第二讲-数据库环境

• 数据库系统中实际存储的是物理级数据，是数据访问的基 础。 • 概念级数据库是物理级数据库的一种对应描述 • 外部级（视图级）数据库是用户与数据库的界面。 • 用户根据外部模式进行操作——通过外部模式到概念模式 的映射与概念级数据库联系起来，又通过概念模式到物理 模式的映射与物理级数据库联系起来。 • DBMS的中心工作——完成三级数据库之间的转换（即两 级映像），把用户对数据库的操作转化到物理级去执行。 • 数据独立性：较低层的修改不会对较高层造成影响
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 19
关系模型 Relational Data Model

使用范围最为广泛的数据结构模型，已有的 RDBMS:

Oracle, Sybase, DB2, SQL Server, MySQL, Access 清晰的数学理论基础：集合论，关系代数，关系演 算 简单的表示方式：二维表格 规范化的SQL语言 对于CAD、图形数据等复杂类型表达困难
秦斌，电气学院，HUST
31
2.
2012/5/5
DBMS的组件
3. DML预处理器：将嵌入到应用程序中的DML语句转换成宿 主语言中标准的函数调用；与查询处理器交互产生代码 4. DDL编译器：将DDL语句转换成一组包含元数据的表格； 这些表格将存储在系统目录中，对应信息存储在数据文件 头上
秦斌，电气学院，HUST
– 帮助用户描述和命名应用中用到的实体、属性和联 系，以及相关的完整性和安全性约束的语言
• 数据操作语言（Data Manipulation Language，DML ）
– 提供一组基本处理操作的语言，能支持对存储在数 据库中的已有数据进行各种操作 – 包括查询、插入、修改、删除数据
秦斌，电气学院，HUST
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 17
关系模型 Relational Data Model
1. 基于数学上的关系概念 2. 数据和联系以表格形式 表示 3. 以左图为例：Branch和 Staff存在一个联系，但 在表格之间没有显式链 接 4. 一个Branch拥有多个职 员，其联系通过 Branch.branchNo = Staff.branchNo 来实现！
2012/5/5 6
三级模式与两级映像
外模式到概念模式的映像:定义 部视图和概念视图的对应关系
概念模式到内模式的映像:定义概 念视图和物理存储间对应关系
这两级映像提供了数据库最优异的性质： 逻辑数据独立性和物理数据独立性！ 秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 7
数据独立性 Data Independence
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 29
DBMS的组件
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 30
DBMS的组件
1.
查询处理器：将所有查询转换为一系列指导 数据库管理器的底层指令 数据库管理器：接受查询并检查外部模式和概念 模式，确定需要哪些概念记录才能满足查询要求 ，并通知文件管理器来执行请求
2012/5/5 32
DBMS的组件
3. 文件管理器：操纵基本的存储文件，管理磁盘存储 空间分配 4. 字典管理器：控制对系统目录（数据字典）的访 问，并进行维护
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 33
系统目录 (数据字典)
• 描述数据库中数据的信息仓库，及“关于 数据的数据”，或“元数据” • 系统目录通常存储：
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 27
数据库用户
• 应用程序开发人员
–通过DML语言调用同系统交互
• 有经验的用户
–使用数据库查询语言发送请求 – form requests in a database query language
• 普通用户
–调用已写好的固定应用程序 –例如，使用图书馆查询系统
秦斌，电气学院，HUST
20

特点：



不足：

2012/5/5
层次模型 Hierarchical Data Model
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 21
层次模型 Hierarchical Data Model

树形结构，一个节点只能有一个父节点 特点：

通过指针来显式表示联系，查询效率较高 相对于基于文件的处理方式，将物理数据剥离开， 减少设计人员工作 只能表示1:N关系 层次顺序的复杂导致数据查询和更新困难
秦斌，电气学院，HUST
4

