第一章 信息系统和数据库
1.1 信息系统
计算机信息系统是一类以提供信息服务为主要目的的数据密集型、人机交互的计算机应用系统。4个主要技术特点：
① 数据量大，一般需存放在外存中。
② 数据长久持续有效（持久性）。
③ 数据共享使用（共享性）。
④ 提供多种信息服务（功能多样性）（管理、检索、分析、决策等）。
从信息处理的深度来区分信息系统，基本可分为3大类：
① 业务处理系统：业务处理系统中分为管理业务系统、辅助技术系统、办公信息系统。管理业务系统按业务层次进一步划分为面向操作层次和面向管理层次；辅助技术系统在特定领域（如工程设计、音乐制作、广告设计等）内完成相应的任务。如CAD；办公信息系统又称OA，以先进的设备与相关技术构成服务于办公事务的信息系统，按工作流技术充分利用信息资源，提高协同办公效率和质量。
② 信息检索系统：将原始数据进一步处理并存储供检索用的DB中，用户检索匹配获得信息。
③ 信息分析系统：一种高层次的信息系统，为管理决策人员掌握部门运行规律和趋势，制定规划、进行决策的辅助系统。例如决策支持系统DSS、专家系统ES等。
信息系统的结构：
① 基础设施层：支持系统运行的硬件、系统软件和网络；
② 资源管理层：包括各类数据信息，资源管理系统；
③ 业务逻辑层：实现应用部分业务功能、流程、规则、策略等的处理程序构成；
④ 应用表现层：通过人机交互方式，向用户展现结果，如Web浏览器界面。
新的应用需求和新的计算机技术是推动信息系统发展的动力。目前信息系统有下列共同的发展趋势：①系统集成化；②信息多媒体化；③功能智能化；④结构分布化。
1.2 关系型数据系统
1.2.1 数据管理的应用需求
由于数据量急剧增长，计算机用于管理并实现共享数据的需求越来越迫切。人们逐步发展了以统一管理和共享数据为主要特征的数据库系统（DBS）。在DBS中，数据不再仅仅服务于某个程序或用户，而是按一定的结构存储于数据库，作为共享资源，由数据库管理系统（DBMS）的软件管理使得数据能为尽可能多的应用服务。
1.2.2 数据库系统的组成和特点
数据库指按一定的数据模式组织并长期存放在外存上的、可共享的、面向部门全局应用的数据集合。DBMS是对数据进行管理的软件系统，功能是创建DB结构，对数据进行操作、管理和控制。应用系统是利用DBS资源开发的、解决管理和决策问题的各种应用程序，面向设计、开发和管理DBS的人员和用户。
数据库系统（DBS）的组成：数据库、硬件、操作系统、DBMS、应用开发工具、应用系统。数据库系统的特点：
① 数据结构化：数据面向全局应用，用数据模型描述数据和数据之间的联系。
② 数据可共享（冗余度低）：从全局分析和描述数据，适应多个用户、多种应用共享数据的需求。可减少数据冗余，节省存储空间，保证数据的一致性。
③ 数据独立于程序：逻辑独立性：应用程序与DB的逻辑结构相互独立。物理独立性：应用程序与DB的存储结构相互独立。
④ 统一管理控制数据：DBMS管理控制数据功能：安全性、完整性、并发控制、恢复。
由于使用数据库的信息系统是一种计算机软件系统，而计算机是不可能直接处理现实址界中的事物的。所以必须通过以下过程来处理数据：将客观对象抽象成概念结构（过程①），再抽象成数据模式（过程②）。过程①从概念上描述对象和对象间的关联，经过识别、选择、分类等综合分析，形成“概念结构”（如E—R图）；过程②按按计算机系统支持的结构组织数据（数据模式）：逻辑结构为二维表、存储结构为文件。
1.2.3 关系数据库模型（结构、完整性、操作）
在常见的数据库系统中，根据实体集之间的不同结构，通常把数据模型分为层次模型、网状模型、关系模型（国内95％）和面向对象模型4种。
关系型数据模型描述数据的逻辑结构3要素：数据结构、数据完整性、数据的操作。关系数据模型的基本结构是关系。在用户观点下，关系数据模型中数据的逻辑结构是一张二维表（Table），它由表名、行和列组成。表的每一行称为一个元组（uple），每一列称为一个属性（Attribute）。关系模式的描述类型：R（A1，A2，…，Ai，…，An），其中：R为关系名，即二维表名，Ai是二维表中的列名。关系模式的主键：能够唯一标识二维表中指定元组的属性或者属性组（这组属性的任何真子集无此性质），称为该二维表的候选键如果一个关系模式有多个候选键存在，则可从中选一个最常用的作为该关系模式主键，简称主键。关系型数据库有如下特点：
