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文檔簡介
1、數(shù)據(jù)庫原理,倪巍偉wni@seu.edu.cn,,數(shù)據(jù)庫管理已經(jīng)成為現(xiàn)代計算平臺的核心成分之一。本課程從平臺對應(yīng)用的支持出發(fā),討論DB系統(tǒng)的基本概念、方法、原理和技術(shù),以提高設(shè)計、開發(fā)和系統(tǒng)分析能力。,(1) 數(shù)據(jù)庫技術(shù)是應(yīng)數(shù)據(jù)管理的任務(wù)的需要而產(chǎn)生的。 數(shù)據(jù)管理是指如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、組織、編碼、 存儲、檢索和維護(hù),它是數(shù)據(jù)處理的中心問題。 (2) 數(shù)據(jù)管理經(jīng)歷了三個階段.人工管理 .文件系統(tǒng)
2、.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),第1章 引論,1.1 數(shù)據(jù)管理的發(fā)展,,數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用(data intensive application),數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的特點 1.設(shè)及數(shù)據(jù)量大(TB),一般內(nèi)存容納不下,需放在輔存; 2.數(shù)據(jù)為持久數(shù)據(jù)(persistent data); 3.數(shù)據(jù)為多個應(yīng)用程序所共享,MIS、銀行、辦公系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)等。,數(shù)據(jù)管理,文件系統(tǒng)的缺點 1.編寫應(yīng)用程序不方便; 2.數(shù)據(jù)冗余;
3、 3.文件結(jié)構(gòu)的每一修改 將導(dǎo)致應(yīng)用程序的修改, 應(yīng)用程序維護(hù)工作量大; 4.文件系統(tǒng)不支持對文件的并發(fā)訪問; 5.數(shù)據(jù)的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化較難達(dá)到。,新書入庫,讀者增刪,圖書出納,催還通知,書目文件,讀者文件,出借文件,,,,,,,,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化是數(shù)據(jù)庫與文件系統(tǒng)的根本區(qū)別。在描述數(shù)據(jù)時不僅要描述數(shù)據(jù)本身,還要描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。,數(shù)據(jù)與單位(enterprise)對應(yīng),看成一
4、個單位的共享資源,由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件(DataBase Management System,簡稱DBMS)統(tǒng)一管理。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以統(tǒng)一管理和共享數(shù)據(jù)為主要特征,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(database system),DBMS的發(fā)展,1964年,IDS(Integrated Data Store)網(wǎng)狀,通用電氣,Bachman(圖靈獎,1973)60年代末,IMS(Information Management System)層次,IB
5、M1970 Codd提出了關(guān)系模型(relational data model)(圖靈獎,1981)1977 IBM System R和Berkeley分校Ingres運(yùn)行,關(guān)系模型80年代,商品化關(guān)系DBMS成為主流,DB2,Oracle,Sybase,Informix,MS SQL Server,Access等,,數(shù)據(jù)管理將繼續(xù)發(fā)展,應(yīng)用是動力,新的軟硬件技術(shù)是基礎(chǔ),數(shù)據(jù)庫是主要形式。,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)
6、(及其開發(fā)工具)、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶構(gòu)成。下面分別介紹這幾個部分的內(nèi)容。,1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),DBMS的主要功能,提供高級的用戶接口查詢處理和優(yōu)化數(shù)據(jù)目錄管理并發(fā)控制恢復(fù)功能完整性約束檢查訪問控制,由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)量都很大,加之DBMS豐富的功能使得自身的規(guī)模也很大,因此,整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對硬件資源提出了較高的要求,這些要求是:,1.硬件平臺及數(shù)據(jù)庫,(1)要有足夠大的內(nèi)存,存放操作系統(tǒng)、DBMS的核心
7、模塊、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和應(yīng)用程序。,(2)有足夠大的磁盤等直接存取設(shè)備存放數(shù)據(jù)庫和備份數(shù)據(jù)。,(3)要求系統(tǒng)有較高的通道能力,以提高數(shù)據(jù)傳送率。,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的軟件主要包括: (1)DBMS。DBMS是為數(shù)據(jù)庫的建立、使用和 維護(hù)配置的軟件。,2、軟件,(2)支持DBMS運(yùn)行的操作系統(tǒng)。,(3)具有數(shù)據(jù)庫接口的高級語言及其編譯系統(tǒng),便于開發(fā)應(yīng)用程序。,,,(4)以DBMS為核心的應(yīng)用開發(fā)工具。 應(yīng)用開發(fā)工具是系統(tǒng)為應(yīng)用
8、開發(fā)人員和最終用戶提供的高效率、多功能的應(yīng)用生成器、第四代語言等各種軟件工具。它們?yōu)閿?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供了良好的環(huán)境。,(5)為特定應(yīng)用環(huán)境開發(fā)的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)。,開發(fā)、管理和使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的人員主要是:數(shù)據(jù)庫管理員、系統(tǒng)分析員和數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員、應(yīng)用程序員和最終用戶。不同的人員涉及不同的數(shù)據(jù)抽象級別,具有不同的數(shù)據(jù)視圖,有各自的職責(zé)。,3.人員,(1)數(shù)據(jù)庫管理員(DataBase Administrator,DBA
