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辞讷殷富察
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数据库技术基础数据库技术从 20 世纪 60 年代产生至今已经经历了 50 多年的发展, 成为现代计算机应用系统的基础和核心, 数据库管理系统作为数据管理最有效的手段, 为高效精确地处理数据创造了条件 Oracle Database 是甲骨文公司开发的数据库管理系统, 简称

1 数据库基本概念数据库是数据管理的最新技术, 也是计算机科学的重要分支目前, 数据库的建设规模信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志随着计算机和网络的不断发展, 人们的日常生活越发离不开数据库了要学习数据库知识,

1 数据库技术基础数据库技术从 20 世纪 60 年代产生至今已经经历了 50 多年的发展, 成为现代计算机应用系统的基础和核心, 数据库管理系统作为数据管理最有效的手段, 为高效精确地处理数据创造了条件 Oracle Database 是甲骨文公司开发的数据库管理系统, 简称 Oracle 在讲述 Oracle 之前, 首先介绍数据库技术的基础知识, 包括数据库概述数据模型和数据库的设计等内容数据库基本概念数据模型关系模型数据库的设计步骤 1.1 数据库基本概念数据库是数据管理的最新技术, 也是计算机科学的重要分支目前, 数据库的建设规模信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志随着计算机和网络的不断发展, 人们的日常生活越发离不开数据库了要学习数据库知识, 首先必须对数据库技术中所涉及的基本概念和术语有所了解 (1) 数据数据 (data) 是对客观事物及其活动的抽象符号表示, 是存储在某一种媒体上可以鉴别的符号资料描述事物的符号可以是数字, 也可以是文字图形声音语言等数据有多种表现形式, 人们通过数据来认识世界, 了解世界数据可以经过编码后存入计算机加以处理 (2) 信息信息 (information) 是指数据经过加工处理后所获取的有用知识, 是以某种数据形式表现的

2 Oracle Database 12c 实用教程信息具有可感知可存储可加工可传递和可再生等自然属性信息也是社会各行各业中不可或缺的资源, 这是它的社会属性在现实世界中, 人们为了交流信息了解信息, 需要对现实世界中的事物进行描述例如, 利用自然语言描述一位教师 : 张伟教授是一位计算机学院的男教师,1970 年出生, 研究生毕业在计算机中, 为了处理现实世界中的事物, 可以抽象出人们感兴趣的事物特征, 组成一个记录来描述该事物例如, 最感兴趣的是教师的姓名性别出生日期职称学历等, 则上述自然语言描述的信息就可以用如下一条表示数据的记录来描述 : ( 张伟, 男,1970, 教授, 研究生 ) 数据和信息是两个相互联系但又相互区别的概念, 数据是信息的载体, 一个或多个数据可构成一条信息 ; 信息是数据的有意义的表现, 即信息是事物及其属性标识的集合 (3) 数据处理数据处理是指对数据进行加工的过程, 即将数据转换成信息的过程, 是对各种数据进行收集存储加工和传播的一系列活动的总和我们经常应用的 Word 文字处理 Excel 表格处理和 Photoshop 图像处理等都是对各种数据进行收集存储加工的过程, 即计算机数据处理 (4) 数据库数据库 (Database,DB) 是长期存放在计算机内的有组织的可共享的数据集合数据库是信息的集合, 也就是用于组织存储和管理数据的仓库数据库具有如下特点 : 数据库中的数据按一定的数据模型来组织描述和存储具有较高的数据独立性和易扩充性为各种用户共享 (5) 数据库管理系统数据库管理系统 (Database Management System,DBMS) 是位于用户和操作系统之间的一层数据管理软件用户对数据库提出的访问请求是由 DBMS 来处理的在 DBMS 中还提供了许多对数据库进行操作的使用程序 DBMS 使得用户能够方便地完成以下操作 : 建立和维护数据库定义数据操作数据保证数据的安全性完整性多用户实现数据的共享发生故障之后进行数据恢复 -2-

