数据库系统概述

1.数据处理技术的发展史

数据处理技术的发展经历了三种方式：程序管理方式，文件系统方式和数据库系统方式。

程序管理方式；缺点：数据不能保存，数据不独立，数据不共享。

文件系统方式；缺点：对数据处理需要写程序，数据的安全性，一致性，完整性得不到保证。

数据库系统方式；优点：数据库系统用专门的软件对数据文件进行操作，不用编程就可以处理数据；操作方便，安全；能保证数据的完整性，一致性；能控制对数据文件的并发操作。

数据库系统的组成：数据库系统是由数据库DB，数据库管理系统DBMS，支持数据库运行的软硬件环境，数据库应用程序和数据库管理员等。

数据库系统的特点：

（1）数据结构化：数据库系统实现数据的整体结构化，数据不再面向单一应用，而是面向全组织；数据内部和整体均结构化，数据之间有联系性。

（2）数据的共享性高，冗余度低，可扩：数据面向整个系统；数据可被多用户，多应用共享使用；减少数据冗余，节省存储空间；避免数据的不一致性。

（3）数据独立性高：

物理独立性：应用程序和数据相互独立；数据由DBMS管理。

逻辑独立性：应用程序的逻辑结构和数据库的逻辑结构相互独立。

（3）数据由DBMS统一管理和控制

安全性保护：防止数据的泄密和破坏。

完整性检查：保证数据的正确性，有效性，相容性。

并发性控制：对多用户的操作加以控制和协调。

数据库恢复：将数据库错误状态恢复到某一已知的正确状态。

2.数据模型

数据模型：对现实数据特性的抽象，在计算机世界里描述数据，组织数据，处理数据。

数据模型的分类

概念模型（信息模型）：按用户的观点对数据和信息进行建模，主要用于数据库的概念结构设计。（数据数字化）

逻辑模型：基于概念模型，按计算机的观点对数据建模，主要用DBMS实现。

物理模型：基于概念模型和逻辑模型，对数据最底层的抽象，描述数据的内部表示方式和存取方式，面向计算机系统。

数据库模型的建立流程

现实世界---->认识抽象---->概念模型---->DBMS支持的数据模型（逻辑模型，物理模型）。

数据模型的组成要素

数据模型是一组严格定义的概念集合：

静态特征（数据结构）：数据库的对象（对象类型，内容，性质）；数据对象之间的联系

动态特征（数据操作）：数据查询；数据更新；

完整性约束条件（数据的完整性约束条件）

数据结构的约束：数据及其联系所具有的制约和依存规则。

数据操作的约束：限定数据库的状态及其状态的改变。

概念模型

概念模型是现实世界的第一层抽象；数据库设计的第一阶段；

实体（Entity）：客观存在并可相互区分的事物。

属性（Attribute）：实体所具有的某一特征。

码（Key）：唯一标示实体的属性集。

域（Domain）：一组值的集合，具有相同数据类型。

实体型（Entity Type）：实体类。

实体集（Entity Set）：具有相同实体型的实体集合。

联系（Relationship）：两个实体间的关系；一对一，一对多，多对多；

实体--联系方法（E-R图）：实体（矩形），属性（椭圆），联系（菱形）。

常用数据模型

层次模型

数据结构：树形结构；有且仅有一个节点没有双亲节点，成为根节点；根除外的节点有且仅有一个双亲节点。

数据操作：查询操作，更新操作（增，删，改）。

完整性约束条件：更新操作必须保证树形结构的完整性和正确性。

物理存储结构：链接法（基于指针）；邻接法（对树进行前序遍历，采用数组表示）。

优点：数据结构简单清晰；数据库查询效率高；提供了良好的完整性约束条件。

缺点：无法实现非层次的联系；为了实现一个节点有多个双亲，代价较大（引入冗余，数据不一致，编写程序复杂）；查询子女节点必须经过双亲节点；结构严密导致程序趋于程序化。

