資料庫導論
認識資料 資料庫及資訊的關係 1. 資料 (Data): : 是指未經過處理的原始記錄 例如 : 學生考試的原始成績 2. 資訊 (Information) : 就是有經過 資料處理 經過 資料處理 的結果 例如 : 全班同學成績之排名排名及分佈圖分佈圖 資料處理 (Data Processing) 則是將 資料 資料 轉換成轉換成 資訊 資訊 的一連串 處理過程, 而這一連串的處理過程就是先輸入原始資料到 資料庫 中, 再透過 程式 來處理再透過 程式 來處理 例如 : 成績處理系統 如下圖所示 :
資料 (Data) (1) 是客觀存在的 具體的客觀存在的 具體的 事實的事實的記錄 (2) 簡單來說, 日常生活中所記錄的事實資料 ( 姓名 生日 電話及 地址 ) 或學生在期中考的各科原始成績, 這些都是未經過資料處 理的資料 如表 1-1 所示
資訊 (Information) (1) 經過 資料處理 資料處理 之後的結果即為之後的結果即為資訊資訊 而 資料 與 資訊 的 特性比較 如表 1-2 所示
(2) 資料處理 資料處理 會將會將原始資料原始資料以加以加整理 計算及分析整理 計算及分析之後, 變成有用 的資訊 ( 含總成績 平均及排名次 ) 如表 1-3 所示
(3) 有用的資訊是決策者決策者在思考某一個問題時所需用到的資料, 它是主觀 認定的 例如 : 班導師 ( 決策者 ) 在學生考完期中考之後, 想依學生考 試成績來獎勵
資料庫的意義 隨著資訊科技的進步, 資料庫系統帶給我們極大的便利 例如 : 我 們要借閱某一本書, 想知道該本書是否正放在某一圖書館是否正放在某一圖書館中中, 並且尚未 被預約借出 此時, 我們只要透過網路透過網路就可以立即查詢到這本書的相關 訊息 而這種便利性最主要的幕後工程最主要的幕後工程就是圖書館中有一部功能強大的 資料庫 如圖 1-1 所示 圖 1-1 圖書館幕後工程 --- 資料庫
何謂資料庫 (Database)? 簡單來說, 資料庫就是就是儲存資料的地方, 這是比較不正式的定義方式 比較正式的定義 : 資料庫是由一群相關資料的集合體一群相關資料的集合體 就像是一本 就像是一本電子 書, 資料以不重覆不重覆的方式來儲存許多的方式來儲存許多有用的資訊, 讓使用者可以方便方便及 有效率的管理所須要的資訊 常見的應用如下所示 : 例如 1: : 個人通訊錄上的運用 例如 2: : 行動通訊錄的運用 例如 3: : 在校務行政系統的學生 成績處理系統 之運用
資料庫有什麼好處 資料庫除了可以讓我們除了可以讓我們依照群組來儲存資料, 以方便以方便爾後的爾後的查詢之外, 其最主要的好處非常多, 我們可以歸納以下七項 : 一 降低降低資料的資料的重複性 (Redundancy) 二 達成達成資料的資料的一致性 (Consistency) 三 達成達成資料的資料的共享性 (Data Sharing) 四 達成達成資料的資料的獨立性 (Data Independence) 五 達成達成資料的資料的完整性 (Integrity) 六 避免紙張避免紙張與空間浪費 (Reduce Paper) 七 達成達成資料的資料的安全性 (Security)
資料庫與資料庫管理系統 我們都知道, 資料庫是儲存資料的地方, 但是如果資料只是儲存到 電腦的檔案中, 其效用並不大其效用並不大 因此, 我們還需要有一套能夠讓我們很 方便地管理管理這些這些資料庫檔案資料庫檔案的軟體, 這軟體就是所謂的 資料庫管理系 統 什麼是 資料庫管理系統資料庫管理系統 呢? 其實就是一套管理 資料庫 的軟 體, 並且它可以同時管理數個資料庫同時管理數個資料庫 因此, 資料庫加上加上資料庫管理系 統, 就是一個完整的 資料庫系統資料庫系統 了 所以, 一個資料庫系統 (Database System) 可分為資料庫 (Database) 與資料庫管理系統 (Database Management System, DBMS) 兩個部份
