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宝马
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1 本章导读本章介绍数据库的基本知识, 主要内容包括 : 数据与数据处理数据库系统与数据库管理系统数据模型数据库管理系统开发的步骤学生信息管理系统的开发实例

7 1.1 数据与数据处理信息是人类社会发展中维持生产活动经济活动和社会活动必不可少的重要资源, 也是现代管理的宝贵财富因此, 人们为了获取有价值的信息, 就需要对数据进行处理进行管理信息系统是一个由人计算机等组成的, 并能进行信息的收集传递存储加工维护分析计划控制决策和使用的系统用计算机对数据进行处理的应用系统称为计算机信息系统信息系统其核心是数据库

8 1. 数据数据是人们对客观事物观察时记录下来的可鉴别的符号, 是用于表示客观事物的未经加工的原始素材, 如图形符号数字字母等数据库中的数据有两种类型 : 一种是作业层数据, 如库存数据产品数据财务收支账目数据等这类数据在数据库中频繁调用, 以反映现实世界中的日常活动, 这种活动是重复的, 可以预先计划的 ; 另一种是管理控制层的数据, 这种数据主要用来统计汇总计划动态分析预测仿真等它们主要来自组织的计划和决策部门, 是对作业层数据的汇总

9 2. 信息第 1 章数据库系统概述信息是用某种方式对数据进行加工解释后的结果, 它表示数据的含义, 而且能对信息的使用者产生直接的影响信息具有以下的主要特征 : (1) 信息可以凭感官直接识别, 或通过探测手段间接识别不同的信息源有不同的识别方法 (2) 信息可以由一种形态转换为另一种形态如物资信息可以转换为文字语言图表等信息形式, 同时也可转换为计算机的代码或电讯号

10 (3) 信息可以存储与处理以往人们用大脑或纸张存储信息, 现在可以利用计算机的磁带磁盘光盘及其它现代化设备来存储各种信息用计算机来处理信息是靠编写正确的软件来实现的, 要得到正确的概念, 处理的信息必须具备完整性和真实性 (4) 信息可以传递人类间的信息传递依赖语言文字表情动作来完成, 而电子计算机及现代通讯理论的发展, 给人们提供了更加迅速和先进的信息传递方式 (5) 信息具有价值符合事实的信息能给人们的决策提供依据, 创造价值 ; 不符合事实的信息不仅无价值而且有害

11 1.1.2 数据处理与数据管理技术的发展 1. 数据处理数据处理就是利用计算机对各种形式的数据进行处理它包括 : 数据采集组织整理控制编码和输入数据, 有效地把数据输入到计算机中, 由计算机对数据进行一系列存储加工计算分类检索传输输出等操作过程其目的是从大量的原始数据中提炼出对人们有价值的信息数据处理的一系列的操作环节, 称为数据管理数据管理的目标就是要在恰当的时刻以合适的形式给人们提供相关所需的数据, 以实现对数据的收集组织控制存储选取维护等数据管理任务

12 数据管理是数据处理的中心问题, 数据管理则是指对数据进行组织分类编码存储检索和维护等操作随着计算机技术的蓬勃发展, 在计算机的三大主要应用 ( 科学计算过程控制和数据处理 ) 领域中, 数据处理迅速上升为计算机应用的主要方面数据库技术产生于 20 世纪 60 年代中期, 是数据管理的最新技术, 它的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透

13 2. 数据管理技术的发展数据处理方式可分为人工方式 ( 人工数据处理阶段,1800 年以前 ) 机械辅助方式 ( 机械辅助阶段, 年 ) 机电穿孔卡方式 ( 机电阶段, 年 ) 电子计算机方式 ( 电子阶段,1946 年以后 ) 数据管理任务是对数据进行收集组织控制存储选取维护等, 它可以从两个方面来概括 : 一是侧重于组织业务的管理, 负责制订并执行整个组织中关于数据的定义组织保护与有效使用的政策过程实践和计划 ; 二是侧重于技术, 负责实现以数据作为资源的集中控制管理

