第1章 认识数据库

3. 软件系统
数据库管理系统（DBMS）
数据库管理系统（DBMS）是数据库系统的核心，是介于操作系 统和用户应用程序之间的一层数据管理软件，是一个帮助用户创建和 管理数据库的程序集合。 数据定义 数据的组织、存储和管理 数据操纵 数据库运行管理 数据库的建立和维护 数据通信与转换
1.2.2 数据库系统的三级模式结构
用户A1 应用程序1 用户工作区 用户A2 应用程序2 用户工作区 用户B1 应用程序3 用户工作区 用户B2 应用程序4 用户工作区 用户B3 应用程序5 用户工作区
外模式A 由 数 据 库 管 理 员 建 立 和 维 护
外模式B
外模式A/ 模式间的映像
外模式B/ 模式间的映像

数据的安全性（Security）保护 数据的完整性（Integrity）检查 并发（Concurrency）控制 数据库恢复（Recovery）
1.2 数据库系统组成及其结构
数据库系统（ Database System， DBS ）是指在计 算机系统中引入数据库后构成的系统。 一个数据库系统应当是可运行的，按照数据库方 式存储、管理和向用户提供数据或信息支持的系 统。
模式
DBMS
模式/ 内模式间来自百度文库映像 操作 系统 内模式
物理数据库
图1-6 数据库系统三级模式结构
1. 模式和实例
模式（ Schema ）和实例（ Instance ）的关系其实 就是“型”（Type）和“值”（Value）的关系。

型是指对某一类数据的结构和属性的说明。 值是型的一个具体赋值。
DLPU
第1章 认识数据库
1.数据管理技术的发展 2.数据库系统组成及其结构 3.数据模型
1.1 数据管理技术的发展
数据处理

数据处理是对各种数据进行收集、储存、加工和传播等 一系列活动的总和，其基本目的是从大量的、杂乱无章 的、难以理解的数据中获取人们关心的信息，作为决策 的依据。
数据管理
人事管理应用程序 教师信息数据组
特点



数据不保存 应用程序管理数据 数据不共享 数据不具有独立性
学生管理应用程序
学生信息数据组
教务管理应用程序
选课信息数据组
图1-1 人工管理阶段应用程序与数据之间的关系
1.1.2 文件系统阶段
背景

时间：20世纪50年代后期至60年代中期 计算机被大量地用于数据管理 出现了磁盘、磁鼓等直接存取存储设备 出现了操作系统，而且有专门的数据管理软件，即文件系统 在处理方式上除了批处理之外，还出现了联机实时处理 数据可以长期保存 人事管理应用程序 教师数据文件 由文件系统管理数据 数据共享性差、冗余度高 学生管理应用程序 学生数据文件 数据独立性差 文件 系统 编写应用程序生产率不高 教务管理应用程序 选课数据文件 文件之间数据孤立 不支持并发（Concurrent）访问 图1-2 应用程序与数据之间的关系
模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描 述，它仅仅涉及到“型”的描述，不涉及到具体 的值。模式的一个具体的值称为模式的一个实例。 同一个模式可以有多个实例。 一般来说，模式是相对稳定的，而实例是相对变 化的。对于数据库而言，模式反映的是数据的结 构及其联系，而实例反映的是数据库某一时刻的 状态。
操作系统（OS）

DBMS是建立在操作系统之上的，必须借助于操作系统才能实现数 据库的访问。
应用开发工具
3. 软件系统
应用系统
应用系统是指为特定应用环境开发的数据库应用系统， 其目的是为方便用户使用数据库提供接口和数据表示。通 常用户访问数据库的过程可以用以下的一个简化过程来描 述。 ① 用户通过开发好的应用系统提供的接口提出数据访问要 求； ② 应用系统将用户的请求经过分析、处理后，形成DBMS 所支持的数据定义或操作请求，并将其传递给与应用系 统建立连接的DBMS； ③ DBMS 执行相应的数据访问操作，并把结果返回给应用 系统； ④ 应用系统对 DBMS 返回的结果和信息进行数据表示，将 其以直观的方式呈现给用户。


