1、绪论

1.1、数据库系统概述

数据库系统的构成示意图

在这里插入图片描述

1.1.1、数据库系统基本概念

基本概念：数据、数据库、数据库管理系统和数据库系统

1）数据（data）

定义：描述事物的符号记录称为数据
数据是数据库中存储的基本对象。

2） 数据库（DB）

定义：数据库是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据集合。
特征：数据按一定的数据模型组织、描述和储存
- 可为各种用户共享
- 冗余度较小
- 数据独立性
- 易扩展

3）数据库管理系统（DBMS）

定义：数据库管理系统（DBMS），是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。数据库管理系统和操作系统一样是计算机的基础软件。
DBMS的主要功能：
- 数据定义功能：提供定义语言（DDL）数据组织、存储和管理
- 数据操纵功能：提供数据操作语言（DML）
- 数据库的事务管理和运行管理
- 数据库的建立和维护功能

4）数据库系统（DBS）

数据库系统（DBS）是由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用程序和数据库管理员（DBA）组成的存储、管理、处理和维护数据的系统。

1.1.2、数据管理技术的产生与发展

数据管理技术经历了人工管理、文件系统管理、数据库系统3个阶段

1）人工管理阶段

人工管理数据的特点
- 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
**缺点：**数据的逻辑结构或物理结构发生变化后，必须对应程序做出相应的修改，这就加重了程序员的负担。

2）文件系统阶段

文件系统管理数据的特点：
- 数据可以长期保存
- 由文件系统管理数据
缺点：
- 数据共享性差、冗余度大
- 数据独立性差

3）数据库阶段

数据库管理数据的特点：
- 数据结构化
- 数据共享性高，冗余度低，易扩充
- 数据独立性高
- 数据由DBMS统一管理和控制

1.2、数据模型

数据模型（DM）也是一种模型，它是对现实世界数据特征的抽象。数据模型就是现实世界的模拟。

1.2.1、两类数据模型

数据模型满足的要求
- 能比较真实地模拟现实世界
- 容易为人所理解
- 便于在计算计算机上实现

1）第一类是概念模型

概念模型，也称为信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库的设计

概念模型要求
- 具有较强的语义表达能力
- 能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识
- 简单、清晰、易于用户理解
信息世界中的概念
- 实体（entity）：客观存在并可相互区别的事务称为实体。
- 属性（attribute）：实体所具有的某一特征称为属性。
- 码（key）：唯一标识实体的属性集称为码。
- 域（domain）：一组具有相同数据类型的值的集合称为域。属性的取值范围来自某个域。
  - 例如：学号的域为8位整数，学生年龄的域为整数，性别的域为（男、女）
- 实体型（entity type）：用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体，称为实体型。
  - 例如，学生（学号，姓名，性别，出生年月，所在院系，入学时间）就是一个实体型。
- 实体集（entity set）：同一类型的集合称为实体集。
- 联系：实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系。
  - 实体之间的联系有一对一、一对多和多对多等多种类型。
概念模型的一种表示方法：实体—联系图（E—R图）
- 实体型：用矩形表示
- 属性：用椭圆表示
- 联系：用菱形表示

2）第二类是逻辑模型和物理模型

逻辑模型主要包括层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型和对象模型等。对数据进行建模，用于DBMS的实现。
物理模型是对数据最底层的抽象，它是描述数据在系统内部的表达方式和存取方法，或在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法，是面向计算机系统的。

1.2.2、数据模型的组成要素

数据模型通常由数据结构、数据操作和数据的完整性约束条件三部分组成。

1）数据结构描述数据库的组成对象以及对象之间的联系

2）数据操作是指对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则。

3）数据的完整性约束条件是一组完整性规则

1.2.3、常用的数据模型

层次模型
网状模型
关系模型
面向对象数据模型
对象关系数据模型
半结构化数据模型

1）层次模型

层次模型的数据结构
- 在数据库定义中满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型
  - 有且只有一个节点没有双亲节点，这个结点称为根节点。
  - 根以外的其他节点有且只有一个双亲节点。
- 层次模型像一棵倒立的数，节点的双亲是唯一的。
层次模型的数据操纵与完整性约束
- 层次模型的数据操纵主要有查询、插入、删除和更新。进行插入、删除、更新操作是要满足层次模型的完整性约束条件。
- 完整性约束
  - 进行插入操作时，如果没有相应的双亲结点值就不能插入它的子女节点值。
  - 进行删除操作时，如果删除双亲结点值，则相应的子女节点值也将被同时删除。
层次模型的优缺点
- 优点
  - 层次模型的数据结构比较简单清晰。
  - 层次数据库的查询效率高。
  - 层次数据模型提供了良好的完整性支持。
- 缺点
  - 现实世界中很多联系是非层次性的，如结点之间具有多对多联系，不适合用层次模型表示。
  - 如果一个结点具有多个双亲结点等，用层次模型表示这类联系就很笨拙，只能通过引入冗余数据或创建非自然的数据结构来解决。
  - 查询子女节点必须通过双亲节点。
  - 由于结构严密，层次命令趋于程序化。

2）网状模型

网状模型的数据结构
- 在数据库中，把满足以下两个条件的基本层次联系结合称为网状模型：
  - 允许一个以上的节点无双亲
  - 一个结点可以有多于一个的双亲
- 层次模型中子女结点与双亲节点的联系是唯一的，而在网状模型中这种联系可以不唯一。
网状模型的优缺点
- 优点
  - 能够更为直接地描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲，结点之间可以有多种联系。
  - 具有良好的性能，存取效率高。
- 缺点
  - 结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握。
  - 网状模型的DDL、DML复杂，并且要嵌入某一种高语言中。
  - 由于记录之间的联系是通过存取路径实现的，应用程序在访问数据时必须选择适当的存取路径，因此用户必须了解系统结构的细节，加重了编写应用程序的负担。

3）关系模型

关系模型的数据结构
- 关系（relation）：一个关系对应通常说的一张表。
- 元组（tuple）：表中的一行即为一个元组。
- 属性（attribute）：表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名。
- 码（key）：也可称为码键。表中的某个属性，它可以为以确定一个元组。
- 域（domain）：域是一组具有相同数据类型的值的集合。
- 分量：元组中一个属性值。
- 关系模式：对关系的描述，一般表示为
  - 关系名（属性1，属性2，…，属性m）
  - 例如：教师（教工编号，姓名，年龄，性别，系名）
关系模型的数据操纵与完整性约束

关系模型的数据操纵主要包括查询、插入、删除和更新数据。
- 关系的完整性约束条件包括三大类
  - 实体完整性
  - 参照完整性
  - 用户定义的完整性
关系模型的优点：
- 关系模型与格式化模型不同，它是建立在严格的数学概念基础上的。
- 关系模型的概念单一。
- 关系模型的存取路径对用户透明，从而具有更高的数据独立性、更好的安全保密性，也简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作。