14 数据管理技术大致经历了下列三个阶段 : 人工管理阶段文件管理阶段数据库系统阶段背景应用背景科学计算科学计算管大规模管理硬件背景无直接存取存储设备理磁盘磁鼓大容量磁盘软件背景无操作系统有文件系统有数据库管理系统处理方式批处理联机实时处理联机实时处理分布处批处理理批处理数据的管理者人文件系统数据库管理系统特点数据面向的对象某一应用程序某一应用程序现实世界数据的共享程度无共享冗余度极大共享性差冗余度大数据的独立性不独立, 完全依赖于独立性差程序数据的结构化无结构记录内有结构整体无结构数据控制能力应用程序自己控制应用程序自己控制共享性高冗余度小具有高度的物理独立性和一定的逻辑独立性整体结构化, 用数据模型描述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

15 1.2 数据库系统与数据库管理系统数据库的定义数据库 (DataBase, 简称 DB) 是指收集并提取出实际应用所需要的大量数据, 将其保存起来以供进一步加工处理和提取有用信息保存方法有很多种 : 人工保存存放在文件里存放在数据库里, 其中数据库就是存放数据的最佳场所, 所谓数据库就是长期储存在计算机内有组织的可共享的数据集合数据库中的数据按一定的数据模型组织描述和储存, 具有较小的冗余度, 较高的数据独立性和易扩展性, 并可为各种用户共享

16 1.2.2 数据库系统数据库系统 (DataBase System, 简称 DBS) 是指在计算机系统中引入数据库后的系统构成, 一般由数据库数据库管理系统 ( 及其开发工具 ) 应用系统数据库管理员和用户构成应当指出的是, 数据库的建立使用和维护等工作只靠一个 DBMS 远远不够, 还要有专门的人员来完成, 这些人称为数据管理员 ( DataBase Administrator, 简称 DBA) 在不引起混淆的情况下人们常常把数据库系统简称为数据库数据库系统如图 1-1 所示数据库系统在整个计算机系统中的占有重要地位

17 图 1-1 数据库系统结构图

18 1.2.3 数据库管理系统数据库管理系统 ( DataBase Management System, 简称 DBMS) 是指收集并提取出一个应用所需要的大量数据之后, 如何科学地组织这些数据并将其存储在数据库中, 又如何高效地处理这些数据呢? 完成这个任务的是由一个软件系统数据库管理系统数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件数据库在建立运用和维护时由数据库管理系统统一管理统一控制数据库管理系统使用户能方便地定义数据和操作, 并能够保证数据的安全性完整性及发生故障后的系统恢复

19 1.3 数据模型模型概念采用数据模型 (Data Model) 来对现实世界进行抽象的描述数据模型是现实世界数据特征的抽象描述, 是实现数据抽象的主要工具, 具有很大的优越性数据模型是数据库系统的重要基础, 决定了数据库系统的结构数据定义语言和数据操纵语言数据库设计方法数据库管理系统软件的设计与实现它也是数据库系统中用于信息表示和提供操作手段的形式化工具在数据库中用数据模型这个工具来抽象描述表示和处理现实世界中的数据和信息

20 1.3.2 数据模型 1. 概念第 1 章数据库系统概述数据模型是数据库系统的教学形式框架, 是用来描述一组数据的概念和定义, 包括以下方面的内容 : (1) 数据的静态特征, 它包括对数据结构和数据间联系的描述 (2) 数据的动态特征, 定义在数据上的操作, 包括操作的含义操作符运算规则及其语言等 (3) 数据的完整性约束, 这是一组规则, 数据库中的数据必须满足这组规则

21 2. 数据模型第 1 章数据库系统概述一般有以下几种数据模型 : (1) 概念数据模型 (Conceptual Data Model), 这是面向数据库用户的现实世界的数据模型, 主要用来描述现实世界的概念化结构, 它使数据库的设计人员在设计的初始阶段, 摆脱计算机系统及 DBMS 的具体技术问题, 集中精力分析数据以及数据之间的联系等, 与具体的 DBMS 无关 (2) 逻辑数据模型 (Logical Data Model), 这是用户从数据库所看到的数据模型, 是具体的 DBMS 所支持的数据模型, 如网状数据模型层次数据模型关系数据模型和面向对象数据模型等逻辑数据模型既要面向用户, 也要面向系统, 一般由概念数据模型转换而得到

