数据库系统概论
数据库的四个基本概念
1.数据（data）
2.数据库（database）
3.数据库管理系统（database management system）
4.数据库系统（database system）
数据
定义：数据库中存储的基本对象，是描述事物的符号记录。
种类：包含数字，文字，图像，视频，学生的档案记录等
数据的语义
数据的含义称为数据的语义，数据和其语义不可分割。例如93表示某人某门课的成绩，可以表示某个人的体重等。
数据是有结构的：记录是计算机中存储数据的一种结构或者方法。
计算机中常中记录来描述事物，如学生的档案记录：（李明，男，199505，江苏省南京市）其对应的语义：学生姓名，性别，出生年月，籍贯
数据库
长期存储在计算机内，有组织的，可共享的大量数据的集合。以供进一步加工处理，抽取有用的信息。
数据库的基本特征：数据按一定的数据模型组织，描述，存储。可为各种用户共享，冗余度小，易扩展，数据独立性高。
数据库管理系统
位于操作系统与用户之间的一层数据管理软件
用途：科学地组织和存储数据，高效地获取和维护数据。
数据库管理系统的主要功能：
1.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。
2.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取方式。实现数据之间的联系。提供多种存取方法提高存取效率。
3.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）
4.数据库的事务管理和运行管理
数据的安全性，完整性，多用户对数据的并发使用。发生故障后的系统恢复数据库。
5.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，数据库转存储，介质故障恢复，数据库的重组织和性能监视。
6.其他功能
数据库管理系统与网络中其他软件系统的通信。数据库管理系统系统之间的数据转换。异构数据库之间的互访和互操作。
数据库系统（常常把数据库系统简称为数据库）
数据库系统的构成：数据库，数据库管理系统，应用程序，数据库管理员（database administrator DBA）
数据管理的三个阶段：
1.人工管理阶段：无操作系统，数据的管理者是用户，数据的管理方式是批处理，数据面向的对象是某一应用程序，数据无共享，且冗余度极大。
2.文件管理阶段：有文件系统，数据的管理方式是批处理和实时处理，数据的管理者是文件系统，数据面向的对象是，某一应用，数据的共享性差，冗余度大。
3.数据库系统阶段：有数据库管理系统，数据管理方式是实时处理，分布处理，批处理。数据管理者是数据库管理系统，面向的对象是现实世界（一个企业，跨国公司），数据的共享性高，冗余度小。
数据库系统阶段：
数据库系统的特点
1.数据结构化 2.数据的共享性高 3.数据的独立性高 4.数据由数据库管理系统统一管理和控制
数据结构化：数据的整体结构化是数据库的主要特征之一。
1.不再针对某一应用，而是面向整个企业或者组织
2.不仅数据内部结构化，整体也是整体结构化，且数据之间有联系。
3.数据记录可以变长
4…数据的最小存取单位是数据项
数据用数据模型描述，无需应用程序定义。
数据的共享性高，冗余度高，多个应用共享使用。
数据共享的好处：
1.减少数据冗余，节约存储时间
2.减少数据之间的不相容性和不一致性
3.使系统易于扩充。（可以使不同的应用更方便地加入进来）
数据的独立性高
1.物理独立性：指用户的应用程序与数据库中数据的物理存储相互独立。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。
2.逻辑独立性：指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，应用程序不用改变。
数据独立性由数据库管理系统的二级功能影像来保证。
数据由数据库管理系统统一管理和控制
1.数据的安全性保护：保护数据以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。
2.数据的完整性检查：保证数据的正确性，有效性和相容性。
3.并发控制：对多用户的并发操作加以控制和协调，防止相互干扰而得到错误的的结果。
4.数据库恢复：将数据库从错误状态恢复到某一已知正确的状态。
数据模型
数据模型是对现实世界数据特征的抽象，是对现实的模拟。数据模型是数据库系统的核心和基础。
数据模型由不同层次可以分为两类：
1.概念模型（由用户观点对数据建模） 2.逻辑模型和物理模型
逻辑模型（按计算机系统的观点对数据建模）：网状模型，层次模型，关系模型，面向对象数据模型，对象数据模型，半结构话模型等
物理模型（描述数据在磁盘上的表示方式和存取方式）：对数据最底层的抽象。
信息世界中的基本概念
1.实体 （一个人，一个事物，一个抽象的概念，如一个学生，某个学院，某次考试，某门课程等）
2.属性：实体所具有的某一特性，一个实体可以有若干个属性来描述。
3.码：唯一标识实体的属性集称为码（如学生的学号，如果是姓名作为码，则数据库中不能有重名的人）。
4…实体型：用实体名及其属性名集合来抽象描述同类实体。如 学生（学号，姓名，性别，出生年月，籍贯），其中学生是实体型的名称，括号内的是属性名集合。
5.实体集：同一类型实体的集合（如一个班级里面的学生，有学号，姓名，性别，出生年月，籍贯等共有的属性）
6.联系：分为实体性内部和实体型之间的联系。