① 关系模型建立在严格的数学理论基础上（集合论的关系概念）
② 关系数据模型的概念单一（数据对象和联系都是二维表，对二维表的操作结果也是二维表）
③ 对二维表操作是“非过程性”（存取路径对用户透明，简化了程序员的编程工作；数据独立性和安全性好）
特别提示Ⅰ：严格地说明，关系是一种规范化二维表中行的集合。在关系数据模型中，对每个关系还作了如下限制：
① 每一个列对应一个域，列名不能相同。
② 关系中所有的列是原子数据（原子数据是不可再分的）
③ 关系中不允许出现相同的行（即不能出现重复的行）
④ 关系是行的集合，行的次序可以交换。（按集合的性质）
⑤ 行中列的顺序可以任意交换。（按集合的性质，但使用按定义顺序）
特别提示Ⅱ：数据模型和模式是有区别的。数据模型是用一组概念和定义描述数据的手段，而数据模式是用某种数据模型对具体情况下相关数据结构的描述。具体地说，关系模式是以关系数据模型为基础，综合考虑了用户的需求，并将这些需求抽象而得到的逻辑结构，因而不应将关系数据模型和关系模式相混淆。
特别提示Ⅲ：关系模式反映了二维表的静态结构是相对稳定的；关系是关系模式在某一时刻的状态，它反映二维表的内容，由于对关系的操作不断更新着二维表中的数据，因此关系是随时间动态变化的。
1.2.4 关系数据库语言SQL
SQL数据库具有三级体系结构：
① 局部模式（外模式）也称为用户模式，它是数据库用户能够看见和使用的局部数据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。外模式是模式的子集，一个数据库可以有多个外模式，对应于视图；（外模式对应视图）
② 全局模式（模式）也称为逻辑模式或概念模式，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。一个数据库只有一个模式，模式位于三级结构的中间层，是应用部门整体性的二维表模式，对应于基本表；（模式对应基本表）
③ 存储模式（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表示方式，对应于存储文件。（内模式对应存储文件）
关系数据库管理系统在三级模式之间提供了两层映射，分别为外模式/模式映射、模式/内模式映射。外模式/模式映射：对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/模式映射。当模式被改变时，数据库管理员对各个外模式/模式映射做相应的改变，可以使外模式保持不变。这样，依据数据外模式编写的应用程序就不用修改，保证了数据与程序的逻辑独立性。
模式/内模式映射：数据库中只有一个模式和一个内模式，所以模式/内模式的映射是唯一的，它定义了数据库的全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。当数据库的存储结构被改变时，数据库管理员对模式/内模式映射做相应的改变可以使模式保持不变，应用程序相应地也不做变动。这样保证了数据与程序的物理独立性。
查询是数据库的核心操作。SQL提供SELECT语（增加：insert；删除：delete；修改：update），具有灵活的使用方式和极强查询的功能。关系操作中最常用的是“投影”、“选择”和“连接”，都体现在SELECT中语法，语法如下：
SELECT A1，A2，…，An 指出目标的列名，相应于“投影”
FROM R1，R2，…，Rm 指出基本表或视图，相应于“连接”
[WHERE F] F是“选择”或者是连接操作的条件
SELECT语句语义为：将FROM字句所指出的R（基本表或视图）进行连接，从中选取满足WHERE字句中条件F的行（元组），最后根据SELECT字句所给出的A（列名）将查询结果表输出。
视图是DBMS提供的一种由用户观察数据库中数据的重要机制。视图可由基本表或其他视图导出。视图只是一个虚表，而不作为一个表实际存储数据。SQL用CREATE VIEW语句建立视图，其格式为：CREATE VIEW <视图名> [<列名>，…] AS <子查询>。
1.2.5 关系数据库系统及应用新技术
数据库体系结构的发展
① 集中式数据库系统（特定区域）
② 客户/服务器结构（C/S）
③ 浏览器/服务器结构（B/S）
