数据库概论（零基础入门）

数据库

一、数据库系统绪论

描述事物的符号记录，数据与其语义是不可分的

1.1 什么是数据库

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。
数据库中数据基本特点：永久存储、有组织和可共享三个基本特点。数据库中数据都是按照某一种数据模型来组织、描述和存储的。

1.2 什么是数据库管理系统(DBMS)及主要功能

科学地组织和存储数据，高效的获取和维护数据，是位于用户和操作系统之间的一层数据管理软件。

1. 数据定义功能

2. 数据组织、存储和管理功能

3. 数据操纵功能

4. 数据库的事务管理和运行管理

5. 数据库的建立和维护功能

6. 其他功能（例如通信功能等）

1.3 什么是数据库系统(DBS)

数据库系统是由数据库DB、数据库管理系统DBMS（及其应用开发工具）、应用程序和数据库管理员组成的存储、管理、处理和维护数据的系统

1.4 数据管理的发展过程及对比

对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，它是数据处理的中心问题。数据处理是指对各种数据进行收集、存储、加工和传播的一系列活动的总和。主要有三个阶段，人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系统阶段

特点	人工管理阶段	文件系统阶段	数据库系统阶段
管理者	程序员	文件系统	数据库管理系统
数据面向对象	某一应用程序	某一应用	部门企业
数据的共享程度	无共享，冗余度极大	共享性差，冗余度答	共享性高，冗余度低
数据独立性	不独立	独立性差	具有高度的物理独立性和一定的逻辑独立性
数据结构化	无结构	记录内有结构、整体无结构	整体结构化，用数据模型描述
数据控制能力	应用程序自己控制	应用程序自己控制	DBMS提供数据安全性、完整性、并发控制和恢复能力

1.5 数据库系统特点

1. 数据结构化（与文件系统的本质区别）

2. 共享性高，冗余度低且易扩展

3. 数据独立性高（独立性指应用程序与逻辑结构、物理存储相互独立）

   不会因为系统数据存储结构与数据逻辑结构的变化而影响应用程序

4. 数据统一管理和控制

   数据的安全性保护，数据的完整性检查，并发控制和数据库的恢复

1.6 使用数据库系统优点

1. 使用数据库系统可以大大提高应用开发的效率
2. 当数据逻辑结构需要改变是，开发人员不必修改应用程序，或者只需要修改很少一部分
3. 使用数据库系统可以减轻DBA维护系统的负担

二、 数据模型

2.1 数据模型是什么

数据模型是数据库用来对现实世界进行抽象的的工具，是数据库中用于提供信息表示和操作手段的形式框架

数据模型的数据库系统的核心和基础

概念模型是什么

表示方法，实体-联系方法，该方法用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

• 实体

  客观存在并可相互区别的事务称为实体

• 属性

  实体所具有的某一特性称为属性

• 码

  唯一标识实体的属性集称为码

• 实体型

  用实体名及其属性集合来抽象和刻画同类实体，称为实体性

• 实体集

  同一类型实体的集合称为实体集

• 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，一对一，一对多，多对多

2.2 数据模型分为两类

逻辑模型和物理模型

• 逻辑模型：层次模型、网状模型、关系模型、面向对象数据模型、对象关系数据模型、半结构化数据模型等
• 物理模型：是对数据最底层的抽象。描述了数据在系统内部的表示方式和存取方法

2.3 数据模型的三大组成要素

数据模型是严格定义的一组概念的集合

• 数据结构

  描述数据库的组成对象以及对象之间的联系，静态特性

• 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几个，包括操作及有关的操作规则，动态特性

  对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合

  数据操作的类型

  • 查询
  • 更新（包括插入、删除、修改）

  数据操作语言

  • 查询语言–Query Language
  • 更新语言–DML

• 数据的完整性约束条件

  数据的完整性约束是一族完整性的规则

2.4 各模型优缺点

• 像一颗倒立的树，结点的双亲是唯一的
• 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点
• 根以外的其他结点有且只有一个双亲结点两个条件的记录以及它们之间联系的集合为层次模型

