導(dǎo)入 有關(guān)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念

1.信息與數(shù)據(jù)：

數(shù)據(jù)(Data)是描述事物的符號(hào)記錄，數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，可以是文本、圖表、圖形、圖像、聲音、語言、視頻等。

信息(Information)是具有特定意義的數(shù)據(jù)。

2.“數(shù)據(jù)”與“信息”、“知識(shí)”和“智慧”等概念之間存在一定的區(qū)別與聯(lián)系。

3 .數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量單位

4.數(shù)據(jù)規(guī)模與利用率之間的矛盾日益凸顯。

• ? 一方面，數(shù)據(jù)規(guī)模的“存量”和“增量”在快速增長。
• ? 另一方面，缺乏對(duì) “大數(shù)據(jù)”的開發(fā)利用能力。

5.數(shù)據(jù)模型, 數(shù)據(jù)的異構(gòu)性問題
(1)專用格式
與特定應(yīng)用程序 （及開發(fā)語言）相關(guān)
docx, pptx，class 等
(2)通用格式
與特定應(yīng)用程序 （及開發(fā)語言）無關(guān)的

6.數(shù)據(jù)分類:結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)

（1）結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù):一般存儲(chǔ)在Oracle或SQL Server等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中

（2）非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)

（3）半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)：適合存儲(chǔ)這類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫被稱作“NoSQL”數(shù)據(jù)庫

7.NoSQL數(shù)據(jù)庫

“NoSQL”數(shù)據(jù)庫被稱作下一代的數(shù)據(jù)庫，具有非關(guān)系型，分布式，輕量級(jí)，支持水平擴(kuò)展且一般不保證遵循ACID原則的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)。

8.數(shù)據(jù)加工程度

9.信息技術(shù)

10.信息系統(tǒng)

第1章 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論

1.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念

1.1.信息與數(shù)據(jù)庫

• **數(shù)據(jù)(**Data)是描述事物的符號(hào)記錄
• 信息(Information)是具有特定意義的數(shù)據(jù)。
• 數(shù)據(jù)庫
  數(shù)據(jù)庫(Database，DB)是長期存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)、有組織、可共享的大量數(shù)據(jù)的集合。
  數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)據(jù)模型來描述，如網(wǎng)絡(luò)、層次、關(guān)系模型。在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有冗余度小、獨(dú)立性高和易擴(kuò)展性的特點(diǎn)。

1.2.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(Database Management System，DBMS)位于用戶和操作系統(tǒng)之間，是一種操縱和管理數(shù)據(jù)庫的大型軟件，用于建立、使用和維護(hù)數(shù)據(jù)庫。像Oracle、SQL Server 和DB2都是常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件。

DBMS提供了數(shù)據(jù)定義語言(DDL)、數(shù)據(jù)操作語言(DML)和應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是由多種不同的程序模塊組成，基本數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)包括4部分。（DCL數(shù)據(jù)控制語言）

• 存儲(chǔ)管理(Storage Manager)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通常會(huì)自行配置磁盤空間，將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)裝置的數(shù)據(jù)庫。
• 查詢處理(Query Processor)。負(fù)責(zé)處理用戶下達(dá)的查詢語言命令語句，可以再細(xì)分成多個(gè)模塊負(fù)責(zé)檢查語法、優(yōu)化查詢命令的處理程序。
• 事務(wù)管理(Transaction Manager)。負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)庫的事務(wù)，保障數(shù)據(jù)庫商業(yè)事務(wù)的操作需要,及并發(fā)控制管理(Concurrency- Control Manager)資源鎖定等。
• 恢復(fù)管理(Recovery Manager)。恢復(fù)管理主要是日志管理(Log Manager)，負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)庫的所有操作，可以恢復(fù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)到指定的時(shí)間點(diǎn)。

1.3.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

用戶(Users)。用戶執(zhí)行DDL語言定義數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，使用DML語言新增、刪除、更新和查詢數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，通過操作系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)(Data)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)種類包括永久性數(shù)據(jù)、索引數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)字典和事務(wù)日志等。

軟件(Software)。指在數(shù)據(jù)庫環(huán)境中使用的軟件，包括數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)、應(yīng)用程序和開發(fā)工具等。

