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第1章 数据库系统概述主要内容
数据库技术发展
数据库系统
数据库管理系统
数据库系统的体系结构
第1章 数据库系统概述
1.1 数据库技术发展
信息与数据
信息是人脑对现实世界事物存在方式或运动状态的反映。
数据是用来记录信息的可识别的符号集合，是信息的具体表现形式。如文本、图像、音频、视频等都是数据。
数据和数据的解释是不可分割的，数据的解释也称为数据的语义，因此数据和数据的语义是不可分的。
数据和信息是两个相互联系、但又相互区别的概念。数据是信息的具体表现形式或称载体。信息是经过加工处理的数据，是人们消化理解了的数据，是数据的内涵，是数据的语义解释。
1.1数据库技术发展数据管理技术发展阶段人工管理阶段（20世纪50年代中期以前 ）文件管理阶段（20世纪50年代后期到60年代中期）数据库管理阶段（20世纪60年代末以来）人工管理阶段20世纪50年代中期以前，计算机主要应用是进行科学计算。当时硬件方面，外存只有纸带、卡片和磁带，没有直接进行存取的设备，在计算时将数据输入，用完数据不保存。对用户数据如此处理，对系统软件软件有时也是这样。软件方面，没有操作系统，没有管理数据的专门软件。其主要的处理方式是批处理。在该阶段，每个应用程序需要自己设计、说明和管理数据。数据的共享性和独立性比较差，数据的逻辑结构或物理结构发生变化后，必须对应用程序做相应的修改，这加重了程序员的负担。人工管理阶段图1.1人工管理阶段程序与数据的关系特点：数据不能长期保存；系统没有专用的软件对数据进行管理；程序与数据不具有独立性；数据无法共享文件管理阶段20世纪50年代后期到60年代中期，计算机的硬件方面已经有了磁盘、磁鼓等直接存储设备；数据以文件的形式长期保存。软件方面，操作系统中已经有了专门的数据管理软件，一般称为文件系统。处理方式上不仅有了批处理，而且能够联机实时处理。这时，计算机不仅用于科学计算，也已大量用于数据处理。在文件系统阶段，利用“按文件名访问，按记录进行存取”的管理技术，对文件中的数据进行修改、插入和删除操作。应用程序和数据之间有了一定的独立性，程序员不必过多地考虑物理细节， 大大节省了维护程序的工作量。但是文件系统中，文件仍然是面向应用的。当不同的应用程序具有部分相同数据时，不能共享相同的数据。因此数据的冗余度大，浪费存储空间，而且容易造成数据的不一致性，给数据的修改和维护带来困难。另外，数据独立性差，文件之间是孤立的，系统不容易扩充。文件管理阶段特点：数据可以长期保存；程序与数据有一定的独立性；文件系统对数据进行统一管理；数据以文件的形式存在。图1.2文件系统中程序和数据的关系数据库管理阶段20世纪60年代末以来， 随着大容量磁盘的出现，硬件价格不断下降，软件价格不断上升，编制和维护系统软件和应用程序的成本不断增加。同时，对实时处理的要求越来越多，以文件系统作为数据管理手段已经不能满足应用的需求，于是，出现了新的数据管理技术——数据库技术，出现了统一管理数据的专门软件系统——数据库管理系统。在数据库系统中，所有相关的数据都存储在一个称为数据库的集合中，它们作为一个整体定义。由于数据是统一管理的，因此可以从全局出发，合理组织数据，避免了数据冗余。另外，在数据库中，程序与数据相互独立，数据通过DBMS而不是应用程序来操作和管理，应用程序不再处理文件和记录的格式。数据库管理阶段图1.3数据库系统管理阶段程序与数据关系特点：数据整体结构化；数据共享性高、冗余度低、易扩展；数据独立性高；数据由数据库管理系统（DBMS）统一管理1.2 数据库系统
1. 计算机系统
1）硬件：指存储和运行数据库系统的硬件设备，包括CPU、内存、大容量存储设备、输入输出设备和外部设备等。
2）必需的软件：指计算机正常运行所需的操作系统和各种驱动程序。
1.2 数据库系统
2. 数据库
数据库（Database，DB），简单理解就是“存放数据的仓库”。数据库是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。
数据库具有如下特点：
数据实现集中管理，实现数据共享，减少了数据的冗余度。
数据库不仅能表示数据本身，还要能表示数据与数据之间的联系。
数据独立性高。
1.2 数据库系统
3.数据库管理系统
数据库管理系统（Database Management System, DBMS），位于应用程序和操作系统之间，它是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库。任何数据操作都是在DBMS管理下进行的，DBMS对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。DBMS是数据库系统的核心。
4.应用程序
应用程序介于用户和数据库管理系统之间，它将用户的操作转换成一系列的命令执行。
1.2 数据库系统
5. 用户
用户是指使用数据库的人，他们可以对数据库进行存储、维护等操作。主要包括数据库管理员（Database Administrator，DBA）、数据库分析员、数据库设计员、应用程序员和最终用户。
数据库管理员是专门负责建立、配置、管理和维护数据库的人员，可以是一个人，也可以是一个团队，DBA应熟悉计算机的软硬件系统，具有较为全面的数据处理能力，熟悉本单位的业务、数据及其流程。特别对于大型的数据库系统，DBA极其重要。
DBA的主要职责有：
帮助终端客户使用数据库系统。
参与数据库系统的设计与建立。
定义数据的安全性和完整性约束条件，负责分配各个用户对数据库的存取权限，数据的保密级别和完整性约束条件。
监控数据库的使用和运行。
改进和重组重构数据库。
1.2 数据库系统