22 (3) 物理数据模型 (Physical Data Model), 这是描述数据在存储介质上的组织结构的数据模型, 它不但与具体的 DBMS 有关, 而且还与操作系统和硬件有关每一种逻辑数据模型在实现时都有其对应的物理数据模型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 ; 二是容易为人所理解 ; 三是便于在计算机上实现

23 根据模型应用的不同目的又可以将这些模型划分为属于不同的层次两类 : 第一类模型是概念模型 (Concept Model), 或称信息模型, 它是按用户的观点对现实世界的数据和信息建模, 强调其语义的表达能力和使用的方便性, 而且概念清晰易于使用, 是现实世界到信息世界的第一层抽象的结构, 是用户和数据库设计人员进行交流的语言 ; 另一类模型是逻辑数据模型 (Logical Data Model), 主要包括网状模型层次模型和关系模型等, 它是按计算机系统观点对数据建模, 是对信息世界的信息进行的第二层抽象数据模型是通过一种严格规定了语法和语义的形式化语言来描述的, 人们可以利用该语言来定义和操作数据库中的数据

24 3. 数据模型的三要素数据模型通常由数据结构数据操作和完整性约束条件三个要素组成 (1) 数据结构数据结构用于描述系统的静态特征, 是所研究的对象类型 (Object Type) 的集合 (2) 数据操作数据操作用于描述系统的动态特征, 是指对各种对象类型的实例 ( 或值 ) 所允许执行的操作的集合, 包括操作及有关的操作规则 (3) 数据的约束条件数据的约束条件是完整性规则的集合

25 4. 数据模型的分类第 1 章数据库系统概述数据结构数据操作和完整性约束条件这三方面的内容完整地描述了一个数据模型, 其中数据结构是刻画模型性质的最基本的方面数据模型的好坏直接影响数据库的性能数据模型决定着数据库的设计方法在数据库领域中, 当前最常用的数据模型有四类, 它们是 : (1) 层次模型 (Hierarchical Model) (2) 网状模型 (Network Model) (3) 关系模型 (Relational Model) (4) 面向对象模型 (Object Oriented Model)

26 1.3.3 关系型数据库关系数据模型是三大经典模型中发展较晚的, 却是发展最快的一种模型, 具有较强的建模能力关系模型由关系数据结构关系操作集合和完整性约束三部分组成当今大多数数据库系统多为关系型关系数据库应用数学方法来处理数据库中的数据关系模型是用二维表格结构来表示实体以及实体间联系的模型关系数据模型的最大特点是描述的一致性, 即可用表格来表示实体, 又可用表格形式来表示和实现实体间的联系如表 1-2 所示, 关于学生课程数据库的关系模型及实例

27 表 1-2 学生课程的关系数据库模式及实例学生关系学号姓名性别班级民族政治面貌李想男金融汉团员赵晶女会计满团员杨松男金融汉党员课程关系岩 99 课程号课程名称任课教师学分 1001 大学英语王琳高等数学张强国际金融刘爱国 4

28 关系模型是目前最重要的一种数据模型关系数据模型是关系数据库系统的基础关系数据库是各类数据库中最重要最流行的数据库, 关系数据库系统已广泛地使用于大中小型以及微型机上 20 世纪 80 年代以来, 计算机厂商新推出的数据库管理系统产品几乎都是关系型数据库, 非关系系统的产品也大都加上了关系接口数据库领域当前的研究工作都是以关系方法为基础的著名的关系数据库管理系统有 DB/2 ORACLE SYBASE INFORMIX 等

29 1.3.4 关系型数据库的表达式关系代数是一种抽象的查询语言, 是关系数据操纵语言的一种传统表达方式, 它是用对关系的运算来表达查询的所以运算对象运算符运算结果是运算的三大要素关系代数的运算对象是关系, 其运算结果也是关系关系代数所用到的运算符是 : 集合运算符 : ( 并 ) ( 交 ) -( 差 ) ( 广义笛卡尔积 ); 专门的关系运算符 :σ( 选择 ) ( 投影 ) ( 连接 ) *( 自然连接 ) ( 除 ); 算术比较符 :> < = <>; 逻辑运算符 : (AND 与 ) (OR 或 ) (NOT 非 )

