數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

1、數(shù)據(jù)庫原理,倪巍偉wni@seu.edu.cn,,數(shù)據(jù)庫管理已經(jīng)成為現(xiàn)代計(jì)算平臺(tái)的核心成分之一。本課程從平臺(tái)對(duì)應(yīng)用的支持出發(fā)，討論DB系統(tǒng)的基本概念、方法、原理和技術(shù)，以提高設(shè)計(jì)、開發(fā)和系統(tǒng)分析能力。,(1) 數(shù)據(jù)庫技術(shù)是應(yīng)數(shù)據(jù)管理的任務(wù)的需要而產(chǎn)生的。 數(shù)據(jù)管理是指如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、組織、編碼、 存儲(chǔ)、檢索和維護(hù)，它是數(shù)據(jù)處理的中心問題。 (2) 數(shù)據(jù)管理經(jīng)歷了三個(gè)階段.人工管理 .文件系統(tǒng)

2、.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),第1章 引論,1.1 數(shù)據(jù)管理的發(fā)展,,數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用（data intensive application）,數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的特點(diǎn) 1.設(shè)及數(shù)據(jù)量大（TB），一般內(nèi)存容納不下，需放在輔存； 2.數(shù)據(jù)為持久數(shù)據(jù)（persistent data）； 3.數(shù)據(jù)為多個(gè)應(yīng)用程序所共享,MIS、銀行、辦公系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)等。,數(shù)據(jù)管理,文件系統(tǒng)的缺點(diǎn) 1.編寫應(yīng)用程序不方便; 2.數(shù)據(jù)冗余;

3、 3.文件結(jié)構(gòu)的每一修改 將導(dǎo)致應(yīng)用程序的修改， 應(yīng)用程序維護(hù)工作量大; 4.文件系統(tǒng)不支持對(duì)文件的并發(fā)訪問； 5.數(shù)據(jù)的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化較難達(dá)到。,新書入庫,讀者增刪,圖書出納,催還通知,書目文件,讀者文件,出借文件,,,,,,,,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化是數(shù)據(jù)庫與文件系統(tǒng)的根本區(qū)別。在描述數(shù)據(jù)時(shí)不僅要描述數(shù)據(jù)本身，還要描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。,數(shù)據(jù)與單位（enterprise）對(duì)應(yīng)，看成一

4、個(gè)單位的共享資源，由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件（DataBase Management System，簡(jiǎn)稱DBMS）統(tǒng)一管理。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以統(tǒng)一管理和共享數(shù)據(jù)為主要特征,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（database system）,DBMS的發(fā)展,1964年，IDS（Integrated Data Store）網(wǎng)狀，通用電氣，Bachman（圖靈獎(jiǎng)，1973）60年代末，IMS（Information Management System）層次，IB

5、M1970 Codd提出了關(guān)系模型（relational data model）（圖靈獎(jiǎng)，1981）1977 IBM System R和Berkeley分校Ingres運(yùn)行，關(guān)系模型80年代，商品化關(guān)系DBMS成為主流，DB2,Oracle,Sybase,Informix,MS SQL Server,Access等,,數(shù)據(jù)管理將繼續(xù)發(fā)展，應(yīng)用是動(dòng)力，新的軟硬件技術(shù)是基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫是主要形式。,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

6、(及其開發(fā)工具)、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶構(gòu)成。下面分別介紹這幾個(gè)部分的內(nèi)容。,1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),DBMS的主要功能,提供高級(jí)的用戶接口查詢處理和優(yōu)化數(shù)據(jù)目錄管理并發(fā)控制恢復(fù)功能完整性約束檢查訪問控制,由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)量都很大，加之DBMS豐富的功能使得自身的規(guī)模也很大，因此，整個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對(duì)硬件資源提出了較高的要求，這些要求是：,1．硬件平臺(tái)及數(shù)據(jù)庫,(1)要有足夠大的內(nèi)存，存放操作系統(tǒng)、DBMS的核心