实体性内部的联系：组成实体的各属性之间的联系
实体型之间的联系：不同实体集之间的联系（一对一，一对多，多对多）
一对一：实体型A中的一个实体至多与实体型B中的一个实体关联，且实体型B中的一个实体至多与A中的一个实体关联
一对多：A中的一个实体与B中的n个实体关联，且B中的一个实体至多与A中的一个实体关联，实体型A与实体型B是一对多的联系（1:n）
多对多：实体型A中的一个实体与实体型B中的n个实体关联，且B中的一个实体与A中的m个实体关联，则称实体型A与实体型B是m：n的联系
ER图（entity-relationship approach）“用来表示概念模型的一种方法。
数据模型的组成要素
1.数据结构：描述系统的静态特性
2.数据操作：描述系统的动态特性
3.完整约束性
数据结构：数据结构的类型来描述数据模型：
层次结构：层次模型 网状结构：网状模型 关系结构：关系模型
数据操作：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（插入，删除，修改）
数据操作语言
数据的完整性约束条件：一组完整性规则的集合
完整性规则：给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则。用以限符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确，有效和相容。
常用的数据模型：
层次模型：用树形结构来表示各类实体和实体之间的联系
表示方法：
实体型：用记录类型描述，每个节点表示一个纪录类型（实体）
属性：用字段描述，每个记录类型可包含若干个字段
联系：用节点之间的连线来表示纪录类型（实体）之间的一对多的父子联系。
这里的系，学生等就是一个实体（纪录类型）
层次模型的数据操作：查询，插入，删除，更新
层次模型的完整性约束条件：
1.没有相应的双亲结点值就不能插入子女结点值
2.如果删除双亲结点值，对应子女结点的值也要删除掉。
3.更新操作时，应更新所有相应的记录。
优点：查询效率高，数据结构简单
缺点：结点之间的多对多联系表示不自然。对插入和删除操作的限制过多，查询子女结点必须通过双亲结点。
网状模型：采用网状结构来表示各类实体以及实体之间的联系
网状模型间接表示多对多联系。
方法：将多对多的联系分解为一对多的联系
例如：一个学生可以学习多门课程，某一课程可以被多个学生选取。
方法：引入一个学生选课的联结记录
数据操作和完整约束性
优点：能够更为直接描述现实世界，如一个节点可以有多个双亲。
具有良好的性能，存取效率高。
缺点：结构复杂，DDL，DML语言复杂，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。
关系模型（非常重要，数据库中的数据模型主要讲解关系数据库管理系统支持的关系模型）：在用户观点下：关系模型就是一个二维表。
关系模型的数据结构：
1.关系：一个关系通常为一个二维表
2.元组：表中的一行即为一个元组
3.属性：表中的一列即为一个属性，给每一个属性取名就叫属性名
4.主码（码）：表中的，它可以唯一确定一个元组（如学生的学号，如果是姓名作为码，则数据库中不能有重名的人）。
5.域：是一组具有相同数值类型的值的集合。如性别的域是（男，女）
6.分量：元组中的一个属性值
7.关系模式：关系名（属性1，属性2，） 学生（学号，年龄，性别，系别）
8.关系是规范化的，满足关系的每一个分量不可分割，不允许表中有表。
数据操作和完整性约束：
数据操作时集合操作，操作对象和操作结果都是关系
存取路径对用户屏蔽，用户只要说找什么，不用说怎么找，从而提高了数据的独立性。
优点：概念单一：实体和各类联系都用关系来表示，对数据的检索结果也是关系。
关系模型的存取路径对用户透明：具有更高的数据独立性
缺点：存取路径对用户透明，查询效率不如格式化数据模型（层次和网状），即效率不如层次和网状。
数据库系统的结构
从数据库应用开发角度看：数据库采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构。
从数据库最终用户角度看：有单用户结构，主从式结构，分布式结构，客户-服务器结构，浏览器-应用服务器/数据库服务器结构
数据库系统模式的概念
模式：是对数据库逻辑结构和特征的描述，是型的描述，不涉及具体值，模式相对稳定。
实例：数据库某一时刻的状态——模式的一个具体值，同一个模式可有很多实例，实例随数据库中的数据的更新而变动。
例：“学生选课数据库“模式：学生、课程和学生选课3个关系模式：
学生表：Student（Sno，Sname，Ssex，Sage，Sdept）
课程表：Course（Cno，Cname，Cpno，Ccredit）
学生选课表：SC（Sno，Cno，Grade）
2014年的学生选课数据库实例：2014年学校中所有学生的记录，2014年中学校开设的所有课程的记录，2014年所有学生选课的记录
2013年的学生选课数据库实例：2013年学校中所有学生的记录，2013年中学校开设的所有课程的记录，2013年所有学生选课的记录
其中2014年和2013年“学生选课数据库”模式对应的2个实例是不同的
数据库的三级模式结构：外模式，模式，内模式
模式（逻辑模式）：数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，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。