30 1. 传统的集合运算传统的集合运算是二目运算, 包括并交差广义笛卡尔积四种运算, 也是两个关系的集合运算, 如表 1-3 所示, 除笛卡尔积外, 要求参加运算的两个关系必须是同类关系 ( 即来自同一笛卡尔积 ), 即两关系必须有相同的度 ( 属性个数相同 ), 而相对应的属性值必须取自同一个域 ( 可不要求两关系对应属性名相同 ) 在表 1-3 中给出两个有关学生信息的关系, 并以此来介绍传统的集合运算

31 (1) 关系并运算 (Union) 第 1 章数据库系统概述关系 R 和关系 S 的所有元组合并, 再删去重复的元组, 组成一个新关系, 称为 R 与 S 的并, 记为 R S 表中 R 和 S 的属性个数相同, 而且相应属性分别有相同的值域 R 与 S 的并运算结果如 1-4 表 (a) 所示, 它由属于 R 和 S 的去掉重复元组后的所有元组组成 ( 在学生信息关系表中, 将表 1-3R S 的重复字段去掉 ) 表 1-3 学生信息关系模式 R S 学号姓名性别班级李想男金融赵晶女会计杨松岩男金融 99 学号姓名性别班级王佳男金融赵晶女会计姚雪兰女会计 99

32 R S 学号姓名性别班级学号姓名性别班级 R S 李想男金融赵晶女 98 会计杨松岩男金融王佳男金融赵晶女 98 会计姚雪兰学号姓名性别班级李想男金融王佳男金融赵晶女会计杨松岩男金融姚雪兰女会计 99 女会计 99

33 (2) 关系差运算 (Difference) 关系 R 和关系 S 的差是由属于关系 R 为主, 而不必考虑关系 S 中的元组组成, 即在关系 R 中删去与 S 关系中相同的元组, 组成一个新关系, 记为 R-S 同样, 进行差运算的 R 和 S 两个关系须具有相同属性个数, 而且相应属性分别有相同的值域 R 与 S 的差运算结果如 1-4 表 (b) 所示 ( 不用考虑关系 S 中的字段 ) 王佳男金融姚雪兰女会计 99

34 R S 学号姓名性别班级学号姓名性别班级 R-U 李想男金融赵晶女 98 会计杨松岩男金融王佳男金融赵晶女 98 会计姚雪兰学号姓名性别班级李想男金融杨松岩男金融 99 女会计 99 (b)

35 (3) 关系交运算 (Intersection) 关系 R 和关系 S 的交是由既属于 R 又属于 S 的元组组成的集合, 即在两个关系 R 与 S 中取相同的元组, 组成一个新关系, 记为 R S 两个关系的交由它们相同的元组组成如果两个关系没有相同的元组, 那么它们的交为空对于交运算的 R 和 S 两个关系也必须具有相同属性个数, 而且相应属性分别有相同的值域 R 与 S 的交运算结果如表 1-4 (c) 所示 ( 只考虑二者相同的字段 ) 赵晶女会计 98

36 R S 学号姓名性别班级李想男金融赵晶女会计杨松岩男金融 99 学号姓名性别班级王佳男金融赵晶女会计姚雪兰女会计 99 R S 学号姓名性别班级赵晶女会计 98 (c)

37 (4) 广义笛卡尔积 (Extended Cartesian Product) 关系的笛卡尔积称为广义的笛卡尔积, 以区别一般的集合笛卡尔积笛卡尔积也属于二目运算, 但参加运算的两个关系不要求是同类关系设关系 R 的目为 n, 关系 S 的目为 m, 关系 R 和 S 的笛卡尔积记为 :R S R S 由 R 和 S 的所有元组连接而成的具有 (n+m) 个分量的元组组成其中, 前 n 个分量为 R 中的一个 n 元组, 后 m 个分量为 S 中的一个 m 元组下面我们以学生基本信息表和课程表分别为二元和三元的关系, 那么,R 与 S 的笛卡尔积结果学生选课如表 1-5 所示