7、模塊、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和應(yīng)用程序。,(2)有足夠大的磁盤等直接存取設(shè)備存放數(shù)據(jù)庫和備份數(shù)據(jù)。,(3)要求系統(tǒng)有較高的通道能力，以提高數(shù)據(jù)傳送率。,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的軟件主要包括： (1)DBMS。DBMS是為數(shù)據(jù)庫的建立、使用和 維護(hù)配置的軟件。,2、軟件,(2)支持DBMS運(yùn)行的操作系統(tǒng)。,(3)具有數(shù)據(jù)庫接口的高級(jí)語言及其編譯系統(tǒng)，便于開發(fā)應(yīng)用程序。,,,(4)以DBMS為核心的應(yīng)用開發(fā)工具。 應(yīng)用開發(fā)工具是系統(tǒng)為應(yīng)用

8、開發(fā)人員和最終用戶提供的高效率、多功能的應(yīng)用生成器、第四代語言等各種軟件工具。它們?yōu)閿?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供了良好的環(huán)境。,(5)為特定應(yīng)用環(huán)境開發(fā)的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)。,開發(fā)、管理和使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的人員主要是：數(shù)據(jù)庫管理員、系統(tǒng)分析員和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員、應(yīng)用程序員和最終用戶。不同的人員涉及不同的數(shù)據(jù)抽象級(jí)別，具有不同的數(shù)據(jù)視圖，有各自的職責(zé)。,3．人員,(1)數(shù)據(jù)庫管理員(DataBase Administrator，DBA

9、) 具體職責(zé)包括：,1)決定數(shù)據(jù)庫中的信息內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 2)決定數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和存取策略 3)定義數(shù)據(jù)的安全性要求和完整性約束條件 4)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫的使用和運(yùn)行,另外，在數(shù)據(jù)運(yùn)行過程中，大量數(shù)據(jù)不斷插入、刪除、修改，時(shí)間一長(zhǎng)，會(huì)影響系統(tǒng)的性能。因此，DBA要定期對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行重組織，以提高系統(tǒng)的性能。,,當(dāng)用戶的需求增加或者改變時(shí)，DBA還要對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行較大的改造，包括修改部分設(shè)計(jì)，即數(shù)據(jù)庫的重構(gòu)造。,(2)系統(tǒng)

10、分析員和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員 系統(tǒng)分析員負(fù)責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)的需求分析和規(guī)范說明，要和用戶及DBA相結(jié)合，確定系統(tǒng)的軟硬件配置，并參與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)。,數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的確定、數(shù)據(jù)庫各級(jí)模式的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員必須參加用戶需求調(diào)查和系統(tǒng)分析，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。在很多情況下，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員就由數(shù)據(jù)庫管理員擔(dān)任。,,(3)應(yīng)用程序員 應(yīng)用程序員負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和編寫應(yīng)用系統(tǒng)的程序模塊，并進(jìn)行調(diào)試和安裝。(4)用戶

11、 這里用戶是指最終用戶(EndUser)。最終用戶通過應(yīng)用系統(tǒng)的用戶接口使用數(shù)據(jù)庫。常用的接口方式有瀏覽器、菜單驅(qū)動(dòng)、表格操作、圖形顯示、報(bào)表書寫等。,模型，特別是具體的實(shí)物模型，人們并不陌生。例如，一張地圖，一組建筑設(shè)計(jì)沙盤，一架精致的航模飛機(jī)，都是具體的模型。一眼望去，就會(huì)使人聯(lián)想到真實(shí)生活中的事物。模型是現(xiàn)實(shí)世界特征的模擬和抽象。數(shù)據(jù)模型(DataModel)也是一種模型，它是現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)特征的抽象。,1.3 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)模型和數(shù)

