第 1 章

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1 第 7 章数据库技术基础 数据库技术是计算机领域的一个重要分支 在计算机应用的三大领域 ( 科学计算 数据处理 过程控制 ) 中, 数据处理约占到任务的 70%, 数据库技术就是作为一门数据处理技术发展起来的 随着计算机应用的不断普及与深入, 数据库技术变得越来越重要 了解 掌握数据库系统的基本概念和基本技术是应用数据库技术的前提 本章主要介绍数据管理技术的发展 数据库系统的基本概念 数据模型以及 SQL 语言的功能 特点及其应用 7.1 数据库概述 当今是信息技术飞速发展的时代, 作为信息技术主要支柱之一的数据库技术在社会各个领域中都有着广泛的应用 数据库是数据管理的最新技术, 是计算机科学的重要分支 数据库技术可以为各种用户提供及时的 准确的 相关的信息, 满足用户的各种需要 数据库技术研究的问题是如何科学地组织和存储数据, 如何高效地获取和处理数据, 如何更广泛 更安全地共享数据 数据与数据处理数据是数据库中存储的基本对象 多媒体时代的数据类型很多, 文字 图形 图像 声音 动画等与数值数据一样都是数据 可以对数据做如下定义 : 描述事物的符号记录称为数据 描述事物的符号可以是数字 文字 图形 图像 声音等多种形式, 它们经过转化以后可以被计算机所处理 人们需要对要交流的信息进行描述 在日常生活中, 人们通过语言进行事物的描述 ; 在计算机中, 为了存储和处理这些事物, 就要用由这些事物的典型特征值构成的记录来描述 例如 :2011 年 1 月和 6 月, 中国网球选手李娜接连获得澳网亚军和法网冠军, 取得亚洲选手历史性的最好成绩, 我们对她个人信息的描述可以是这样的 : ( 李娜, 女,1982,172CM, 武汉, 网球, 华中科技大学, 世界排名第 4 位 ) 这条记录就是数据 了解语义的我们可以从这条记录中读出 : 李娜在 2011 年 6 月, 是世界排名第 4 的优秀网球选手, 她出生在武汉,29 岁, 毕业于华中科技大学 而不了解其语义的人则可能不解其义 可见, 数据的形式还不能完全表达其内容, 需要经过解释 数据的解释是指对数据含义的说明, 数据的含义又称为数据的语义, 所以, 数据与其语义是不可分的 随着计算机技术的发展, 数据处理已成为人类进行正常社会生活的一种需求, 是人们对数据进行收集 组织 存储 加工 传播和利用的一系列活动的总和 数据处理经过了手工记录的人工管理 以文件形式保存数据的文件系统和现在的数据库管理 3 个阶段, 每个阶段各具特点 1. 人工管理阶段 160

2 第 7 章数据库技术基础 在计算机出现之前, 人们运用常规的手段从事数据记录 存储和加工, 也就是利用纸张来记录和利用计算工具 ( 算盘 计算尺 ) 来进行计算, 使用大脑来管理和利用数据 早期的计算机主要用于科学计算, 外部存储器只有磁带 卡片和纸带, 没有专门软件对数据进行管理 程序员编写应用程序时要安排数据的物理存储, 因为每个应用程序都需要包括数据的存储结构 存取方法 输入方式等, 数据只能为本程序所使用 多个应用程序涉及到相同的数据时, 也必须各自定义与输入 所以, 程序之间存在大量冗余数据 人工管理阶段的特点是 : 计算机系统不提供对用户数据的管理功能 用户编制程序时, 必须全面考虑好相关的数据, 包括数据的定义 存储结构以及存取方法等 ; 所有程序的数据均不单独保存, 数据与程序是一个整体, 数据只为本程序所使用 ; 数据只有与相应的程序一起保存才有价值, 导致程序间存在大量的重复数据, 浪费了存储空间 在人工管理阶段, 程序与数据之间的关系如图 7-1 所示 应用程序 1 数据集 1 应用程序 2 数据集 2 应用程序 3 数据集 3 图 7-1 人工管理阶段 2. 文件系统阶段 20 世纪 60 年代, 计算机进入到信息管理时期 这时, 随着数据量的增加, 数据的存储 检索和维护成为了紧迫需要解决的问题, 数据结构和数据管理技术也迅速发展起来 随着计算机技术的迅速发展, 硬件有了磁盘 磁鼓等直接存储设备, 软件出现了高级语言和操作系统 操作系统中有了专门管理数据的软件, 一般称为文件系统 这一时期的数据处理是把计算机中的数据组织成相互独立的被命名的数据文件并长期保存在计算机外存储器中, 用户可按文件的名字对数据进行访问, 可随时对文件进行查询 修改和增删等处理 文件系统阶段的特点是 : 数据以 文件 形式保存在磁盘上 ; 程序与数据之间具有 设备独立性, 程序只需用文件名就可与数据打交道 ; 操作系统的文件系统提供存取方法 ; 文件组织多样化, 有索引文件 链接文件和直接存取文件等 ; 文件之间相互独立, 数据之间的联系要通过程序去构造 在文件系统阶段, 程序与数据之间的关系如图 7-2 所示 应用程序 1 文件 1 应用程序 2 文件系统 文件 2 应用程序 n 图 7-2 文件系统阶段 文件 n 在文件系统阶段, 一个文件基本上对应于一个应用程序, 数据不能共享 数据和程序相 161

3 计算机基础 互依赖, 一旦改变数据的逻辑结构, 必须修改相应的应用程序 由于相同数据的重复存储 各自管理, 在进行更新操作时, 容易造成数据的不一致性 3. 数据库系统阶段 20 世纪 60 年代后期, 计算机性能得到进一步提高, 更重要的是出现了大容量磁盘, 存储容量大大增加且价格下降 文件系统的数据管理方法已无法适应开发应用系统的需要, 为解决多用户 多个应用程序共享数据的需求, 出现了统一管理数据的专门软件系统, 即数据库管理系统 数据库系统阶段如图 7-3 所示 应用程序 1 数据库 管理系统 数 据 库 图 7-3 数据库系统阶段 数据库系统阶段的数据管理特点是 : 数据不再面向特定的某个应用, 而是面向整个应用系统 ; 数据冗余明显减少, 实现了数据共享 ; 具有较高的数据独立性 ; 数据和外存中的数据之间转换由数据库管理系统实现 数据库系统为用户提供了方便的用户接口 用户可以使用查询语言或终端命令操作数据库, 也可以用程序方式操作数据库 对数据的操作不一定以记录为单位, 可以以数据项为单位, 增加了系统的灵活性 此外, 数据库系统提供了数据控制功能 主要包括 : 数据库的并发控制 数据库的恢复 数据完整性和数据安全性 从文件系统到数据库系统, 标志着数据管理技术质的飞跃 20 世纪 80 年代后期, 不仅在大 中型计算机上实现并应用了数据管理的数据库技术, 在微型计算机上也可使用数据库管理软件, 使数据库技术得到了普及 3 个阶段数据管理技术的特点如表 7-1 所示 表 个阶段数据管理技术的特点 手工管理 文件管理 数据库管理 数据的管理者 用户 ( 程序员 ) 文件系统 数据库系统 数据的针对者 特定应用程序 面向某一应用 面向整体应用 数据的共享性 无共享 共享差, 冗余大 共享好, 冗余小 数据的独立性 无独立性 独立性差 独立性好 数据的结构化 无结构 记录有结构, 整体无结构 整体结构化 数据库的基础概念在系统了解数据库知识之前, 应先了解和熟悉数据库的一些最基本的术语和概念, 主要 162