硬件(Hardware)。安裝數(shù)據(jù)庫相關(guān)軟件的硬件設(shè)備，包含主機(jī)(CPU、內(nèi)存和網(wǎng)卡等)、磁盤陣列、光驅(qū)和備份裝置等。

1.4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)：

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要包括如下幾種結(jié)構(gòu)：集中式、客戶-服務(wù)器式（Client/Server，C/S）、瀏覽器-服務(wù)器式（Browser/Server，B/S）和分布式

2.關(guān)系型數(shù)據(jù)庫理論

2.1. 概念模型及其表示方法

(1)實(shí)體的概念

• 實(shí)體(Entity)。客觀存在并可以相互區(qū)分的事物叫實(shí)體。例如，在學(xué)校里，一名學(xué)生、一名教師、一門課程等都稱為實(shí)體。
• 屬性(Attribute)。屬性是實(shí)體所具有的某些特性，通過屬性對(duì)實(shí)體進(jìn)行描述。實(shí)體是由屬性組成的。
• 主鍵(Primary Key)。一個(gè)實(shí)體中有一個(gè)屬性或者多個(gè)屬性構(gòu)成的子集能夠唯一標(biāo)識(shí)整個(gè)屬性集合，則稱該屬性子集為屬性集合的主鍵。
• 實(shí)體型(Entity Type)。用實(shí)體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實(shí)體，稱為實(shí)體型。例如，學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，性別，出生日期，班級(jí)，入學(xué)成績）就是一個(gè)實(shí)體型。
• 實(shí)體集(Entity Set)。同型實(shí)體的集合稱為實(shí)體集。例如，全體學(xué)生就是一個(gè)實(shí)體集。
• 聯(lián)系(Relationship)。現(xiàn)實(shí)世界的事物之間是有聯(lián)系的。這些聯(lián)系必然要在信息世界中加以反映。例如，教師實(shí)體與學(xué)生實(shí)體之間存在著教和學(xué)的聯(lián)系。

(2)實(shí)體之間的聯(lián)系

• 一對(duì)一的聯(lián)系(1∶1)。對(duì)于實(shí)體集A中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集B中至多有一個(gè)實(shí)體與之聯(lián)系。
• 一對(duì)多聯(lián)系(1∶M)。對(duì)于實(shí)體集A中的每1個(gè)實(shí)體，實(shí)體集B中有M個(gè)實(shí)體(M≥2)與之聯(lián)系。
• 多對(duì)多聯(lián)系(M∶N)。對(duì)于實(shí)體集A中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集B中有N個(gè)實(shí)體(N≥0)與之聯(lián)系

(3)概念模型的表示方法

• 實(shí)體型表示建立概念模型的對(duì)象，用長方框表示，在框內(nèi)寫上實(shí)體名。
• 實(shí)體屬性是實(shí)體的說明。用橢圓框表示實(shí)體的屬性，并用無向邊把實(shí)體與其屬性連接起來。
• 實(shí)體間的聯(lián)系是兩個(gè)或兩個(gè)以上實(shí)體類型之間的有名稱的關(guān)聯(lián)。實(shí)體間的聯(lián)系用菱形框表示，菱形框內(nèi)要有聯(lián)系名，并用無向邊把菱形框分別與有關(guān)實(shí)體相連接，在無向邊的旁邊標(biāo)上聯(lián)系的類型

2.2.數(shù)據(jù)模型

(1)數(shù)據(jù)模型的三要素

• **數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。**數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于描述數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的靜態(tài)特性。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所研究是數(shù)據(jù)本身的類型、內(nèi)容和性質(zhì)，以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。
• 數(shù)據(jù)操作。數(shù)據(jù)操作是對(duì)數(shù)據(jù)庫中對(duì)象實(shí)例允許執(zhí)行的操作集合，主要指檢索和更新（插入、刪除、修改）兩類操作。
• 完整性約束條件。數(shù)據(jù)完整性約束是一組完整性規(guī)則的集合，它規(guī)定數(shù)據(jù)庫狀態(tài)及狀態(tài)變化所應(yīng)滿足的條件，以保證數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性。

(2)常用數(shù)據(jù)模型

• 層次模型。層次數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類似一顆倒置的樹，每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)記錄類型，記錄之間的聯(lián)系是一對(duì)多的聯(lián)系，現(xiàn)實(shí)世界中很多事物是按層次組織起來的。

