说明和管理,没有相应的软件系统负责数据的管理工作。应用程序中不仅要规定数据的逻辑结构,而且要设计物理结构,包括存储结构,存取方法,输入方式等)

    ③数据不共享(数据是面向应用程序的,一组数据只能对应一个程序。当多个应用程序涉及某些相同的数据时必须各自定义,无法相互利用,参照,因此程序与程序之间有大量的冗余数据)

    ④数据不具有独立性(数据的逻辑结构或者物理结构发生变化后,必须对应用程序作相应的修改,数据完全依赖于应用程序,数据缺乏独立性)

    应用程序与数据之间一一对应关系:

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    二.文件系统阶段

    20世纪50年代后期到60年代中期,此时硬件方面有了发展,有了磁盘,磁鼓等直接存取存储设备。在软件方面,操作系统中已经有了专门的数据管理软件,一般称为文件系统。不仅有了批处理,还有了联机实时处理。

    磁鼓是利用铝鼓筒表面涂覆的磁性材料来存储数据的。鼓筒旋转速度很高,因此存取速度快

    文件管理系统管理数据特点:

    ①数据可以长期保存(计算机大量用于数据处理,数据需要长期保存在外存上反复进行查询,修改,插入和删除等操作)

    ②由文件系统管理数据(由专门的软件即文件系统进行数据管理,文件系统把数据组织成相互独立的数据文件,利用“按文件名访问,按记录进行存取”的管理技术,提供了对文件进行打开与关闭,对记录读取和写入等存取方式)

    然而文件系统仍存在以下缺点:

    ①数据共享性差,冗余度大(在文件系统中,一个(或一组)文件基本上对应一个应用程序,即文件仍然是面向应用的。当不同的应用程序具有部分相同的数据时,也必须建立各自的文件,而不能共享相同的数据,因此数据冗余度大,浪费存储空间。同时,由于相同的数据重复存储,各自管理,容易造成数据的不一致性,给数据的修改和维护带来困难)

    ②数据独立性差(文件系统中的文件是为某一特定的应用服务的,文件的逻辑结构是针对具体的应用来设计和优化的,因此对文件中的数据再增加一些新的应用会很困难)

    文件系统阶段的一一对应关系:

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    三.数据库系统阶段

    20世纪60年代后期以来,计算机管理的对象规模越来越大,应用范围越来越广泛,数据量急剧增加,同时多种应用,多种语言互相覆盖的共享集合的要求越来越强烈。

    在这种背景下,以文件系统作为数据管理手段已经不能满足应用的需求,为了解决多用户,多应用共享数据的要求,出现了统一管理数据的专门软件系统,数据库管理系统。

    数据库系统的特点:

    ①数据结构化(数据库系统实现整体数据的结构化,在文件系统中,文件中的记录内部具有结构,但是记录的结构和记录之间的联系被固化在程序中。数据“整体”结构化是指数据库中的数据不再针对某一个应用,而是面向整个组织或企业)

    ②数据的共享性高,冗余度低且易扩充(由于数据是面向整个系统,是有结构的数据,不仅可以被多个应用共享使用,而且容易增加新的应用,这使得数据库系统弹性大,易于扩充)

    ③数据独立性高(包括物理独立性(是指用户的应用程序与数据库中数据的物理存储是相互独立的)和逻辑独立性(是指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的))

    ④数据由数据库管理系统统一管理和控制

    数据库系统阶段:

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    数据库是长期存储在计算机内有组织,大量,共享的数据集合。它可以供各种用户共享,具有最小冗余度和较高的数据独立性。数据库管理系统在数据库建立,运用和维护时对数据库进行统一的控制,以保证数据的安全性和完整性,并且在多用户同时使用数据库时进行并发控制,在发生故障后对数据库进行恢复。

    数据管理三个阶段比较:

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    数据库系统常用的数据模型


    数据库的发展经历了初始阶段、萌芽阶段、初级阶段、中级阶段、高级阶段,这个过程也产生了多个不同的数据模型,接下来我们讲详细介绍数据库的模型


    数据库的发展史

    数据库的发展史

    • 初始阶段:人工管理:人力手工整理存储数据萌芽阶段
    • 萌芽阶段:文件系统:使用磁盘文件来存储数据
    • 初级阶段:第一代数据库:出现了网状模型、层次模型的数据库
    • 中级阶段:第二代数据库:关系型数据库和结构化查询语言高级阶段
    • 高级阶段:新一代数据库:“关系-对象"型数据库

    DBMS支持的数据模型
    在这里插入图片描述

    一、层次模型

    层次模型
    若用图来表示,层次模型是一棵倒立的树。在数据库中,满足一下条件的数据模型称为层次模型:

    • 有且仅有一个节点无父节点,这个节点称为根节点
    • 其他节点有且仅有一个父节点。桌面型的关系模型数据库

    在这里插入图片描述

    二、网状模型

    网状模型
    在现实世界中,事物之间的联系更多的是非层次关系的,用层次模型表示非树型结构是很不直接的,网状模型则可以克服这一弊病。网状模型是一个网络。
    在数据库中,满足以下两个条件的数据模型称为网状模型:

    • 允许一个以上的节点无父节点
    • 一个节点可以有多于一个的父节点

    在这里插入图片描述

    三、关系模型

    关系模型
    以二维表的形式表示实体和实体之间联系的数据模型称为关系数据模型。从模型的三要素角度看,关系模型的内容为:

    • 数据结构:一张二维表格。
    • 数据操作:数据表的定义、检索、维护、计算等。数据约束条件:表中列的取值范围即域值的限制条件。

    在这里插入图片描述

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  • 文件系统是数据库发展中的最高阶段在数据管理技术的发展过程中,经历了人工管理阶段,文件系统管理阶段数据库系统管理阶段。其中数据独立性最高的阶段数据库系统人工管理阶段,计算机中的数据与应用程序...

    d7698c730d8628f280b459f4a928a588.png

    文件系统是数据库发展中的最高阶段,在数据管理技术的发展过程中,经历了人工管理阶段,文件系统管理阶段和数据库系统管理阶段。其中数据独立性最高的阶段是数据库系统。

    在人工管理阶段,计算机中的数据与应用程序一一对应,即一组数据对应一个程序,程序中要用到的数据由程序员通过程序自己进行管理,当计算机巾的数据结构改变时,其程序也必须随之修改,即计算机中的数据与程序不具有独立性。

    在文件系统管理阶段,数据是以文件的形式存放在计算机中的,并且由操作系统中文件系统来管理文件中的数据。在这个阶段中,借助操作系统中的文件系统,数据可以用统一的格式,以文件形式长期保存在计算机系统中,数据的各种转换以及存储位置的安排也由文件系统来统一管理,从而使程序与数据之间具有一定的独立性,一个应用程序可以使用多个文件中的数据,不同的应用程序也可以使用同一个文件中的数据。

    在数据库系统管理阶段,数据是结构化的,是面向系统的,数据的冗余度小,从而节省了数据的存储空间,也减少了对数据的存取时间,提高了访问效率,避免了数据的不一致性,同时提高了数据的可扩充性和数据应用的灵活性:数据具有独立性,通过系统提供的映像功能,使数据具有两方面的独立性:一是物理独立性,二是逻辑独立性:保证了数据的完整性、安全性和并发性。由上所述,数据独立性最高的阶段是数据库管理阶段。

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