重要觀念重要觀念 1. 資料庫 (DB): : 是由一群相關資料的集合體 2. 資料庫管理系統 (DBMS): : 管理這些資料庫檔案的軟體 ( 如 : Access) 3. 資料庫系統 (DBS)= 資料庫 (DB)+ 資料庫管理系統 (DBMS)
資料庫系統的組成 嚴格來說, 一個資料庫系統資料庫系統主要組成包括 : 資料 硬體硬體 軟體軟體及使用 者 1. 資料 : 即資料庫即 ; 它是由許多相關聯的表格所組合許多相關聯的表格所組合而成 2. 硬體 : 即磁碟 硬碟等輔助儲存設備 ; 或稱一切的週邊設備週邊設備 3. 軟體 : 即資料庫管理系統即 (Data Base Management System, DBMS) (1) 是指用來管理 使用者資料 的軟體 (2) 作為 使用者 使用者 與 資料庫 之間的之間的界面 (3) 目前常見有 :Access: MS SQL Server Oracle Sybase IBM DB2
4. 使用者 : 一般使用者 (End User) 程式設計師及資料庫管理師 (DBA) (1) 一般使用者 (End User): 透過 DBMS 與 資料庫 溝通的使用者 (2) 程式設計師 (Programmer): : 負責撰寫使用者操作介面撰寫使用者操作介面的應用程 式, 讓使用者使用者能以較方便能以較方便簡單的介面來使用資料庫 (3) 資料庫管理師 (DBA) 的主要職責如下 : 定義資料庫的屬於結構結構及限制條件限制條件 協助使用者使用資料庫, 並授權不同使用者存取資料並授權不同使用者存取資料 維護資料安全資料安全及資料完整性資料完整性 資料庫備份 (Backup) 回復 (Recovery) 及並行控制 (Concurrency control) 作業處理 提高資料庫執行效率, 並滿足使用者資訊需求
綜合上述, 我們可以從下圖中來說明 資料庫系統, 一般使用者 在前端 (Client) 的介面中, 操作應用程式及查詢系統, 必須要透過 DBMS 才能存取 資料庫 中的資料存取 資料庫 中的資料 而要如何才能管理後端 (Server) 之資料庫管理系統 (DBMS) 與資料 庫 (DB) 的資料存取資料存取及安全性, 則必須要有資料庫管理師 (DBA) 來維護 之
資料庫管理系統的功能 在上面的章節中, 我們已經瞭解資料庫管理系統 (DBMS) 是用來管理 資料庫 的軟體, 以作為 使用者 與 資料庫 之間溝通的界面 因此, 在本單元中, 將介紹 DBMS 是透過那些功能那些功能來管理 資料庫 呢? 其主要的功能如下 : 1. 資料的定義 (Data Define) 2. 資料的操作 (Data Manipulation) 3. 重複性的控制 (Redundancy Control) 4. 表示資料之間的複雜關係 (Multi-Relationship) 5. 實施完整性限制 (Integrity Constraint) 6. 提供 備份 與 回復 備份 與 回復 的能力 (Backup and Restore)
資料的定義 (Data Define) 定義定義 --- 它是建立資料庫的第一個步驟 是指提供 DBA 建立資料格式資料格式及儲存格式儲存格式的能力 亦即設定資料 欄位名 稱 資料類型資料類型 及相關的 限制條件 其 及相關的 限制條件 其 資料類型資料類型 的種類非 常多 例如例如 文字 數字或日期等等, 此功能類似在 程式設計 中宣告 變數 的 資料型態 如下圖所示 :
資料的操作 (Data Manipulation) 在定義定義完成完成資料庫的格式 ( 亦即建立資料表 ) 之後, 接下來, 就可以 讓我們儲存資料, 並且必須能夠讓使用者方便的存取資料存取資料 定義定義 是針對 資料庫執行 四項功能 : 1. 新增 (INSERT) 2. 修改 (UPDATE) 3. 刪除 (DELETE) 4. 查詢 (SELECT)