9、) 具體職責(zé)包括:,1)決定數(shù)據(jù)庫中的信息內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 2)決定數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)和存取策略 3)定義數(shù)據(jù)的安全性要求和完整性約束條件 4)監(jiān)控數(shù)據(jù)庫的使用和運(yùn)行,另外,在數(shù)據(jù)運(yùn)行過程中,大量數(shù)據(jù)不斷插入、刪除、修改,時間一長,會影響系統(tǒng)的性能。因此,DBA要定期對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行重組織,以提高系統(tǒng)的性能。,,當(dāng)用戶的需求增加或者改變時,DBA還要對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行較大的改造,包括修改部分設(shè)計,即數(shù)據(jù)庫的重構(gòu)造。,(2)系統(tǒng)
10、分析員和數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員 系統(tǒng)分析員負(fù)責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)的需求分析和規(guī)范說明,要和用戶及DBA相結(jié)合,確定系統(tǒng)的軟硬件配置,并參與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的概要設(shè)計。,數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的確定、數(shù)據(jù)庫各級模式的設(shè)計。數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員必須參加用戶需求調(diào)查和系統(tǒng)分析,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計。在很多情況下,數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員就由數(shù)據(jù)庫管理員擔(dān)任。,,(3)應(yīng)用程序員 應(yīng)用程序員負(fù)責(zé)設(shè)計和編寫應(yīng)用系統(tǒng)的程序模塊,并進(jìn)行調(diào)試和安裝。(4)用戶
11、 這里用戶是指最終用戶(EndUser)。最終用戶通過應(yīng)用系統(tǒng)的用戶接口使用數(shù)據(jù)庫。常用的接口方式有瀏覽器、菜單驅(qū)動、表格操作、圖形顯示、報表書寫等。,模型,特別是具體的實物模型,人們并不陌生。例如,一張地圖,一組建筑設(shè)計沙盤,一架精致的航模飛機(jī),都是具體的模型。一眼望去,就會使人聯(lián)想到真實生活中的事物。模型是現(xiàn)實世界特征的模擬和抽象。數(shù)據(jù)模型(DataModel)也是一種模型,它是現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象。,1.3 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)模型和數(shù)
12、據(jù)模式,數(shù)據(jù)是信息存在的一種形式,只有通過解釋或處理才能成為有用的信息。,對事物描述的符號記錄稱為數(shù)據(jù)。,數(shù)據(jù)庫是某個企業(yè)、組織或部門所涉及的數(shù)據(jù)的綜合,它不僅要反映數(shù)據(jù)本身的內(nèi)容,而且要反映數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。由于計算機(jī)不可能直接處理現(xiàn)實世界中的具體事物,所以人們必須事先把具體事物轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫中用數(shù)據(jù)模型這個工具來抽象、表示和處理現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)和信息。通俗地講數(shù)據(jù)模型就是現(xiàn)實世界的模擬。,現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)均是基
13、于某種數(shù)據(jù)模型的。因此,了解數(shù)據(jù)模型的基本概念是學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)。 數(shù)據(jù)模型應(yīng)滿足三方面要求:一是能比較真實地模擬現(xiàn)實世界;二是容易為人所理解;三是便于在計算機(jī)上實現(xiàn)。 一種數(shù)據(jù)模型要很好地滿足這三方面的要求在目前還很困難。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中針對不同的使用對象和應(yīng)用目的,采用不同的數(shù)據(jù)模型。,,不同的數(shù)據(jù)模型實際上是提供給我們模型化數(shù)據(jù)和信息的不同工具。,數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。各種機(jī)器上實現(xiàn)的DBMS軟件
14、都是基于某種數(shù)據(jù)模型的。,為了把現(xiàn)實世界中的具體事物抽象、組織為某一DBMS支持的數(shù)據(jù)模型,人們常常首先將現(xiàn)實世界抽象為信息世界,然后將信息世界轉(zhuǎn)換為機(jī)器世界。,,也就是說,首先把現(xiàn)實世界中的客觀對象抽象為某一種信息結(jié)構(gòu),這種信息結(jié)構(gòu)并不依賴于具體的計算機(jī)系統(tǒng),不是某一個DBMS支持的數(shù)據(jù)模型,而是概念級的模型;然后再把概念模型轉(zhuǎn)換為計算機(jī)上某一DBMS支持的數(shù)據(jù)模型。,數(shù)據(jù)模型的組成要素,一般地講,數(shù)據(jù)模型是嚴(yán)格定義的一
15、組概念的集合。這些概念精確地描述了系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性和完整性約束條件。因此數(shù)據(jù)模型通常由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和完整性約束三部分組成。,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是所研究的對象類型的集合。這些對象是數(shù)據(jù)庫的組成成分,它們包括兩類:,1.?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu),一類是與數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容、性質(zhì)有關(guān)的對象,例如網(wǎng)狀模型中的數(shù)據(jù)項、記錄,關(guān)系模型中的域、屬性、關(guān)系等;,一類是與數(shù)據(jù)之間聯(lián)系有關(guān)的對象,例如網(wǎng)狀模型中的系型(Set type)。,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是刻畫一個數(shù)據(jù)模
