数据库系统与信息系统

2．关系模型与关系型数据库 关系模型是目前较为流行的一种模型，它是建立 在严格的数学概念基础之上的。在用户观点下，关系模型中的数据的逻辑 结构是一张二维表，它由行和列组成。现以学生登记表为例，介绍关系模型中 的一些术语。 关系：就是一张二维表。如图5.3中的这张学生登记表。 元组（记录）：表格中的一行即为一个元组（或记录）。 属性（字段）：表格中的一列即为一个属性（或字段）。 主码（或主键）：表格中的某个属性组，它能唯一地确定一
数据库系统的基本概念 数据模型 数据库系统的结构 数据库的研究内容
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5.1.1 数据库技术的产生与发展
数据库技术产生于20世纪60年代中期，是数据管理的最新技术，是计算机 科学的重要分支，它的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透。数据 库技术是计算机科学技术中发展最快、应用最广的技术之一，数据库技术主要 研究如何存储、使用和管理数据，目前它已成为计算机信息系统和应用系统开 发的核心技术和重要基础。从某种意义来讲，数据库的建设规模、数据库信息 量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志。
（2）外模式
外模式也称子模式或用户模式，它是数据库用户看见和使用的局部数据的 逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是与某一个应用有关的数 据的逻辑表示。外模式面向具体的应用程序，它定义在逻辑模式之上，但独立 于内模式和存储设备。
外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式。
（3）内模式
第5 章 数据库系统与信息系统
❖ 5.1 数据库系统概述 ❖ 5.2 Access 2003简介 ❖ 5.3 信息系统的基本概念 ❖ 5.4 常用信息系统简介 ❖ 5.5 数据库系统与技术的展望
5.1 数据库系统概述
❖ 5.1.1 ❖ 5.1.2 ❖ 5.1.3 ❖ 5.1.4 ❖ 5.1.5
数据库技术的产生与发展
数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，它是数据 库系统的核心，数据库在建立、运行和维护时由数据库管理系统统一管理、统 一控制。
数据库管理系统使用户能方便地定义数据和操纵
数据，并能够保证数据的安全性、完整性、多用户对
数据的并发使用及发生故障后的系统恢复。
DBMS是由许多“系统程序”所组成的一个集合。每个程序都有自己的功能， 一个或几个程序一起完成DBMS的一件或几件工作。各种DBMS的组成因系统而异， 一般说来，它由三个部分组成：
数据库中的数据不是独立的，数据与数据之间是相互关联的，在数据库中不 仅要能够表示数据本身，还要能够表示数据与数据之间的联系，因此数据库中 数据是按所提供的数据模式存放，它能构造复杂的数据结构以建立数据间内在 联系与复杂关系。数据独立性是指数据的组织和存储方法与应用程序互不依赖、 彼此独立的特性。
2．数据库管理系统（简称DBMS）
数据模型应满足三个方面的要求：一是能比较真实地模拟现实世界；二是 容易为人们所理解；三是便于在计算机上实现。
一种数据模型要很好地满足这三方面的要求，在目前尚很困难。在数据库 系统中针对不同的使用对象和应用目的，采用不同的数据模型。根据模型应用 的不同目的，可以将模型分为两类，它们分言（子模式、模式、内模式）翻 译程序、数据操作语言处理程序、终端命令解释程序、数据库控制命令解释程 序。
(2) 系统运行控制程序。主要包括系统总控制程序、存取控制程序、并发控制 程序、完整性控制程序、保密性控制程序、数据访问程序、通信控制程序。
(3) 系统建立、维护程序。主要包括数据装入程序、数据库重组织程序、数据 库系统恢复程序、性能监督程序、工作日志程序。
3．数据库应用系统（简称DBA） 数据库应用系统是使用数据库语言及其应用开发 工具开发的、能够满足数据处理需求的应用程序。如：财务管理系统、图 书管理系统等。 4．数据库管理员（简称DBA） 数据库管理员是对数据库进行规划、设计、维护、监视、管理的工作人员。 数据库管理员要参加数据库开发和使用的全部工作，其主要职责是：决定数据 库中信息内容和结构；决定数据库的存储结构和存取策略；定义数据的安全性 要求和完整约束条件；监控数据库的使用和运行；改进和重组重构数据库。 5．用户 用户可以直接使用数据库语言访问数据库和操纵数据库，还可以通过应用 程序员精心设计并具有友好界面的应用程序操纵数据库。