4 第 7 章数据库技术基础 包括数据 数据库 数据库管理系统和数据库系统 1. 数据数据 (Data) 是对客观事物属性的描述与记载, 是一些物理符号 按通常传统与狭义的理解, 数据的表现形式为数字形式, 而广义的理解, 数据是数据库中存储的基本对象, 它的表现形式有很多, 数值 文字 图形 图像 声音等都是数据 这些数据经过数字化后都可以存入计算机, 能为计算机所处理 2. 数据库数据库 (DataBase,DB) 是长期存储在计算机内 有组织的 可共享的大量数据的集合 数据库中的数据按一定的数据模型组织 描述和存储, 具有较小的冗余度 较高的数据独立性和易扩展性, 并可为用户共享 数据库本身不是独立存在的, 它是组成数据库系统的一部分, 在实际应用中, 人们面对的是数据库系统 (DataBase System,DBS) 3. 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种系统软件, 负责数据库中的数据组织 数据操作 数据维护及数据服务等 数据库管理系统使用户能方便地定义数据和操纵数据, 并能够保证数据的安全性 完整性, 多用户对数据的并发使用及发生故障后的系统恢复 数据库管理系统是数据库系统的核心, 主要有如下功能 : (1) 数据定义功能 DBMS 提供数据定义语言 (Data Definition Language,DDL), 用户通过它可以方便地对数据库中的相关内容进行定义, 如对数据库 基本表 视图和索引进行定义 (2) 数据操纵功能 DBMS 向用户提供数据操纵语言 (Data Manipulation Language,DML), 实现对数据库的基本操作, 如对数据库中数据的查询 插入 删除和修改 (3) 数据控制功能这是 DBMS 的核心部分, 它包括并发控制 ( 即处理多个用户同时使用某些数据时可能产生的问题 ) 安全性检查 完整性约束条件的检查和执行 数据库的故障恢复等 所有数据库的操作都要在这些控制程序的统一管理下进行, 以保证数据安全性 完整性和多个用户对数据库的并发操作 DBMS 提供的数据控制语言 ( Data Control Language,DCL) 负责实现这些功能 (4) 数据库的建立和维护功能数据库的建立和维护功能通常由一些实用程序完成, 它是数据库管理系统的一个重要组成部分 主要包括数据库初始数据的输入转换功能, 数据库的转储与恢复功能, 数据库的重新组织功能 系统的性能监测与分析功能等 4. 数据库系统 用户 用户 用户 应用系统 应用开发工具 数据库管理系统 数据库管理员 操作系统 数据库 图 7-4 数据库系统组成示意图 163

5 计算机基础 数据库系统 (DataBase System,DBS) 通常是指带有数据库的计算机应用系统, 因此, 数据库系统不仅包括数据库本身 ( 即实际存储在计算机中的数据 ), 还包括相应的硬件 软件和各类人员 数据库系统一般由数据库 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 数据库系统组成示意如图 7-4 所示 数据库系统的特点与应用示例 1. 数据库系统的特点 (1) 数据共享性高 冗余少这是数据库系统阶段的最大改进, 数据不再面向某个应用程序而是面向整个系统, 当前所有用户可同时存取数据库中的数据 这样便减少了不必要的数据冗余, 节约存储空间, 同时也避免了数据之间的不相容性与不一致性 (2) 数据结构化按照某种数据模型将各种数据组织到一个结构化的数据库中, 整个组织的数据不是一盘散沙, 可表示出数据之间的有机关联 (3) 数据独立性高数据的独立性分为逻辑独立性和物理独立性 数据的逻辑独立性是指当数据的总体逻辑结构改变时, 数据的局部逻辑结构不变, 应用程序是依据数据的局部逻辑结构编写的, 所以应用程序不必修改, 从而保证了数据与程序间的逻辑独立性 数据的物理独立性是指当数据的存储结构改变时, 数据的逻辑结构不变, 从而应用程序也不必改变 例如, 改变数据的存储组织方式 (4) 有统一的数据控制功能数据库为多个用户和应用程序所共享, 对数据的存取往往是并发的 ( 即多个用户可以同时存取数据库中的数据, 甚至可以同时存取数据库中的同一个数据 ), 为确保数据库数据的正确有效和数据库系统的有效运行, 数据库管理系统提供下述 4 方面的数据控制功能 1 数据的安全性 (Security) 控制 : 防止不合法使用数据造成数据的泄漏和破坏, 保证数据的安全和机密 例如, 系统提供口令检查或对数据的存取权限进行限制 2 数据的完整性 (Integrity) 控制 : 是指对数据的精确性和可靠性的控制, 防止数据库中存在不符合语义规定的数据和防止因错误信息的输入输出造成无效操作或错误信息 数据完整性又可以分为实体完整性 参照完整性 用户定义的完整性等 3 并发 (Concurrency) 控制 : 多用户同时存取或修改数据库时, 防止相互干扰而提供给用户不正确的数据, 使数据库受到破坏 4 数据恢复 (Recovery): 当数据库被破坏或数据不可靠时, 系统有能力将数据库从错误状态恢复到最近某一时刻的正确状态 2. 数据库系统的应用示例现在, 数据库已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分, 下面列出常见的一些数据库系统的应用 (1) 超市销售系统 164

6 第 7 章数据库技术基础 在超市购物时, 收银员通过使用条形码阅读器来扫描每件商品的条形码得到商品的品名 价格等信息 收银员的操作实际上链接了一个使用条形码从商品数据库中查询商品信息的应用程序, 然后该程序将查询到的商品信息显示在收银机上, 求得合计金额并打出清单 完成商品售出后, 商品数据库中要进行商品出库信息的调整 (2) 铁路售票系统火车站售票人员将旅客提供的日期 车次 起始站名 到达站名 车票数量等信息输入铁路售票系统, 如果存票量满足旅客要求, 就可以打印出车票, 同时将已售出的车票在存储车票信息的数据库中锁定, 以防重复出售 举一个与上面所介绍的并发控制相关的极端例子 早期的车票售票系统, 在多个售票终端 同时 锁定修改车票数据库时, 特别是锁定的信息相同时有可能发生并发控制不良, 造成锁定失败, 结果出现一张票被两次售出的现象 (3) 图书管理系统图书管理系统包含身份验证 借阅图书 归还图书 打印催还单 信息查询 系统维护等模块 用户登录时要进行身份的验证, 用户通过 借阅图书 模块输入所要借阅图书的编码, 系统自动判断该书的馆藏情况, 如果尚有可借书则完成本次借阅 归还图书 模块功能操作相反, 系统从数据库中读出借阅信息并填入归还数据后, 完成归还操作 常用数据库管理系统目前有许多数据库产品, 如 Oracle Microsoft SQL Server Sybase DB2 Microsoft Access Visual FoxPro 等, 它们以各自特有的功能在数据库应用领域中占有一席之地 1. Oracle Oracle 是 1983 年推出的世界上第一个开放式商品化关系型数据库管理系统 它采用标准的 SQL 结构化查询语言, 支持多种数据类型, 提供面向对象存储的数据支持, 具有第四代语言开发工具特点, 支持 Unix Windows NT OS/2 Novell 等多种平台 除此之外, 它还具有很好的并行处理功能 Oracle 产品主要由 Oracle 服务器产品 Oracle 开发工具 Oracle 应用软件组成, 也有基于微机的数据库产品 主要满足银行 金融 保险等部门开发大型数据库的需求 2. SQL Server SQL 即结构化查询语言 (Structured Query Language,SQL) SQL Server 最早出现在 1988 年, 当时只能在 OS/2 操作系统上运行 2000 年 12 月,Microsoft 发布了 SQL Server 2000, 该软件可以运行于 Windows NT/2000/XP/Vista 等多版本种操作系统之上, 是支持客户机 / 服务器结构的数据库管理系统, 它可以帮助各种规模的企业管理数据 随着用户群的不断增大,SQL Server 在易用性 可靠性 可收缩性 支持数据仓库 系统集成等方面日趋完美 特别是 SQL Server 的数据库搜索引擎, 可以在绝大多数的操作系统之上运行, 并针对海量数据的查询进行了优化 目前 SQL Server 已经成为应用最广泛的数据库产品之一 由于使用 SQL Server 不但要掌握 SQL Server 的操作, 而且还要能熟练掌握 Windows NT/2000 Server 等运行机制, 以及 SQL 语言, 所以, 非专业人员在学习和使用时难 165

