数据库系统概述（一）数据库系统概述、E-R图以及数据库映像结构

进击的七崽
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第一章 绪论

1.1 数据库系统概述

1.1.1 基本概念

  • 数据（Data）：数据库中存储的基本对象。

  • 数据库（DataBase，DB）：长期存储在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。数据库具有永久存储、有组织和可共享三个基本特点。

  • 数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）：主要功能包括：

    • 数据定义功能：提供数据定义语言（DDL），对数据对象进行定义。
    • 数据组织、存储和管理。
    • 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，增删改查等。
    • 数据库的事务管理和运行管理。
    • 数据库的建立和维护功能。

  • 数据库系统（DataBase System，DBS）：由数据库、数据库管理系统、应用系统、数据库管理员构成。

1.1.2 数据库技术的产生和发展

三个阶段：人工管理、文件系统、数据库系统

一、人工管理阶段

特点：

  1. 数据不保存（用纸带等进行数据保存）
  2. 应用程序管理数据
  3. 数据不共享
  4. 数据不具有独立性

缺点：数据的逻辑结构或无力结构发生变化后，必须对相应的应用程序做相应的修改，加重了程序员的负担。

二、文件系统阶段

特点：

  1. 数据可以长期保存
  2. 由文件系统管理数据

缺点：

  1. 数据共享性差（同一种数据在不同程序中出现，但是互相不共享），冗余度大（很多数据重复）
  2. 数据独立性差
三、数据库系统阶段

特点：

  1. 数据结构化
  2. 数据都共享性高，冗余度低，易扩充
  3. 数据独立性高
  4. 数据由DBMS统一管理和控制

1.2 数据模型

数据模型（Data Model）：对现实世界数据特征的抽象。

1.2.1 两类数据模型

数据模型应满足三方面要求：

  1. 能比较真实地模拟现实世界
  2. 容易为人所理解
  3. 便于在计算机上实现

根据模型应用的不同目的，分为两类：

一、概念模型（Conceptual Model）

也称信息模型，按用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计。

二、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，主要用于DBMS的实现

物理模型：对数据最低层的抽象，描述数据在系统上的表示方法和存取方法。在磁盘和磁带上的存储方式和存取方法是面向计算机系统的。

1.2.2 数据模型的组成要素

一、数据结构
二、数据操作
三、完整性约束

是一组完整性的规则，比如，在某大学的数据库中规定，男性职工退休年龄是60周岁，女性职工的退休年龄是55周岁。

1.2.3 概念模型

概念模型是现实世界到机器世界到一个中间层次。

一、信息世界中的基本概念
  1. 实体（Entity）：客观存在并可相互区别的事物称为实体。实体可以是具体的人、事、物，也可以是抽象的概念或联系。比如：一个职工、一个学生、一个部门、一门课、学生的一次选课等都是实体。
  2. 属性（Attribute）：实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。比如：学生实体可以由学号、姓名、性别、出生年月等属性组成。这些属性组合起来表征了一个学生。
  3. 码（key）：唯一标识实体的属性集称为码。比如：学号是学生实体店码。
  4. 域（Domain）：域是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。比如：学号的域为8位整数，学生的性别为（男，女）。
  5. 实体型（Entity Type）：具有相同属性的实体必然具有共同的特征和性质。用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体，称为实体型。比如：学生（学号，姓名，性别，出生年月，所在学院，入学时间）就是一个实体型。
  6. 实体集（Entity Set）：同一类型实体店集合称为实体集。
  7. 联系（Relationship）：实体内部的联系通常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。
二、两个实体型之间的联系
  1. 一对一联系（1：1）：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中，至多有一个（可以没有）实体与之联系，反之亦然。比如：学校里面，一个班级只有一个正班长，而一个班长只在一个班中任职，则班级与班长之间具有一对一联系。
  2. 一对多联系（1：n）：对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n>=0）与之联系，反之，B中每一个实体，A中至多只有一个实体与之对应。比如一个班级中有若干名学生，而每个学生只在一个班级中学习，则班级与学生之间具有一对多联系。
  3. 多对多联系（m：n）：比如一门课程有若干学生选修，一个学生可以同时选修多门课程。
三、两个以上的实体型之间的联系

