数据模型与数据库系统结构.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Textmasterformate durch Klicken bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,Fnfte Ebene,Klicken Sie,um das Titelformat zu bearbeiten,*,Textmasterformate durch Klicken bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,Fnfte Ebene,Klicken Sie,um das Titelformat zu bearbeiten,Textmasterformate durch Klicken bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,Fnfte Ebene,Klicken Sie,um das Titelformat zu bearbeiten,*,Textmasterformate durch Klicken bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,Fnfte Ebene,Klicken Sie,um das Titelformat zu bearbeiten,浪子,1511738045X,第一章：绪论,数据模型与数据库系统结构,第1页,第一章 绪论,数据模型与数据库系统结构,第2页,第一章 绪论,数据库技术产生于六十年代末，是数据管理最新技术，是计算机科学主要分支。,数据库技术是信息系统关键和基础，它出现极大地促进了计算机应用向各行各业渗透。,数据库建设规模、数据库信息量大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度主要标志。,数据模型与数据库系统结构,第3页,1.1,数据库系统概述,1.1.1,四个基本概念,数据,(Data),数据,(Data),是数据库中存放基本对象,数据定义,描述事物符号统计,数据种类,文本、图形、图像、音频、视频、学生档案统计、货物运输情况等,数据特点,数据与其语义是不可分,数据模型与数据库系统结构,第4页,数据库,(Database),数据库定义,数据库,(Database,简称,DB),是长久储存在计算机内、有组织、可共享大量数据集合。,数据库基本特征,数据按一定数据模型组织、描述和储存,可为各种用户共享,冗余度较小,数据独立性较高,易扩展,概括地讲，数据库数据含有永久存放、有组织、可共享三个基本特点。,数据模型与数据库系统结构,第5页,数据库管理系统,(DBMS),什么是,DBMS,位于用户与操作系统之间一层数据管理软件。,是基础软件，是一个大型复杂软件系统,DBMS,用途,科学地组织和存放数据、高效地获取和维护数据,DBMS,主要功效,数据定义；数据组织、存放和管理；数据操纵；数据库事务管理和运行管理；数据库建立和维护；其它功效。,数据模型与数据库系统结构,第6页,数据库系统,(DBS),数据库系统（,Database System,，,DBS,）,在计算机系统中引入数据库后系统组成,数据库系统组成,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,数据模型与数据库系统结构,第7页,数据库,应用系统,应用开发工具,操作系统,数据库管理系统,数据库管理员,用户,用户,用户,数据库系统,数据模型与数据库系统结构,第8页,1.1.2,数据管理技术产生和发展,在应用需求推进下，在计算机硬件、软件发展基础上，数据管理经历了人工管理、文件系统、数据库系统,3,个阶段。,人工管理阶段,时间：,20,世纪,50,年代中期以前,特点：数据不保留，程序管理数据，数据不共享，数据不含有独立性,文件系统阶段,时间：,20,世纪,50,年代后期到,60,年代中期,特点：数据可长久保留，由文件系统管理数据,缺点：共享性差，冗余度大；独立性差,数据库系统阶段,时间：,20,世纪,60,年代末以来,背景：计算机应用广泛，数据量剧增，共享需求强烈，硬件发展且价低,数据模型与数据库系统结构,第9页,1.1.3,数据库系统特点,数据结构化,整体结构化,不再仅仅针对某一个应用，而是面向全组织,不但数据内部结构化，整体是结构化，数据之间含有联络,数据共享性高，冗余度低，易扩充,数据库系统从整体角度对待和描述数据，数据面向整个系统，能够被多个用户、多个应用共享使用。,数据共享好处,降低数据冗余，节约存放空间,防止数据之间不相容性与不一致性,使系统易于扩充,数据模型与数据库系统结构,第10页,数据独立性高,物理独立性,指用户应用程序与存放在磁盘上数据库中数据是相互独立。当数据物理存放改变了，应用程序不用改变。,逻辑独立性,指用户应用程序与数据库逻辑结构是相互独立。数据逻辑结构改变了，用户程序也能够不变。,数据模型与数据库系统结构,第11页,数据由,DBMS,统一管理和控制,并发共享：多个用户能够同时存取数据库中数据，甚至能够同时存取数据库中同一个数据。,为此，,DBMS,还需提供以下几方面数据控制功效：,(1),数据安全性（,Security,）保护,保护数据，以预防不正当使用造成数据泄密和破坏。,(2),数据完整性（,Integrity,）检验,将数据控制在有效范围内，或确保数据之间满足一定关系。,(3),并发（,Concurrency,）控制,对多用户并发操作加以控制和协调，预防相互干扰而得到错误结果。