7 计算机基础 度较大 3. Sybase 1987 年推出的大型关系型数据库管理系统 Sybase, 能运行于 OS/2 Unix Windows 等多种平台 它支持标准的关系型数据库语言 SQL, 使用客户机 / 服务器模式, 采用开放体系结构, 能实现网络环境下各节点上服务器的数据库互访操作, 是技术先进 性能优良的开发大中型数据库的工具 Sybase 产品主要由服务器产品 Sybase SQL Server 客户产品 Sybase SQL Toolset 和接口软件 Sybase Client/Server Interface 组成, 还有著名的数据库应用开发工具 PowerBuilder 4. DB2 DB2 是基于 SQL 的关系型数据库产品 20 世纪 80 年代初期 DB2 的重点放在大型的主机平台上 到 90 年代初,DB2 发展到中型机 小型机以及微机平台 DB2 适用于各种硬件与软件平台, 用户主要分布在金融 商业 铁路 航空 医院 旅游等各大领域, 以金融系统的应用最为突出 5. Access Access 是在 Windows 操作系统下 Office 组件之一, 也是关系型数据库管理系统 它采用了 Windows 程序设计理念, 以 Windows 特有的技术设计查询 用户界面 报表等数据对象, 内嵌了 VBA(Visual Basic Application) 程序设计语言, 具有集成的开发环境 Access 提供图形化的查询工具和屏幕 报表生成器, 用户建立复杂的报表 界面无需编程和了解 SQL 语言, 它会自动生成 SQL 代码 Access 具有 Office 系列软件的一般特点, 如菜单 工具栏等 与其他数据库管理系统软件相比, 更加简单易学 一个没有程序设计语言基础的普通计算机用户可以快速地掌握和使用它 最重要的一点是,Access 的功能比较强大, 足以应付一般的数据管理及处理需要, 适用于中小型企业数据管理的需求 当然, 在数据定义 数据安全可靠 数据有效控制等方面, 它比前面几种数据库产品要逊色不少 6. Visual FoxPro Visual FoxPro( 简称 VFP), 是 Microsoft 公司推出的数据库开发软件, 用它来开发数据库, 既简单又方便 目前最新版为 VFP 9.0, 而在学校教学和教育部门考证中还依然延用经典版的 VFP 6.0 VFP 不仅提供了更多更好的设计器 向导 生成器及新类, 并且使得客户 / 服务器结构数据库应用程序的设计更加方便简捷 VFP 以其强健的工具和面向对象的以数据为中心的语言, 将客户 / 服务器和网络功能集成于现代化的 多链接的应用程序中 VFP 充分发挥了面向对象编程技术与事件驱动方式的优势, 是目前世界上流行的小型 数据库管理系统中版本最高 性能最好 功能最强 应用最广泛的优秀软件 现实世界 7.2 数据库系统的结构 数据库系统的结构指数据库系统中数据的存储 管理和 认识抽象 信息世界 166 计算机世界 图 7-5 数据处理的 3 个阶段

8 第 7 章数据库技术基础 使用等形式, 包括数据描述 数据模型和数据库的三级模式结构 数据描述在数据处理中, 数据描述涉及到不同的范畴 数据从现实世界到计算机数据库的具体表示要经历 3 个阶段, 即现实世界 信息世界和计算机世界的数据描述 这 3 个阶段的关系如图 7-5 所示 1. 现实世界现实世界是指客观存在的世界中的事物及其联系 在这一阶段要对现实世界的信息进行收集 分类, 并抽象成信息世界的描述形式 2. 信息世界信息世界是现实世界在人脑中的反映, 是对客观事物及其联系的一种抽象描述, 一般采用实体 - 联系方法 (Entity-Relationship Approach,E-R 方法 ) 表示 在数据库设计中, 这一阶段又称为概念设计阶段 在信息世界中, 常用的主要概念如下 : (1) 实体 (Entity) 客观存在并且可以相互区别的事物称为实体 实体可以是可触及的对象, 如一个人 一本书 一辆汽车 ; 也可以是抽象的事件, 如一堂课 一场比赛 (2) 属性 (Attribute) 实体的某一特性称为属性, 如学生实体有学号 姓名 年龄 性别 系等方面的属性 属性有型和值之分, 型即为属性名, 如姓名 年龄 性别是属性的型 ; 值即为属性的具体内容, 如 (060001, 张建国,18, 男, 计算机 ) 这些属性值的集合表示了一个学生实体 (3) 实体型 (Entity Type) 若干个属性型组成的集合可以表示一个实体的类型, 简称实体型 如学生 ( 学号, 姓名, 年龄, 性别, 系 ) 就是一个实体型 (4) 实体集 (Entity Set) 同型实体的集合称为实体集, 如所有的学生 所有的课程 (5) 键 (Key) 键也称为实体标识符, 有时也称为关键字或主码 键是能唯一标识一个实体的属性或属性集, 如学生的学号可以作为学生实体的键, 而学生的姓名可能有重名, 所以不能作为学生实体的键 (6) 域 (Domain) 属性值的取值范围称为该属性的域, 如学号的域为 6 位整数, 性别的域为 ( 男, 女 ) (7) 联系 (Relationship) 在现实世界中, 事物内部以及事物之间是有联系的, 这些联系同样也要抽象和反映到信息世界中来, 在信息世界中将被抽象为实体型内部的联系和实体型之间的联系 反映实体型及其联系的结构形式称为实体模型, 也称作信息模型, 它是现实世界及其联系的抽象表示 两个实体型之间的联系有如下 3 种类型 : 1 一对一联系 (1:1) 实体集 A 中的一个实体至多与实体集 B 中的一个实体相对应, 反之亦然, 则称实体集 A 与实体集 B 为一对一联系, 记作 (1:1) 如班级与班长 观众与座位 167

