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　　第一章 引 論

　　1、 數據庫技術產生于20世紀60年代，是信息系統的核心技術和重要基礎;

　　2、 計算機科學與技術學科劃分為四個專業方向：計算機科學(CS);計算機工程(CE);軟件工程(SE);信息技術(IT)。

　　1.1 基本概念

　　1.1.1 信息與數據

　　1、 信息、物質、能量是組成客觀世界并促進社會發展的三大基本要素;

　　2、 信息(Information)--是客觀世界事物的存在方式和運動狀態的反映，是對事物之間相互聯系、相互作用的描述。信息具有可感知、可存儲、可加工、可傳遞和可再生的自然屬性。

　　3、 數據(Data)--是描述現實世界事物的符號記錄，是用物理符號記錄下來的可以識別的信息。不同的物理符號體現出數據的不同表現形式。

　　4、 信息與數據間存在固有聯系，數據是信息的符號表示，或稱為載體。信息則是數據的語義解釋，是數據的內涵，信息以數據的形式表現出來，并為人們理解和接受。

　　5、 數據處理(Data Processing)--是指對數據進行分類、收集、組織、存儲，進而從已數據出發，抽取或推導出新的數據，這些數據表示了新的信息。

　　6、 數據管理(Data Management)--是指對數據的分類、收集、組織、編碼、存儲、檢索和維護，是數據處理業務的重要環節。

　　7、 數據處理與數據管理的區別在于，數據處理除了具有數據管理功能外，還可通過數據管理得到的數據進一步深加工，從中獲取新的數據和信息。

　　1.1.2 數據庫系統

　　1、 數據庫(DB，DataBase)--是長期存儲在計算機內有組織的、大量的、共享的數據集合;

　　2、 數據庫管理系統(DBMS，Database Management System)--是指在計算機系統中，位于用戶與操作系統之間的數據管理系統軟件，是數據庫系統的核心。

　　3、 數據庫系統(DBS，DataBase System)--是指在計算機系統中引入數據庫后的軟硬件系統構成，DBS一般分成三個層次：(1)計算機硬件平臺;(2)系統軟件和應用軟件;(3)用戶;在不引起混淆和歧義的情況下，數據庫系統簡稱為數據庫。

　　4、 (狹義的)數據庫系統—是由數據庫和數據庫管理系統組成的軟件系統，主要為用戶提供數據存儲和查詢、插入、修改、刪除、更新等數據管理功能。

　　5、 (狹義的)數據庫應用系統(DBAS，DataBase Application System)—是由數據庫、數據庫管理系統、數據庫應用程序組成的軟件系統，它面向具體應用領域，提供了更為復雜的數據處理功能。

　　6、 數據庫技術—是研究數據庫的結構、存儲、設計、管理和使用的一門計算機應用學科。

　　7、 數據庫技術與其它計算機科學有密切關系：

　　(1) 數據庫技術以文件系統為基礎發展而來，DBMS需要操作系統的支持，數據庫以文件形式存儲在外部存儲上的;

　　(2) 數據庫與數據結構的關系很密切，數據庫技術不僅用到數據結構中的鏈表、樹、圖等知識，各種數據模型本身就屬于復雜數據結構;

　　(3) 主流的關系數據庫系統，其理論基礎是關系數據模型，而該模型是在離散數學集合論中“關系”這一基本概念上發展起來的;

　　(4) 當用戶訪問數據庫，DBMS對用戶提交的查詢操作類似于，計算機編譯系統對程序的編譯過程;

　　(5) 開發一些大型的DBS或DBMS的過程，要遵循軟件工程的開發模式。

　　1.2 數據模型

　　1.2.1 數據模型概念

　　1、數據模型(Data Model)--是數據庫系統的形式框架，是用來描述數據的一組概念和定義，包括描述數據、數據聯系、數據操作、數據語義以及數據一致性的概念工具;

