1.1 数据库系统概述

1.1.1 数据库技术基本术语

• 数据：数据库中存储的基本对象。
  例子：数字、文字、图像、声音、语言等。

• 数据库（Datebase，简称DB）

  • 定义：长期存放在计算机内的有组织的、可共享的数据集合。
  • 特征：
    1. 数据按一定的数据模型组织、描述和存储；
    2. 可为各种用户共享；
    3. 冗余度较小；
    4. 数据独立性较高；
    5. 易扩展。
  • 数据库管理系统（Datebase Management System，简称DBMS）
    • 定义：专门用于建立和管理数据库的一套软件，介于应用程序和操作系统之间，负责对DB进行建立、管理。
    • 作用：保证数据的完整性、安全性，提供多用户的并发机制，当数据库出现故障时对系统进行恢复。
  • 数据库系统（Database System，简称DBS）
    • 定义：具有管理和控制数据库功能的计算机系统。
    • 注：常将数据库系统简称为数据库。
      • 数据库系统的组成部分：
        1. 硬件系统
        2. 操作系统
        3. 数据库DB
        4. 数据管理系统DBMS（Oracle、SQL Sever）
        5. 应用软件
        6. 数据库管理员（DBA）：负责数据库的创建、管理和维护操作。
        7. 用户
        • 终端用户：终端用户时数据库的使用者，通过应用程序与数据库进行交互。
        • 应用程序员：负责分析、设计、开发、维护数据库系统中各类应用程序。
          

1.2 计算机数据管理技术的发展

1.2.1 四个阶段

• 人工管理阶段：20世纪50年代中期以前。
  • 特点：
    1. 数据不能长期保存。
    2. 只有程序概念，没有文件概念。
    3. 数据面向应用。
    
• 文件系统阶段：20世纪50年代后期——60年代中后期。
  • 特点：
    1. 数据可以长期保存，多次访问。
    2. 由文件系统管理相应的数据。
    3. 数据共享差，冗余度大。
    
• 数据库系统阶段：20世纪60年代后期开始。
  • 特点：
    1. 数据结构化，信息完整，功能通用。
    2. 实现数据共享，减少数据冗余，易扩充。
    3. 数据独立性高。
       * 物理独立性：应用程序的处理与数据物理的结构无关。
       * 逻辑独立性：数据的逻辑结构的改变，用户程序可以不改变。
    4. 数据由DBMS统一管理和控制。
       * 安全性、完整性、并发性、恢复功能
    5. 为用户提供了友好的接口。
       交互式命令语言、嵌入高级语言
    

1.2 数据模型

1.2.1 数据模型的组成要素及分类

1.2.1.1 数据库模型的组成

1.2.1.1.1 数据结构：（最重要）

• 描述数据库的组成对象以及对象之间的联系：
  a.与数据类型、内容、性质有关的对象
  b.与数据之间联系有关的对象
• 数据模型的命名一般是由数据结构决定的，如网状、层次、关系。
• 数据结构是对系统静态特性的描述。

1.2.1.1.2 数据操作：

• 指对数据库中各种对象的实力允许执行的操作的集合，包括操作和相关的操作规则。操作分为两大类：检索和更新（删除、插入、修改）。
• 对数据模型来说，要求定义这些操作的确切含义，操作符号，操作规则（如优先级别）以及实现操作的语言。
• 数据操作是对系统动态特性的描述。

1.2.1.1.2 完整性约束：

• 一组完整性规则的集合。
• 完整性规则是对给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则，用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确性，有效性和相容性。

1.2.1.2 数据模型分类（两大类）

• 概念模型也称信息模型
   按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计（E-R图）
• 结构化数据模型
   对数据最底层的抽象，直接面向数据库的逻辑结构，是现实世界的第二层次抽象，描述数据在系统内部的表示和存取方法，在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法。