9 计算机基础 2 一对多联系 (1:n) 实体集 A 中的一个实体与实体集 B 中的多个实体相对应, 反之, 实体集 B 中的一个实体至多与实体集 A 中的一个实体相对应, 记作 (1:n) 如班级与学生 省与市 3 多对多联系 (m:n) 实体集 A 中的一个实体与实体集 B 中的多个实体相对应, 反之, 实体集 B 中的一个实体与实体集 A 中的多个实体相对应, 记作 (m:n) 如教师与学生 学生与课程 实际上, 一对一联系是一对多联系的特例, 而一对多联系又是多对多联系的特例 (8) 实体 - 联系方法实体 - 联系方法称为 E-R 方法, 使用图形方式描述实体之间的联系, 基本图形元素如图 7-6 所示 图 7-7 为用 E-R 方法描述学校教学管理中学生选课系统的 E-R 图 编号课程名学时数 实体 课程 实体的属性 选课 实体间的联系 学生 连接各个图形 学号 姓名 专业 图 7-6 E-R 图的图形元素 图 7-7 学生选课系统的 E-R 图 3. 计算机世界在信息世界基础上致力于其在计算机物理结构上的描述, 从而形成的物理模型叫计算机世界, 即对信息世界做进一步抽象, 使用的方法为数据模型的方法, 这一阶段的数据处理在数据库的设计过程中也称作逻辑设计 在计算机世界中, 常用的主要概念如下 (1) 字段 (Field) 对应于属性的数据称为字段, 也称为数据项 字段的命名往往和属性名相同 字段是数据库中可以命名的最小逻辑数据单位, 如学生有学号 姓名 年龄 性别 系等字段 (2) 记录 (Record) 对应于每个实体的数据称为记录 如一个学生 (990001, 张立,20, 男, 计算机 ) 为一个记录 (3) 关键字 (Key) 能够唯一标识每个记录的字段或字段集, 称为关键字或主码 如在学生实体中的学号可以作为关键字, 因为每个学生有唯一的学号 (4) 文件 (File) 对应于实体集的数据称为文件 如所有学生的记录组成了一个学生文件 信息世界和计算机世界术语的对应关系如表 7-2 所示 168

10 第 7 章数据库技术基础 表 7-2 信息世界和计算机世界术语对应关系 信息世界 计算机世界 实体属性键实体集 记录字段关键字文件 数据模型数据库是一个具有一定数据结构的数据集合, 这个结构是根据现实世界中事物之间的联系确定的 在数据库系统中不仅要存储和管理数据本身, 还要保存和处理数据之间的联系, 这个数据之间的联系也就是实体之间的联系, 反映在数据上则是记录之间的联系 研究如何表示和处理这种联系是数据库系统的核心问题, 用以表示实体与实体之间联系的模型称为数据模型 数据模型的设计方法决定着数据库的设计方法, 常见的数据模型有 3 种 : 层次模型 (Hierarchical Model) 网状模型(Network Model) 和关系模型 (Relational Model) 1. 层次模型层次模型是数据库系统最早使用的一种模型, 若用图来表示, 层次模型是一棵倒立的树 在数据库中, 对满足以下两个条件的数据模型称为层次模型 (1) 有且仅有一个结点无双亲结点, 这个结点称为根结点 (2) 根以外的其他结点有且仅有一个双亲结点 例如, 某高校的管理层次模型如图 7-8 所示 学校 处室 系 后勤 科 教研室 实验中心 团学组织 中心 图 7-8 层次模型示意图 层次模型对具有一对多的层次关系的描述非常自然 直观且容易理解, 这是层次模型数据库的突出优点 层次模型数据库系统的典型代表是 IBM 公司的 IMS(Information Management System) 数据库管理系统, 这是一个曾经广泛使用的数据库管理系统 2. 网状模型用网状结构表示实体及其之间联系的模型称为网状模型 网状模型是一个不加任何限定条件的无向图 在数据库中, 满足以下两个条件的数据模型称为网状模型 (1) 允许一个以上的结点无双亲 (2) 一个结点可以有多于一个的双亲 169

11 计算机基础 自然界中实体间的联系更多的是非层次关系, 用层次关系表示非树形结构是很不直接的, 网状模型则可以克服这一弊病 网状模型的典型代表是 DBTG 系统, 也称 CODASYL 系统, 这是 20 世纪 70 年代数据系统语言研究会 CODASYL(Conference On Data System Language) 下属的数据库任务组 (DataBase Task Group,DBTG) 提出的一个系统方案 3. 关系模型关系模型是目前数据库所讨论的模型中最重要的模型 美国 IBM 公司的研究员 E.F.Codd 于 1970 年发表题为 大型共享系统的关系数据库的关系模型 的论文, 文中首次提出了数据库系统的关系模型 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支持关系模型, 非关系模型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以关系方法为基础 关系模型是用二维表来表示实体以及实体之间联系的数据模型 一个关系模型就是一张二维表, 它由行和列组成 简单的关系模型如表 7-3 和表 7-4 所示, 其中教师关系及课程关系的关系框架如下 : 教师 ( 教师编号 姓名 性别 所在系名 ) 课程 ( 课程号 课程名 教师编号 上课教室 ) 表 7-3 教师关系 教师编号 姓 名 性 别 所在系名 0010 赵晓宇 女 数学 0018 钱锋 男 物理 表 7-4 课程关系 课程号 课程名 教师编号 上课教室 0059l 高等数学 0010 A 普通物理 0018 C-218 在关系模型中, 基本数据结构就是二维表, 不使用层次模型或网状模型的链接指针 记录之间的联系通过不同关系中的同名属性来体现 例如, 查找 赵晓宇 老师所教课程, 首先要在教师关系中找到该老师的编号 0010, 然后在课程关系中找到 0010 编号对应的课程名即可 在上述查询过程中, 同名属性 教师编号 起到了连接两个关系的纽带作用 由此可见, 关系模型中的各个关系模式不是孤立的, 也不是随意拼凑的一堆二维表, 它必须满足相应的需要 4. 数据模型的要素数据模型通常由数据结构 数据操作和完整性约束 3 部分组成 (1) 数据结构数据结构用于描述系统的静态特性 数据结构主要描述数据的模型 内容 性质以及数据间的联系等 数据结构是数据模型的基础, 数据操作与约束均建立在数据结构上 不同数据结构有不同的操作与约束, 所以数据模型的分类均以数据结构为依据来划分 (2) 数据操作 170

12 第 7 章数据库技术基础 数据操作用于描述系统的动态特性 数据操作是指对数据库中各种对象 ( 型 ) 的实例 ( 值 ) 允许执行的操作的集合, 包括操作及有关的操作规则 数据库中主要有检索和更新 ( 包括插入 删除 修改 ) 两类操作 数据模型要定义这些操作的确切含义 操作符号 操作规则 操作优先级以及实现操作的语言 (3) 数据的完整性约束条件数据的完整性约束条件是一组完整性规则的集合 完整性规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的约束和存储规则 这些规则用来限定基于数据模型的数据库的状态及状态变化, 以保证数据库中数据的正确 有效和相容 数据库系统的三级模式结构 1. 三级模式结构通常 DBMS 把数据库从逻辑上分为三级, 即外模式 模式和内模式, 它们分别反映了看待数据库的 3 个角度 三级模式结构如图 7-9 所示 应用 1 应用 2 应用 n 外模式 1 外模式 m 外模式 / 模式映像 模式 模式 / 内模式映像 内模式 数据库 图 7-9 数据库系统三级模式结构 (1) 模式模式又称逻辑模式或概念模式, 它是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述, 模式又称逻辑模式或概念模式, 它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 它处于数据库系统模式结构的中间层, 既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境, 也与具体的应用程序, 与所使用的应用开发工具及高级程序设计语言无关 模式实际上是数据库数据在逻辑级上的视图, 一个数据库只有一个模式 数据库模式以 171

