第1章数据库技术概述

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原创最新推荐文章于 2026-01-19 15:02:00 发布 1.3k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

深入理解数据库：从基础到高级应用 数据库，简而言之，就是存储、组织和管理数据的仓库。按照数据存储结构的不同，我们可以将数据库分为关系型数据库（RDBMS）和非关系型数据库（NoSQL）两大类。关系型数据库以表格形式存储数据，遵循严格的数据关系模型，如MySQL、Oracle、SQL Server等；而非关系型数据库则更加灵活，支持多种数据模型，如MongoDB的文档型、Redis的键值对等。阅读详情

学习目标

知识：（1）理解数据库基本概念，掌握数据库系统组成及功能。（2）了解数据存储管理技术发展，理解程序、文件系统、数据库系统管理数据的不同特点。（3）理解理解数据库系统三层体系结构（三级模式）以及各层的功能。（4）理解两层映像的功能以及数据独立性的实现方式。

素养：关注数据库技术在现实生活或专业领域中的应用、国内外主流数据库产品，愿意主动学习数据库技术相关内容。

重难点：（1）数据库基本概念；（2）数据库系统管理数据的主要特点； （3）数据库系统三层体系结构与两层映像。

一、数据库的基本概念

数据管理：存储在计算机中的数据，需要进行查询、修改、重组、合并、备份、还原、传输等应用操作，为了更好地发挥数据价值而进行的操作。

数据管理就是把数据更方便、更高效、更安全地组织起来，实现对数据更好的应用。

1. 信息和数据

(1) 信息(Information)

信息是人脑对现实世界中的客观事物及事物之间联系的抽象反映。

通俗理解：信息是以文字、声音、图片、视频等为载体所传递的意思。

信息具有传递性、时效性和有用性。

(2) 数据(Data)

描述事物的符号称为数据，以文字、图形、图像、音频、视频等表现形式。

数据是信息的载体，信息隐藏在数据中。数据是事物的表象，信息反映的是事物的本质。

2. 数据库(DataBase ，DB)

长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量的数据集合

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

位于用户与操作系统之间的数据库管理软件。

为用户和程序提供访问数据库的一个软件平台，方便创建、维护、检索、存取数据。

管理功能包括数据组织与存储、安全保护、并发控制、数据操作等；

4. 数据库系统(DataBase System，DBS)