3 第 1 章数据库技术基础 (6) 数据库管理员数据库管理员 (Database Administrator,DBA) 负责整个数据库的建立管理运行和维护等系统工作, 以及用户登记存取数据的权限分配等服务性工作数据库管理员必须具有计算机及数据库方面的专业知识, 还要对整个计算机软硬件系统的构成, 以及所采用的数据库管理系统比较熟悉通常数据库管理员由经验丰富的计算机专业人员担任 (7) 数据库系统数据库系统 (Database System,DBS) 是指采用数据库技术的计算机系统狭义地讲, 由数据库数据库管理系统构成 ; 广义地讲, 由数据库数据库管理系统及开发工具数据库应用程序数据库管理员和用户构成实际应用中, 通常所说的使用哪种数据库, 是指 Oracle SQL Server MySQL 或 DB2 等数据库, 一般都是指使用哪种数据库管理系统, 而不是数据库数据库只是数据的集合, 没有数据库管理系统的支持, 那些数据也就仅仅是存储在计算机上的一些死数据而已, 没有太大的实用价值 1.2 数据模型数据库是某个企业组织或部门所涉及的数据的综合, 反映数据本身的内容和数据之间的联系数据模型用来抽象表示和处理现实世界中的数据和信息, 是现实世界的模拟现实生活中的具体模型, 如汽车模型航空模型等, 人们并不陌生, 人们看到模型就会想到现实生活中的事物数据模型同样是现实世界中数据和信息在数据库中的抽象与表示根据模型应用目的的不同, 数据模型可以分为两类 : 一类是概念模型, 它按用户的观点来对数据和信息进行抽象, 主要用于数据库设计 ; 另一类是结构数据模型, 它按计算机的观点来建模, 主要用于 DBMS 的实现数据模型应满足三方面的要求 : 一是能比较真实地模拟现实世界 ; 二是容易理解 ; 三是便于在计算机中实现为了把现实世界中的具体事物抽象组织为某种 DBMS 支持的数据模型, 人们常常首先把现实世界转换为信息世界, 然后将信息世界转换为某一个 DBMS 支持的数据模型概念模型现实世界是客观存在的事物及联系例如 : 学校里学生和课程均为客观事物, 学生选课存在学生和课程之间的联系信息世界是对现实世界的认识和抽象描述, 按用户的观点对数据和信息进行建模, 不考虑在计算机和 DBMS 上的具体实现, 所以被人们称之为概念数据模型, 简称概念模型 -3-

4 Oracle Database 12c 实用教程 1. 概念模型的基本概念 (1) 实体 (Entity,E) 实体 : 客观存在并且可以相互区别的事物和活动的抽象例如 : 一个学生实体集 : 同一实体的集合例如 : 一些学生实体型 : 对同类实体的共有特征的抽象定义例如 : 学号, 姓名, 性别实体值 : 符合实体型定义的每个具体实体例如 : , 刘佳奇, 女 (2) 联系 (Relationship,R) 联系 : 实体之间的相互联系例如 : 选课 ( 学生和课程的相互关系 ) 联系集 : 同类联系的集合例如 : 每个学生选各种课联系型 : 对同类联系共有特征的抽象定义例如 : 学号, 课程号, 成绩 (3) 属性 (Attribute) 属性 : 描述实体和联系的特性例如 : 学号姓名性别等属性值 : 属性的具体取值例如 : , 刘佳奇, 女 (4) 主码或关键字 (Primary Key,PK): 能够唯一标识实体集中每个实体的属性或属性组合例如 : 实体学生中的属性学号, 实体课程中的属性课程号 (5) 联系分类 : 实体集间或一个实体集内的各实体存在的联系有以下 3 种类型一对一联系 (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 ( 也可以没有 ) 实体与之联系, 反之亦然, 则称实体集 A 与实体集 B 具有一对一联系, 记为 1:1 例 1-1 在学校里, 一门课程只使用一本教材, 反之一本教材仅供一门课程使用, 则课程和教材的联系是一对一联系, 记为 1:1 一对多联系 (1:n): 如果对于实体集 A 中的每个实体, 实体集 B 中有 n 个实体 (n 0) 与之联系, 反之, 对于实体集 B 中的每一个实体, 实体集 A 中至多只有一个实体与之联系, 则称实体集 A 与实体集 B 具有一对多联系, 记为 1:n 例 1-2 一个班级中有若干学生, 一名学生只属于一个班级, 则班级和学生的联系是一对多联系, 记为 1:n -4-