13 计算机基础 某种数据模型为基础, 统一综合地考虑了所有用户的需求, 并将这些需求有机地结合成一个逻辑整体 定义模式时不仅要定义数据的逻辑结构, 而且要定义数据之间的联系以及定义与数据有关的安全性 完整性要求 DBMS 提供模式描述语言 ( 模式 DDL) 来严格地定义模式 (2) 外模式外模式也称子模式或用户模式, 它是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述, 是数据库用户的数据视图, 是与某一应用有关的数据的逻辑表示 一个数据库可以有多个外模式, 外模式通常是模式的子集 由于外模式是各个用户的数据视图, 如果不同的用户在应用需求 看待数据的方式 对数据保密的要求等方面存在差异, 则其外模式描述就是不同的 另一方面, 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 外模式是保证数据库安全性的一个有力措施 每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据, 数据库中的其余数据是不可见的 (3) 内模式内模式又称存储模式, 一个数据库只有一个内模式 它是对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式 比如可能涉及到记录的存储方法 索引要求 数据是否需要加密 数据的存储结构有何要求等 在数据库的三级模式结构中, 模式, 即逻辑模式是数据库的中心与关键, 它独立于数据库的其他层次 因此, 设计数据库模式结构时, 应首先确定数据库的逻辑模式 2. 两级映像数据库系统的三级模式是对数据的三个抽象级别, 它把数据的具体组织工作留给了 DBMS 管理, 使用户能够从逻辑层面上处理数据, 而不必关心数据在计算机中的具体表示方式和存储方式 为了能够在内部实现这三个抽象层次的联系和转换,DBMS 在这个三级模式之间提供了两级映像 : 外模式 / 模式映像和模式 / 内模式映像 正是这两级映像保证了数据库系统中的数据能够具有较高的逻辑独立性和物理独立性 (1) 外模式 / 模式映像所谓映像就是存在的某种对应关系 模式描述的是数据的全局逻辑结构, 外模式描述的是数据的局部逻辑结构 对应于同一个模式可以有任意多个外模式 对于每一个外模式, 数据库系统都有一个外模式 / 模式的映像, 它定义了该外模式与模式之间的对应关系 当模式改变时, 由数据库管理员对各个外模式 / 模式映像做相应的改变, 就可以使外模式保持不变 应用程序是依据数据的外模式编写的, 从而应用程序不必修改, 保证了数据与程序的逻辑独立性, 简称为数据的逻辑独立性 (2) 模式 / 内模式映像数据库中只有一个模式, 也只有一个内模式, 所以模式 / 内模式的映像是唯一的 它定义了数据库全局逻辑结构与物理存储结构之间的对应关系 当数据库的物理存储结构改变时, 由数据库管理员对模式 / 内模式映像做相应的改变, 就可以使模式保持不变, 从而应用程序也不必改变 这样就保证了程序与数据的物理独立性, 简称为数据的物理独立性 172

14 第 7 章数据库技术基础 两级映像使数据库管理中的数据具有两个层次的独立性 : 一个是数据的物理独立性, 另一个是数据的逻辑独立性 数据的独立性是数据库系统最基本的特征之一, 采用数据库技术使得维护应用程序的工作量大大减轻了 7.3 关系数据库 关系数据库是采用关系模型作为数据的组织方式的数据库 关系模型建立在严格的数学概念基础上,1970 年 IBM 公司 San Jose 研究室的研究员 E.F.Codd 提出了数据库的关系模型, 奠定了关系数据库的理论基础 由于所做出的杰出贡献,1981 年的图灵奖颁给了他 20 世纪 70 年代末, 关系方法的理论研究和软件系统的研制均取得了很大成果,IBM 公司的 San Jose 实验室在 IBM 370 系列机上研制出关系数据库实验系统 System R 1981 年,IBM 公司又宣布研制出具有 System R 全部特征的数据库软件新产品 SQL/DS 与 System R 同期, 美国加州大学伯克利分校也研制了 Ingres 数据库实验系统, 并由 Ingres 公司发展成为 Ingres 数据库产品, 使关系方法从实验走向了市场 关系数据库产品一问世, 就以其简单清晰的概念和易懂易学的数据库语言, 使用户不需了解复杂的存取路径细节, 不需说明 怎么干 而只需指出 干什么 就能操作数据库, 从而深受广大用户喜爱, 并涌现出许多性能优良的商品化关系数据库管理系统, 即 RDBMS 著名的 DB2 Oracle Ingres Sybase Informix 等都是关系数据库管理系统 关系数据库产品也从单一的集中式系统发展到可在网络环境下运行的分布式系统, 从联机事务处理到支持信息管理 辅助决策, 系统的功能不断完善, 使数据库的应用领域迅速扩大 关系模型的设计 1. 基本概念关系数据库模型是当今最流行的数据库模型, 其流行源于结构的简单性 在关系模型中, 数据好像存放在一张张电子表格中, 这些表格就称为关系 构建关系模型下的数据库, 其核心是设计组成数据库的关系, 为讨论关系数据库, 先给出关系模型中的一些基本概念 (1) 关系一个二维表就叫做一个关系, 二维表名就是关系名 关系模型采用二维表来表示, 其中的行称为元组 ( 或记录 ), 列称为属性 ( 或字段 ), 属性的具体内容称为数据项 关系一般应满足如下性质 : 1 元组个数是有限的 ; 2 元组是唯一的, 不可重复 ; 3 元组的次序可以任意 ; 4 构成元组数据项不可再分割 ; 5 属性名不能相同 ; 6 属性的次序可以任意 (2) 元组二维表中的一行叫做一个元组 ( 或记录 ) 一个表( 关系 ) 中可以有多个元组, 没有元的表称为 空表 173

15 计算机基础 (3) 属性二维表中的一列叫做一个属性 ( 或字段 ), 每一个属性有一个属性名 同一属性中的数据项数据类型应该相同 如 年龄 只能填入年龄数据, 而不能出现其他字符 (4) 域属性中数据项的取值范围叫做 域 不同的属性有不同的取值范围, 即不同的 域 例如, 成绩的取值范围是 0~100, 逻辑型属性的取值范围只能是逻辑真或逻辑假 (5) 码二维表中的某个属性的值若能唯一地标识一个元组, 则称该属性为候选码, 若一个关系有多个候选码, 则选中其中一个为主码 ( 也称关键字 ), 这个属性称为主属性 (6) 分量元组中的一个属性值叫做元组的一个分量 (7) 关系模式关系模式是对关系的描述, 它包括关系名 组成该关系的属性名 属性到域的映像 通常简记为 : 关系名 ( 属性名 1, 属性名 2,, 属性名 n) 属性到域的映像通常直接说明为属性的类型 长度等 例如, 教学数据库中共有 6 个关系, 其关系模式分别为 : 系 ( 系号, 系名称, 办公室 ) 学生 ( 学号, 姓名, 性别, 年龄, 系号 ) 教师 ( 教师号, 姓名, 性别, 年龄, 系号 ) 课程 ( 课程号, 课程名, 课时 ) 选课 ( 学号, 课程号, 成绩 ) 授课 ( 教师号, 课程号 ) 其中学生关系实例如表 7-5 所示, 系关系实例如表 7-6 所示 表 7-5 学生关系实例 学 号 姓 名 性 别 年 龄 系 号 陈雪 女 赵强 男 郝刚 男 表 7-6 系关系实例 系 号 系名称 办公室 01 管理 教 机械 教 信息 教 601 关系中的主关键字由不为空且值唯一的属性 ( 或属性组合 ) 承担 174