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、处理和维护数据的计算机系统。

5. 数据库系统的组成

（1）硬件平台及数据库

数据库系统对硬件资源的要求：足够大的内存、足够大的外存、较高的通道能力，提高数据传送率

（2）软件

DBMS、操作系统、与数据库接口的高级语言及其编译系统、以DBMS为核心的应用开发工具、为特定应用环境开发的数据库应用系统

（3）人员

数据库管理员、系统分析员、数据库设计人员、应用程序员、最终用户

二、数据管理技术的产生及发展

数据管理：对数据进行存储、组织和维护的技术，它在数据应用和信息处理中发挥巨大的作用。

1. 程序管理阶段（ 20世纪40年代中—50年代中）

背景：无存储设备，无操作系统，科学计算。

特点：应用程序保存、管理数据，程序与其数据不可分割。

缺点：数据依赖程序，不独立，不能共享，冗余度极大。

2. 文件系统管理阶段（ 20世纪50年代末—60年代中）

背景：出现磁盘，操作系统，高级语言。

特点：数据以独立的文件存放在磁盘上。由文件系统负责存取数据，数据可重复使用。

缺点：数据共享性差，冗余度大，无集中管理。

3. 数据库系统阶段（ 20世纪60年代后期至今）

背景：大容量磁盘、DBMS出现，大规模管理。

特点：数据结构化，由DBMS统一管理；共享性高、冗余性低，数据独立性高。

4. 数据库系统的特点

（1）数据结构化。

不仅数据内部有结构，数据与数据之间也是有结构的，整体有结构。

（2）数据的共享性高、冗余度低且易扩充。

数据可以被多个用户、应用程序共享使用，大大减少冗余，避免数据的不一致性。

（3）数据独立性高。

数据与使用数据的应用程序之间有一定的独立性，当数据的结构发生改变，应用程序不必修改依然可以访问数据。

（4）数据由数据库管理系统统一管理和控制，高效、安全性、并发性

三、数据库系统的体系结构

数据库系统通常采用三层体系结构：即物理层、概念层、用户层

数据库总体设称为数据库模式，通常采用三级模式结构（内模式、模式和外模式）

1.模式

“型” 和“值” 的概念：（可以看做变量名和变量的值）

型(Type) 是对某一类数据的结构和属性的说明。值(Value) 是型的一个具体赋值。

模式(Schema)：

数据库的总体设计描述称为数据库模式数据库逻辑结构和特征的描述；反映的是数据的结构及其联系；是型的描述，是相对稳定的。

模式的一个实例(Instance)：

特定时刻存储在数据库中的数据的集合模式的一个具体值；反映数据库某一时刻的状态；同一个模式可以有很多实例；实例随数据库中的数据的更新而变动。

例如：

在综合教务管理系统数据库模式中，包含学生记录、课程记录和学生选课记录。

2023年的一个学生数据库实例，包含：

2023年学校中所有学生的记录。

2023年学校开设的所有课程的记录。

2023年所有学生选课的记录。

2022年学生数据库模式实例，包含：

2022年学校中所有学生的记录。

2022年学校开设的所有课程的记录。

2022年所有学生选课的记录。

2.三层体系结构<—>三级模式

把数据库划分为三个层次，物理层、概念层、用户层。

特定时刻存储在数据库中的数据的集合称为数据库的一个实例，而数据库的总体设计描述称为数据库模式。

数据库抽象出的三个层次，对应三类模式。物理层对应内模式，概念层对应概念模式，用户层对应外模式。

1）用户层（外模式）

该层面向不同用户提供访问数据库的视图，用于局部数据的逻辑结构和特征的描述。包含若干个不同的数据库视图，每个视图为对应的用户提供其所需要的数据，与应用程序有关。

相同的数据，在不同视图中的呈现形式可能不同，例如同一个日期，在“视图1”中呈现为“年/月/日”的形式，在“视图2”中可能呈现为“月/日/年”的形式。

2）概念层（模式/逻辑模式）

该层面向数据库管理员，描述整个数据库全部数据的逻辑结构和特征描述，所有用户的公共数据视图。该层通常需要提供：

（1）实体及其属性以及联系的描述；（2）数据完整性的描述；（3）数据语义的描述；（4）安全性描述。

3）物理层（内模式）

用于数据物理结构和存储方式的描述，需要考虑存储设备上的数据结构与文件组织问题、如何实现数据库最佳运行时性能和存储利用率。主要涉及以下问题：

（1）数据及索引的存储空间分配；（2）数据记录的存储方式描述；（3）数据记录的存储结构；（4）数据压缩、数据加密等技术。

模式：一个数据库只有一个模式。

模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层。

与数据的物理存储细节和硬件环境无关；与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关。

定义模式：定义数据的逻辑结构(数据项的名字、类型、取值范围等)；定义数据之间的联系；定义数据有关的安全性、完整性要求。

外模式：是与某一应用有关的数据的逻辑表示。

外模式介于模式与应用程序之间；一个数据库可以有多个外模式。

模式与外模式的关系：一对多

外模式通常是模式的子集。外模式是保证数据安全性的一个有力措施。

内模式：也称存储模式

定义内模式：存储方式（顺序存储、B树存储、hash存储）；索引组织；数据压缩、加密

一个数据库只有一个内模式。

3.两级映像

DBMS的工作模式：模式转换需求

用户对数据库进行的访问操作，是由DBMS把数据库操作从应用程序带到用户层、然后到概念层、再导向物理层，进而通过操作系统操纵存储器中的数据库。

数据库的三层结构定义了数据库的三个抽象层次。这三层之间通过一定的规则进行相互转化，这种规则称为映像。

外模式/模式映象：实现外模式到模式之间的相互转换
模式/内模式映像：实现模式和内模式之间相互转换。

1.外模式／模式映象：

定义外模式与模式之间的对应关系。
每一个外模式都对应一个外模式／模式映象。
映象定义通常包含在各自外模式的描述中。
保证数据与程序之间的逻辑独立性
当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式／模式映象，使外模式保持不变；应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。

2.模式／内模式映象：

定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。
数据库中模式／内模式映象是唯一的。
该映象定义通常包含在模式描述中。
保证数据的物理独立性
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／内模式映象，使模式保持不变；
应用程序不受影响，保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。