12、據(jù)模式,數(shù)據(jù)是信息存在的一種形式，只有通過解釋或處理才能成為有用的信息。,對(duì)事物描述的符號(hào)記錄稱為數(shù)據(jù)。,數(shù)據(jù)庫是某個(gè)企業(yè)、組織或部門所涉及的數(shù)據(jù)的綜合，它不僅要反映數(shù)據(jù)本身的內(nèi)容，而且要反映數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。由于計(jì)算機(jī)不可能直接處理現(xiàn)實(shí)世界中的具體事物，所以人們必須事先把具體事物轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫中用數(shù)據(jù)模型這個(gè)工具來抽象、表示和處理現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)和信息。通俗地講數(shù)據(jù)模型就是現(xiàn)實(shí)世界的模擬。,現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)均是基

13、于某種數(shù)據(jù)模型的。因此，了解數(shù)據(jù)模型的基本概念是學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)。 數(shù)據(jù)模型應(yīng)滿足三方面要求：一是能比較真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)世界；二是容易為人所理解；三是便于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。 一種數(shù)據(jù)模型要很好地滿足這三方面的要求在目前還很困難。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中針對(duì)不同的使用對(duì)象和應(yīng)用目的，采用不同的數(shù)據(jù)模型。,,不同的數(shù)據(jù)模型實(shí)際上是提供給我們模型化數(shù)據(jù)和信息的不同工具。,數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。各種機(jī)器上實(shí)現(xiàn)的DBMS軟件

14、都是基于某種數(shù)據(jù)模型的。,為了把現(xiàn)實(shí)世界中的具體事物抽象、組織為某一DBMS支持的數(shù)據(jù)模型，人們常常首先將現(xiàn)實(shí)世界抽象為信息世界，然后將信息世界轉(zhuǎn)換為機(jī)器世界。,,也就是說，首先把現(xiàn)實(shí)世界中的客觀對(duì)象抽象為某一種信息結(jié)構(gòu)，這種信息結(jié)構(gòu)并不依賴于具體的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不是某一個(gè)DBMS支持的數(shù)據(jù)模型，而是概念級(jí)的模型；然后再把概念模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)上某一DBMS支持的數(shù)據(jù)模型。,數(shù)據(jù)模型的組成要素,一般地講，數(shù)據(jù)模型是嚴(yán)格定義的一

15、組概念的集合。這些概念精確地描述了系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和完整性約束條件。因此數(shù)據(jù)模型通常由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和完整性約束三部分組成。,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是所研究的對(duì)象類型的集合。這些對(duì)象是數(shù)據(jù)庫的組成成分，它們包括兩類:,1．?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu),一類是與數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容、性質(zhì)有關(guān)的對(duì)象，例如網(wǎng)狀模型中的數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄，關(guān)系模型中的域、屬性、關(guān)系等；,一類是與數(shù)據(jù)之間聯(lián)系有關(guān)的對(duì)象，例如網(wǎng)狀模型中的系型(Set type)。,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是刻畫一個(gè)數(shù)據(jù)模

16、型性質(zhì)最重要的方面，是對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述。因此，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，通常按照其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來命名數(shù)據(jù)模型。例如層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和關(guān)系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型分別命名為層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。,數(shù)據(jù)操作是指對(duì)數(shù)據(jù)庫中各種對(duì)象(型)的實(shí)例(值)允許執(zhí)行的操作的集合，包括操作及有關(guān)的操作規(guī)則。 數(shù)據(jù)庫主要有檢索和更新(包括插入、刪除、修改)兩大類操作。數(shù)據(jù)模型必須定義這些操作的確切含義、操作符號(hào)、操作規(guī)則(如優(yōu)先級(jí))以及實(shí)現(xiàn)操作的語言。

17、 數(shù)據(jù)操作是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的描述。,2. 數(shù)據(jù)操作,數(shù)據(jù)的約束條件是一組完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則是給定的數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約和依存規(guī)則，用以限定符合數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效、相容。,3．?dāng)?shù)據(jù)的約束條件,數(shù)據(jù)模型是用來描述現(xiàn)實(shí)世界的，因此，越自然越好（易于理解）。,在數(shù)據(jù)庫中，針對(duì)不同的使用對(duì)象和應(yīng)用目的，采用多級(jí)數(shù)據(jù)模型，一般可分為三級(jí)：,1.  概念數(shù)據(jù)模型（

