数据库系统概论（基础篇）-笔记

中国大学慕课–数据库系统概论（基础篇）

一、第一讲：初识数据库系统

（一）引言

1、数据库系统地发展经历了三次演变？
层次/网状数据库系统、关系数据库系统、新一代数据库系统。

2、数据库技术和系统已经成为了信息系统的核心技术和重要基础设施。

3、图灵奖地四位获得者？

• 网状数据库之父：C.W.Bachman（巴赫曼）
• 关系数据库之父：E.F.Codd
• 数据库技术和事务处理专家：James Gray
• 现代主流数据库系统架构地奠基人：M.R.Stonebrake

【课后练习】

1、图灵奖地四位获得者？
–C.W.Bachman（巴赫曼），E.F.Codd，James Gray，M.R.Stonebrake。

（二）数据库的4个基本概念

1、数据库的4个基本概念？

• 数据（Data）
• 数据库（Database，DB）
• 数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS)
• 数据库系统（DataBase System，DBS）

2、数据

（1）什么是数据？
数据是数据库中存储的基本对象。

（2）数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的。

3、数据库

（1）什么是数据库？
数据库是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。

（2）数据库的基本特征？

• 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、易扩展；
• 数据独立性较高；

4、数据库管理系统

（1）什么是数据库管理系统？

• 位于用户应用与操作系统之间的一层数据管理软件；
• 是基础软件，是一个大型复杂的软件系统。

（2）数据库管理系统的主要功能？

• 数据定义功能：提供数据定义语言（DDL）；定义数据库中的数据对象；
• 数据组织、存储和管理：分类组织、存储和管理各种数据；确定数据在存储级别上的结构和存储方式；实现数据之间的练习；提供多种存取方法提高存取效率；
• 数据操纵功能：提供数据操纵语言（DML）；实现对数据库的基本操作（查询、插入、删除和修改）；
• 数据库的事务管理和运行管理：数据的安全性、完整性、多种对用户数据的并发使用；发生故障后的系统恢复数据库；
• 数据库的建立和维护功能：提供实用程序工具，完成数据库数据批量装载，数据库转储，介质故障恢复，数据库的重组织和性能监视等。

5、数据库系统

（1）什么是数据库系统？

• 是指在计算机系统中引入数据库后的系统构成；
• 在不引起混淆的情况下常常把数据库系统简称为数据库。

【课后练习】

1、数据库管理系统能实现对数据库中数据的查询、插入、修改和删除，这类功能称为？
–数据操纵功能。

2、什么是数据的语义?为什么数据与其语义是不可分的。可以举例说明。

• 数据的含义称为数据的语义，而且数据与其语义是不可分的，若数据的表示形式还不能完全表达其内容，就需要经过解释。
• 举例：学生档案中的学生记录：（李明，男，199505，江苏南京市，计算机系，2013）。

3、什么是数据库?什么是数据库管理系统? 说明两者的区别和联系。

• 数据库是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。
• 数据库管理系统是位于用户应用与操作系统之间的一层数据管理软件；是基础软件，是一个大型复杂的软件系统。
• 区别:数据库指的是一些数据的集合。数据库管理系统是位于操作系统和数据库应用系统之间的数据库管理软件。
• 联系：数据库管理系统的存在使得数据库内的数据便于使用与维护。

（三）数据技术的产生，数据系统的特点

1、什么数据管理

• 对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护；
• 数据处理和数据分析的中心问题；

2、数据管理3个阶段的比较。

3、数据库系统的特点？

• 数据结构化；
• 数据的共享性高，冗余度低且易扩充；
• 数据独立性高；
• 数据由数据库管理系统统一管理和控制；

4、数据结构化

（1）数据的整体结构化是数据库的主要特征之一。

（2）数据用数据模型描述，无需应用程序来定义。

【课后练习】

1、数据管理技术发展的三个阶段中，没有专门的软件对数据进行管理的是？
–人工管理阶段。

二、第二讲：数据库系统的核心：数据模型

（一）概念模型，数据模型的组成要素

1、数据模型是对现实世界数据特征的抽象。通俗地讲数据模型就是现实世界地模拟。

2、数据模型应满足三方面要求？

1. 能比较真实地模拟现实世界；
2. 容易为人所理解；
3. 便于在计算机上是实现。

3、数据模型是数据库系统的核心和基础。

4、数据模型分为两类（两个不同的层次）

• 概念模型，也称信息模型；
• 逻辑模型和物理模型。
  
  5、信息世界中的基本概念
• 实体：客观存在并相互区别的事物称为实体。
• 属性：实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。
• 码：唯一标识实体的属性集称为码。 实体型：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。
• 实体型：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。 联系：
• 现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体（型）内部的联系和实体（型）之间的联系；
• 实体内部的联系：是指组成实体的各属性之间的联系； 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（1：1），一对多（1：n），多对多（m：n）。