1.2.3 常用的数据模型

1.2.3.1 层次模型

• 定义：
  一个树形结构，它是以记录为结点，以记录之间的联系为边的有向树。

• 性质：

  1. 只有一个结点没有父结点，称为根节点。
  2. 根节点以外的其他结点有且只有一个父结点。
     

• 特点：

  1. 在层次模型中具有一定的存取路径，它仅允许自顶向下的单项查询。
  2. 层次模型比较适合于表示数据记录之间的一对多联系，而对于多对多，多对一的联系，会出现较多的时间冗余。
  3. 数据依赖性强，当上层记录不存在时，下层记录无法存储。
  4. 语义完整性差，某些数据项只能从上下层关系查看，才能显示全部含义。
     

1.2.3.2 网状模型

  网状数据模型是一种比层次模型更具普遍性的结构，它去掉了层次模型的两个限制，允许多个结点没有父结点，也允许一个结点有多个父结点。因此，网状模型可以方便地表示各种类型的联系。网状模型是一种较为通用的模型，从图论的观点看，它是一个不加任何条件的无向图。一般来说，层次模型是网状模型的特殊形式，网状模型是层次模型的一般形式。

1.2.3.3 关系模型

• 定义：
    用二维表格结构表示实体以及实体之间的联系的数据模型称为关系模型。关系模型在用户看来是一个二维表格，其概念单一，容易被初学者接受。关系模型以关系数学为理论基础。在关系模型中，操作的对象和操作结果都是二维表。
• 关系：一个关系就是一张二维表，每个关系都是一个关系名，在计算机里，一个关系可以存储为一个文件。
• 元组：二维表中的行称为元组，每一行是一个元组。元组对应存储文件中的一个记录。
• 属性：二维表的列称为属性，每一列有一个属性名，属性值是属性的具体值。属性对应存储文件中的一个字段，属性的具体取值就形成表中的一个个元组。
• 特点：
  1. 描述的一致性。无论实体还是联系都用一个关系来描述，保证了数据操作语言相应的一致性。对于每一种基本操作功能（插入、删除、查询等），都只需要一种操作运算即可。
  2. 利用公共属性连接。关系模型中各个关系之间都是通过公共属性发生联系的。例如学生关系和选课关系是通过公共属性“学号”连接在一起，而选课关系又可以通过“课程号”与课程关系发生联系。
  3. 结构简单直观。采用表结构，用户容易理解，在计算机中实现方便。
  4. 有严格的理论基础。二维表的数学基础是关系数据理论。
  5. 语言表达简练。

1.3 数据库系统结构

1.3.1 模式

• 定义：模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述。（不涉及到具体的值）
• 注意：模式中不包含具体的记录数据
• 模式与实例的关系：
  1. 模式相对稳定。
  2. 同一个模式，可以有很多实例，实例是相对变动的。
  3. 模式反映的是数据结构及其联系，而实例反映的是数据库某一时刻的状态值。
  4. 数据库中的模式：用数据描述语言精确定义数据模型的全部语句。

1.3.2 数据库系统的三级模式

• 模式：
  模式也称概念模式或逻辑模式，是对数据库中全部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模式，通常以某种数据模型为基础，统一综合地考虑了所有用户的需求，并将这些需求有机地结合成一个逻辑整体。
• 外模式：
  外模式也称子模式或用户模式，它是对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。外模式通常是模式的子集，一个数据库可以有多个外模式，但一个应用程序只能使用同一个外模式。
• 内模式：
  内模式也称存储模式或物理模式，是对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。例如，记录的存储方式是顺序存储、按照B树结构存储还是按hash方法存储;索引按照什么方式组织;数据是否压缩存储，是否加密等。

1.4 数据库管理系统（DBMS)

• DBMS应含有的功能：
  1. 数据定义功能：数据定义语言（DDL）
  2. 数据操纵功能：数据操纵语言（DML）
       如：插入（insert）、查找（select）、修改（update）和删除（delete）等操作。
  3. 数据控的控制功能
     1. 数据安全性保护。
     2. 数据完整性检查。
          完整性：数据的正确性、有效性、一致性。
     3. 并发控制：能实现多个用户同时对数据库库中的数据或同一数据进行合理存取。
     4. 数据库恢复
  4. 注：目前典型的关系数据库管理系统（RDBMS）有：Oracle、MySQL、DB2、SQL server、access等。