• 網(wǎng)狀模型。網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫是用來處理以記錄類型為結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)狀模型采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表示實(shí)體及其之間的聯(lián)系。

• 關(guān)系模型。關(guān)系數(shù)據(jù)庫是目前流行的數(shù)據(jù)庫。

• 面向?qū)ο竽Ｐ?/strong>（Object Oriented Model）。面向?qū)ο竽Ｐ筒捎妹嫦驅(qū)ο蟮姆椒▉碓O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫存儲(chǔ)對(duì)象是以對(duì)象為單位，每個(gè)對(duì)象包含對(duì)象的屬性和方法，具有類和繼承等特點(diǎn)。Computer Associates的Jasmine就是面向?qū)ο竽Ｐ偷臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

• 對(duì)象關(guān)系模型

2.33 .關(guān)系運(yùn)算

（1）關(guān)系模型中的基本運(yùn)算

選擇。從一個(gè)表中找出滿足指定條件的記錄行形成一個(gè)新表的操作稱為選擇。選擇關(guān)系運(yùn)算如圖1-6所示。
例如，在student關(guān)系中查詢所有sex為“女”的學(xué)生。

投影。投影是從列的角度進(jìn)行的運(yùn)算，通過對(duì)表中的字段進(jìn)行選擇或重組，得到新的表。投影關(guān)系運(yùn)算如圖1-7所示。例如，在student關(guān)系中查詢所有學(xué)生的studentno和birthday。

**連接。**連接是將兩個(gè)表中的行按一定的條件橫向結(jié)合，形成一個(gè)新的表。連接關(guān)系運(yùn)算如圖1-8所示。
例如，查詢學(xué)生的sname和final，2個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)分來自student關(guān)系和score關(guān)系，需要在2個(gè)關(guān)系連接之后，再從中按照一定條件篩選出sname和final的數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)完整性

• 實(shí)體完整性。實(shí)體完整性是指關(guān)系的主關(guān)鍵字不能取“空值”。在關(guān)系模式中，以主關(guān)鍵字作為唯一性標(biāo)識(shí)，如果主關(guān)鍵字是多個(gè)屬性的組合，那么所有主屬性均不得取空值。
• 域完整性。確保屬性中只允許一個(gè)有效數(shù)據(jù)。在物理數(shù)據(jù)庫中，可以利用表中的數(shù)據(jù)類型和行可空性強(qiáng)制執(zhí)行域完整性。
• 參照完整性。參照完整性是定義建立關(guān)系之間聯(lián)系的主關(guān)鍵字與外部關(guān)鍵字引用的約束條件。關(guān)系數(shù)據(jù)庫中通常包含多個(gè)存在相互聯(lián)系的關(guān)系，關(guān)系與關(guān)系之間的聯(lián)系是通過公共屬性來實(shí)現(xiàn)的。
• 事務(wù)完整性。事務(wù)可以確保每個(gè)邏輯單元的工作作為單個(gè)事務(wù)執(zhí)行。
• 用戶定義完整性。用戶定義完整性則是根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的要求和實(shí)際的需要，對(duì)某一具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)提出約束性條件

3.設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫

3.1.數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的規(guī)范化

（1）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的范式

• 第一范式(1NF)。如果一個(gè)關(guān)系模式，它的每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)是不可分的，即其域?yàn)楹唵斡?#xff0c;則此關(guān)系模式為第一范式。第一范式易出現(xiàn)的問題是數(shù)據(jù)冗余和更新數(shù)據(jù)的遺漏。第一范式是最低的規(guī)范化要求包括：
  ① 數(shù)據(jù)表不能存在重復(fù)的記錄，即存在一個(gè)關(guān)鍵字。且主關(guān)鍵字應(yīng)滿足唯一性、非空性等的條件。
  ② 每個(gè)字段都不可再分，即已經(jīng)分到最小。

• 第二范式（2NF）。如果一個(gè)關(guān)系屬于1NF，且所有的非主關(guān)鍵字段都完全地依賴于主關(guān)鍵字，則稱之為第二范式。例如：零件關(guān)系中，倉庫地址和主鍵（零件號(hào)）不存在依賴關(guān)系。 零件(零件號(hào),倉庫號(hào),數(shù)量,倉庫地址)
  那么，該關(guān)系按照第二范式的要求，就應(yīng)該拆分為零件和倉庫兩個(gè)關(guān)系。
  ① 零件(零件號(hào),倉庫號(hào),數(shù)量)
  ② 倉庫(倉庫號(hào),倉庫地址)

