第一章 绪论
一、数据库系统概述
基本概念：
- 数据：描述事物的符号记录，包括数字、文字、图形、图像、音频、视频、学生的档案记录等
- 数据的含义称为数据的语义
- 数据库：长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合
- 数据库管理系统：位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，用于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：
- 数据定义功能
- 数据组织、存储和管理
- 数据操纵功能
- 数据库的事务管理和运行管理
- 数据库的建立和维护功能
数据管理技术的产生和发展：
- 人工管理阶段：处理方式为批处理，由用户进行数据管理，数据无共享，不独立，完全依赖于程序，且数据由自己控制
- 文件系统阶段：处理方式为联机实时处理、批处理，由文件系统进行数据管理，数据只面向某一应用，独立性差，且由应用程序控制
- 数据库系统阶段：练级实时处理、分布处理、批处理，由数据库管理系统进行管理，数据面向现实世界，高度物理独立性和一定逻辑独立性，并且由数据库管理系统提供数据安全性、完整性、并发控制和恢复能力
独立性：数据的物理结构或逻辑结构发生变化后是否会影响到应用程序
数据库系统的特点相比起人工管理和文件系统的特点：
- 数据结构化：数据库中的数据面向的是整个组织或企业，且数据之间是具有联系的
- 数据共享性高：可以被多个用户共享使用，减少数据冗余
- 数据独立性高：物理独立性指应用程序与数据的物理结构相互独立；逻辑独立性指应用程序与数据库的逻辑结构相互独立
二、数据模型
数据模型：对现实世界数据特征的抽象，用以抽象，表示和处理现实世界中的数据和信息，是数据库系统的核心和基础
需要满足的要求：
- 能比较真实地模拟现实世界
- 容易为人所理解
- 便于在计算机上实现
两种（三种）数据模型
概念模型
也称信息模型，按用户的观点对数据和信息建模，用于数据库设计
逻辑模型
按计算机系统的观点对数据建模，主要包括网状模型、层次模型、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，描述数据在系统内部的表示方式和存取方法。
两步抽象：客观对象->概念模型->DBMS支持的数据模型
（现实世界抽象为信息世界，信息世界转换为机器世界）
数据模型的组成要素
数据模型通常由数据结构、数据操作、数据的完整性约束条件组成
**数据结构：**描述数据库的组成对象，以及对象之间的联系。描述的内容：
- 与对象的类型、内容、性质有关
- 与数据之间的联系有关
**数据操作：**查询、更新（插入删除修改），是对系统动态特性的描述
**数据完整性约束条件：**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，用于限制数据库状态及其变化以保证数据的正确有效和相容
1、概念模型
现实世界到机器世界的一个中间层次，用于信息世界的建模
基本概念：
- 实体（Entity）：客观存在并可相互区别的事物，具体的人、事、物等
- 属性（Attribute）：实体所具有的某一特征，一个实体可以有若干个属性
- 码（Key）：唯一标识实体的属性集
- 实体型（Entity Type）：用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体，例如学生（学号，姓名，性别，出生年月，所在院系）就是一个实体型
- 实体集（Entity Set）：同一类型实体的集合称为实体集，例如全体学生就是一个实体集
- 联系（Relationship）：现实世界中事物内部和之间的联系，在信息世界中反映为实体内部和之间的联系
联系
实体之间的联系有一对一、一对多、多对多联系
实体内部的联系指组成实体的各属性之间的关系
实体-联系方法（Entity-Relationship Approach，E-R模型）
注意：这里方框型的是实体型，也就是一整个同类实体，而不仅仅只有一个。这会在一对一/一对多填数字的时候有影响。
