第一章 数据库概论绪论

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数据库系统的特点

数据独立性高

数据的物理独立性

数据库中的数据在磁盘上如何存储由DBMS管理，对用 户程序透明(transparent) 用户应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立，数据 逻辑结构改变，用户程序也可以不变

数据的逻辑独立性


数据与程序的独立，可把数据的定义从程序中分 离出去，简化了程序编制，减少了程序的维护工 作量
用户
现实世界
应用是面向现实世界；数据库系 统是面向计算机的；两个世界存 在着很大差异，因此引入一个信 息世界作为现实世界通向计算机 实现的桥梁
概念化
信息世界
形式化
计算机
计算机世界
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数据模型定义
应用
数据模型
它是对现实世 界数据特征的 抽象；是数据 库系统中用于 提供信息表示 和操作手段的 形式构架
如E-R模型
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概念数据模型——E/R
姓名 学号 系别 课程名 先修课 主讲老师
学生
实体 联系
选修
成绩
课程
属性
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概念数据模型——E/R

概念数据模型中几个重要概念


实体(Entity)
属性(Attribute) 码(Key) 域(Domain) 实体型(Entity Type)
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人工管理阶段

背景

计算机主要用于科学计算

数据量小、结构简单，如高阶方程、曲线拟和等 磁带、卡片、纸带，没有磁盘等直接存取设备

外存为顺序存取设备


没有操作系统，没有数据管理软件

数据处理方式是批处理 用户用机器指令编码，通过纸带机输入程序和数据， 程序运行完毕后，由用户取走纸带和运算结果，再让 下一用户上机操作
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数据完整性难于维护

数据库系统阶段

背景

计算机管理的数据量大，关系复杂，共享性要求 强（多种应用、不同语言共享数据）

外存有了大容量磁盘，光盘
软件价格上升，硬件价格下降，编制和维护软件 及应用程序成本相对增加，其中维护的成本更高， 力求降低 多用户、多应用共享数据的需要
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数据库系统阶段

数据库中数据面向全组织的应用而不仅是某一个应用 不仅数据内部是结构化的，而且整体是结构化的 数据不是孤立存在的，之间具有联系
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数据库系统的特点

数据的共享性高、冗余度低、易扩充



数据面向整个系统，数据集中管理，为多用户多 应用程序提供数据，共享性高 数据共享，没有数据拷贝，大大减少了数据冗余， 且可避免数据之间的不相容性和不一致性 每个应用选用数据库的一个子集，只要重新选取 不同子集或者加上一小部分数据，就可以满足新 的应用要求，这就是易扩充性

如78代表什么？
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数据库

定义：数据库是长期储存在计算机内、有组 织的、可共享的大量数据的集合
学生登记表
学 号 05004 04006 04008 姓 名 王小明 黄大鹏 张文斌 年 龄 19 20 18 性 别 女 男 女 系 名 计算机 电子系 法律学 年 级 2005 2004 2004 …
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数据库管理系统

数 据 库 管 理 系 统 （ Database Management System）是位于用户与操作系统之间的一层 数据管理软件

数据定义功能

提供数据定义语言（DDL）
提供数据操纵语言（DML）

数据操纵功能



数据组织、存储、管理 数据库的事务管理的运行管理 数据库的建立和维护功能

硬件要素


人员要素

数据库管理员（DataBase Administrator）
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数据管理的发展阶段

人工管理阶段（50年代中期以前） 文件系统阶段（50年代后期---60年代中期） 数据库系统阶段（60年代后期开始） 数据库系统 VS 文件系统 软件发展趋势 数据库系统的特点

数据库观点

数据不是依赖于应用程序的附属品，而是现实世 界中独立存在的对象
程序2
程序1
程序n
统一存取
数据1 数据2
数据n
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数据库系统阶段
人事科 劳资科
补贴 学号 姓名 系别
年龄
学位
住址
性别 出身
学分
学籍科
房产科
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数据库系统的特点

数据结构化

数据库实现整体数据结构化，这是与文件系统的 本质区别
数字图书馆 交互视频 人类基因组
电子商务 Web
…...
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数据库在信息系统中的地位

