绪论
1、数据库系统概述
1.1、数据库的 4 个基本概念
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数据
数据是数据库中存储的基本对象。
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数据库（DB）
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。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和存储，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易拓展性，并可为各种用户共享。
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数据库管理系统（DBMS）
数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。数据库管理软件和操作系统一样是计算机的基础软件，即系统软件。它完成了科学地组织和存储数据，高效地获取和维护数据，它主要的功能如下：
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数据定义功能
用户可以通过 DDL 方便地对数据库中的数据库中的数据对象的组成与结构进行定义。
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数据组织、存储与管理
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数据操纵功能
DML，增删改查
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数据库的事务管理和运行管理
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数据库的建立和维护功能
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其他功能
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数据库系统（DBS）
数据库系统是由数据库、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。
2、数据模型
数据模型也是一种模型，它是对现实世界数据特征的一种抽象。也就是说，数据模型是用来描述数据、组织数据和对数据进行操作的。数据模型是数据库系统的核心和基础。
1.2.1、两类数据模型
按照模型应用的不同目的，可以将这些模型划分为两大类，它们分别属于两个不同的层次。第一类为概念模型，第二类为逻辑模型和物理模型。
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第一类是：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，主要用于数据库设计。
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第二类是：逻辑模型与物理模型
其中逻辑模型主要分为：
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层次模型
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网状模型
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关系模型
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面向对象数据模型
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对象关系数据模型
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半结构化模型
它是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于数据库管理系统的实现。
物理模型是对数据最底层的抽象，它描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，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。
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1.2.1.1、概念模型
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信息世界中的一些基本概念
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实体
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属性
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码
唯一标识实体的属性集称为码。
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实体型
具有相同属性的实体必然具有共同的特性和性质。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。如：学生（学号，姓名，性别，出生日期，所在院系，入学时间）就是一个实体型。
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实体集
同一类型实体的集合称为实体集。例如：全体学生就是一个实体集。
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联系
实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系。联系有一对一、一对多和多会多等多种类型的联系。
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概念模型的一种表示方法：实体-联系方法
实体-联系方法用 E-R 图来描述现实世界的概念模型，E-R 方法也称为 E-R 模型。
1.2.1.2、数据模型的组成要素
数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束条件三部分组成。
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数据结构
数据结构描述数据库的组成对象以及对象之间的联系。也就是说，数据结构描述的内容有两类：一类是对象的类型、内容、性质有关的；一类是与数据之间联系有关的对象。总之，数据结构是所描述的对象类型的集合，是对系统静态特性的描述。
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数据操作
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。是对系统动态特性的描述。
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数据的完整性约束条件、
数据的完整性约束条件是一组完整性规则。完整性规则是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、有效和相容。
1.2.2、关系模型
1.2.2.1、关系模型的数据结构
从用户的观点看，关系模型是由一组关系组成。每个关系的数据结构是一张规范化的二维表。下面介绍关系模型中的一些术语：
- 关系：一个关系对应通常说的一张表；
- 元组：表中的一行即为一个元组；
- 属性：表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名字即属性名；
- 码：表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组；
- 域：域是一组具有相同数据类型的值的集合。属性的取值范围来自某个域。
- 分量：元组中的一个属性值；
- 关系模式：对应关系的描述，一般表示为：关系名（属性1，属性2，…，属性n）
关系模式要求必须是规范化的，即要求关系必须满足一定的规范条件，这些规范条件中最基本的一条就是：关系的每一个分量必须是一个不可分割的数据项，也就是说，不允许表中还有表。
1.2.2.2、关系模型的数据操作
SQL 语句。
1.2.2.3、关系模型的完整性约束
关系的完整性约束主要包含三大类：
- 实体完整性约束；
- 参照完整性约束；
- 用户自定义完整性约束。
3、数据库系统的结构
考察数据库系统的结构可以从多个不同的层次或不同的角度。从数据库应用开发人员角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，这是数据库系统内部的系统结构。从数据库最终用户角度看，数据库系统的结构分为单用户结构、主从式结构、分布式结构、客户-服务器、浏览器-应用服务器/数据库服务器多层结构等。这都是数据库系统外部的体系结构。
3.1、数据库系统模式的概念
在数据模型中有 “型” 和 “值” 的概念。型是指对某一类数据的结构和属性的说明，值是型的一个具体赋值。模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅涉及型的描述，不涉及具体的值。模式的一个具体的值称为模式的一个实例。同一个模式可以具有很多实例。模式是相对稳定的，而实例是相对变动的，因为数据库中的数据是在不断变更的。模式反映的是数据的结构及其联系，而实例反映的是数据库某一时刻的状态。
3.2、数据库的三级模式结构
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模式
模式也称为逻辑模式，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。它是数据库系统的中间层，既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，又与具体的应用程序、所使用的应用开发工具及高级程序设计语言无关。一个数据库只能有一个模式。数据库模式是以某种数据模型为基础。
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外模式
外模式也称为子模式或用户模式，它是数据库用户能够看到和使用的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式。
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内模式
内模式也称为存储模式，一个数据库只有一个内模式。它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组织方式。例如：记录的存储方式是堆存储还是按照某个属性值的升序存储等；索引按照什么方式组织，是 B+ 树还是 hash 索引；一个记录能不能跨物理页存储等。
3.3、数据库的二级映像功能与数据独立性
为了能够在系统内部实现以上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层映像：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。
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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。当模式改变时（例如增加了新的关系、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/模式映像作相应的改变，可以使得外模式保持不变。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。
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模式/内模式映像
当数据库的存储结构改变时（例如选择了另一种存储结构），由数据库管理员对模式/内模式映像作相应的改变，可以使得模式保持不变，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。