5 第 1 章数据库技术基础多对多联系 (m:n): 如果对于实体集 A 中的每个实体, 实体集 B 中有 n(n 0) 个实体与之联系, 反之, 对于实体集 B 中的每一个实体, 实体集 A 中也有 m(m 0) 个实体与之联系, 则称实体集 A 与实体集 B 具有一对多联系, 记为 m:n 例 1-3 一门课程同时有若干个学生选修, 而一个学生可以同时选修多门课程, 则课程和学生实体之间的联系是多对多联系, 记为 m:n 2. 概念模型的表示方法概念模型是对信息世界的建模, 所以概念模型应能够方便准确地表示出上述信息世界的常用概念概念模型的表示方法很多, 其中最为著名且常用的是 P.P.S.Chen 于 1976 年提出的实体联系方法 (Entity-Relationship Approach) 该方法用 E-R 图来描述现实世界的概念模型, E-R 方法也成为 E-R 模型 E-R 图提供了表示实体属性和联系的方法 (1) 基本构件实体 : 用矩形表示, 矩形框内写明实体名称属性 : 用椭圆表示, 椭圆框内写明属性名称, 用无向边将其与相应的实体连接起来联系 : 用菱形表示, 菱形框内写明联系名称, 用无向边将其与相应的实体连接起来, 并在无向边旁用数字或字母标明联系的类型 (2) E-R 模型举例例 1-4 例 1-1 例 1-2 和例 1-3 的 E-R 模型分别如图 1-1 中的 (a) (b) (c) 所示例 1-5 实体本身也有内在的联系, 如职工实体集内部有领导和被领导的联系, 即某职工为部门领导, 领导若干职工, 而一名职工仅被另外一名职工 ( 领导 ) 直接领导其 E-R 图如图 1-2 所示教材班级学生 1 选用 1 属于 m 选修职工 1 n 1 n n 课程学生课程领导 (a) (b) (c) 图 1-1 E-R 图图 1-2 职工实体内 1 n 的 E-R 图结构模型结构数据模型直接描述数据库中数据的逻辑结构, 这类模型涉及计算机系统, 又称基本数据模型它是信息世界到机器世界的抽象目前, 常用的结构数据模型有 3 种, 分别是 : -5-

6 Oracle Database 12c 实用教程 1. 层次模型 (hierarchical model) 层次型数据库使用层次模型作为自己的存储结构这是一种树型结构, 它由节点和连线组成, 其中节点表示实体, 连线表示实体间的关系在这种存储结构中, 数据将根据需要分门别类地存储在不同的层次之下, 如图 1-3 所示从图所示的例子可以看出, 层次模型的优点是数据结构类似金字塔, 不同层次之间的关联性直接而简单 ; 缺点是由于数据纵向发展, 横向关系难以建立, 数据可能会重复出现, 造成管理维护的不便 2. 网状模型 (network model) 网状型数据库使用网状模型作为自己的存储结构在这种存储结构中, 数据记录将组成网中的节点, 而记录和记录之间的关联组成节点之间的连线, 从而构成一个复杂的网状结构, 如图 1-4 所示铁道警察学院行政部门教学教辅部门铁道警察学院人事处科研处教务处公安技术系实验中心图书馆教师学生教务处高夏公安技术系教师学生图 1-3 层次结构模型图 1-4 网状结构模型使用这种存储结构的数据库优点是它很容易反映实体之间的联系, 同时还避免了数据的重复性 ; 缺点是这种关联错综复杂, 而且当数据库逐渐增多时, 将很难对结构中的关联性进行维护, 尤其是当数据库变得越来越大时, 关联性的维护会非常复杂 3. 关系模型 (relational model) 目前, 关系模型是最重要的一种数据模型关系数据系统采用关系模型为数据的组织方式, Oracle Database 12c 数据库就是基于关系模型建立的关系型数据库就是基于关系模型的数据库, 它使用的存储结构是多个二维表格在每个二维表格中, 每一行称为一条记录, 用来描述对象信息 ; 每一列称为一个字段, 用来描述对象的一个属性数据表与数据表之间存在相应的关联, 这些关联被用来查询相关的数据, 如图 1-5 所示 1970 年美国 IBM 公司 Sun jose 研究室的研究员 E.F.Codd 首次提出了数据库系统的关系模型, 开创了数据库关系方法和关系数据理论的研究, 为数据库技术奠定了理论基础由于 E.F.Codd 的杰出工作, 他于 1981 年获得 ACM 图灵奖 -6-