16 第 7 章数据库技术基础 这里也介绍一下外部关键字 某个属性 ( 或属性组合 ) 不是本关系的关键字, 但却是另一个关系的关键字时, 就称这个属性 ( 或属性组合 ) 为本关系的外部关键字 2. 关系模型的三级结构关系模型基本遵循数据库的三级体系结构, 在关系模型中, 模式是关系模式的集合, 外模式是关系子模式的集合, 内模式是存储模式的集合 (1) 关系模式关系模式是对关系的描述, 它包括模式名, 组成该关系的诸属性名 值域和模式的主键 具体的关系称为实例 (2) 关系子模式在数据库应用系统中, 用户使用的数据常常不直接来自某个关系模式, 而是从若干个关系模式中抽取满足一定条件的数据 这种结构可用关系子模式实现, 关系子模式是用户所需数据的结构描述 (3) 存储模式存储模式描述了关系是如何在物理存储设备上存储的 关系存储时的基本组织方式是记录 3. 关系模型的完整性规则关系模型的完整性规则是对数据的约束 关系模型提供了 3 类完整性约束 : 实体完整性约束 参照完整性约束和用户定义的完整性约束 其中实体完整性约束和参照完整性约束是关系模型必须满足的完整性约束条件, 由关系数据库系统自动支持 (1) 实体完整性实体完整性 (Entity Integrity) 规划的含义是, 关系型数据库中, 为保证实体完整性成立, 则要求关系的主关键字值不能为空 在表 7-5 所示的学生关系里, 主关键字是学号, 因此学号不能取空值 在关系数据库中, 关系与关系之间的联系是通过公共属性来实现的 这个公共属性是一个关系的主关键字和另一个关系的外部关键字 例如, 表 7-5 所示的学生关系与表 7-6 所示的系关系之间的联系可以通过 系号 来实现的 (2) 关系模式参照完整性 (Referential Integrity) 规则的含义是, 如果表中存在外部关键字, 则外部关键字的值必须与主表中相应的主关键字的值相同或为空 (3) 关系模式用户定义完整性 (User-defined Integrity) 是针对某一具体关系数据库的约束条件 它反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求 例如, 属性值根据实际需要有一些约束的条件, 如成绩不能为负数, 工龄应小于年龄 ; 有些数据的输入格式要有一些限制等 关系模型应该提供定义和检验这类完整性的机制 关系操作关系数据库中的核心内容是关系即二维表, 而对这样一张表的使用主要包括按照某些条件获取相应行 列的内容, 或者通过表之间的联系获取两张表或多张表相应的行 列内容 概括起来关系操作包括选择 投影和连接操作 关系操作的操作对象是关系, 操作结果亦为关系 175

17 计算机基础 1. 选择操作选择 (Selection) 操作是指在关系中选择满足某些条件的元组 ( 行 ) 例如, 要在表 7-5 所示的学生基本信息中找出年龄为 19 岁的所有学生数据, 可以对学生基本信息表做选择操作, 条件是年龄为 19 岁, 操作结果如表 7-7 所示 表 7-7 对表 7-5 进行选择操作的结果 学号姓名性别年龄系号 郝刚男 投影操作投影 (Projection) 操作是在关系中选择某些属性列 例如, 要在表 7-6 所示的系关系中找出所有系的名称及办公室地址, 可以对系关系做投影操作, 选择系名称和办公室列, 操作结果如表 7-8 所示 表 7-8 对表 7-6 进行投影操作的结果 系名称 办公室 管理教 201 机械教 401 信息教 连接操作连接 (Join) 操作是从两个关系的笛卡儿积中选取属性间满足一定条件的元组, 组成一个新的关系 例如, 表 7-5 所示的学生关系和表 7-6 所示的系关系的广义笛卡儿积为表 7-9 所示的关系 A 表 7-9 关系 A 学号 姓 名 性别 年龄 系号 系号 系名称 办公室 陈雪 女 管理 教 陈雪 女 机械 教 陈雪 女 信息 教 赵强 男 管理 教 赵强 男 机械 教 赵强 男 信息 教 郝刚 男 管理 教 郝刚 男 机械 教 郝刚 男 信息 教 601 连接条件中的属性称为连接属性, 两个关系中的连接属性应该有相同的数据类型, 以保证其是可比的 连接条件中的运算符为算术比较运算符, 当此运算符取 = 时, 为等值连接 如表 7-10 所示的关系 B 是学生关系和系关系在条件 学生关系. 系号 = 系关系. 系号 下的等值连接 176

18 第 7 章数据库技术基础 表 7-10 关系 B 学 号 姓 名 性 别 年 龄 系 号 系 号 系名称 办公室 陈雪 女 管理 教 赵强 男 信息 教 郝刚 男 信息 教 601 若在等值连接的结果关系中去掉重复的属性, 则此连接称为自然连接 如表 7-11 所示关系 C 是学生关系和系关系在条件 学生关系. 系号 = 系关系. 系号 下的自然连接 表 7-11 关系 C 学 号 姓 名 性 别 年 龄 系 号 系名称 办公室 陈雪 女 管理 教 赵强 男 信息 教 郝刚 男 信息 教 601 在对关系数据库的实际操作中, 往往是以上几种操作的综合应用 例如对关系 C 再进行投影操作, 我们可以得到仅由属性 学号 姓名 性别 系名称 组成的新的关系 D, 如表 7-12 所示 表 7-12 关系 D 学 号 姓 名 性 别 系名称 陈雪 女 数学 赵强 男 信息 郝刚 男 信息 以上这些基本操作, 在各种关系数据库管理系统中都有相应的操作命令 结构化查询语言 SQL 结构化查询语言 (Structured Query Language,SQL) 是 1974 年由 Boyce 和 Chamberlin 提出的, 并在 IBM 公司的关系数据库系统 System R 上实现 由于 SQL 使用方便, 功能丰富, 语言简洁易学, 备受用户欢迎, 被众多计算机公司和软件公司所采用 经各公司的不断修改 扩充和完善,SQL 语言最终发展成为关系数据库的标准语言 1986 年 10 月美国国家标准局 (ANSI) 颁布了 SQL 语言的美国标准,1987 年 6 月国际标准化组织 (ISO) 也把这个标准采纳为国际标准, 后经修订, 在 1989 年 4 月颁布了增强完整性特征的 SQL89 版本, 这就是目前所说的 SQL 标准 1. SQL 数据库结构 SQL 不只是一个查询语言, 实际上 SQL 作为一种标准数据库语言, 从对数据库的随机查询到数据库的管理和程序设计, 几乎无所不能, 功能十分丰富 SQL 支持关系数据库的三级模式结构 SQL 数据库的结构如图 7-10 所示 SQL 用户 177

