《数据库系统概论》笔记 1 -- 绪论

1.1 数据库概述

1.1.1 数据库 4 个基本概念

1. 数据

描述事物的符号记录称为数据。

数据的含义称为语义，数据与语义不可分。

2. 数据库（DataBase，DB）

数据库是存放数据的仓库。

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。

数据库的数据按照一定的数据模型组织、描述和储存，具有较小冗余度，较高数据独立性和易扩展性，可为多用户共享。

3. 数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）

数据库管理系统的功能：

• 数据定义功能：提供数据定义语言（Data Definition Language，DDL），通过它对数据库中的数据对象的组成与结构进行定义。
• 数据组织、存储和管理：分类组织存储和管理各种数据，包括数据字典、用户数据、数据存取路径等。要确定以何种文件结构和存取方式在存储级上组织数据，如何实现数据之间的联系。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（索引查找、hash查找、顺序查找等）来提高存取效率。
• 数据操纵功能：提供数据操纵语言（Data Manipulation Language，DML），实现对数据库的基本操作（增删改查）。
• 数据库的事务管理和运行管理：数据库由 DBMS 统一管理和控制，保证事务的正确性，保证数据的安全性、完整性、多用户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：包括初始数据的输入、转换功能，数据库的转储、恢复功能，数据库的重组织和性能监视、分析功能等，通常由实用程序和管理工具完成。
• 其他功能：在网络中与其他软件系统的通信功能，多个数据库管理系统或文件系统的数据转换功能，异构数据库之间的互访和互操作功能等。

4. 数据库系统（DataBase System，DBS）

数据库系统由数据库、数据库管理系统（及其应用开发工具）、应用程序和数据库管理员（DataBase Administrator，DBA）组成的存储、管理、处理和维护数据的系统。

1.1.2 数据库系统的特点

文件系统与数据库系统相比的特点：

• 局部结构性：单个文件内部的记录的结构性，但是不同文件之间的联系需要根据应用程序需要在程序中编写，缺乏整体的结构性。

• 数据共享性差，冗余度高：一个（或一组）文件基本对应一个应用程序。即使其他应用程序拥有部分相同的数据，也必须建立自身对应的文件，因此冗余度大，同时容易造成数据的不一致性。

• 独立性差：增加数据（改变文件的逻辑结构）需要更改文件结构的定义，同时修改应用程序对文件使用的方式。造成文件系统与应用程序之间的缺乏独立性。

数据库系统的特点：

1. 数据结构化：具有整体结构化，指的是数据不仅仅针对单个应用，而是面向整个现实世界的组织的多个应用场景，如学生信息被教务处、学生处多处使用，与不同的数据存在联系，在数据库建立的同时就考虑到这种关系，从而可以为多个应用所使用。另外数据内部也是结构化的，如学生信息包含了学号、姓名等。存取数据方式灵活，可以存取一个或一组数据项、一个或一组记录，实现多粒度的存取。

2. 数据共享性高、冗余度低且易扩充：因为数据面向整个组织，所以共享度高；同时不同应用的相同数据可以共享，冗余度低；因为数据是共享的，多粒度存取的，增加新应用时可以选择数据的子集，便于扩充和更改的需求。

3. 数据独立性高：包括物理独立性和逻辑独立性。物理独立性指应用程序和数据库中的数据的物理存储相互独立，数据库中的数据如何在数据库中存储由 DBMS 决定，用户只需要决定数据的逻辑结构即可，这样物理存储的结构改变应用程序不用做出相应改变；逻辑独立性是指用户的应用程序（通常与应用程序和用户程序同义）与数据库的逻辑结构相互独立，即数据的逻辑结构改变，应用程序的逻辑结构可以不变。数据独立性由 DBMS 的二级映像功能来保证。

4. 数据由 DBMS 统一管理和控制：

   1. 数据的安全性保护：通过存取控制给不同用户设置权限达到。
   2. 数据的完整性检查：通过完整性约束条件进行。
   3. 数据存取的并发控制：各种锁机制和协议。
   4. 数据库恢复：出现故障时的各种恢复技术实现。