偶然用户 简单用户 复杂用户
系统分析员和应用程序员
系统分析员和应用程序员都属于应用系统开发人 员（软件工程师），只不过他们的职责与分工不 同。 系统分析员

系统分析员要确定最终用户的需求，负责应用系统的需 求分析和规范说明，与DBA和用户相结合，确定系统的 软硬件配置，并参与数据库系统的概要设计。 应用程序员负责利用应用开发工具编写数据库应用程序， 为最终用户提供数据访问接口，以便实现最终用户对数 据库进行存取操作。
3. 二级映像
为提高数据独立性， DBMS 在三级模式之间提供 了两级映像：外模式/模式间的映像和模式/内模式 间的映像。 外模式/模式间的映像


外模式 / 模式间的映像定义了一个外模式与模式之间的 对应关系，这些对应关系通常包含在各自外模式的描述 中。 保证了数据的逻辑独立性。 模式 / 内模式间的映像定义了数据库模式（全体数据的 逻辑结构）与内模式（数据的存储结构）之间的对应关 系，这些关系通常包含在模式的描述中。 保证了数据的物理独立性。
模式/内模式间的映像


1.2.3 应用程序的体系结构
一般来说，用户是通过数据库应用程序提供的 接口来使用数据库的，因此有必要了解一下应用程 序的体系结构。 随着计算机和数据库技术的发展，数据库应用 程序的结构也在发展，出现了集中式结构、分布式 结构、客户/服务器结构（Client/Server，C/S）和并 行结构等。 下面将介绍当前比较典型的客户/服务器 （ Client/Server ， C/S ） 和 浏 览 器 / 服 务 器 （Browser/Server，B/S）结构。
人事管理应用程序 数据库 数据库管理系统 （DBMS） 教师记录 选课记录 学生记录 课程记录 教务管理应用程序
学生管理应用程序
图1-3 数据库系统阶段应用程序与数据之间的关系
数据库系统的特点
数据共享性高、冗余度低，易扩充 。 数据独立性高

物理独立性 逻辑独立性
数据由 DBMS 统一管理和控制，提供更好的安全 和保护
图1-5 数据库系统层次结构
1. 数据库
数据库是长期存储在计算机内的、有组织的、 可共享的综合性数据集合。数据库中的数据按照一 定的模型组织、描述和存储，具有较小的数据冗余 度、较高的数据独立性和易扩展性，并为各种用户 所共享。 长期存储、有组织和可共享是数据库的三个基 本特征。
2. 硬件系统
硬件系统是指存储和运行数据库系统的硬件设 备，包括 CPU 、内存、大容量的辅助存储器及备份 设备等。 计算机要有足够大的内存、外存和较高的通道 能力，这些是数据库系统对硬件平台提出的基本要 求。
特点


数据库系统的特点
数据一体化、结构化


数据结构化是数据库系统与文件系统最根本的区别。 数据是按照某种数据模型组织起来的，不仅文件内部数 据彼此相关，文件之间在结构上也有机地联系在一起。 描述数据时不仅描述数据本身，更重要的还要描述数据 之间的联系。 数据库的结构是面向全组织的复杂结构。

数据管理是指对数据进行分类、组织、编码、存储、检 索和维护等操作，它是数据处理的中心问题。 人工管理 文件系统 数据库系统
数据管理技术经历的三个阶段

1.1.1 人工管理阶段
背景



时间：20世纪50年代中期以前是人工管理阶段。 计算机主要用于科学计算，数据量较少，通常不需要保 存。 硬件方面，外存只有纸带、卡片、磁带，没有直接存取 的存储设备。 软件方面，没有操作系统和管理软件。 数据处理方式是批处理。
1. 客户/服务器（Client/Server，C/S）结构 从较高的层次来看，数据库系统通常包含两个非 常简单的部分：服务器（也称后端）和一组客户 机（也称前端）。 客户机和服务器将应用的处理要求分开，同时又 共同实现其处理要求。 后端服务器通常运行某个 DBMS ，通常称为数据 库服务器，为客户机上的应用程序提供数据服务。 客户端程序和服务器系统构成了客户/服务器（C/S） 结构的基本框架。
应用程序员