优点：

1. 数据结构简单清晰
2. 查询效率高
3. 提供了良好的完整性支持

缺点：

1. 现实世界中很多联系时非层次化的
2. 程序编写复杂，如果一个节点具有多个双亲节点，只能引入冗余数据。插入删除限制多
3. 查询子女节点必须通过双亲节点
4. 由于结构严密，层次命令趋向于结构化

网状模型

典型的代表是DBTG 系统

特点

• 允许多个结点没有双亲结点
• 允许一个结点有多个双亲结点
• 允许两个结点之间有多种联系
• 要为每个联系命名并指出该联系有关的双亲记录和子女记录

优点：

1. 能够更为直接的描述现实世界
2. 具有良好的性能，存取效率较高

缺点：

1. 结构比较复杂
2. 语言复杂，不好掌握使用
3. 用户需要了解系统结构的细节，因为联系是通过存取路径实现的

关系模型

特点

• 关系模型要求关系必须是规范化
• 关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项
• 操作对象和操作结果都是关系
• 关系模型把存取路径向用户隐蔽起来，用户只要指出干什么或找什么，不必详细说明怎么干或怎么找

优点：

1. 建立在严格的数据概念基础上
2. 概念单一
3. 存取路径对用户透明，简化工作

缺点：

存取路径隐蔽，导致查询效率不高，为了提升性能，DMBS必须对用户查询请求进行优化

三、 数据库系统的结构

3.1 数据库系统模式的概念

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(type)的描述，不涉及具体的值。模式的一个具体值称为模式的一个实例。

3.2 三级模式结构

模式、外模式、内模式

模式

模式也称逻辑模式，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，一般，某个应用的数据库有一个模式。

外模式（外模式也称用户模式）

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。

外模式与模式的关系

• 外模式通常是模式的子集、一个数据库可以有多个外模式
• 对模式中的同一种数据，在不同的外模式中结构，类型，长度，保密级别都可以不同

外模式与应用的关系

• 一个外模式可以为多个应用系统所使用，一个应用程序只能使用一个外模式

内模式（也称存储模式）

• 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。
• 记录的存储方式（顺序存储，堆存储，按hash 方法存储）
• 索引的组织方式（B+树，Bitmap，Hash）
• 数据是否压缩存储
• 数据是否加密
• 数据存储记录结构的规定，记录是否可以跨页存放等

在数据库系统中，通常用三级模式来描述数据库，其中外模式是用户与数据库的接口，是应用程序可见到的数据描述，概念模式是对数据整体的逻辑结构的描述，而内模式描述了数据的物理结构

3.3 数据库的二级映像功能与数据独立性

• 外模式/模式映像
  模式改变，对映象做修改，可以保证外模式不变，保证了数据的逻辑独立性。

  • 保证数据的逻辑独立性

    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，应用程序不必修改与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性

  • 有一个外模式/模式映像定义外模式与模式之间的对应关系，映像定义通常包含在个外模式的描述中

• 模式/内模式映象
  内模式改变（数据库的存储结构改变），对映象做修改，可以保持模式不变，保证了物理独立性。

  • 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

3.4 数据库系统的组成

1. 数据库是由数据库、数据库管理系统(及其开发工具)、应用程序、数据库管理员组成
   程序不必修改与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性

• 有一个外模式/模式映像定义外模式与模式之间的对应关系，映像定义通常包含在个外模式的描述中

• 模式/内模式映象
  内模式改变（数据库的存储结构改变），对映象做修改，可以保持模式不变，保证了物理独立性。

  • 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

3.4 数据库系统的组成

1. 数据库是由数据库、数据库管理系统(及其开发工具)、应用程序、数据库管理员组成
2. 硬件平台及数据库、软件、人员