市场前景

四大支柱

信息系统、网络应用、软件工程(计算机语言)、数据库 系统 网络、数据库 All data in database All work over SQL

两大热门


无所不在的数据管理

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提纲
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数据库系统

数据库系统（Database System）是指在计算 机系统中引入数据库后的系统构成

构成要素如下：

软件要素

数据库（Database） 数据库管理系统（Database Management System） 相关开发工具及应用系统（Tools and Applications） 计算机的硬件部分
文件存储空间的管理 目录管理 文件读写管理 文件保护 向用户提供操作接口
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文件系统阶段
程序1
数据1
程序2
存取方式
数据2
程序n
数据n
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文件系统阶段

特点

系统提供一定的数据管理功能



存取方法（索引文件、链接文件、直接存取文件、倒 排文件等） 支持对文件的基本操作（增、删、改、查等），用户 程序不必考虑物理细节 数据的存取基本上以记录为单位 一个数据文件对应一个或几个用户程序 文件的逻辑结构与存储结构由系统进行转换，数据在 存储上的改变不一定反映在程序上



数据库系统几个重要概念 数据管理的发展阶段 数据模型 数据库模式 数据库系统的构成 数据库新方向
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数据库系统中的几个重要概念


数据（data） 数据库（database） 数据库管理系统（DBMS） 数据库系统（DBS）
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数据

定义：数据是数据库中存储的基本对象，是 描述事物的符号记录
优点：廉价地存放大容量数据

磁带的特点


缺点：顺序访问；1%所需，100%访问
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文件系统阶段

背景


计算机不但用于科学计算，还用于管理 外存有了磁盘、磁鼓等直接存取设备

直接存取设备（DASD）


无须顺序存取 由地址直接访问所需记录

有了专门管理数据的软件，一般称为文件系统



在数据库系统中一般按数据结构的类型来命名数 据模型
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数据模型的三要素

数据操作

描述系统的动态特性，即对数据库中对象的实例 允许执行的操作的集合，包括操作及操作规则

一般有检索、更新（插入、删除、修改）操作 数据模型要定义操作含义、操作符号、操作规则， 以及实现操作的语言 数据的约束条件是完整性规则的集合，规定数据 库状态及状态变化所应满足的条件，以保证数据 的正确、有效、相容
7/11/2013 1:25:41 PM
背景知识

信息与数据 信息与知识 数据库在信息系统中的地位
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信息与数据

信息与数据的联系

数据是信息的符号表示，或称载体 信息是数据的内涵，是数据的语义解释
数据是符号化的信息
信息是语义化的数据 数据——黑白点阵 信息——笑脸脸谱
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感知信息
现实世界
概念数据模型
信息世界
逻辑数据模型
计算机世 界
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数据模型的三要素

数据结构

描述系统的静态特性，即组成数据库的对象类型 描述数据库组成对象本身

类型、内容、性质。如网状模型中的数据项、记录， 关系模型中的域、属性，关系等 例如网状模型中的系型，关系模型中的外码

描述数据库组成对象之间的联系
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并发控制（Concurrency）


恢复控制(Recovery)

数据库系统 vs 文件系统
应 用 软 件
应用逻辑
应用逻辑 数据管理
系 统 软 件
数据管理 文件系统 文件系统
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数据模型



数据抽象 数据模型定义 概念数据模型 数据模型的三要素 逻辑数据模型示例
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数据抽象
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数据库系统的特点

统一的数据控制功能，数据共享程度高

安全性控制（Security）

保护数据以防止不合法的使用所造成的数据泄露和破坏 措施：用户标识与鉴定，存取控制

完整性控制（Integrity）


数据的正确性、有效性、相容性 措施：完整性约束条件定义和检查
对多用户的并发操作加以控制、协调，防止其互相干扰而得到错 误的结果并使数据库完整性遭到破坏 措施：封锁 将数据库从故障中恢复到某个一致状态 措施：冗余
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数据的约束条件

数据模型定义—概念数据模型

概念数据模型

按用户的观点来对数据和信息建模 用于组织信息世界的概念，表现从现实世界中抽 象出来的事物以及它们之间的联系 这类模型强调其语义表达能力，概念简单、清晰， 易于用户理解