16、型性質(zhì)最重要的方面,是對系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述。因此,在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中,通常按照其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來命名數(shù)據(jù)模型。例如層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和關(guān)系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型分別命名為層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。,數(shù)據(jù)操作是指對數(shù)據(jù)庫中各種對象(型)的實例(值)允許執(zhí)行的操作的集合,包括操作及有關(guān)的操作規(guī)則。 數(shù)據(jù)庫主要有檢索和更新(包括插入、刪除、修改)兩大類操作。數(shù)據(jù)模型必須定義這些操作的確切含義、操作符號、操作規(guī)則(如優(yōu)先級)以及實現(xiàn)操作的語言。
17、 數(shù)據(jù)操作是對系統(tǒng)動態(tài)特性的描述。,2. 數(shù)據(jù)操作,數(shù)據(jù)的約束條件是一組完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則是給定的數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約和依存規(guī)則,用以限定符合數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化,以保證數(shù)據(jù)的正確、有效、相容。,3.?dāng)?shù)據(jù)的約束條件,數(shù)據(jù)模型是用來描述現(xiàn)實世界的,因此,越自然越好(易于理解)。,在數(shù)據(jù)庫中,針對不同的使用對象和應(yīng)用目的,采用多級數(shù)據(jù)模型,一般可分為三級:,1. 概念數(shù)據(jù)模型(
18、與DBMS無關(guān)) 主要用來描述一個單位的概念化結(jié)構(gòu),面向用戶、面向現(xiàn)實世界,是一種語義模型,常用E-R圖表示,接近人的思維,容易理解。,2.邏輯數(shù)據(jù)模型(與DBMS有關(guān)) 用概念數(shù)據(jù)模型表示的數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)化為邏輯數(shù)據(jù)模型表示的數(shù)據(jù),才能在DBMS中實現(xiàn),因此,邏輯模型既要面向用戶,也要面向?qū)崿F(xiàn)。,3.物理數(shù)據(jù)模型(與DBMS、OS硬件有關(guān)) 它反映數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu),如物理塊、指針、索引等。物理數(shù)據(jù)模型不但與DBMS
19、有關(guān),還與OS和硬件有關(guān)。,什么叫數(shù)據(jù)模式? 以一定的數(shù)據(jù)模型對一個單位的類型、結(jié)構(gòu)及其相互間的關(guān)系所進(jìn)行的描述。,型:,一個值:,? 數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)模式區(qū)別:數(shù)據(jù)模型是描述現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)的手段、工具。數(shù)據(jù)模式是利用這個手段和工具對具體對象相互間的關(guān)系所進(jìn)行的描述。是關(guān)于型的描述。它與DBMS和OS硬件無關(guān)。,例:C語言和用C語言編寫的程序的區(qū)別。,? 數(shù)據(jù)模式通常分為三級:1.概念模式 是用邏輯數(shù)據(jù)模型對一個單
20、位的數(shù)據(jù)的描述。是一個單位的全局模式,是整個數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)。,2.外模式 是用邏輯數(shù)據(jù)模型,對用戶所用到的那部分?jǐn)?shù)據(jù)的描述。它是概念模式的一部分或由前者推導(dǎo)而來的。(這是每一個用戶看到的模式。每一個用戶的外模式不一定相同,外模式是一種局部模式),3.內(nèi)模式 是用物理數(shù)據(jù)模型對數(shù)據(jù)的描述。表示數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu),即物理結(jié)構(gòu)。,概念模式、外模式和內(nèi)模式都存于數(shù)據(jù)目錄中,是數(shù)據(jù)目錄的最基本內(nèi)容。DBMS通過數(shù)據(jù)目錄,管
21、理和訪問數(shù)據(jù)模式。,1.4 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用,數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用就是選擇合適的DBMS,設(shè)計、建立維護(hù)和管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),為用戶服務(wù)。,1.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的規(guī)劃,2.數(shù)據(jù)庫設(shè)計,數(shù)據(jù)庫設(shè)計,信息需求,處理需求,DBMS特性,硬件、操作系統(tǒng)特性,,,數(shù)據(jù)模式,典型應(yīng)用程序,,圖 1--5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本任務(wù),,,,,,,,,3.數(shù)據(jù)庫的建立,4.數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行、管理和維護(hù),5.數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)充和維護(hù),數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展*,第一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 20世紀(jì)7
22、0年代 層次和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 第二代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)庫技術(shù)和其他學(xué)科內(nèi)容相結(jié)合(分布式數(shù)據(jù)庫、工程數(shù)據(jù)庫、演繹數(shù)據(jù)庫、知識數(shù)據(jù)庫、時態(tài)數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫),,Internet時代的數(shù)據(jù)庫技術(shù) Internet技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)新的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用,諸如支持高層決策的數(shù)據(jù)倉庫、OLAP分析、數(shù)據(jù)挖掘、電子商務(wù)等。 出現(xiàn)了Web信息檢索技術(shù)與系統(tǒng)、Web數(shù)據(jù)集成與共享技術(shù)與
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