《计算机文化基础(第二版)》课件-第13、14、15章

■ 13.1.2 数据库系统的基本特点
数据库系统的基本特点包括如下四个方面： 1．数据的高集成性。数据结构化是数据库与文件系统的根 本区别。 2．数据的共享性高，冗余度低，易扩充。 3．数据独立性。 数据独立性是数据与程序间的互不依赖性，即数据库中数据 独立于应用程序而不依赖于应用程序。也就是说，数据的逻 辑结构、存储结构与存取方式的改变不会影响应用程序。 数据独立性一般分为物理独立性与逻辑独立性两级。 （1）物理独立性：指用户的应用程序与存储在磁盘上的数 据库中数据是相互独立的。 （2）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。
■ 13.2.1 数据模型 13.2 数据模型
1．数据模型（Data Model）概念 数据模型是现实世界中数据特征的抽象，一组严格定义的模 型元素的集合。这些模型元素精确地描述了系统的静态特性、 动态特性以及完整性约束条件等，为数据库系统的信息表示 与操作提供一个抽象的框架。 2．数据模型组成 数据模型所描述的内容有三个部分，它们是数据结构、数据 操作与数据约束。 （1）数据结构：数据模型中的数据结构主要描述数据的类 型、内容、性质以及数据间的联系等，主要表达为实体和属 性。数据结构是数据模型的基础，数据操作和约束都建立在 数据结构上。不同的数据结构具有不同的操作和约束。
3．数据模型按不同的应用层次分为概念模型、逻辑数据模型和 物理模型三类。 （1）概念数据模型（Conceptual Data Model）：简称概念模 型，是面向数据库用户的实现世界的模型，主要用来描述世界的 概念化结构及它们之间的内在联系的刻画。概念数据模型中最常 用的是E-R模型、扩充的E-R模型、面向对象模型及谓词模型。 （2）逻辑数据模型（Logical Data Model）：又称数据模型， 是一种面向用户、面向数据库系统的模型，该模型着重于在数据 库系统一级的实现。逻辑数据模型中最常用的是层次模型、网状 模型、关系模型、面向对象模型等。 （3）物理数据模型（Physical Data Model）：又称物理模型， 它是一种面向计算机物理表示的模型，描述了数据在储存介质上 的组织结构，与具体的DBMS、操作系统和硬件均有关。
（2）数据操作：数据操作是对数据库中各种对象 （型）的实例（值）允许执行的操作的集合，包括 操作的含义、符号、操作规则及实现操作的语句等。 它用于描述系统的动态特性。主要表达为实体中的 记录的插入、删除、修改、查询等操作。 （3）数据的约束条件：是一组完整性规则的集合。 主要描述数据结构内数据间的语法、词义联系、它 们之间的制约和依存关系，以及数据动态变化的规 则，以保证数据的正确、有效和相容。主要表达为 数据的自身完整性约束（如数据类型、检查、规则 等）和数据间的参照完整性约束（如联系、继承联 系等）。
学号
姓名
性别
出生 年月
班级
籍贯
01094 韩 雪 0201
女
05-26- 09管 83 理2班
北京
02094 张 哲 0302
女
11-25- 09动 84 画3班
天津
02094 王 丽 0403
女
09-21- 09播 吉林长 82 音4班 春
在表关系中涉及到以下几个概念： （1）主码：又称为关键字或主键，简称码或键，可以唯一确定 一个元组和其他元组不同的属性组，称为关系的主码或关键字。 例如，学生的学号。主码属性不能取空值。 （2）外部关键字：又称为外键，在一个关系中含有与另一个关 系的关键字相对应的属性组称为该关系的外部关键字。外部关 键字取空值或为外部表中对应的关键字的值。例如，在学生表 中含有的所属班级名字，是班级表中的关键字属性，它是学生 表中的外部关键字。 关系模型概念清晰，结构简单，实体、实体联系和查询结果都 采用关系表示，用户比较容易理解。另外，关系模型的存取路 径对用户是透明的，程序员不用关心具体的存取过程，减轻了 程序员的工作负担，具有较好的数据独立性和安全保密性。 同一个关系模型的任两个元组值不能完全相同。