它是现实世界到信息世界的抽象，是用户与数据 库设计人员之间进行交流的语言
…
…
…
…
…
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数据库

数据库所处位置示意图
应用系统
应用开发工具 DBMS 操作系统 硬件
13
数据库

数据库的特征

按一定的数据模型组织、描述、储存 冗余度（redundancy）小
数据独立性（data independency）高
易扩展（expansibility） 共享性（share ability）高


数据种类繁多：文本(text)、图形(graph)、图像 (image)、音频(audio)、视频(video)等 数据是由其语义来解释描述。

学生档案中的学生记录 (张三,男,1987年,河南,电子
系,2008)

记录代表的语义：学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在 系别、出生年月 记录的解释：张三是个大学生，1987年出生于河南，于2008 年考入电子系
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数据仍是面向应用的


数据与程序有一定的独立性

文件系统阶段－缺点

数据与程序的独立性差

数据的逻辑结构改变则必须修改应用程序

例：应用程序改用了不同的高级语言编写，将引起文件 数据结构的改变

文件系统只是解脱了程序员对物理设备存取的负担， 它并不理解数据的语义，只负责存储

数据的语义信息只能由程序来解释，也就是说，数据收 集以后怎么组织，以及数据取出来之后按什么含义应用， 只有全权管理它的程序知道
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文件系统阶段－缺点

数据的共享性差，冗余度大

数据面向应用

即使不同应用程序所需要的数据有部分相同时，也必须建立各自 的文件，而不能共享相同的数据 数据分散管理，许多文件，许多数据格式

数据孤立


数据的不一致性

由于数据存在很多副本，给数据的修改与维护带来了困难， 容易造成数据的不一致性 文件之间是孤立的，不能反映现实世界事物之间的联系
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人工管理阶段
程序1 访问 数据1
程序2
访问
数据2
程序n
访问
数据n
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人工管理阶段

特点

用户完全负责数据管理工作

数据的组织、存储结构、存取方法、输入输出等 每个用户使用自己的数据，数据不保存，用完就撤走

数据完全面向特定的应用程序


数据与程序没有独立性

程序中存取数据的子程序随着存储结构的改变而改变
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知识管理

数据库在信息系统中的地位
作业层 信息收集系统
原始信息
形 式 化 归 纳
信 息 系 统
管理层
数据库管理系统
数据
决策层

决策支持系统
决策信息
数据管理

ห้องสมุดไป่ตู้
对数据的分类、组织、编码、存储、检索和维护
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数据库在信息系统中的地位

新趋向

应用由计算转向信息处理 数据量激增，并呈多样性

实体集是同一类型实体 联系是信息世界中反映 实体型是指用实体名及 码是唯一标识实体的属 属性是实体所具有的某 属性的域指该属性的取 实体是客观存在并可相 的集合；比如全体学生 实体型内部和实体型之 其属性名集合来抽象和 性；比如学号就是学生 一特性；实体可以由若 值范围；比如学生的年 互区别的事物；实体可 就是一个实体集 刻画同类实体； 实体的码 干个属性来刻画。例： 间的联系，用来刻画现 龄的域为整数，性别的 以是具体的事物，也可 例如：老师(姓名,编号, (2003,李四,男,电子系) 域为(男,女) 是抽象的概念联系。 实世界中事物内部及事 物之间存在的联系 性别,出生年月,毕业学 属性组合来表征一个学 校,所代课程) 生

例，一幅黑白图象

信息与知识

知识

“可以辅助我们作出决策或采取行动的有很高价 值的一种信息形态”

对我们有用的信息才是知识 知识 = 信息 ？ 可以很快地将信息从一个地方转移到另一个地方， 但将知识从一个人转移给另一个人经常是很困难 和很慢的 学习知识
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信息与知识

信息管理

侧重于对现有信息的收集、管理 仅重视对信息本身和信息技术的管理 知识管理侧重于新知识的生产、创造 知识管理是一个过程，个人通过这一过程学习新 知识和获得新经验，并将这些新知识和新经验反 映出来，进行共享，以用来促进培养、增强个人 的知识和机构组织的价值