7 第 1 章数据库技术基础关系模型具有如下优点 : 关系模型建立在严格的数学概念基础上关系模型的概念单一, 无论实体还是实体之间的联系都用关系表示, 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学生表系部表学号姓名年龄性别系部名称入学年级系部编号系部名称系主任王小明 19 男公安技术系公安技术系陈平黄文鹏 20 男侦查系刘娟 18 女公安技术系侦查系张力图 1-5 关系结构模型 1) 关系模型的基本术语关系模型建立在严格的数学概念基础上, 以二维表格 ( 关系表 ) 的形式组织数据库中的数据, 二维表由行和列组成先来介绍关系模型的基本术语 (1) 关系模型 (relational model): 用二维表格结构来表示实体及实体间联系的模型称为关系模型 (2) 属性 (attribute) 和值域 (domain): 在二维表中的列称为属性, 列值称为属性值, 属性值的取值范围称为值域 (3) 关系模式 (relational schema): 在二维表格中, 行定义 ( 记录的型 ) 称为关系模式 (4) 元组 (tuple) 与关系 : 在二维表中行 ( 记录的值 ) 称为元组, 元组的集合称为关系, 关系模式通常也称关系 (5) 关键字或码 (key): 在关系的属性中, 能够用来唯一标识元组的属性 ( 或属性组合 ) 称为关键字或码关系中的元组由关键字的值唯一确定, 关键字不能为空例如, 学生表中学号就是关键字 (6) 候选关键字或候选码 (candidate key): 如果一个关系中, 存在着多个属性 ( 或属性组合 ) 都能用来唯一标识该关系的元组, 这些属性或属性的组合称为该关系的候选关键字或候选码 (7) 主关键字或主码 (primary key): 若一个关系中存在若干候选关键字, 则从中指定关键字的属性 ( 或属性组合 ) 称为该关系的主关键字或主码 (8) 非主属性或非关键字属性 (non primary attribute): 关系中不能组成关键字的属性均为非主属性或非关键字属性 (9) 外部关键字或外键 (foreign key): 当关系中的某个属性或属性组合虽不是该关系的关键字或只是关键字的一部分, 但却是另一个关系的关键字时, 该属性或属性组合称为这个关系的外部关键字或外键 (10) 从表与主表 : 以某属性为主键的表称为主表, 以此属性为外键的表称为从表例如, 学生 ( 学号, 姓名, 性别, 出生日期, 入学时间, 系部代码 ) 与选课 ( 学号, 课程号, 成绩 ) 两个表, 对于选课表, 学号是外键, 对于学生表为主表, 选课表为从表 -7-

8 Oracle Database 12c 实用教程 2) 关系模型的组成关系模型由数据结构数据操作和数据完整性约束 3 部分组成 (1) 关系数据结构数据结构是所研究的对象类型的集合这些对象是数据库的组成部分, 它们包括两类 : 一类是与数据类型内容性质有关的对象, 另一类是与数据之间的联系有关的对象关系模型的数据结构非常单一, 在关系模型中, 概念世界的实体及实体间各种联系均用表来表示在用户看来, 关系模型中的逻辑结构是二维表的集合如图 1-6 所示数据结构用于描述系统的静态特征 DBMS 的 DDL 实现数据库的数据结构定义功能关系名关系属性列属性名学生表学号姓名年龄性别系名入学年级王小明 19 男公安技术系黄文鹏 20 男侦查系刘娟 18 女公安技术系 2013 主码图 1-6 关系模型数据结构 (2) 关系数据操作数据操作是指对数据库中各种数据对象允许执行的操作的集合, 包括操作及有关的操作规则, 主要有检索和更新 ( 包括插入删除修改 ) 两大类操作数据模型必须定义这些操作的确切含义操作符号操作规则及实现操作的语言数据操作用于描述系统的动态特性 DBMS 的 DML 实现数据库的数据操作功能 (3) 关系数据完整性约束数据的约束是一组完整性规则的集合完整性规则是数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则, 用以限定符合数据模型的数据库状态及状态的变化, 以保证数据的正确性有效性和一致性关系模型允许定义三类完整性约束 : 实体完整性约束参照完整性约束和用户自定义完整性约束关系型数据库系统提供了对实体完整性约束参照完整性约束的自动支持机制, 也就是在插入修改删除操作时, 数据库系统自动保证数据的正确性与一致性实体完整性规则 (entity integrity rule): 这条约束要求关系中的元组在组成主键的属性列上的值不能为空例如, 教师表中的教师编号不能为空参照完整性规则 (reference integrity rule): 这条约束要求不能在从表中引用主表中不存在的元组例如, 在学生选课表中的学号不能引用学生表中没有的学号用户自定义完整性规则 (user-defined integrity rule): 用户自定义完整性规则是根据应用领域的需要, 由用户定义的约束条件, 体现了具体应用领域的语义约束 -8-