38 学生信息表表 1-5 笛卡尔积 R S 课程表学号姓名李想赵晶杨松岩学生选课课程号课程名称任课教师 1001 大学英语王爱琳 1002 国际金融张强学号姓名课程号课程名称任课教师李想 1001 大学英语王爱琳李想 1002 国际金融张强赵晶 1001 大学英语王爱琳赵晶 1002 国际金融张强杨松岩 1001 大学英语王爱琳杨松岩 1002 国际金融张强

39 2. 专门的关系运算专门的关系运算包括选择投影连接除等, 这些运算可以灵活地实现关系数据库中多样的查询操作 (1) 选择 (Selection) 记作 :σ F (R)={t t R F(t)= 真 } 其中,F 表示选择条件, 它是一个逻辑表达式, 取逻辑值真或假 ; t 为关系 R 的元组 ; F(t) 可以是由简单函数常数属性名或列号算术比较符 (< = > <>) 及逻辑运算符 ( ) 组成的表达式

40 例如 : 从表 1-3 所示 R 的中, 查找金融 98 班的学生基本情况 σ 班级 = 金融 98 (R) 表 1-3 R: 学号姓名性别班级李想男金融赵晶女会计杨松岩男金融 99 表 1-6 运算结果学号姓名性别班级李想男金融 98

41 (2) 投影 (Projection) 关系代数的投影运算是指对给定关系中选取指定的若干属性组成一个关系投影运算也是单目运算设关系 R(X,Y), 其中的 X 和 Y 均为属性集合关系 R 在属性 X 上的投影是在关系 R 中选取 X 属性的相应列并删去重复行, 组成一个新关系投影运算是在指定的关系 R 中, 根据从左到右的次序, 按照指定的若干属性及它们的顺序取出各列, 在删去结果中重复元组所得到的子集投影运算表示为 : X (R) 或 R[X], 其中,R 为被运算关系名,X 为属性系列

42 例如从表 1-3 所示 R 的关系中选取学生所在班级情况学号, 班级 (R) 表 1-3 R 学号姓名性别班级李想男金融赵晶女会计杨松岩男金融 99 表 1-7 运算结果学号班级金融会计金融 99

43 值得注意的是, 经过投影运算所形成的新关系中不含重复元组, 投影之后属性减少了, 元组也可能减少, 所以要给以不同的关系名, 且原关系和新关系不是同类关系 ; 投影运算提供了在关系中置换属性次序的方法 ; 选择运算和投影运算是两种不同的运算, 选择是在水平方向对元组进行的运算, 投影则是在垂直方向对属性进行的运算

44 (3) 连接 (Join) 连接运算就是选取两个指定关系中的属性满足给定条件的元组, 其属性按语句中给出的顺序排列连接运算是二目运算, 记作 :R S={rs r=r S S XθY= 真 } 其中,X 和 Y 分别为 R 与 S 上度数相等且可比的属性组关系 R 与 S 在连接属性 X 和 Y 上的连接是从 R S 笛卡尔积中选取在 X 属性列上的分量与属性 Y 列上的分量满足给定 θ 比较条件的那些元组构成的新关系 ( 即在 R S 上选取在连接属性 X,Y 上满足 θ 条件的子集 ) θ 为比较运算符 ; 是连接运算符 ; 当分别 θ 为 = < > 时, 则称为等值连接小于连接大于连接

45 连接运算中有两种最常用的连接 : 等值连接和自然连接自然连接 (Natural Join) 是一种特殊的等值连接在 θ 取 = 连接情况下, 当连接属性 X 与具有相同属性名时, 则关系 R 与 S 的连接称为自然连接 (R S) 自然连接记作 :R S={rs r=r S S r[x]=s[x]} 在自然连接构成的结果关系中, 相同的属性名不必重复利用选择投影和自然连接等运算可任意分割和组装关系, 自然连接是组装关系的有效方法这是关系数据语言 ( 主要指数据操作功能 ) 具有各种优点的根本原因自然连接是使用最普遍的一种的连接, 是关系代数中最重要的运算之一

46 另外, 自然连接和等值连接两者是有区别的等值连接不要求相等属性值的属性名相同, 而且不将重复属性去掉 ; 自然连接则要求属性值相等的属性名必须相同, 即两关系只有在同名属性上才能进行自然连接, 而且自然连接要将重复属性去掉, 即自然连接是去掉重复列的一种等值连接