模式是数据库系统模式结构的中心：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，开发工具以及高级程序设计语言无关
定义模式：
1.DDL（数据库模式定义语言）定义数据的逻辑结构，以某种数据模型为基础，数据记录由哪些数据项构成，数据项的名字，类型，取值范围
2.定义数据之间的联系
3.定义与数据有关的安全性，完整性要求。
外模式
外模式：（子模式或者用户模式）
数据库用户使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述。数据用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑模式
外模式与模式的关系
外模式通常是模式的子集，一个模式可有多个外模式。反映了不同的用户的应用需求，看待数据的方式，对数据保密的要求。
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。
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外模式
模式的用途：每个用户只能看见和访问所对应的外模式的数据，简化用户视图，保证数据库安全性的一个有力措施。
内模式（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表示方法
1.记录的存储方法（例如顺序存储，堆存储，hash存储）
2.索引的组织方式（B＋树，hash等）
3.数据是否压缩存储
4.数据是否加密
5.数据存储记录结构的规定——如定长/变长，记录是否可以跨页存放等
一个数据库只有一个内模式
数据库的二级映像功能与数据独立性
三级模式是对数据的三个抽象级别
数据库管理系统内部提供二级映像（外模式/模式映像 模式/内模式映像）
外模式/模式映像
对每一个外模式，有一个外模式/模式映像来定义外模式与模式之间的对应关系，映像定义通常包含在各外模式的描述中
保证数据的独立性
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.应用程序时依据数据的外模式编写的，应用程序不必改，保证了程序与数据之间的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性
模式/内模式映像
模式/内模式映像：
定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系，如：说明某个逻辑记录如何对应何种存储结构
数据库中模式/内模式映像是唯一的
保证了数据物理独立性
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），数据库管路员修改模式/内模式映像，使模式保持不变。
2.模式不变，则应用程序不变。保证了数据域程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。
数据库的二级映像功能与数据独立性
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。
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从应用程序中分离出去。
数据的存取由数据库管理系统管理：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。
数据系统的组成
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
（1）硬件平台及数据库
数据库系统对硬件资源的要求
(1) 足够大的内存
操作系统
DBMS的核心模块
数据缓冲区
应用程序
(2) 足够大的外存
磁盘或磁盘阵列
数据库
光盘、磁带
数据备份
(3) 较高的通道能力，提高数据传送率
（2） 软件
DBMS
支持DBMS运行的操作系统
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
系统分析员和数据库设计人员
应用程序员
用户
① 数据库管理员(DBA)
具体职责：
1.决定数据库中的信息内容和结构
2.决定数据库的存储结构和存取策略
3.定义数据的安全性要求和完整性约束条件
4.监控数据库的使用和运行
周期性转储数据库
数据文件
日志文件
系统故障恢复
介质故障恢复
监视审计文件
5.数据库的改进和重组
性能监控和调优
定期对数据库进行重组织，以提高系统的性能
需求增加和改变时，数据库须需要重构造
② 系统分析员
具体职责：
负责应用系统的需求分析和规范说明
与用户及DBA协商，确定系统的硬软件配置
参与数据库系统的概要设计
③ 数据库设计人员
具体职责：
参加用户需求调查和系统分析
确定数据库中的数据
设计数据库各级模式
④ 应用程序员
具体职责：
设计和编写应用系统的程序模块
进行调试和安装
⑤ 用户
用户是指最终用户（End User）。
最终用户通过应用系统的用户接口使用数据库。
1.偶然用户
不经常访问数据库，但每次访问数据库时往往需要不同的数据库信息
企业或组织机构的高中级管理人员
2.简单用户
主要工作是查询和更新数据库
银行的职员、机票预定人员、旅馆总台服务员
3.复杂用户
工程师、科学家、经济学家、科技工作者等
直接使用数据库语言访问数据库，甚至能够基于数据库管理系统的API编制自己的应用程序