　　2、數據模型應滿足：(1)能夠比較真實地模擬現實世界;(2)容易為人們所理解;(3)便于在計算機上實現。

　　3、 數據模型的組成：

　　(1) 數據結構：用于描述系統的靜態特征，從語法角度表述了客觀世界中數據對象本身的結構和數據對象之間的關聯關系，是刻畫一個數據模型性質最重要的方面。在數據庫系統中，通常按照數據結構的類型來區分、命名各種數模，如層次、網狀、關系數模。

　　(2) 數據操作：用于描述系統的動態特征，是一組對數據庫中各種數據對象允許執行的操作和操作規則組成的集合。數據操作可以是檢索、插入等，數模必須定義這些操作的確切含義、操作符號、操作規則以及實現操作的數據庫語言。

　　(3) 數據完整性約束：是一組完整性規則的集合，它定義了數模必須遵守的語義約束，也規定了數據庫中數據內部及數據之間聯系所必須滿足的語義約束。它限定了數據庫的狀態以及狀態的變化，以便維護數據的正確性、有效性。

　　1.2.2 數據模型分類

　　1、 用數據模型這一概念來描述數據庫的結構和語義，通過現實世界—信息世界—機器世界的抽象轉換過程構建數據庫，并根據模型所定義的規范去管理和使用數據。

　　2、 建模過程：(1)將現實世界的數據對象抽象為信息世界中的某一信息結構;(2)再將信息結構轉換為機器世界中某一具體DBMS支持的數據模型，并存儲于計算機中。

　　3、 數據模型分類：

　　(1) 概念數據模型(概念模型)：按用戶的觀點對數據和信息進行建模，是現實世界到信息世界的第一層抽象，強調其語義表達功能，易于用戶理解，是用戶與設計人員交流的語言，主要用于數據庫設計。最常用的是實體—聯系模型。

　　(2) 數據結構模型(表示型/實現型)：是機器世界中與具體DBMS相關的數據模型，包括關系模型、網狀模型和層次模型

　　(3) 物理數據模型：屬底層數據模型，描述數據的實際存儲方式。

　　1.3 數據視圖與模式結構

　　1.3.1 數據視圖與數據抽象

　　1、 數據視圖：指從某個角度看到的客觀世界數據對象的特征，是對數據對象某一方面特征的描述。

　　2、 數據抽象：是一種數據描述和數據庫設計原則，是指專注于數據對象的某方面特征，而忽略其他特征。

　　3、 集和值：集是指對某一類數據的結構和屬性的說明，值是集的一個具體賦值;

　　4、 數據模式：對數據庫中數據某方面結構和特征的描述，它僅涉及集的描述，不涉及具體的值。

　　1.3.2 三級模式結構

　　1、 數據庫三級模式結構—外部級、概念級和內部級，分別定義了外模式、模式和內模式，用于從不同角度描述數據庫結構。

　　2、 模式：

　　(1) 也稱邏輯模式、概念模式;

　　(2) 對數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述，是所有用戶的公共數據視圖;

　　(3) 模式不僅定義了數據的邏輯結構，還定義了數據之間的聯系、與數據的關的安全性和完整性要求;

　　(4) 一個數據庫只有一個模式，建立在某種數據結構模型基礎上。

　　3、 外模式：

　　(1) 也稱子模式、用戶模式、用戶視圖;

　　(2) 是對數據庫用戶能夠看見和使用的局部數據的邏輯結構和特征的描述。

　　(3) 一個數據庫可以有多個外模式，每個外模式描述了某個特定用戶所使用的局部數據的邏輯結構和特征，是與某一應用有關的數據的邏輯表示。

　　(4) 外模式還是保證數據安全的有力措施，每個用戶只能看見和訪問所對應的外模式中的數據，其它數據對他是不可見的。

　　4、 內模式：

　　(1) 也稱物理模式、存儲模式;

　　(2) 是對數據庫中數據的物理結構和存儲方式的描述，代表了數據在數據庫內部的表示方式和物理組織結構;