1.3数据库管理系统DBMS的主要功能数据定义功能借助DBMS提供的数据定义语言（DDL）来对数据库中的数据对象进行定义。数据定义包括定义模式、存储模式和外模式，定义外模式与模式之间的映射，定义存储模式与模式之间的映射，定义有关的约束条件。数据组织、存储和管理为了提高数据的存取效率，数据库管理系统要分类组织、存储和管理各种数据。数据库中的数据包括数据字典、用户数据和存取路径等。数据库管理系统要确定组织数据的文件结构和存取方式，以及实现数据之间的联系。数据存储和组织的基本目标是提高存储空间利用率和方便存取，提供多种存取方法提高存取效率。数据操纵功能借助DBMS提供的数据操纵语言(DML)来完成用户对数据库提出的各种要求，实现数据的查询、插入、删除和修改等操作。1.3数据库管理系统DBMS的主要功能数据库的运行管理数据库中的数据可以供多个用户同时使用，具有共享性。如何保证数据能安全、可靠的运行，数据库提供了事务管理功能。数据库在建立、运行和维护时由DBMS统一管理和控制，以保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用及发生故障后的系统恢复。数据库的建立和维护功能包括数据库初始数据装载转换、数据库转储、介质故障恢复、数据库的重组织、性能监视分析等。为了提高处理的效率，数据库管理系统提供了多种维护工具软件。其他功能。DBMS与网络中其它软件系统的通信、两个DBMS系统的数据转换、异构数据库之间的互访和互操作等等。
DBMS的组成
数据库语言
数据库定义子语言DDL
数据操纵子语言DML
例行程序
语言翻译处理程序
系统运行控制程序
公用程序
DBMS对数据的存取过程
DBMS对数据的存取通常经过以下步骤：
1）用户使用某种特定的数据操作语言向DBMS发出存取请求；
2）DBMS接受请求并将该请求转换成机器代码指令。
3）DBMS依次检查外模式、外模式/模式映像、模式、模式/内模式映像及存储结构定义。
4）DBMS对存取数据库执行必要的存取操作。
5）从对数据库的存取操作中接受结果。
6）对得到的结果进行必要处理，如格式转换等。
7）将处理的结果返回给用户。
数据库管理系统选择原则
1) 构造数据库的难易程度。
2) 程序开发的难易程度。
3) 数据库管理系统的性能分析。
4) 对分布式应用的支持。
5) 并行处理能力。
6) 可移植性和可扩展性。
7) 数据完整性约束。
8) 并发控制功能。
9) 容错能力。
1.4数据库系统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。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；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——外模式、概念模式和内模式。1.4数据库系统结构概念模式（Schema），也称逻辑模式或模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。概念模式实际上是数据库数据在逻辑层次上的视图。一个数据库只有一个模式。DBMS提供模式描述语言(模式DDL)来严格地定义模式。1.4数据库系统结构外模式（External Schema），也称子模式或用户模式，它是对现实系统中用户感兴趣的整体数据结构的局部描述，用于满足不同的用户需求的数据视图。它是数据库整体数据结构的子集或局部重构。外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式。外模式是保证数据库安全性的一个有力措施。DBMS提供子模式描述语言（子模式DDL）来严格地定义子模式。1.4数据库系统结构内模式（Internal Schema），也称存储模式，是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。DBMS提供内模式描述语言(内模式DDL或存储模式DDL)来严格定义内模式。三级模式是对数据的三个抽象级别，它把数据的具体组织留给DBMS管理，使用户能逻辑地抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的具体表示方式与存储方式。为了能够在系统内部实现这三个抽象层次的联系和转换，数据库管理系统在这三级模式之间提供了两级映像：外模式／模式映像和模式／内模式映像 。正是这两层映像保证了数据库系统中的数据能够具有较高的逻辑独立性和物理独立性。图1.7三级模式结构与两级映像外模式／模式映像模式描述的是数据的全局逻辑结构，外模式描述的是数据的局部逻辑结构。对应于同一个模式可以有任意多个外模式。对于每一个外模式，数据库系统都有一个外模式／模式映像，它定义了该外模式与模式之间的对应关系，即如何从外模式找到其对应的模式。这些映像定义通常包含在各自外模式的描述中。当模式改变时（例如增加新的关系、新的属性、改变属性的数据类型等），由数据库管理员对各个外模式/模式的映像作相应的修改，可以使外模式保持不变。应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。模式／内模式映像数据库中只有一个模式，也只有一个内模式，所以模式／内模式映像是唯一的，它定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系，该映像定义通常包含在模式描述中。当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），由数据库管理员对模式/内模式映像作相应的改变，可以使模式保持不变，从而应用程序也不必改变。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。三级模式与二级映像使数据库系统具有如下优点：
①保证数据的独立性。将外模式与模式分开，保证了数据的逻辑独立性，将模式与内模式分开，保证了数据的物理独立性。
②简化了用户接口。按照外模式编写应用程序或输入命令，不需要了解数据库内部的存储结构，使用户使用数据库更为方便。
③有利于数据共享。在不同的外模式下可以有多个用户共享系统中数据，减少了数据冗余。
④有利于数据的安全保密。在外模式下根据要求进行操作，只能对限定的数据操作，保证了其他数据的安全。
外部体系结构单用户结构外部体系结构主从式结构外部体系结构分布式结构外部体系结构客户/服务器结构外部体系结构浏览器/服务器结构小结数据库技术的产生和发展人工管理阶段文件管理阶段数据库管理阶段数据库系统组成数据库管理系统DBMS的功能DBMS的组成DBMS对数据的存取DBMS选择原则小结数据库系统体系结构内部体系结构三级模式结构两级映像结构外部体系结构单用户结构主从式结构分布式结构客户/服务器结构浏览器/服务器结构

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