實例實例 新增 學號 為 S0004, 姓名 為李安李安同學的記錄到 學生資料表 中
重複性的控制 (Redundancy Control) 重複性的控制 功能功能 主要是為了達成 主要是為了達成 資料的一致性資料的一致性 及 及 節省儲存空間節省儲存空間 作法作法 設定 主鍵 設定 主鍵 來控制 如下圖所示 : 設定主鍵 說明 : 如果 學號 設定為主鍵 學號 設定為主鍵時時, 則如果再輸入相同的學號輸入相同的學號時時, 就會產生錯誤產生錯誤
表示資料之間的複雜關係 定義定義 是指 DBMS 必須要有能力來表示資料之間的複雜關係, 基本 上, 1. 一對一 2. 一對多 3. 多對一 4. 多對多 有四種不同的關係, 分別為 : 例如例如 學生選課系統
實施完整性限制 定義定義 是指用來規範用來規範關聯表中的資料在經過關聯表中的資料在經過新增 修改及刪除新增 修改及刪除之後, 將錯誤將 或不合法不合法的資料值的資料值存入 資料庫 存入 資料庫 中 如下圖所示 :
提供 備份 與 回復 的能力 定義定義 是指讓使用者能方便的 備份 備份 或轉移轉移資料庫內的資料, 以防在系統毀 損時時, 還能將資料 還原 回去, 減少損失 如下圖所示 :
常見的資料庫管理系統 目前市面上常見的資料庫管理系統, 大部份都是以關聯式資料庫管理系 統 (RDBMS) 為主 一 常見的商業商業資料庫系統 : 1.SQL Server( 企業使用 ):: 微軟公司 (Microsoft) 所開發 使用對象使用對象 企業的資訊部門 2.Access( 個人使用 ):: 微軟公司 (Microsoft) 所開發 使用對象使用對象 學校的教學上及個人使用, 它屬於微軟 Office 系列中的一員 3.DB2: : 是由 IBM 公司所開發 4.Oracle: : 是由甲骨文公司 (Oracle( Corporation) ) 所開發 5.Sybase: : 是由賽貝斯公司所開發 6.Informix: : 是由 Informix 公司所開發
二 常見的免費免費資料庫系統 : 1.MySQL( 最常見, 常與 PHP 使用 ) 2.MySQL MaxDB 3.PostgreSQL
資料庫系統與檔案系統比較 目前有兩種兩種常見 資料處理系統 : 第一種 : 檔案系統 以 檔案為導向 檔案為導向 的方法, 一次只能處理只能處理一個檔案, 無法同時處理 多個檔案 適用時機適用時機 在 不複雜 的場合 不複雜 的場合使用 缺點缺點 每一個應用系統都有自己的所屬檔案, 那麼資料便有重覆存 放 不一致的問題發生 第二種 : 資料庫系統 解決 檔案系統 的缺點
檔案系統 在以往, 電腦皆採用 檔案處理系統 (File processing system) 的方法來處理資料 其處理方式處理方式是依據每一個企業組織是依據每一個企業組織各部門的需求各部門的需求來 設計程式, 再根據所寫的程式程式去設計所需要的去設計所需要的檔案結構, 而不考慮而不考慮企業 組織整體的需求 所以, 在此種發展模式下, 每一套程式和檔案檔案皆自成一個系統, 因 此, 同一個子系統中中, 檔案 與 程式 之間的之間的相依性高, 而子系統而 與子系統子系統之間是之間是相依性低 ( 亦即相互獨立 )
資料庫系統 由於傳統的檔案系統傳統的檔案系統缺點實在太多 ( 上一個章節中的七個缺點 ) 而不容易 解決, 於是資料庫資料庫及資料庫管理系統資料庫管理系統乃應運而生 因此, 現在我們則是 採用 資料庫系統 資料庫系統 來處理資料 以 大學校務行政電腦化系統 為例, 當我們由傳統的 檔案系 統 決定改採用 決定改採用 資料庫系統資料庫系統 來發展一個系統時, 我們必須要依據大 學校務組織的整體需求做分析考量, 將大學各單位各單位所有相關的資料所有相關的資料以相 同的 資料結構 資料結構 來建置來建置資料庫, 讓不同單位的資訊系統讓不同單位的資訊系統之使用者也可 以利用現有的資料庫現有的資料庫來發展所需的來發展所需的應用程式應用程式 在此種發展模式下, 如果其他單位又有新的需求又有新的需求產生, 則只需要將 原先資料庫直接提供直接提供給所給所需要的使用者需要的使用者來開發新的系統, 而不需要而不需要另外 再建立新的資料庫建立新的資料庫