　　1.3.3 二級映象與數據獨立性

　　1、 外模式/模式映象：

　　(1) 定義了數據庫中不同用戶的外模式與數據庫邏輯模式之間的對應關系;

　　(2) 可有多個外模式/模式映象，對于每個外模式，需要一個外模式/模式映象來定義該外模式與模式之間的對應關系;

　　(3) 當模式發生變化時，只需調整外模式/模式間的映象關系，而外模式無需修改，保證了數據與應用程序的邏輯獨立性，稱為數據的邏輯獨立性。

　　2、 模式/內模式映象：

　　(1) 定義了數據庫中數據全局邏輯結構，與這些數據在系統中的物理存儲組織結構之間的對應關系。

　　(2) 模式/內模式映象是唯一的;

　　(3) 當內模式發生變化時，只需調整模式/內模式映象關系，而模式無需修改，保證了數據庫中的數據與應用程序間的物理獨立性，稱為數據的物理獨立性。

　　1.4 數據庫系統體系結構

　　1、 數據庫系統體系結構：是指數據庫系統的組成構件、各構件的功能及各構件間的協同工作方式;

　　2、 分類：

　　(1) 集中式：全部數據和數據管理功能均集中在一臺計算機上的數據庫系統;包括單用戶和主從式兩種，單用戶DBS是指系統由一個用戶獨占，不同機器間不能共享數據;主從式DBS是指一個主機帶多個分時多用戶的DBS;

　　(2) 分布式：數據庫中的數據在邏輯上是一個整體，但在物理上卻可以分布在網絡中不同數據管理節點上;

　　(3) 客戶/服務器：將DBMS和數據庫應用分開，網絡中某些節點上的計算機專門執行DBMS功能，負責數據管理服務，稱為數據庫服務器;其他節點的計算機上安裝DBMS的外圍應用開發工具，支持用戶的應用，主要負責數據表示服務，稱為客戶端;

　　(4) 并行式：硬件平臺是并行計算機系統，使用多個CPU和多個磁盤進行并行數據處理和磁盤訪問操作，以提高執行速度;

　　(5) WEB式： 由通過互聯網連接起來的客戶端、WEB服務器、數據庫服務器組成。

　　1.5 數據庫管理系統

　　1.5.1 數據庫管理系統的功能

　　(1) 數據定義功能：DBMS提供了數據定義語言(DDL)，用戶利用DDL定義數據庫對象的三級模式結構，描述數據庫的結構特征。

　　(2) 數據操縱功能：DBMS提供數據操縱語言(DML)，用戶利用DML對數據進行查詢、插入、刪除或更新;

　　(3) 數據庫運行管理和控制功能

　　(4) 數據庫的建立和維護功能

　　1.5.2 數據庫系統的全局結構

　　1、 DBS可分為用戶、人機交互界面、DBMS和磁盤四個層次;

　　2、 用戶可分為四類：數據庫管理員DBA;專業用戶;應用程序員;終端用戶;

　　3、 DBMS可分為兩部份：

　　(1) 查詢處理器：面向用戶查詢請求;包括以下幾個功能模塊：DML編譯器、嵌入式DML的預編譯器、DDL編譯器、查詢執行引擎;

　　(2) 存儲管理器：面向數據存儲訪問，包括以下幾個功能模塊：權限和完整性管理器、事務管理器、文件管理器、緩沖區管理器;

　　4、 磁盤存儲的類型：

　　(1) 以數據庫文件方式存儲的應用數據;

　　(2) 數據字典;

　　(3) 為提高查詢速度而設置的數據庫引擎;

　　(4) DMS運行時的統計分析數據;

　　(5) 日志信息。

　　1.6數據庫技術的發展和應用

　　1、 第一代DBS：60年代末70年代初，層次型和網狀型DBS;

　　2、 第二代DBS：70年代后期，關系數據庫系統;

　　新型DBS：80年代，分布式數據庫系統;90年代，面向對象數據庫系統、網絡數據庫系統

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