网状模型

数据结构：在树形结构上有所改造；允许一个以上的节点没有双亲，即多个根节点；允许一个节点有多个双亲节点。

数据操作：数据查询；数据修改（增，删，改）。

完整性约束条件：不如层次模型严格，可自行定义。

物理存储结构：链接法（基于指针）；阵列法；索引法等。

优点：可以更好的描述现实世界；具有良好的性能，存取效率高。

缺点：结构比较复杂，不利于用户掌握；DDL（数据定义语言），DML（数据操作语言）比较复杂，需嵌入某一种高级语言中。

关系模型

数据结构：关系（Relationship），一张规范化的二位表。

    元组（Tuple），表中的一行。

    属性（Attribute），表中的一列。

    码（Key），可以唯一区别元组的属性集。

    域（Domain），属性的取值范围。

    分量，元组中的一个属性值。

数据操作：数据查询，数据修改（增，删，改）；操作对象是关系，操作输入是关系，操作输出是关系。

完整性约束：实体完整性，参照完整性，用户自定义完整。

物理存储结构：一个表，一个或多个操作系统文件；由DBMS负责数据的物理组织。

优点：建立在严格的数学概念上，有完整的理论支持；数据结构简单，清晰：实体之间的联系都用关系表示，数据操作的输入输出均用关系表示；数据的物理存取对用户透明。

缺点：查询效率不如格式化数据模式（层次结构，网状结构）。

3.数据库系统结构

从DBMS的角度来看，采用三级模式结构，具有两级映射功能。

从数据库最终用户角度来看：单用户结构；主从式结构；分布式结构；客户/服务器（C/S）结构；浏览器/应用服务器/数据服务器多层结构。

数据库系统模式的概念

型（Type）：某一类数据的结构和属性的说明。

值（Value）：型的某一具体赋值。

模式（Schema）：数据库系统中全体数据的逻辑结构和特征的描述，仅涉及型的描述，不涉及具体值的描述；反应的数据的结构及其联系；模式是相对稳定的。

模式的一个实例（Instance）：模式的某一个具体指；反应数据库某一时刻的状态；同一模式中可以有多个实例；实例随数据库中的数据更新而变动。

数据库系统的三级模式结构

数据库----->内模式----(内模式-模式映射)---->模式----(模式-外模式映射)---->外模式（多个）。

一个数据库只有一个模式。

使用模式DDL严格定义：数据的逻辑结构，数据之间的联系，数据的安全性，完整性。

外模式：数据库用户的局部数据的逻辑结构和特征描述；与某一应用有关的数据的逻辑表示；一个数据库可以有多个外模式；同一外模式可以被多个应用使用。

内模式：是数据物理结构和存储方式的描述；给出了数据在数据库内部的表示方式（1）记录的存储方式；（2）索引的组织方式；（3）数据是否压缩存储；（4）数据是否加密；（5）规定数据存储记录的结构；一个数据库只能有一个内模式；使用内模式DDL严格定义。

数据库的二级映射功能与数据独立性：

外模式/模式映像：定义外模式与模式之间的对应关系，每个外模式都有一个“外模式/模式”的映像；映像定义通常包含在各自外模式的描述中。

数据的逻辑独立性：模式的改变不影响应用程序；当模式改变时，DBA修改外模式/模式映像，使外模式保持不变；数据的逻辑独立性。

模式/内模式映像：定义数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系，该映射是唯一的，定义通常包含在模式的描述中。

数据的物理独立性：内模式的改变不影响应用程序；当内模式改变时，DBA修改内模式/模式映像，使模式保持不变。

4.数据库管理系统的功能

数据定义功能：基于数据定义语言（DDL）对数据库中的对象进行定义。

数据组织，存储和管理功能：分类组织，存储和管理数据字典，用户数据，数据存储路径等；提高空间利用率和存取效率。

数据操纵功能：基于数据操纵语言（DML）实现对数据库的基本操作，增删改查。

数据库的事务管理和运行管理：统一管理和控制数据库，保证数据的完整性，安全性，数据的多用户并发使用，发生故障后系统恢复。

数据库的建立和维护功能：数据库初始数据的输入，转换，数据库的转储，恢复，数据库的重组织，性能监视，性能分析。

其他功能：DBMS与其他软件系统的通信，DBMS系统之间的数据转换，异构数据库之间（如Sybase和Oracle）的互访和互操作。