在資料庫系統資料庫系統中主要強調資料的中主要強調資料的 集中化 管理, 因此, 可以讓來自不 同處室的多位合法使用者多位合法使用者透過 透過 資料庫管理系統資料庫管理系統 來存取 來存取資料庫資料庫中的資 料 舉例舉例 現在學校中, 各處室透過 資料庫管理系統資料庫管理系統 來加以整合 如圖 1-5 所示 圖 1-5 校務行政資料庫示意圖
資料庫系統的資料庫系統的優點優點 一 降低降低資料的資料的重複性 (Redundancy) 二 達成達成資料的資料的一致性 (Consistency) 三 達成達成資料的資料的共享性 (Data Sharing) 四 達成達成資料的資料的獨立性 (Data Independence) 五 達成達成資料的資料的完整性 (Integrity) 六 避免紙張避免紙張與空間浪費 (Reduce Paper) 七 達成達成資料的資料的安全性 (Security)
資料庫系統的資料庫系統的缺點缺點 一 資料庫管理系統 (DBMS) 的成本較高 二 資料庫管理師 (DBA) 專業人員較少 三 當 DBMS 發生故障時, 比較難復原 ( 集中控制 ) 四 提供安全性 同步控制 復原機制與整合性, 比較花費大量資源
資料庫的階層 資料庫的階層階層是有是有循序的關係, 也就是由小到大的排列, 其最小的單位其 是 Bit( ( 位元 ),), 而最大的單位而最大的單位則是 DataBase( ( 資料庫 ) 資料依其單位的大小與相互關係分為幾個層次, 說明如下 : Bit( ( 位元 ) Byte Byte( ( 字元 ) Field Field( ( 資料欄 ) Record Record( ( 資料錄 ) Table( ( 資料表 ) Data Base( ( 資料庫 ) 如下圖所示 : 資料庫是由是由許多資料表許多資料表所組成, 每一個資料表資料表則由 許多筆記錄所組成, 每一筆記錄記錄又以又以許多欄位許多欄位組合而 成, 每一個欄位欄位則存放著則存放著一筆資料一筆資料 資料庫中的每一個欄位, 皆只能存放一筆資料, 這 些資料必須遵守著一定的結構標準來記錄各種訊息 例如 : 文字 數字或日期等格式, 而在資料表中的欄位 值也可能是空值 (Null( Null) )
除了從資料庫階層資料庫階層的觀點之外, 我們可以從資料庫剖析圖資料庫剖析圖來詳細說明 如下圖所示 : 1. 資料庫 (DataBase) 是由許多個 資料表 所組成的 2. 資料表 (Table) 則是由許多個 資料記錄 所組成的 3. 資料記錄 (Record) 是由好幾個 欄位 所組成 4. 欄位 (Field) 是由許多個 字元 組成的
表 1-1 資料庫階層表 資料階層位元 (Bit) 1. 位元組 (Byte) 1. 欄位 (Field) 1. 資料錄 (Record) 1. 階層描述 1. 數位資料最基本的組成單位 2. 二進位數值 1. 由 8 個位元所組成 2. 透過不同位元組合方式可代表數字 英文字 母 符號等, 又稱為字元 (character) 3. 一個中文字元是由兩個位元組所組成 1. 由數個字元所組成 2. 一個資料欄位可能由中文字元 英文字元 數字或符號字元組合而成 1. 描述一個實體 (Entity) 相關欄位的集合 2. 數個欄位組合形成一筆記錄 0 或 1 10100100 學號 資料範例 個人學籍資料 資料表 (Table) 由相同格式定義之紀錄所組成 全班學籍資料 資料庫 (Database) 由多個相關資料表所組成校務行政資料庫, 包括 : 成績資料表 學籍資料表 選課資料表 等 資料倉儲 (Data Warehouse) 1. 整合性的資料儲存體 2. 內含各種與主題相關的大量資料來源 3. 可提供企業決策性資訊 教育部的全國校務行政資料倉儲, 可進行彙整分析提供決策資訊