• 第三范式（3NF）。如果一個(gè)關(guān)系屬于2NF，且每個(gè)非關(guān)鍵字不傳遞依賴于主鍵，這種關(guān)系就是3NF。
  例如：常見的關(guān)系中的數(shù)據(jù)項(xiàng)年齡和出生日期、期末成績和總評(píng)成績等就存在傳遞依賴，需要消除。

（2）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的方法

• 實(shí)體關(guān)系(E-R)的 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法：基于實(shí)體關(guān)系的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法的基本思想是在需求分析的基礎(chǔ)上，用E-R圖構(gòu)造一個(gè)純粹反映現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體之間內(nèi)在關(guān)系的企業(yè)模式，然后再將此企業(yè)模式轉(zhuǎn)換成選定的DBMS上的概念模式。每個(gè)實(shí)體或聯(lián)系將來就映射為一個(gè)數(shù)據(jù)表。
• 視圖概念的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法：基于視圖概念的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法先從分析各個(gè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)著手，為每個(gè)應(yīng)用建立各自的視圖，然后再把這些視圖匯總起來合并成整個(gè)數(shù)據(jù)庫的概念模式。

3.2.數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

（1）靜態(tài)特性設(shè)計(jì)：根據(jù)給定的應(yīng)用環(huán)境、用戶的數(shù)據(jù)需求，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型，包括數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。
（2）動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)：根據(jù)應(yīng)用處理要求，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的查詢、事務(wù)處理和報(bào)表處理等應(yīng)用程序，反映數(shù)據(jù)庫在處理上的要求，所以又稱為數(shù)據(jù)庫的行為特性設(shè)計(jì)
（3）物理設(shè)計(jì)：根據(jù)動(dòng)態(tài)特性，即應(yīng)用處理要求，在選定的DBMS環(huán)境下，把靜態(tài)特性設(shè)計(jì)中得到的數(shù)據(jù)庫模式加以物理實(shí)現(xiàn)，即設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)模式和存取方法。

3.3.數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的過程

（1）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的步驟

• 需求分析。需求分析的目標(biāo)是通過調(diào)查研究，了解用戶的數(shù)據(jù)要求和處理要求，并按一定的格式整理形成需求說明書。需求說明書是需求分析階段的成果，也是以后設(shè)計(jì)的依據(jù)，它包括數(shù)據(jù)庫所涉及的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的特征、數(shù)據(jù)量和使用頻率的估計(jì)等。
• **概念設(shè)計(jì)。**概念設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的第2階段，其目標(biāo)是對(duì)需求說明書提供的所有數(shù)據(jù)和處理要求進(jìn)行抽象與綜合處理，按一定的方法構(gòu)造反映用戶環(huán)境的數(shù)據(jù)及其相互聯(lián)系的概念模型。
• 邏輯設(shè)計(jì)。把上一階段得到的與DBMS無關(guān)的概念數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成等價(jià)的，并為某個(gè)特定的DBMS所接受的邏輯模型所表示的概念模式，同時(shí)將概念設(shè)計(jì)階段得到的應(yīng)用視圖轉(zhuǎn)換成特定DBMS下的應(yīng)用視圖。邏輯設(shè)計(jì)階段的結(jié)果是DBMS提供的數(shù)據(jù)定義語言(DDL)寫成的數(shù)據(jù)模式。
• **物理設(shè)計(jì)。**物理設(shè)計(jì)階段的任務(wù)是把邏輯設(shè)計(jì)階段得到的邏輯數(shù)據(jù)庫在物理上加以實(shí)現(xiàn)。

（2）數(shù)據(jù)庫表列的信息類型

• 原始數(shù)據(jù)列：用于存儲(chǔ)有形信息（例如名稱），由數(shù)據(jù)庫外部的源確定。
• 分類列。用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類或分組，并存儲(chǔ)限定選擇范圍的數(shù)據(jù)。
• 標(biāo)識(shí)符列：用于提供一種機(jī)制來標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)在表中的每個(gè)項(xiàng)
• 引用列：用于建立一個(gè)表中的信息與另一個(gè)表中相關(guān)信息之間的鏈接。

總結(jié)

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