4．数据库管理员（DBA） 数据库管理员是负责全面地管理和控制数据库系统的专业 管理人员。具体的职责包括决定数据库的信息内容和结构、 定义数据的安全性要求和完整性约束条件、监督和控制数 据库的使用和运行、数据库系统的改进和重组。 5．数据库系统（简称DBS） 数据库系统由数据库（数据）、数据库管理系统（软件）、 数据库管理员（人员）、硬件平台（硬件）、软件平台 （软件）五个部分构成的运行实体。 6．数据库应用系统 数据库应用系统由数据库系统、应用软件及应用界面三者 组成。 数据库技术的根本目标是解决数据的共享问题。
■ 13.2.2 实体 — 联系模型（E-R模型）
E-R模型是由P.P.Chen于1976年首先提出的。它提供不受任何 DBMS约束的面向用户的表达方法，在数据库设计中被广泛用作数 据建模的工具。 1．E-R模型的基本概念 （1）实体：也称为实例，客观世界中能够相互区分的“事件”或 “事物”。 （2）属性：用来描述实体特征的一组性质，其中每一个特征就称 为实体的一个属性。 （3）实体集：是具有相同类型及相同性质实体的集合。 （4）实体型：是实体集中每个实体所具有的共同性质的集合。 （5）联系：是指实体集之间或实体集内部实例之间的连接。实体 集的关系有一对一、一对多、多对多的联系。 E-R模型的基本成分是实体型（实体）、属性和联系。
2．E-R模型的图示法 （1）实体型：用矩形表示，矩形框内写明实体名。 （2）属性：用椭圆形表示。 （3）联系：用菱形表示，菱形框内写明联系名。 （4）实体型与属性间的联系关系：用带联系的类型的 无向线段表示。 （5）实体型与联系间的联系关系：用带联系的类型的 无向线段表示。 3．实现E-R模型的步骤 （1）确定实体及实体的属性； （2）确定实体之间的联系及联系的类型； （3）给实体和联系加上属性。关于学生和课程的联系 的E-R模型如图13-1所示。
4．数据由DBMS统一管理和控制 数据库的共享是并发的共享，即多个用户可以同时存取数 据库中的数据甚至可同时存取数据库中的同一个数据。数 据统一管理与控制主要包含以下三个方面： （1）数据的完整性检查。检查数据库中数据的正确性、有 效性和一致性以保证数据的完整。 （2）数据的安全性保护。是指保护数据以防止不合法的使 用造成的数据的泄密和破环。 （3）并发控制。对这种并发操作施行控制，排除和避免这 种错误的发生，保证数据的正确性。 （4） 数据库故障恢复。DBMS必须具有将数据库从运行时 出现物理或逻辑上的错误状态恢复到某一已知的正确状态 的功能。
2．数据库（简称DB） 数据库是长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的数
据集合。具有统一的结构形式并存放于统一的存储介质 内，是多种应用数据的集成，并可被各个应用程序所共 享。 数据库存放数据是按数据所提供的数据模式存放的，具有 集成与共享的特点，亦即是数据库集中了各种应用的数 据，进行统一的构造和存储，而使它们可被不同应用程 序所使用。 3．数据库管理系统（简称DBMS） 数据库管理系统是一种系统软件，负责对数据库中的数据 进行统一管理和控制。它位于应用程序和操作系统中间， 是整个数据库系统的核心。
M
学生
m
N
选课
n
课程
学号
系
课号 课程名 学分
姓名
出生年月
性别
成绩 选修时间
图13-1 学生和课程的E-R模型图
■13.2.3 层次模型、网状模型和关系模型
研究室系课程员工项目图13-2 层次模型示例 数据库管理系统常见的数据模型有层次模型、网状模型 和关系模型三种。层次模型是最早发展起来的数据库模 型。 1．层次模型 层次模型的数据结构类似一棵倒置的树，每个节点表示 一个记录类型，记录之间的联系是一对多的联系，基本 特征是：（1）每棵树有且仅有一个无双亲的根结点； （2）除根结点以外的其他结点有且仅有一个父结点。 层次模型结构简单，容易实现，对于某些特定的应用系 统效率很高，但如果需要动态访问数据时，效率并不高。 层次模型示例见图13-2所示。