1.2.2 数据库系统的三级模式结构
数据库系统的结构是数据库系统的一个总框架。这个框架 结构用于描述一般的数据库概念，并可以解释特定的数据 库结构。可以从不同的角度来考察数据库系统的结构，从 应用程序（用户）的角度，数据库系统可以分为集中式、 客户/服务器（C/S）等结构；而从数据库管理系统的角度， 数据库领域公认的标准结构是三层模式结构。 美 国 国 家 标 准 协 会 （ American National Standards Institute，ANSI）的数据库管理系统小组于 1978年提出了 标准化建议，将数据库结构分为三级： 面向用户或应用程序员的用户级--对应外模式 面向建立和维护数据库人员的概念级--对应模式 面向系统程序员的物理级--对应内模式
1.2.1 数据库系统的组成
数据库系统主要包括四个部分：数据库、硬件系 统、软件系统和人员。
用户1 用户2 ... 用户n
应用系统 应用开发工具 数据库管理系统 （DBMS） 操作系统 （OS） 编 数据库管理员 统 开 发 用 工 DBMS 应 具 OS 硬件 统 译 系 用 系
应
数据库
图1-4 数据库系统
这些人员在数据库系统中扮演着不同的角色。
数据库管理员
数据库的建立、维护和管理等必须由专门的人员来完成，这 些人员称为数据库管理员（DBA）。DBA负责全面地管理和 控制数据库系统，其主要职责包括： 决定数据库中的信息内容和结构 决定数据库的存储结构和存取策略 定义数据库的安全性要求和完整性约束条件 监督和控制数据库的运行 数据库的改进和重组重构 DBA的职责重大、工作繁重，通常情况下，DBA可能不止一 个人，而是一组人员甚至是一个专门的部门。
特点

1.1.3 数据库系统阶段
背景


时间：20世纪60年代后期 计算机用于数据管理的规模更加庞大，应用范围越来越广泛，数 据量急剧增加，对数据的共享要求也越来越强烈。 计算机具有了大容量的存储设备和高速的信息处理能力 硬件价格不断下降，软件价格不断上升 在处理方式上，联机实时处理要求更多，并开始提出和考虑分布 处理。 数据库技术的核心是引入了一个系统软件 — 数据库管理系统 （Database Management System，DBMS），来对数据进行统一管 理。 与人工管理和文件系统相比，数据库系统的特点主要体现在以下 几方面。
4. 人员
开发、管理和使用数据库系统的人员主要包括：
数据库管理员（Database Administrator，DBA） 数据库设计人员（Database Designer） 最终用户（End User） 系统分析员（System Analyst，SA） 应用程序员（Application Programmer）
2. 三级模式
数据库系统的三级模式包括：外模式、模式和内模式。 模式（Schema） 模式也称逻辑模式或概念模式，是数据库中全体数据的 逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共视图。 外模式（External Schema） 外模式位于三级模式的最外层，又称子模式（Subschema） 或用户模式，是数据库用户（包括应用程序员和最终用 户）能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描 述，是单个用户的视图。 内模式（Internal Schema） 内模式又称存储模式或物理模式，是三级模式结构的最 内层，它描述数据的物理结构和存储方式，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，是 对整个数据库的底层表示。
数据库设计人员
数据库设计人员负责数据库中数据的确定，选择 适当的结构来表示和存储数据。 数据库设计人员有责任与所有以后可能使用数据 库的用户沟通，理解他们的需求，并针对这些需 求设计合理的数据库的逻辑结构和物理结构。 通常数据库设计人员可由DBA担任。
最终用户
最终用户指的是通过应用系统提供的接口使用数 据库的人员，他们通常为了查询、更新以及产生 报表等需要访问数据库。最终用户通常可分为三 类：