資料庫系統 ANSI/SPARC 架構 資料庫管理系統的主要目的是提供使用者一個的主要目的是提供使用者一個有效率和方便有效率和方便的工作 環境去操作和查詢操作和查詢資料 為了達到此目的, 美國國家標準協會綜合規畫 委員會 (ANSI/SPARC) 的資料庫管理小組在 1970 年訂定了一個資料庫系 統的組織架構, 此架構被稱之為 ANSI/SPARC 架構 此架構最主要的目的除了將使用者的應用程式應用程式與資料庫資料庫的實體分開 之外, 同時將資料庫中一些複雜的資料結構複雜的資料結構隱藏起來, 以方便資料庫系以 統的使用者使用
ANSI/SPARC 架構可分為三大層次 : 1. 外部層 (External Level) 2. 概念層 (Conceptual Level) 3. 內部層 (Internal Level)
1. 外部層 (External Level) (1) 個別使用者觀點, 是指依不同的使用者不同的使用者提供提供不同的資料庫之資料不同的資料庫之資料 (2) 使用者大多以 查詢 動作大多以 查詢 動作為主 舉例舉例 學校中的 教務處 與 學務處 所查詢的資料 數 教務處 : 學號 姓名 電話 地址 學業成績 及 名次 學業成績 及 名次 學務處 : 學號 姓名 電話 地址 操性成績 及 曠課時
2. 概念層 (Conceptual Level) (1) 全部使用者觀點 (2) 表示資料庫中全部的基底表格內容全部的基底表格內容 但不用考量但不用考量資料實際的資料實際的儲存結構儲存結構 舉例舉例 在基底表格內容基底表格內容只存一份資料表 ( 關聯 ) 學生資料表 ( 學號 姓名 電話 地址 學業成績 名次 操性成績及 曠課時數 )
3. 內部層 (Internal Level) (1) 內部儲存方式觀點, 亦即實際儲存在磁碟儲存在磁碟等儲存裝置的資料儲存裝置的資料 (2) 資料庫的實體架構實體架構 舉例舉例 每一個欄位在表格中的位置 每一個欄位在表格中的位置 學號索引學號索引
以 記錄 為主的資料模式 以 記錄 為主的資料模式有下列三種模式 : 1. 階層式資料模式 (Hierarchical Data Model) 2. 網路式資料模式 (Network Data Model) 3. 關聯式資料模式 (Relational Data Model)
1. 階層式資料模式 階層式資料模式 (Hierarchical Data Model) 定義定義 階層式資料模式是一種 是一種 由上而下由上而下 (Top-down) 的結構, 而資料 相互之間是一種樹狀的關係, 所以又稱為樹狀結構 (Tree) 如下圖所示 : 資料存取方式資料存取方式 是由是由樹根 (Root) 開始往下存取資料 適用時機適用時機 大量資料記錄大量資料記錄和固定查詢固定查詢的應用系統
優點優點 1. 存取快速 有效率有效率 2. 適於處理大量資料記錄處理大量資料記錄的應用系統 缺點缺點 1. 資料重覆儲存, 浪費空間 2. 無法表示多對多之關係 ( 只能描述一對一一對一及一對多一對多的關係 ) 3. 無法適用於需要因應於需要因應突然資料需求 ( 因為資料的關係須事先設定好 )
2. 網路式資料模式 網路式資料模式 (Network Data Model) 定義定義 網狀式資料庫的組成結構和的組成結構和階層式資料庫階層式資料庫類似, 其差異點是提供多 對多 (M:N) 的關係, 就像一張網子網子一樣, 每一個子節點可以有可以有多個父 節點相連結, 可以消除消除階層式模式階層式模式的資料重覆問題資料重覆問題 如下圖所示 :
優點優點 1. 符合現實世界中的多對多關係多對多關係 2. 存取有效率 3. 提供實體資料獨立實體資料獨立 缺點缺點 較為複雜