4．关系中的数据约束 关系中的数据约束主要包括以下三个方面： （1）实体完整性约束：要求关系的主键中属性值不 能为空值，主键是唯一决定元组的，故其值不能为空 值。 （2）参照完整性约束：是指两个表的主关键字和外 关键字的数据应一致，保证了表之间的数据的一致性， 防止了数据丢失或无意义的数据在数据库中扩散。 （3）用户定义的完整性约束：反映某一具体应用所 涉及的数据必须满足的语义要求。例如某个属性的取 值范围在30—200之间等。
2．数据库系统的两级映射 （1）逻辑模式/内模式的映射：是唯一的。它定义了数 据库全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。当数据 库的存储结构发生变化时，通过修改相应的逻辑模式/ 内模式的映射，使得数据库的逻辑模式不变，其外模式 不变，应用程序不用修改，从而保证数据具有很高的物 理独立性。 （2）外模式/逻辑模式的映射：实现了外模式到逻辑模 式之间的相互转换。当逻辑模式发生变化时，通过修改 相应的外模式/逻辑模式映射，使得用户所使用的那部 分外模式不变，从而应用程序不必修改，保证数据具有 较高的逻辑独立性。
■13.2.4 从E-R图导出关系数据模型
数据库逻辑设计的主要工作是将E-R图转换成指定 RDBMS（关系数据库管理系统）中的关系模式。 从E-R图到关系模式的转换是比较直接的，实体与 联系都可以表示成关系，E-R图中属性也可以转换 成关系的属性，实体集也可以转换成关系。
第十三章 数据库设计基础
主要内容：
13.1数据库系统的基本概念 13.2 数据模型 13.3 关系代数 13.4数据库设计方法和步骤
13.1数据库系统的基本概念
■ 13.1.1 数据、数据库和数据库管理系统
1．数据（Data） 数据是数据库中存储的基本对象，实际上就是描述事物的 符号记录。可以是数字、文字、图形、图像、声音、语言 等。 数据的特点是具有一定的结构，有型与值之分。数据的型 给出了数据表示的类型，如整型、实型、字符型等。而数 据的值给出了符合给定型的值，如整型（INT）值15。 例如：在学生档案中，学生的姓名、性别、年龄、出生年 月、籍贯、所在系别、入学时间；可以描述为：（李明， 男，21，1986，江苏，计算机系，2007）
学校
领导维护
教学
管理
设备
学生
（a）教学关系E-R图 图13-3 网状模型示例图
（b）工作与设备
3．关系模型 关系模型是目前应用最多、也最为重要的一种数据模 型。关系模型采用二维表来表示实体和实体之间的联 系，简称表，由表框架及表的元组组成。二维表由行 和列组成，一个二维表就是一个关系。 二维表中的一列为一个属性，二维表的表框架由n个 命名的属性组成，n称为属性元数。每个属性有一个 取值范围称为值域。表框架对应了关系的模式，即类 型的概念。在表框架中按行可以存放数据，每行数据 称为元组，实际上，一个元组是由n个元组分量所组 成，每个元组分量是表框架中每个属性的投影值。
系
研究室
课程
员工
项目
图13-2 层次模型示例
2．网状模型 网状模型可以看作是层次模型的一种扩展。它采用网状 结构表示实体及实体之间的联系。网状结构的每一个节 点代表一个记录类型，记录类型可包含若干字段，联系 用链接指针表示，去掉了层次模型的限制。网状模型与 层次模型相比，提供了更大的灵活性，能更直接地描述 现实世界，性能和效率也比较好。网状模型的缺点是结 构复杂，用户不易掌握，记录类型联系变动后涉及链接 指针的调整，扩充和维护都比较复杂。网状模型示例见 图13-3。
■ 13.1.3数据库系统内部结构
1．数据库系统的三级模式 （1）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。一个数据库只有一个逻辑模 式。 （2）外模式：也称为子模式或用户模式，它是数据库用户能 够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。 （3）内模式：又称物理模式或存储模式，是数据物理结构和 存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。一个数据 库只有一个内模式。内模式的物理性主要体现在操作系统及文 件级上，它还未深入到设备级上（如磁盘及磁盘操作）。