6、实体-联系方法：概念模型的一种表示方法。

7、数据模型由三部分组成？

1. 数据结构–描述系统的静态特征；
2. 数据操作–描述系统的动态特征；
3. 完整性约束。

【课后练习】

1、关系数据模型是目前最重要的一种数据模型，它的三个要素分别是？
数据结构、关系操作、完整性约束。

2、举例说明: 实体，实体型，实体集，实体之间的联系。

1. ​实体：客观存在并相互区别的事物称为实体。
2. 实体型：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。
3. 实体型：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。
4. 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（1：1），一对多（1：n），多对多（m：n）。

（二）层次模型，网状模型

1、常用的数据类型

• 格式化模型：层次模型，网状模型。
• 最常用的模型是关系模型。
• 对象模型：面向对象数据模型，对象关系数据模型。

2、层次模型

（1）层次模型是用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系。

（2）表示方法

1. 实体型：用记录类型描述每个结点表示一个记录类型（实体）；
2. 属性：用字段描述每个记录类型可包含若干个字段；
3. 联系：用结点之间的连线表示记录类型之间的一对多的父子联系；

（3）定义

1. 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点；
2. 根结点以外的其他结点有且只有一个双亲结点；
   

（4）层次模型的优缺点

1）优点

1. 层次模型的数据结构比较简单清晰；
2. 查询效率高，性能优于关系模型，不低于网状模型；
3. 层次数据模型提供了良好的完整性支持；

2）缺点

1. 结点之间的多对多联系表示不自然；
2. 对插入和删除操作的限制多，应用程序的编写比较复杂；
3. 查询子女结点必须通过双亲结点；
4. 层次数据库的命令趋于程序化。

3、网状模型

（1）网状数据库系统采用网状结构来表示各类实体以及实体间的联系；

（2）表示方法

（与层次数据模型相同）

（3）定义

1. 允许一个以上的结点无双亲；
2. 一个结点可以有多于一个的双亲。
   

（4）网状模型的优缺点

1）优点

1. 能够更为直接的描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲；
2. 具有良好的性能，存取效率较高。

2）缺点

1. 结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构变得越来越复杂，不利于最终用户掌握；
2. DDL、DML语言复杂，用户不容易使用；
3. 记录之间联系是通过存取路径实现的，应用程序必须选择存取路径，加重了程序员的负担。

【课后练习】

1、在什么中一个结点可以有多个双亲，结点之间可以有多种联系？
网状模型。

（三）关系模型

1、概念

• 关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式。
• E.F.Codd提出了数据库系统的关系模型。
• 数据库厂商的数据库管理系统几乎都支持关系模型。

2、关系模型的数据结构

• 在用户的观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表。
• 关系必须是规范化的，满足一定的规范条件。
• 最基本的规范条件是关系的每一个分量必须是一个不可再分的数据项，不允许表中还有表。

3、关系模型的操纵与完整性约束

（1）数据结构是集合操作集合操作，操作对象和操作结果都是关系。
（2）提高了数据的独立性，提高了用户生产率。
（3）关系的完整性约束条件？
实体完整性，参照完整性，用户定义的完整性。

4、关系模型的优缺点

（1）优点

1. 建立在严格的数学概念的基础上；
2. 概念单一；
3. 关系模型的存取路径对用户透明；

（2）缺点

1. 存取路径对用户透明，查询效率往往不如格式化数据模型；
2. 为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化，增加了开发数据库管理系统。