19 计算机基础 SQL 用户 视图 1 视图 2 基本表 1 基本表 2 基本表 3 基本表 4 存储文件 1 存储文件 2 存储文件 3 SQL 数据库基本上是三级结构, 但有些术语和传统的关系数据库术语不同 在 SQL 中, 关系模式被称为基本表, 内模式称为存储文件, 外模式称为视图, 元组称为行, 属性称为列 1. SQL 的特点 前面已经介绍过了,SQL 语言深受用户和业界欢迎, 因为它是一个综合的 通用的 功能极强 同时又简洁易学的语言 SQL 有以下 5 个特点 : (1) 综合统一 SQL 语言是集数据定义语言 (DDL) 数据操纵语言 (DML) 数据控制语言 (DCL) 的功能于一体, 语言风格统一 它可以独立完成数据生命周期中的全部活动, 包括定义关系模式 录入数据以建立数据库 查询 更新 维护 数据库重构 数据库安全性控制等一系列操作, 从而为数据库应用系统开发提供了良好的环境 (2) 高度的非过程化 用 SQL 语言进行数据操作, 用户只需提出 做什么, 而不必指明 怎么做, 因此用户无需了解存取路径, 路径的选择以及 SQL 语句的操作过程由系统自动完成 这不但大大减轻了用户负担, 而且有利于提高数据的独立性 (3) 操作面向对象 SQL 克服了非关系数据模型的面向记录的操作方式, 它采用面向对象的集合操作方式 (4) 自含式与嵌入式的统一 SQL 语言既是自含式语言, 又是嵌入式语言 在这两种不同的使用方式下,SQL 语言的语法结构基本上是一致的 这种以统一的语法结构提供两种不同的使用方式的做法, 为用户提供了极大的灵活性与方便性 (5) 语言简洁 易学易用 SQL 语言功能极强, 但由于结构巧妙, 语言十分简洁, 完成数据定义 数据查询 数据操纵 数据控制的核心功能只用了 9 个动词 :CREATE DROP ALTER SELECT INSERT UPDATE DELETE GRANT REVOKE 此外,SQL 语言语法简单, 接近英语口语, 因此容易学习, 容易使用 3. SQL 的基本功能 SQL 语言包括数据定义 数据操纵 数据控制等功能 (1)SQL 的数据定义功能包括 3 部分 : 定义基本表 定义视图和定义索引 178 图 7-10 SQL 数据库的结构

20 第 7 章数据库技术基础 (2)SQL 的数据操纵功能包括 SELECT INSERT DELETE 和 UPDATE 这 4 个语句, 即检索和更新 ( 包括增 删 改 ) 两部分功能 (3)SQL 数据控制功能是指控制用户对数据的存储权限 某个用户对某类数据具有何 种操作权是由数据库管理员决定的, 数据库管理系统的功能是保证这些决定的执行, 为此它 必须能把授权的信息告知系统, 这是由 SQL 语句 GRANT 和 REVOKE 来完成的 把授权用 户的结果存入数据字典, 当用户提出操作请求时, 根据授权情况进行检查, 以决定是执行操 作还是拒绝操作 4. SQL 的查询功能 SQL 语言的核心语句是数据库查询语句 SELECT, 它也是使用最频繁的语句,SELECT 语句的一般格式为 : SELECT < 列名 >[{, < 列名 >}] FROM < 表名或视图名 >[{, < 表名或视图名 >}] [WHERE < 检索条件 >] [GROUP BY < 列名 1>[HAVING < 条件表达式 >]] [ORDER BY < 列名 2>[ASC DESC]] 语句格式中,< > 中的内容是必需的, 是用户自定义语义 ;[] 为任选项 ;{} 或分隔符 表示 必选项, 即必须选择其中一项 SELECT 查询的结果仍是一个表 SELECT 语句的执行过程是 : 根据 WHERE 子句的检索条件, 从 FROM 子句指定的基本 表或视图中选取满足条件的元组, 再按照 SELECT 子句中指定的列, 投影得到结果表 如果 有 GROUP 子句, 则将查询结果按照 < 列名 1> 相同的值进行分组 如果 GROUP 子句后有 HAVING 短语, 则只输出满足 HAVING 条件的元组 如果有 ORDER 子句, 查询结果还要按照 < 列名 2> 的值进行排序 SQL 语句对数据库的操作十分灵活方便, 原因在于 SELECT 语句中的成分丰富多样, 有 许多可选形式, 尤其是目标列和目标表达式 表 7-13 表 7-14 和表 7-15 所示列出了在 SELECT 语句中可以使用的比较运算符 逻辑运算符和常用内部函数 一条 SELECT 语句可以写在多 行上, 此时非结束行的末尾用分号 ; 将下一行连接起来 表 7-13 SQL 比较运算符 运算符含义 = 等于 <>,!= 不等于 > 大于 >= 大于等于 < 小于 <= 小于等于 BETWEEN AND IN LIKE IS NULL 在两值之间在一组值的范围内与字符串匹配为空值 179

21 计算机基础 表 7-14 SQL 逻辑运算符 运算符含义 AND OR NOT 逻辑与 逻辑或 逻辑非 表 7-15 SQL 常用内部函数 函数名功能 AVG( 字段名 ) COUNT( 字段名 ) COUNT(*) MIN( 字段名 ) MAX( 字段名 ) SUM( 字段名 ) 求字段名所在列数值的平均值求字段名所在列中非空数据的个数求查询结果中总的行数求字段名所在列中的最小值求字段名所在列中的最大值求字段名所在列数据的总和 7.4 数据库技术与其他技术的结合 数据库技术与其他相关技术的结合是当前数据库技术发展的重要特征 计算机领域中其他新兴技术的发展对数据库技术产生了重大影响 面对传统数据库技术的不足和缺陷, 人们自然而然地想到借鉴其他新兴技术, 从中吸取新的思想 原理和方法, 将其与传统的数据库技术相结合, 以推出新的数据库模型, 从而解决传统数据库存在的问题 通过这种方法, 人们研制出了各种各样的新型数据库, 例如数据库技术与分布处理技术相结合, 出现了分布式数据库 ; 数据库技术与多媒体技术相结合, 出现了多媒体数据库 下面对其中的几个新型数据库加以简单介绍 分布式数据库 1. 集中式系统和分布式系统目前介绍的数据库系统都是集中式数据库系统 所谓集中式数据库就是集中在一个中心场地的电子计算机上, 以统一处理方式所支持的数据库 这类数据库无论是逻辑上还是物理上都是集中存储在一个容量足够大的外存储器上, 其基本特点是 : (1) 集中控制处理效率高, 可靠性好 (2) 数据冗余少, 数据独立性高 (3) 易于支持复杂的物理结构, 获得对数据的有效访问 但是随着数据库应用的不断发展, 人们逐渐地感觉到过分集中化的系统在处理数据时有许多局限性 例如, 不在同一地点的数据无法共享 ; 系统过于庞大 复杂, 显得不灵活且安 180

