数据库系统原理与设计-第一章 数据库系统概述

预备知识SQL
Structured Query Language (SQL)

• 关系型资料库管理系统(RDBMS)
  • MySQL
  • Oracle
  • PostgreSQL
  • SQL Server
• 非关系型资料库管理系统(NRDBMS)
  • MogoDB
  • Redis
  • DynamoDB
  • Elaticsearch
• SQL是一种语言，用于和关系型资料库管理系统沟通，非关系型资料库管理系统由其各自语言沟通。
  

• 重点与难点
  • 一组概念的区分：数据库、数据库系统和数据库管理系统？
  • 熟悉“表”的相关要素及术语
  • 熟悉数据库系统的构成（工作环境)
  • 了解数据库管理系统的功能：从用户角度和从系统角度
• 本章导读
  • 本章主要介绍数据库系统最基本、最重要的概念，例如什么是数据、数据管理、数据库、数据模型、数据独立性、数据库的模式、数据库管理系统和数据库系统。
    • 数据模型是数据库的组织基础，根据数据抽象的不同级别，可以将数据模型划分为3层：概念模型、逻辑模型和物理模型。
    • 数据库是最基本的概念，在理解数据抽象的基础上掌握什么是数据库的三级模式和两层映像。
    • 数据库管理系统是数据库系统的核心，数据库管理系统有哪些组成与主要功能；数据库系统是数据库技术的应用系统，要求掌握数据库系统中各个部分有什么作用，特别是DBA的职责。
      

1.1 数据库系统的作用

1.1.1 数据与数据管理

数据

• 数据：描述事物的符号记录，如数值数据、文本数据和多媒体数据（如图形、图像、音频和视频)等。
• 数据是数据库中存储的基本对象，也是数据库管理系统处理的对象。

• 数据与其语义是不可分的。 数据的表现形式不能完全表达其内容，其含义即语义需要经过解释才能被正确理解。例如，“1976年9月”可能是指某人的出生年月，也可能指毕业年月，还可能指参加工作年月等。对于以表格形式描述的对象，表头栏目名就是对表中数据的语义解释。
• 记录（行/元组）（recode）：计算机中表示和存储数据的一种格式或方法，是数据库表中的行。这样的数据是有结构的，是结构化数据。
• 结构化数据
  • 结构化数据：即行数据，存储在数据库中，可以用二维表结构来逻辑表达实现的数据。表格描述的数据称为结构化数据。
  • 非结构化数据：相对于结构化数据而言，不方便用数据库二维逻辑表来表现的数据，包括所有格式的办公文档、文本、图片、标准通用标记语言下的子集XML、HTML、各类报表、图像和音频/视频信息等等。
  • 半结构化数据：就是介于完全结构化数据（如关系型数据库、面向对象数据库中的数据)和完全无结构的数据（如自然语言文本、音频、视频、图像文件等)之间的数据，XML文档就属于典型的半结构化数据，它一般是自描述的，数据的结构（即语义）和内容混在一起。

数据管理

• 数据处理：从大量的、可能是杂乱无章的、难以理解的数据中抽取并推导出对于某些特定的人们来说有价值、有意义的数据。
  数据管理：对数据进行有效的分类、组织、编码、存储、检索、维护和应用——数据处理的中心问题。
  数据管理技术的发展及其应用的广度和深度，极大地影响着人类社会发展的进程。

1.1.2 数据库技术的产生与发展

1. 人工管理阶段

• 20世纪50年代中期以前的这段时间。
• 计算机还很简陋，尚没有完整的操作系统，主要应用于科学计算。
• 数据是面向应用程序的，一个数据集只能对应于一个程序
• 数据由应用程序定义和管理。
• 无法共享利用，存在大量冗余数据
  

2. 文件系统阶段

• 20世纪50年代后期到60年代中期的这段时间。
• 计算机开始应用于数据管理
• 文件系统阶段程序与数据之间的关系如图1-2所示。
  
• 对于一个特定的应用，数据被集中组织存放在多个数据文件（以后简称为文件）或文件组中，并针对该文件组来开发特定的应用程序。
• 利用“按文件名访问，按记录进行存取”的管理技术，对文件进行记录的修改、插入和删除等操作。
• 文件系统的主要特点
  • 文件系统实现了文件内的结构性，即一个文件内的数据是按记录进行组织的，这样的数据是有结构的（语义的)，数据的语义是明确的。
    
  • 整体上还是无结构的，即多个文件之间是相互独立的，无法建立全局的结构化在这里插入图片描述
    数据管理模式。
  • 程序和数据之间由文件系统提供的存取方法进行转换，不必过多地考虑数据的物理存储细节。应用程序与数据之间有了一定的物理独立性
• 文件系统的弊端
  • 数据共享性差，数据冗余和不一致
    数据冗余是指相同的数据在不同的地方（文件）重复存储
    文件基本上对应于一个应用程序，不同应用程序之间很难共享相同数据
  • 数据独立性差
    文件系统中的文件组是为某一特定应用服务的，不易扩充，数据与应用程序之间缺乏逻辑独立性
  • 数据孤立，数据获取困难
    对于数据与数据之间的联系，文件系统仍缺乏有效的管理手段
  • 完整性问题
    数据的完整性是指数据的正确性、有效性和相容性，也称为一致性约束
    例如，一个学生需要选修某门课程，必须在时间上与其它已经选修的课程不冲突时才能选修
  • 安全性问题
    一个系统可能有很多用户，不同用户可能只允许其访问一部分数据，即该用户只有一部分数据的访问权限
  • 原子性问题
    例如，学生选课时，增加选课记录与选课人数加1两个操作要么都发生，要么都不发生，这就是学生选课操作的原子性要求
  • 并发访问异常
    系统应该允许多个用户同时访问数据，在这样的环境中由于并发更新操作相互影响，可能会导致数据的不一致

3. 数据库管理系统阶段

• 20世纪60年代后期以来
• 数据库管理系统(DBMS)：是由一个相互关联的数据的集合(数据库，DB)和一组用以访问、管理和控制这些数据的程序组成
• 数据库
  • 数据库(Database,简称DB)：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
• 数据库管理系统(DBMS)
  • DBMS是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，它提供一个高效存取、管理和控制数据库信息的环境
  • DBMS和操作系统一样，都是计算机的基础软件（系统软件)，是一个大型复杂的软件系统
• 设计数据库管理系统的目的是为了有效地管理大量的数据，既涉及到数据存储结构的定义，又涉及到数据操作机制的提供
• 解决