1.2 数据模型

数据模型是对现实数据特征的抽象，是数据库系统的核心和基础。

1.2.1 两类数据模型

根据模型应用的不同目的，分为两大类，第一类是概念模型，第二类是逻辑模型和物理模型。

由用户和数据库设计人员决定：

• 概念模型：按照用户观点对数据和信息建模，用于数据库设计，如学生信息包含学号姓名等。

由 DBMS 决定，选定了 DBMS 以下模型就得以确定：

• 逻辑模型：根据模型结构命名，主要有层次模型、网状模型、关系模型，用于数据库管理系统的实现，指 DBMS 应该以什么形式组织和记录数据之间的关系。
• 物理模型：描述了在磁盘上的存储方式和存取方法，面向计算机系统。

1.2.2 概念模型

概念模型是对现实世界到信息世界的第一层抽象，信息世界的主要概念：

• 实体：客观存在且能相互区别的事物，如一个学生、一个老师、一门课，或一次选课记录、一个订单、学生和院系的关系。

• 属性：描述实体的某个特性。

• 码：能唯一标识实体的属性集称为码。

• 实体型：实体名和属性名的集合描述同类实体。

• 实体集：同一类型的实体的集合。

• 联系：实体内部的联系和实体之间的联系。分别指实体中各属性之间的联系和不同实体集之间的联系。

  实体间联系有一对一、一对多和多对多三种类型。

1.2.3 数据模型的组成要素

通常由数据结构、数据操作和完整性约束条件组成。

这里的数据模型指的是逻辑模型。

1. 数据结构：描述数据库的组成对象以及对象之间的关系，是系统静态特性的描述。
2. 数据操作：对数据库中的对象进行的操作的集合，包括查询和更新（增删改）两类，是系统动态特性的描述。
3. 完整性约束条件：是数据模型对数据及其联系的制约和依存规则，限定数据库状态以及状态的变化。

1.2.4 常用的数据模型

主要的逻辑数据模型有：

• 层次模型
• 网状模型
• 关系模型

其中层次模型和网状模型统称为格式化模型。

格式化模型中实体用记录表示，实体属性对应记录的数据项（或字段）。实体之间的联系转换成记录之间的联系。数据结构的单位是基本层次联系。基本层次联系指两个记录及它们之间的一对多（包括一对一）的联系。

1.3 数据库系统的结构

1.3.1 数据库系统模式

数据模型有型和值的概念。型指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（schema）是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，仅涉及型。模式的一个具体值称为一个实例（instance）。同一个模式可以有多个实例。

模式是相对稳定的，实例是相对变动的。模式反映的是数据的结构及其联系，实例反映的是数据库某一时刻的状态。

1.3.2 数据库系统的三级模式结构

数据库系统的三级模式结构指数据库系统由外模式、模式和内模式三级构成。

1. 模式

模式也称逻辑模式，是数据库全体数据的逻辑结构和特征的描述。

模式是数据库在逻辑级上的视图，数据库模式是以某种数据模型为基础的。

2. 外模式

外模式也称为子模式或用户模式，是数据库用户能够看到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。

外模式通常是模式的子集，一个数据库可以有多个外模式，对应各个用户的视图。外模式是保证数据库安全性的有力措施。

3. 内模式

内模式也称存储模式，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组织方式。

1.3.3 数据库的二级映像与数据独立性

1. 外模式 / 模式映像

对每一个外模式，都有一个外模式 / 模式映像，定义了局部逻辑结构和全体逻辑结构的对应关系。通常包含在外模式的描述中。

当模式改变时由 DBA 改变映像使外模式保持不变，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性。

2. 模式 / 内模式映像

该映像是唯一的，定义了全体逻辑结构和物理结构的对应关系，包含在模式的描述中。

当存储结构改变时，由 DBA 改变映像使模式保持不变，从而外模式不用改变，应用程序也不必修改，保证了数据与程序的物理独立性。