其主要特点是：数据结构化，数据共享性好，冗余度低，数据独立性高， 提供了数据库的创建、操纵以及对数据库的各种控制功能，用户界面友好，便 于使用。
1968年美国的IBM公司开发了第一个数据库系统IMS。20世纪70年代开发了 许多遵循DBMS报告的网状数据库系统，如IDMS、IDS和IMAGE等。层次模型数据 库系统和网状模型数据库系统统称为第一代数据库系统。
数据库技术是应数据管理任务的需要而产生的。数据管理是指如何对数据 进行分类、组织、编码、储存、检索和维护，它是数据处理的中心问题。随着 计算机硬件和软件的发展，数据管理经历了人工管理、文件系统和数据库系统 三个发展阶段。
在20世纪50年代中期以前，当时的硬件状况是，
外存只有纸带、卡片、磁带，没有磁盘等直接存取
数据库系统的三级模式结构如下图所示。
1．数据库系统的三级模式
（1）模式
模式也称逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是 所有用户的公共数据视图。它是数据系统模式结构的中间层，不涉及数据的物 理存储细节和硬件环境，与具体的应用程序，与所使用的应用开发工具及高级 程序设计语言无关。实际上模式是数据库数据在逻辑级上的视图，一个数据库 只有一个模式。
内模式也称存储模式，它是数据物理结构和存储
结构的描述，是数据在数据库内部的表示方式。例如，记录的存储方 式是顺序存储、按照B树结构存储还是按hash方法存储；索引按照什么方式组织； 数据是否压缩存储，是否加密；数据的存储记录结构有何规定等。一个数据库 只有一个内模式。
内模式依赖于它的全局逻辑结构，但独立于数据库的外模式，也独立于具 体的存储设备。它是将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的 物理存储策略进行组织，以达到较好的时间与空间效率。
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5.1.4 数据库系统的结构
考查数据库系统的结构可以从多种不同的角度查看，从数据库管理系统角 度看，数据库系统通常采用三级模式结构，这是数据库管理系统内部的体系结 构。从数据库最终用户角度看，数据库系统的结构分为集中式结构（又可有单 用户结构、主从式结构）、分布式结构、客户/服务器结构和并行结构，这是数 据库系统外部的体系结构。这里我们只从数据库管理系统角度介绍数据库系统 的模式结构。
的存储设备；软件状况是，没有操作系统，没有管理数据的软件，数据 处理方式是批处理。计算机主要用于科学计算，所涉及的数据在相应的应用程 序中进行管理，数据不保存、不共享，数据与程序之间不具有独立性。这一时 期属于人工管理阶段。
20世纪50年代后期到60年代中期，计算机的应用范围逐渐扩大，计算机不 仅用于科学计算，而且还大量用于管理；这时硬件上已有了磁盘、磁鼓等直接 存取存储设备；软件方面，操作系统中已经有了专门的数据管理软件———文件系 统，处理方式上不仅有文件批处理， 还有联机实时处理。这一时期属于文件系 统阶段，其主要特点是：数据独立于程序，可以重复使用，实现了文件的长期 保存和按名存取。但数据共享性差，数据独立性较低。
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5.1.3 数据模型
1．数据模型概念
数据库是某个企业、组织或部门所涉及的数据的综合，它不仅要反映数据 本身的内容，而且要反映数据之间的关系。由于计算机不可能直接处理现实世 界中的具体事务，所以人们必须事先把具体事物转换成计算机能够处理的数据。
在数据库中用数据模型这个工具来抽象、表示和处理现实世界中的数据和 信息。数据模型是数据特征的抽象，描述的是数据的共性。
虽然实际的数据库系统软件产品种类很多，它们支持不同的数据模型，使 用不同的数据库语言，建立在不同的操作系统之上，数据的存储结构也各不相 同，但从数据库管理系统角度看，它们在体系结构上通常都具有相同的特征， 即采用三级模式结构（外模式、内模式和模式），并提供两级映象功能（外模 式与模式之间的映象、模式与内模式之间的映象）。