【课后练习】

1、关系数据模型的基本数据结构是？
关系。

三、第三讲：数据库系统的结构

（一）数据库系统的结构

1、

（1）从数据库应用开发人员角度看

数据库系统采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构。

（2）从数据库最终用户角度看

1. 单用户结构；
2. 主从式结构；
3. 分布式结构；
4. 客户-服务器结构；
5. 浏览器-应用服务器/数据库服务器结构；

2、数据库系统模式的概念

（1）模式

6. 是对数据库逻辑结构和特征的描述；
7. 是型的结构，不涉及具体值；
8. 模式是相对稳定的；

（2）实例

9. 数据库某一时刻的状态–模式的一个具体值；
10. 同一个模式可以有很多实例；
11. 实例随数据库中的数据的更新而变动；

3、数据库系统的三级模式结构

（1）模式（逻辑模式）

12. 通常某个应用的数据库有一个模式。
13. 模式是数据库系统模式结构的中心。

（2）外模式（子模式或用户模式）

1）外模式与模式的关系？

1. 外模式通常是模式的子集、一个模式可以有很多个外模式；
2. 对模式中某一数据，在不同的外模式中结构、类型、长度、保密级别等都可以不同。

2）外模式与应用的关系？

一个外模式可以有多个应用系统所使用，一个应用程序只能使用一个外模式。

3）外模式的用途？

1. 每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据，简化用户视图；
2. 保证数据库安全性的一个有力措施。

（3）内模式（存储模式）

一个数据库只有一个内模式。

4、数据库的二级映像功能与数据独立性

（1）三级模式是对数据的三个抽象级别。

（2）数据库管理系统内部提供二级映像？

1. 外模式/模式映像；
2. 模式/内模式映像；

（3）外模式/模式映像

1)保证数据的逻辑独立性？

1. 当模式改变时，数据库管理员对外模式/模式映像作相应改变，使外模式保持不变；
2. 应用程序是依据数据的外模式编写的，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。

(4)模式/内模式映像

1)保证数据的物理独立性？

1. 当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），数据库管理员修改模式/内模式映像，使模式保持不变。
2. 模式不变，则应用程序不变。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。

（5）数据库的二级映像功能与数据独立性

1）保证了应用程序的稳定性

除非应用需求本身发生变化，否则应用程序一般不需要修改。

2）从程序为中心–发展为以数据为中心

具有了数据与程序之间的独立性，使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去。

3）数据的存取由数据库管理系统管理

1. 简化了应用程序的编制；
2. 大大减少了应用程序的维护和修改。

【课后练习】

1、数据的逻辑独立性是指？
模式改变，外模式和应用程序不变。
2、什么叫数据与程序的物理独立性？什么叫数据与程序的逻辑独立性？ 为什么数据库系统具有数据与程序的独立性？

1. 数据与程序的物理独立性： 当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），数据库管理员修改模式/内模式映像，使模式保持不变，从而应用程序不变。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。
2. 数据与程序的逻辑独立性： 当模式改变时，数据库管理员对外模式/模式映像作相应改变，使外模式保持不变；应用程序是依据数据的外模式编写的，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。
3. 数据库系统具有数据与程序的独立性： 因为数据库管理系统提供的两级映像功能保证了数据的物理独立性和逻辑独立性，从而保证了应用程序的稳定性；而且数据的存取由数据库管理系统管理，从而简化了应用程序的编制，大大减少了应用程序的维护和修改。

四、第四讲：数据库系统的组成

（一）数据库系统的组成

1、数据库系统的组成？

1. 数据库
2. 数据库管理系统（及其开发工具）
3. 应用程序
4. 数据库管理员

2、硬件平台及数据库

（1）数据库系统对硬件资源的要求？

1. 足够大的内存；
2. 足够大的磁盘或磁盘阵列等外部设备；
3. 较高的通道能力，提高数据传送率；

3、软件

1. 数据库管理软件；
2. 支持数据库管理系统运行的操作系统；
3. 与数据库接口的高级语言及其编译系统；
4. 以数据库管理系统为核心的应用开发工具；
5. 为特定应用环境开发的数据库应用系统；

4、人员

1. 数据库管理员（DBA）；
   
2. 系统分析员和数据库设计人员；
3. 应用程序员；
4. 最终用户；

【课后练习】

1、数据库系统由数据库、数据库管理系统、应用系统和什么组成？
数据库管理员。

单元测验1答案