18、與DBMS無關(guān)） 主要用來描述一個(gè)單位的概念化結(jié)構(gòu)，面向用戶、面向現(xiàn)實(shí)世界，是一種語義模型，常用E-R圖表示，接近人的思維，容易理解。,2．邏輯數(shù)據(jù)模型（與DBMS有關(guān)） 用概念數(shù)據(jù)模型表示的數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)化為邏輯數(shù)據(jù)模型表示的數(shù)據(jù)，才能在DBMS中實(shí)現(xiàn)，因此，邏輯模型既要面向用戶，也要面向?qū)崿F(xiàn)。,3.物理數(shù)據(jù)模型（與DBMS、OS硬件有關(guān)） 它反映數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，如物理塊、指針、索引等。物理數(shù)據(jù)模型不但與DBMS

19、有關(guān)，還與OS和硬件有關(guān)。,什么叫數(shù)據(jù)模式？ 以一定的數(shù)據(jù)模型對(duì)一個(gè)單位的類型、結(jié)構(gòu)及其相互間的關(guān)系所進(jìn)行的描述。,型:,一個(gè)值:,? 數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)模式區(qū)別：數(shù)據(jù)模型是描述現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)的手段、工具。數(shù)據(jù)模式是利用這個(gè)手段和工具對(duì)具體對(duì)象相互間的關(guān)系所進(jìn)行的描述。是關(guān)于型的描述。它與DBMS和OS硬件無關(guān)。,例：C語言和用C語言編寫的程序的區(qū)別。,? 數(shù)據(jù)模式通常分為三級(jí)：1．概念模式 是用邏輯數(shù)據(jù)模型對(duì)一個(gè)單

20、位的數(shù)據(jù)的描述。是一個(gè)單位的全局模式，是整個(gè)數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)。,2．外模式 是用邏輯數(shù)據(jù)模型，對(duì)用戶所用到的那部分?jǐn)?shù)據(jù)的描述。它是概念模式的一部分或由前者推導(dǎo)而來的。（這是每一個(gè)用戶看到的模式。每一個(gè)用戶的外模式不一定相同，外模式是一種局部模式）,3．內(nèi)模式 是用物理數(shù)據(jù)模型對(duì)數(shù)據(jù)的描述。表示數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，即物理結(jié)構(gòu)。,概念模式、外模式和內(nèi)模式都存于數(shù)據(jù)目錄中,是數(shù)據(jù)目錄的最基本內(nèi)容。DBMS通過數(shù)據(jù)目錄,管

21、理和訪問數(shù)據(jù)模式。,1.4 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用,數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用就是選擇合適的DBMS，設(shè)計(jì)、建立維護(hù)和管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為用戶服務(wù)。,1.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的規(guī)劃,2.數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì),數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì),信息需求,處理需求,DBMS特性,硬件、操作系統(tǒng)特性,,,數(shù)據(jù)模式,典型應(yīng)用程序,,圖 1--5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的基本任務(wù),,,,,,,,,3.數(shù)據(jù)庫的建立,4.數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行、管理和維護(hù),5.數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)充和維護(hù),數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展*,第一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 20世紀(jì)7

22、0年代 層次和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 第二代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)第三代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)庫技術(shù)和其他學(xué)科內(nèi)容相結(jié)合（分布式數(shù)據(jù)庫、工程數(shù)據(jù)庫、演繹數(shù)據(jù)庫、知識(shí)數(shù)據(jù)庫、時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫）,,Internet時(shí)代的數(shù)據(jù)庫技術(shù) Internet技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)新的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，諸如支持高層決策的數(shù)據(jù)倉庫、OLAP分析、數(shù)據(jù)挖掘、電子商務(wù)等。 出現(xiàn)了Web信息檢索技術(shù)與系統(tǒng)、Web數(shù)據(jù)集成與共享技術(shù)與