22 第 7 章数据库技术基础 全性较差 ; 存储容量有限不能完全适应信息资源存储要求等 正是为了克服这种系统的缺点, 人们采用数据分散的办法, 即把数据库分成多个, 建立在多台计算机上, 这种系统称为分散式数据库系统 由于计算机网络技术的发展, 可以将分散在各处的数据库系统通过网络通信技术连接起来, 这样形成的系统称为分布式数据库系统 近年来, 分布式数据库已经成为信息处理中的一个重要领域, 并且它的重要性还将迅速增加 2. 分布式数据库分布式数据库是一组结构化的数据集合, 它们在逻辑上属于同一系统而在物理上分布在计算机网络的不同结点上 网络中的各个结点 ( 也称为 场地 ) 一般都是集中式数据库系统, 由计算机 数据库和若干终端组成 数据库中的数据不是存储在同一场地, 这就是分布式数据库的 分布性 特点, 也是与集中式数据库的最大区别 表面上看, 分布式数据库的数据分散在各个场地, 但这些数据在逻辑上却是一个整体, 如同一个集中式数据库 因而在分布式数据库中就有全局数据库和局部数据库这样两个概念 所谓全局数据库就是从系统的角度出发, 指逻辑上一组结构化的数据集合或逻辑项集 ; 而局部数据库是从各个场地的角度出发, 指物理结点上各个数据库, 即子集或物理项集 这是分布式数据库的 逻辑整体性 特点, 也是与分散式数据库的区别 多媒体数据库多媒体译自 20 世纪 80 年代初产生的英文词 Multimedia 多媒体是在计算机控制下把文字 声音 图形 图像 视频等多种类型数据有机集成, 其中数字 字符等称为格式化数据, 声音 图形 图像 视频等称为非格式化数据 数据库从传统的企业管理扩展到 CAD CAM 等多种非传统的应用领域, 这些领域中要求处理的数据不仅包括一般的格式化数据, 还包括大量不同媒体上的非格式化数据 在字符型媒体中, 信息是由数字与字母组成的, 要按照数字 字母的特征来处理 ; 在图形媒体中, 信息用有关图形描绘, 其中包括几何信息与非几何信息, 以及描述各几何体之间相互的拓扑信息 这些不同媒体上的信息具有不同的性质与特性, 因此, 要组织存在于不同媒体上的信息, 就要建立多媒体数据库系统 多媒体数据库是指能够存储和管理相互关联的多媒体数据的集合 这些数据集合语义丰富 信息量大 管理过程复杂, 因而要求多媒体数据库能够支持多种数据模型, 能够存储多种类型的多媒体数据, 并针对多媒体数据的特点采用数据压缩与解压缩等特殊存储技术 ; 同时, 要提供对多媒体数据进行处理的功能, 包括查询 播放 编辑等功能, 可以将物理存储的信息以多媒体方式向用户表现和支付 随着对多媒体数据库系统本身的进一步研究, 随着不同介质集成的进一步实现, 商用多媒体数据库管理系统必将蓬勃发展, 多媒体数据库领域必将在高科技方面上有越来越重要的地位 181

23 计算机基础 本章小结 本章介绍了数据库管理技术的人工管理 文件系统和数据库系统 3 个阶段的特点, 数据库系统的基本概念和基本结构 数据模型是对现实世界进行抽象的工具, 用于描述现实世界的数据和数据联系 DBMS 是位于用户与 OS 之间的一层数据管理软件 数据库语言由数据定义语言 数据操纵语言和数据控制语言组成 DBS 是包含 DB 和 DBMS 以及开发工具 应用系统 数据库管理员和用户的计算机系统 关系模型是当今的主流模型, 而面向对象模型是今后的发展方向 本章的目的是在掌握数据库基本概念的基础上, 学会关系数据库的关系设计和查询操作, 并具有处理大量数据的基本能力 本章最后介绍了数据库新技术的主要内容和发展方向 本章内容复习 一 填空题 1. 数据库是指有组织地 动态地存储在上的相互联系的数据的集合 2. 3 种主要的数据模型是 3. 关系代数中专门的关系运算包括选择 投影和 4. 关系模式中, 一个关键字可由组成, 其值能唯一标识该关系模式中任何元组 5. 在关系数据模型中, 二维表的列称为属性, 二维表的行称为 6. 在关系模型中, 若属性 A 是关系 R 的主码, 则在 R 的任何元组中, 属性 A 的取值都不允许为空, 这种约束称为 7. 有一个关系 : 学生 ( 学号, 姓名, 系别 ), 规定学号的值域是 8 个数字组成的字符串, 这一规则属于完整性约束 8. 在计算机软件系统的体系结构中, 数据库管理系统位于用户和 之间 9. 在 SELECT 查询命令中, 表示条件表达式用 WHERE 子句, 分组用 子句, 排序用 子句 10. 数据模型通常由数据结构 数据操作和 约束 3 部分组成 二 选择题 1. 数据库系统的核心是 ( ) A. 数据库 B. 数据库管理系统 C. 数据模型 D. 软件工具 2. 对数据库中的数据可以进行查询 插入 删除 修改, 这是因为数据库管理系统提供了 ( ) A. 数据定义功能 B. 数据操纵功能 C. 数据维护功能 D. 数据控制功能 3. 下列概念中,( ) 不是数据库管理系统必须提供的数据控制功能 A. 安全性 B. 完整性 C. 移植性 D. 一致性 4. 数据库中, 数据的物理独立性是指 ( ) A. 数据库与数据库管理系统的相互独立 182

24 第 7 章数据库技术基础 B. 用户程序与 DBMS 的相互独立 C. 用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中的数据是相互独立的 D. 用户程序与数据库中数据的逻辑结构相互独立 5. 下列关于数据库系统的叙述正确的是 ( ) A. 数据库系统减少了数据冗余 B. 数据库避免了一切冗余 C. 数据库系统中的数据一致性是指数据类型的一致 D. 数据库系统比文件系统能管理更多的数据 6. 下列模式中, 能够给出数据库物理存储结构与物理存取方法的是 ( ) A. 外模式 B. 子模式 C. 模式 D. 内模式 7. 关系模型是把实体之间的联系用 ( ) 来表示 A. 二维表 B. 树 C. 图 D.E-R 图 8. 关系中的主码不允许取空值是指 ( ) 约束规则 A. 实体完整性 B. 引用完整性 C. 用户定义的完整性 D. 数据完整性 9. 在关系数据模型中可以有 3 类完整性约束条件, 任何关系必须满足其中的 ( ) 约束条件 A. 参照完整性 用户自定义的完整性 B. 数据完整性 实体完整性 C. 实体完整性 参照完整性 D. 动态完整性 实体完整性 10. 下列叙述中正确的 ( ) A. 数据库是一个独立的系统, 不需要操作系统的支持 B. 数据库设计是指设计数据库管理系统 C. 数据库技术的根本目标是要解决数据共享的问题 D. 数据库系统中, 数据的物理结构必须与逻辑结构一致 网上资料查找 1. 理工类学生的后续计算机基础课程一般是开设 C 语言, 文管类学生的后续课程一般开设 VFP, 请上网查找这两门有关介绍, 为下步学习增进了解 2. 查找进一步对数据库的加深性了解 183