47 1.4 数据库管理系统开发的步骤管理信息系统的开发理论与方法是一个专门的学科领域, 称之为 MIS(Management Information System) 信息管理系统分析应主要完成以下内容 : 1. 信息管理系统的业务数据流程分析 2. 信息管理系统的数据流程分析 3. 信息管理系统的功能分析

48 信息管理系统设计信息管理系统开发的第二步工作, 是在信息管理系统分析的基础上进行系统设计在这一工作过程中, 应主要完成以下内容 : 1. 信息管理系统的数据库设计 2. 信息管理系统的功能设计 3. 信息管理系统的输入与输出设计

49 信息管理系统实现信息管理系统开发的第三步工作, 是在信息管理系统设计的基础上完成系统的实现在这一工作过程中, 应主要完成以下内容 : 1. 信息管理系统开发工具的选择 2. 信息管理系统数据库的实现 3. 信息管理系统功能的实现

50 信息管理系统测试信息管理系统开发的第四步工作, 是在信息管理系统实现的基础上进行系统测试这项工作常被人们称为信息管理系统成败直关键所在, 其主要内容是尽可能多地查出并改正系统中存在的错误

51 1. 5 学生信息管理系统的开发实例系统分析学生信息管理系统是根据学生在校期间的所有信息设计的, 该系统应有学生的基本情况记录, 和学生所学习的课程及每学期的各科考试成绩的记录, 汇总和运算等 1. 在学生信息管理系统中数据流程图分析 2. 学生信息管理系统的功能分析结果

52 学生管理系统功能流程图

53 1.5.2 系统设计依据信息系统的分析结果, 可按照一下设计步骤进行信息系统的设计 : 1. 信息系统的数据库设计学生信息管理系统数据库包括 4 个基本数据表, 学生信息表课程表班级和成绩表, 表间以学号和班号为主键进行关联各数据表结构如表 1-8 表 1-9 表 1-10 表 1-11 所列 ( 其中描述的各个字段名称数据类型字段大小小数位等参数都是 Access 支持的标准参数 )

54 数据库系统概述表 1-8 学生信息表结构字段名称学号姓名性别班号出生日期民族政治面貌家庭地址电话照片简历数据类型文本文本是 / 否文本日期 / 时间文本文本文本文本 O/ L 对象备注字段大小长日期

55 数据库系统概述表 1-9 课程表结构课程表结构表班级表结构班级表结构字段名称班号学期课程 1 课程 2 课程 3 课程 4 字段名称班号专业学制数据类型文本文本文本文本文本文本数据类型文本文本文本字段大小字段大小

56 数据库系统概述表成绩表结构成绩表结构字段名称学号学期课程 1 成绩 1 课程 2 成绩 2 课程 3 成绩 3 课程 4 成绩 4 平均成绩数据类型文本文本文本数据文本数据文本数据文本数据数据字段大小单精度型 20 单精度型 20 单精度型 20 单精度型单精度型小数位数自动自动自动自动自动

57 2. 信息系统的功能设计表学生信息管理系统设计模块结构系统信息编辑编辑学生信息编辑分页窗体系统信息查询系统信息统计系统信息报表参数查询课程统计学生信息报表条件查询成绩统计成绩汇总报表班级设置总体查询交叉统计图形浏览报表课程设置更新查询系统退出成绩管理

58 2. 信息系统的功能设计表学生信息管理系统设计模块结构其中成绩管理子项中又有如下结构初始化成绩表成绩管理单个成绩录入总览成绩表进入学生管理系统应用软件点击 :

59 习题 ( 一 ) ( 一 ) 1. 什么是数据? 什么是信息? 2. 数据处理方式可分几种? 是什么? 3. 什么是数据库? 什么是数据库系统? 什么是数据库管理系统? 4. 数据模型有几种? 是什么? 数据模型的三要素是什么? 5. 当前最常用的数据模型有几类? 最常用的是哪种? 6. 请举例说明关系模型数据库的应用及实例 7. 数据库管理系统开发的一般步骤是什么? 熟悉小型应用系统开发实例的内容?

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