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四、单个实体型内的联系

同一个实体集内的各实体之间也可以存在一对一、一对多、多对多的联系。

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五、概念模型的一种表示方法：实体-联系图（E-R图）
  • 实体型：用矩形表示，矩形框内写明实体名。
  • 属性：用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体型连接起来。

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  • 联系：用菱形表示，框内写明联系，并用无向边分别与有关实体型连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1：1，1：n或m：n）。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来。

image.png

六、一个实例

用E-R图来表示某个工厂物资管理的概念模型。

物资管理涉及的实体有：

  1. 仓库属性有仓库号、面积、电话号码
  2. 零件属性有零件号、名称、规格、单价、描述
  3. 供应商属性有供应商号、姓名、地址、电话号码、账号
  4. 项目属性有项目号、预算、开工日期
  5. 职工属性有职工号、姓名、年龄、职称

实体之间的联系如下：

  1. 一个仓库可以存放多种零件，一种零件可以存放在多个仓库中，因此仓库和零件具有多对多的联系。用库存量来表示某种零件在某个仓库中的数量。
  2. 一个仓库有多个职工当仓库保管员，一个职工只能在个仓库工作，因此仓库和职工之间是一对多的联系。
  3. 职工之间具有领导-被领导关系。即仓库主任领导若干保管员，因此职工实体集中具有一对多的联系。
  4. 供应商、项目和零件三者之间具有多对多的联系。每个供应商可以供给若干项目多种零件，每个项目可以使用不商供应的零件，每种零件可由不同供应商供给。

实体及属性的E-R图：

image.png

实体及联系的E-R图：

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完整的E-R图：

image.png

1.2.4 最常用的数据模型

层次模型、网状模型、关系模型（应用最广泛的模型）、面向对象模型、对象关系模型

1.2.4 关系模型

一、关系数据模型的数据结构
  • 关系（Relation）：一个关系对应通常说的一张表
  • 元组（Tuple）：表中的一行即为一个元组
  • 属性（Attribute）：表中的一列即为一个属性
  • 码（Key）：用来唯一确定一个元组
  • 域（Domain）：属性的取之范围
  • 分量：元组中的一个属性值
  • 关系模式：对关系的描述，一般表示为：关系名（属性1，属性2，...，属性n）
二、关系数据模型的操纵与完整性约束

关系数据模型的操作主要包括查询、插入】删除和更新数据。这些操作必须满足关系的完整性约束条件。

三大类：

  1. 实体完整性
  2. 参照完整性
  3. 用户定义的完整性
三、关系数据模型的优点
  1. 关系模型与格式化模型不同，它是建立在严格的数学概念的基础上的。
  2. 关系模型的概念单一。
  3. 关系模型的存取路径对用户透明，从而具有更高的数据独立性、更好的安全保密性也简化了程序员的工作和数据库开发的建立工作。

1.3 数据库系统结构

1.3.1数据库系统模式的概念

模式（Schema）是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，同一个模式可以有很多实例。

例：在学生选课数据库模式中，包含学生记录、课程记录和学生选课记录，则2003年有一个学生数据库的实例，该实例包含了2003年学校中所有学生的记录、学校开设的所有课程的记录和所有学生选课的记录。

模式是抽象的概念，实例是按照模式所实现的具体实际。

1.3.2数据库系统的三级模式结构

数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由外模式（应用模式\用户模式）、模式（逻辑模式）和内模式（物理模式） 三级构成。

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一、模式（数据库怎么存的）

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。是数据库系统模式结构的中间层。

二、外模式（应用要查什么）

数据库用户能够看见的局部数据的逻辑结构和特征的描述

  1. 外模式通常是模式的子集，一个数据库可以有多个外模式。
  2. 同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用，但一个应用程序只能使用一个外模式。
  3. 外模式是保证数据库安全性的一个有力措施。
三、内模式（在硬盘上是怎么存的）

一个数据库只有一个内模式。

1.3.3数据库的二级映像功能与数据独立性

一、外模式/模式映像
二、模式/内模式映像

优点：实现物理独立性

当数据库的存储结构改变了，数据库管理员对模式/内模式映像做相应改变，应用程序员不需要关心物理结构的变化。

1.4 数据库系统的组成

一般由数据库、数据库管理系统、应用系统和数据库管理员构成

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