9 第 1 章数据库技术基础目前应用最广泛的关系数据库都是用关系数据模型来组织数据的关系模型以关系代数为基础处理数据库中的数据, 并且拥有许多性能良好的关系数据库管理系统 (RDBMS) 作为软件支持 1.3 数据库的设计步骤数据库设计是指对于一个给定的应用环境, 构造最优的数据库模式, 建立数据库及其应用系统, 有效存储数据, 满足用户信息要求和处理要求由于信息结构复杂, 应用环境多样, 在相当长的一段时期内, 数据库设计主要采用手工试凑法, 缺乏科学理论依据和工程方法的支持, 依赖于设计人员的经验和水平, 从而难以保证工程的质量, 增加了系统维护的代价设计人员经过十余年的努力探索, 提出了各种数据设计方法这些方法运用软件工程的思想总结出了各种设计准则和规程, 这些都属于规范法设计方法按照规范法设计的方法, 考虑数据库及其应用系统的开发全过程, 将数据库设计分为以下 6 个阶段 1. 需求分析阶段进行数据库设计首先要了解与分析用户的应用需求 ( 包括数据与处理 ) 需求分析是整个设计过程的基础, 也是最困难最费时的一步需求分析首先要收集资料, 并对资料进行分析整理, 画出数据流程图 (Data Flow Diagram,DFD), 然后建立数据字典 (Data Dictionary,DD), 并把数据字典图集和数据字典内容返回客户, 进行用户确认, 最后形成文档资料需求分析是设计数据库的起点, 需求分析的结果是否准确反映了客户的实际要求是否能够满足, 将直接影响到后面各个阶段的设计, 并影响设计结果是否合理和实用 2. 概念设计阶段根据需求分析的结果, 形成独立于机器特点独立于各个 DBMS 产品的概念模型 ( 信息世界 ), 用 E-R 图来描述 3. 逻辑设计阶段将概念设计 E-R 图转换成具体 DBMS 产品支持的数据模型, 如关系模型 ( 基本表 ), 形成数据库的模式, 并对数据进行优化处理然后根据用户处理的要求, 以及安全性的考虑, 在基本表 (Table) 的基础上建立必要的视图 (View), 形成数据库的外模式 4. 物理设计阶段在物理设计阶段, 根据 DBMS 特点和处理的需要, 对逻辑设计的关系模型进行物理存储安排并设计索引, 形成数据库内模式 -9-

10 Oracle Database 12c 实用教程 5. 数据库实施阶段运用 DBMS 提供的数据语言工具等, 根据逻辑设计和物理设计的结果建立数据库, 编制与调试应用程序, 组织数据入库并进行试运行 6. 数据库运行和维护阶段数据库应用系统经过试运行后即可投入正式运行在数据库系统运行过程中必须不断地对其进行评价调整与修改数据经常性的维护工作主要由数据库管理员来完成, 包括数据库的转储和恢复, 数据库的安全性完整性控制, 数据库性能监视分析和改造, 以及数据库的重构在实际开发过程中, 软件开发并不是按顺序从第一步进行到最后一步, 而是在任何阶段, 以及在进行下一阶段前一般都有一步或几步的回溯在测试过程中出现的问题可能要求修改设计, 用户还可能提出一些需要来修改需求说明书等 1.4 习题一选择题 1. 数据库 (DB) 数据库系统(DBS) 和数据库管理系统 (DBMS) 之间的关系是 ( ) A. DBS 包括 DB 和 DBMS B. DBMS 包括 DB 和 DBS C. DB 包括 DBS 和 DBMS D. DBS 就是 DB, 也就是 DBMS 2. E-R 方法的三要素是 ( ) A. 实体属性实体集 B. 实体关键字联系 C. 实体属性联系 D. 实体域候选码二问答题 1. 简述数据数据库数据库管理系统数据库系统的概念 2. 什么是 E-R 图? 其功能是什么? 3. 数据库设计包括哪几个阶段? 各阶段的主要任务是什么? -10-

数据库系统概念

数据库系统概念第一章绪论本章内容数据库系统概述数据模型数据库系统结构数据库系统的组成 1-1 数据库系统概述术语数据管理技术的发展数据库系统的特点数据库系统概述术语什么是数据库长期储存在计算机内的有组织的可共享的互相关联的数据的集合是一个持久数据的集合数据库系统概述术语数据库管理系统 DBMS DataBase Management System 系统软件一组用以管理维护