④ 分布式数据库系统
⑤ 并行数据库系统
1.3 信息系统开发与管理
1.3.1 软件工程与信息系统开发概述
背景：计算机性能不断提高、应用范围越来越广泛、软件系统开发越来越复杂。
解决：大型软件开发必须有严密完整的工程技术和科学的过程向“工程化”发展：“软件工程”。软件工程方法要点：
① 软件开发技术。软件开发规范化和工程化，对开发中的策略、原则、步骤和文档做出规定。
② 软件工程管理。对软件生产中重要环节，按计划、进度执行，实现预期的社会和经济效益。
③ 软件开发方法。主要有：生命周期方法、原型法以及面向对象的分析设计方法等。
④ 软件开发工具。采用软件开发工具和环境，保证软件开发各个阶段任务的完成。
常见的信息系统开发方法：
① 结构化生命周期方法：信息系统从规划开始，经过分析设计、实施直到投入运行使用过程中，随其生存环境的变化而不断修改，当它不再适应需要时就要被淘汰，而由新的信息系统代替老的信息系统，这种循环称为信息系统的生命周期。结构化方法将信息系统软件生命分为系统规划，系统分析，系统设计，系统实施和系统维护5个阶段。各阶段工作按顺序开展，形如自上而下的瀑布，所以又称瀑步模型方法。（系统规划、系统分析、系统设计、系统实施、系统维护）
② 原型法。所谓原型，是指分析设计人员与用户合作，在短期内定义用户基本需求的基础上，首先开发出一个具备基运行这个原型，本功能、实验性的、简易的应用软件并在相应的辅助开发工具的支持下，按照不断求优的设计思想，通过反复的完善性实验而最终开发出符合用户要求的信息系统。
1.3.2 系统规划与分析
系统规划的任务：
① 调查应用部门的环境、目标和现行系统
② 根据其发展目标对新系统的需求，进行分析和预测
③ 考虑新系统所受的各种约束
④ 研究开发新系统的必要性和可能性，提出方案和计划
⑤ 从管理、技术、经济和社会等方面进行可行性分析
系统分析的任务是采用系统工程的思想和方法，把复杂的对象分解成简单的组成部分.明确各部分用户的各种数据需求和处理需求。系统分析的方法是使用结构化分析方法（SA）。SA方法从最上层的组织机构入手，采用自顶向下逐层分解的方法分析系统，并用形式化或半形式化的描述（如数据流程图和数据字典）说明数据和处理过程的关系。
系统分析的工具是使用数据流程图（DFD）和数据字典（DD）。数据流程图（DFD）是使用直观的图形符号，描述系统业务处理过程、信息流和数据要求的工具，表达了数据和处理的关系。数据字典（DD）是系统中各类数据定义和描述的集合，是进行详细的数据分析所获得的主要成果。在数据字典中对数据流程图中的数据项、数据结构、数据流、处理逻辑、数据存储和外部实体等进行定义。
1.3.3 系统设计
系统设计的任务是为实现系统目标具体规定数据结构和系统功能。
系统设计的内容是概念结构设计和逻辑结构设计：
① 概念结构设计是将需求分析得到的用户需求转化为概念模型的过程。概念模型设计的工具有二维表和E—R图。用表示“实体—联系概念”的E—R图，对一个单位信息状况进行直观说明，称为一个单位的E—R概念结构。在E—R图中：矩形框表示实体集，菱形框表示联系，椭圆（或圆形）框表示属性，加斜杠线的属性组成相应实体集的主键，联系与实体集相连的线上注明联系的语义类型。
② 逻辑结构设计：面向系统的全局关系模式：把概念结构设计产生全局E—R图中的实体和联系，转换为关系DBMS 所支持的关系型数据的逻辑结构，即面向系统的全局关系模式。面向用户的视图：是全局关系模式的子集。
1.3.4 系统实施与运行维护
1、系统实施
系统实施的任务是实现系统设计阶段提出的数据逻辑结构、存储结构和软件结构，按实施方案完成一个可实际运行的信息系统，交付用户使用。具体工作是
① 按系统逻辑结构和物理物理结构，用关系DBMS—SQL语言编制源代码，调试产生目标模式，并将数据载入DB中；
② 功能程序设计，按软件结构设计提出的模块要求进行程序编码、编译、联接以及测试的工作。
2、系统的运行和维护
在保证信息系统正常运行的前提下，为提高系统运行的有效性而对系统的硬件、软件和文档所做的修改和完善都称为系统维护。系统维护有3类：
① 纠正性维护。纠正应用软件设计中遗留的种种错误。
② 适应性维护。适应硬件/软件环境变更，对应用程序作适当修改。
③ 完善性维护。数据转储，为提高系统性能，对系统和应用程序的修改等。