实例：某一特定时刻数据库的实际内容

2012/5/5
关于三级模式的一个例子
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 5
三级模式对应的内容
• 外模式（也称子模式）
–部分视图（兴趣点），通过DML或应用程序获取 –保障数据安全性 –一个数据库可有多个外模式，但内模式/概念模式仅有一个
2012/5/5 12
语义数据模型
• 语义数据模型 ： “概念数据模型” ：
–描述某个特定组织所关心的信息结构，独立于 计算机系统的数据模型，不涉及信息在计算机 中的表示 –概念模型是按照用户的观点对数据建模，强调 其语义表达能力，概念应该简单、清晰、容易 理解，是对现实世界的第一层抽象，是用户和 数据库设计人员之间进行交流的工具。 –最著名--“实体联系模型”。
–联系（表）的名字 –数据项的名字、类型和大小 –数据的约束信息 –数据库的安全信息（授权的用户及权限） –两级映像 –各种统计量：如数据库中对象的访问次数
秦斌，电气学院，HUST
• 概念模式：涉及数据库中所有逻辑关系
–DBA视图，对数据库全部数据的整体逻辑结构描述 –设计所有数据的逻辑关系，包括数据的约束，数据的语义信 息，数据安全性和完整性
• 内模式：也称存储模式
–数据存储所使用的数据结构和文件组织 –记录放置 –数据压缩和数据加密技术 –获得高性能的关键！
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 26
数据库语言（续）
• 过程DML
– 要求用户明确告诉系统需要什么数据以及如 何检索这些数据 – 层次模型、网状模型
• 非过程DML
– 只需要告诉系统需要什么数据而不需要说明 如何检索这些数据 – WHAT to do, NOT HOW to do – SQL， QBE（Query-By-Example）
– 直接从现实世界中抽象出实体类型及实体间 联系，然后用实体联系图（E-R图）表示数据 模型。 – 该模型设计ER图的方法称为ER方法。ER图 是直接表示概念模型的有力工具，多用于数 据库概念设计。
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 15
结构数据模型
• 结构数据模型： “逻辑数据模型”
–直接面向数据库的逻辑结构，是对现实世界的 第二层抽象，直接与DBMS有关 –有严格的形式化定义——一组严格定义的无二 义性语法和语义的数据库语言，人们可以用这 种语言来定义、操纵数据库中的数据 –常见的结构数据模型为：层次、网状、关系、 面向对象等模型。
第二章 数据库环境
体系结构、数据模型与DBMS功能
秦斌，电气学院，HUST
内容
2.1 数据库的体系结构 2.2 数据模型 2.3 DBMS的组成及主要功能 2.4 多用户DBMS体系结构
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 2
2.1 数据库的体系结构
(External level)
(Conceptual level) (Internal level)
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 28
数据库管理员 DBA
• 协调数据库系统所有活动，负责系统的全局控制； 要求对企业（组织）的信息和资源有很好的了解 • 任务包括：
–概念模式定义 –存储结构和读取方法定义 –模式和物理组织的修改 –对用户的授权 –制定完整性约束 –监控系统性能并根据需求做调整
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 13
实体联系模型


一个部门包括多名职员，但职员只属于一个 部门 ER模型可转换为关系数据模型
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5
14
实体联系模型 （ER模型）
– 由实体（entity）和联系（relationship）组成
• 实体：组织中的‘事物’或‘对象’，区别于其他 的物件，采用一组‘属性’描述； • 联系：表示两个或多个实体间的关联
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 18
关系模型 Relational Data Model
属性 (attribute)
主要概念：
元组 (tuple)
1）关系(relation)：由行和 列组成的表格 2）模式(scheme)：每个关 系对应一个模式，定义 “域”
Scheme example: Branch (branchNo : string, street : string, city : string, postCode : string )

不足：


代表：IBM 的 IMS数据库
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5
22
网状模型 Network Data Model
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 23
网状模型 Network Data Model

层次模型的发展

数据表示成一组记录(record)，联系表示成络(set) 记录被组织成图结构，可表示M:N关系 数据结构复杂，编程复杂 M:N关系容易拆分为M个1:N关系
秦斌，电气学院，HUST
2012/5/5 11