小技巧：对于线上是m，n还是1，我们可以找出对应的关系两边的两个实体型，例如如果是商店和职工的关系，我们可以先把商店作为主体，职工作为客体，可以得到：同一个商店（商店编号、商店名、地址都固定）可以聘用多个不同属性的员工（不同姓名、性别、编号等等的员工），因此在靠近职工处的先上填的是n。而反过来将职工作为主体，商店作为客体，就可以得到一个员工（编号、姓名、性别都固定）最多只能被一个商店聘用，所以靠近商店处的线填的就是1。再举个例子：商店和商品，一个商店可以拥有n种商品，因此靠近商品处的数是n；而一种商品（注意这里是一种，不是一个，因为两个相同的商品，它们的属性也是相同的，因此可以归类为同一种商品）可以出现在多个商店中，因此靠近商店位置的线上填入的也是m
2、逻辑模型
如何在机器世界中表达低层数据结构和高层数据结构？
常用数据模型：
格式化模型：
- 层次模型
- 网状模型
关系模型
对象模型：
- 面向对象数据模型
- 对象关系数据模型
关系模型的数据结构
用户观点下的数据结构是一张二维表
- 关系：一个关系对应通常说的一张表
- 元组：表中的一行即为一个元组
- 主码：码键，表中的某个属性组，可以唯一确定一个元组
- 域：一组具有相同数据类型的值的集合，属性的取值范围来自某个域
- 分量：元组中的一个属性值
- 关系模式：对关系的描述，例如：学生(学号，姓名，年龄，性别，系名，年级)
关系必须是规范化的，满足一定的规范条件（最基本：每个分量必须是不可分割的数据项）
关系模型的操作
存取路径对用户隐蔽，用户只要指出干什么，不必详细说明怎么干
关系的完整性约束条件
- 实体完整性
- 参照完整性
- 用户定义的完整性
关系模型的优缺点
优点：
- 建立在严格的数学概念的基础上
- 概念单一
- 关系模型的存取路径对用户透明
缺点：
- 存取路径对用户透明，查询效率往往不如格式化数据模型
- 为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化，增加了开发DBMS的难度
三、数据库系统的结构
数据库系统通常采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构
从最终用户看的结构：
- 单用户结构
- 主从式结构
- 分布式结构
- 客户-服务器
- 浏览器-应用服务器/数据库服务器多层结构等
模式和实例
**模式：**数据库逻辑结构和特征的描述，不涉及具体值，反映的是数据的结构及其联系，相对稳定
包括数据的逻辑结构、数据之间的联系、数据有关的完整性、
安全性要求
一个数据库只有一个模式
模式与具体的应用程序、物理存储细节无关
**实例：**反映数据库某一时刻的状态，是一个具体值，同一模式可以有很多个实例
三级模式结构：
外模式
子模式/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
地位：介于模式和应用之间。
模式与外模式：一对多
外模式与应用：一对多
外模式的用途：保证数据库安全性，每个用户只能看见和访问外模式中的数据
内模式
数据物理结构和存储方式的描述，数据在数据库内部的表示方式
一个数据库只有一个内模式
二级映像
二级映像实现这三个抽象层次的联系和转换
外模式/模式映像
模式/内模式映像
同一个模式可以有任意多个外模式，每个外模式数据库都有一个外模式/模式映像
可以保证数据的独立性（模式改变时，仅需改变外模式/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，这种映像在数据库中是唯一的
保证数据的物理独立性（当数据库的存储结构改变了，只需要修改模式/内模式映像）
四、数据库系统的组成
软硬件平台
硬件：
- 足够大的内存
- 足够的大的磁盘或磁盘阵列等设备
- 较高的通道能力，提高数据传送率
软件：
- 数据库管理系统
- 支持数据库管理系统运行的操作系统
- 与数据库接口的高级语言及其编译系统
- 以数据库管理系统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
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
- 最终用户
数据库管理员
决定数据库内容结构，安全性要求和完整性约束条件，监控数据库的使用和运行，改进和重组
系统分析员/数据库设计人员
系统分析员：负责需求分析/规范说明，与管理员结合确定硬软件配置；
数据库设计人员：参加用户需求调查和系统分析，确定数据库中的数据，各级模式
应用程序员
编写应用程序的程序模块，进行调试和安装
最终用户
通过应用系统的用户接口使用数据库