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5.1.2 数据库系统的基本概念
数据库系统是指在计算机系统中引入数据库后的系统，一般由数据库、数据 库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员和用户构成。数据库 系统的组成如下图。
1．数据库（简称DB）
数据库是指长期存储在计算机内的、有组织的、可
共享的数据集合。
数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和存储，具有较小的冗余度、 较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。
1970年，美国IBM公司的E.F.Codd发表了题为“大 共享数据库数据的关系模型”的论文，提出了数据库 的关系模型，开创了数据库关系方法和关系数据理论的研究。到20世纪 80年代后，关系数据库从理论到实践都取得了辉煌成果。在理论上确立了完整 的关系理论、数据依赖理论以及关系数据库的设计理论等；在实践上，开发了 许多著名的关系数据库系统，如：system R、INGRES、ORACLE等。到20世纪80 年代末，关系数据库系统成为主流产品。支持关系模型的关系数据库系统称为 第二代数据库系统。 进入20世纪80年代以后，随着计算机硬件技术的提高，使得计算机应用不 断深入，产生了许多新的应用领域，如计算机辅助系统、办公自动化、地理信 息处理、智能信息处理等。这些新的应用领域对数据库系统提出了新要求。出 现了百家争鸣的局面，产生了演绎数据库、面向对象数据库、工程数据库、时 态数据库、地理数据库、模糊数据库等新型数据库的研究。到80年代后期和90 年代初期，出现了面向对象数据库系统。
概念模型的表示方法很多，其中最为常用的是P. P. S. Chen于1976年提出 的实体— 联系方法，该方法用E—R图来描述现实世界的概念模型。
第二类模型是数据模型。它是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于 数据库管理系统的实现。数据模型是数据库系统的核心和基础，各种机器上实 现的DBMS软件都是基于某种数据模型的。不同的DBMS提供不同的数据模型，传 统的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型，非传统的数据模型有面向对 象数据模型。目前最重要的一种数据模型是关系模型。
20世纪60年代后期以来，计算机用于管理的规模
更为庞大，应用越来越广泛，数据量急剧增长，以文
件系统作为数据管理手段已经不能满足应用的需求，于是为解决多用户、 多应用共享数据的需求，使数据为尽可能多的应用服务，就出现了数据库技术， 出现了统一管理数据的专门软件系统———数据库管理系统。数据库技术克服了文 件系统的缺陷，提供了对数据进行管理的更有效、更方便的功能。
第一类模型是概念模型。它是按用户的观点来对
数据和信息建模，主要用于数据库设计。由于概念模
型是用户与数据库设计人员之间进行交流的语言，用户一般缺乏计算机 知识，因此概念模型应当简单、清晰、易于用户理解，能方便、直接地表达各 种语义，而且概念模型应独立于任何DBMS，但容易向DBMS所支持的数据模型转 换。
个元组，这个属性组称为主码。 域：属性的取值范围。如年龄一般在1岁至150岁之间。 分量：元组中的一个属性值。 关系模式：对关系的描述，一般表示为：关系名（属性1，
属性2，… ，属性n）。
在关系模型中，实体以及实体间的联系都是用 关系来表示的。例如，学生、课程、学生与课程之 间的联系在关系模型中可以表示如下： 学生（学号，姓名，性别，系别，出生日期，籍贯） 课程（课程号，课程名，学分） 选修（学号，课程号，成绩） 严格地说，在关系模型中关系是一种规范化了的二维表格，关系应满足如 下性质： (1) 关系中的每一个分量必须是一个不可分的数据项。 (2) 关系中不允许出现重复元组。 (3) 不允许出现重复属性。 (4) 由于关系是一个集合，因此，行、列次序均无关。 支持关系模型的数据库系统称为关系型数据库系统，典型的关系型数据库 系统有DB2、Oracle、Sybase、Informix以及微机上广泛使用的Access、Delphi 等。