,(4),数据库恢复（,Recovery,）,将数据库从错误状态恢复到某一已知正确状态。,数据模型与数据库系统结构,第12页,DBMS,应用程序,1,应用程序,2,数据库,数据库系统阶段应用程序与数据之间对应关系,数据模型与数据库系统结构,第13页,1.2,数据模型,模型是对现实世界中某个对象特征模拟和抽象。,数据模型阤是一个模型，它是对现实世界数据特征抽象。也就是说，数据模型是用来描述数据、组织数据和操作数据。,现有数据库系统均是基于某种数据模型。在数据库中用数据模型这个工具来抽象、表示和处理现实世界中数据和信息。,1.2.1,两类数据模型,数据模型应满足三方面要求,能比较真实地模拟现实世界,轻易为人所了解,便于在计算机上实现,数据模型与数据库系统结构,第14页,数据模型分为两类（分属两个不一样层次）,概念模型,也称信息模型，它是按用户观点来对数据和信息建模，用于数据库设计。,(2),逻辑模型和物理模型,逻辑模型主要包含网状模型、层次模型、关系模型、面向对象模型等，按计算机系统观点对数据建模，用于,DBMS,实现。,物理模型是对数据最底层抽象，描述数据在系统内部表示方式和存取方法，在磁盘或磁带上存放方式和存取方法。,客观对象抽象过程,-,两步抽象,现实世界中客观对象抽象为概念模型；,把概念模型转换为某一,DBMS,支持数据模型。,数据模型与数据库系统结构,第15页,DBMS,支持数据模型,概念模型,认识,抽象,信息世界,机器世界,现实世界中客观对象抽象过程,现实世界,现实世界 概念模型,数据库设计人员完成,逻辑模型 物理模型,由,DBMS,完成,概念模型 逻辑模型,数据库设计人员完成,数据模型与数据库系统结构,第16页,1.2.2,数据模型组成要素,a),数据结构,什么是数据结构,描述数据库组成对象，以及对象之间联络,描述内容,与数据类型、内容、性质相关对象,与数据之间联络相关对象,数据结构是对系统静态特征描述,数据模型与数据库系统结构,第17页,b),数据操作,数据操作,对数据库中各种对象,(,型,),实例,(,值,),允许执行,操作及相关操作规则,数据操作类型,查询,更新,(,包含插入、删除、修改,),数据模型与数据库系统结构,第18页,c),完整性约束条件,一组完整性规则集合。,完整性规则：给定数据模型中数据及其联络所含有制约和储存规则,用以限定符合数据模型数据库状态以及状态改变，以确保数据正确、有效、相容。,数据模型与数据库系统结构,第19页,1.2.3,概念模型,概念模型实际上是现实世界到机器世界一个中间层次。,概念模型用途,概念模型用于信息世界建模,是现实世界到机器世界一个中间层次,是数据库设计有力工具,数据库设计人员和用户之间进行交流语言,对概念模型基本要求,较强语义表示能力,能够方便、直接地表示应用中各种语义知识,简单、清楚、易于用户了解,数据模型与数据库系统结构,第20页,信息世界中基本概念,(1),实体（,Entity,）,客观存在并可相互区分事物称为实体。,能够是详细人、事、物或抽象概念。,(2),属性（,Attribute,）,实体所含有某一特征称为属性。,一个实体能够由若干个属性来刻画。,(3),码（,Key,）,唯一标识实体属性集称为码,数据模型与数据库系统结构,第21页,(4),域（,Domain,）,属性取值范围称为该属性域。,(5),实体型（,Entity Type,）,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,(6),实体集（,Entity Set,）,同一类型实体集合称为实体集,(7),联络（,Relationship,）,现实世界中事物内部以及事物之间联络在信息世界中反应为实体内部联络和实体之间联络。,数据模型与数据库系统结构,第22页,两个实体型之间联络,实体型,A,联络名,实体型,B,1,1,1:1,联络,实体型,A,联络名,1,n,1:n,联络,实体型,A,实体型,B,联络名,m,n,m:n,联络,实体型,B,数据模型与数据库系统结构,第23页,两个以上实体型之间联络,实例,课程、教师与参考书三个实体型,一门课程能够有若干个教师讲授，,使用若干本参考书，,每一个教师只讲授一门课程，,每一本参考书只供一门课程使用,课程,讲授,教师,1,m,两个以上实体型间,1:n,联络,参考书,n,数据模型与数据库系统结构,第24页,单个实体型内联络,实例,职员实体型内部含有领导与被领导联络,某一职员（干部）“领导”若干名职员,一个职员仅被另外一个职员直接领导,这是一对多联络,职员,领导,1,n,单个实体型内部,1:n,联络,数据模型与数据库系统结构,第25页,概念模型一个表示方法：实体,-,联络方法,实体联络方法,(E-R,方法,),用,E-R,图来描述现实世界概念模型,E-R,方法也称为,E-R,模型,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，并用无向边将其与对应实体连接起来,联络：联络本身用菱形表示，菱形框内写明联络名，并用无向边分别与相关实体连接起来，同时在无向边旁标上联络类型（,1:1,、,1:n,或,m:n,）；联络本身也是一个实体型，也能够有属性。假如一个联络含有属性，则这些属性也要用无向边与该联络连接起来,数据模型与数据库系统结构,第26页,班级,班级,-,班长,班长,1,1,1:1,联络,课程,选修,学生,m,n,m:n,联络,班级,组成,学生,1,n,1:n,联络,数据模型与数据库系统结构,第27页,课程,选修,学生,m,n,成绩,数据模型与数据库系统结构,第28页,用,E-R,图表示某个工厂物资管理概念模型,实体,仓库：仓库号、面积、电话号码,零件：零件号、名称、规格、单价、描述,供给商：供给商号、姓名、地址、电话号码、帐号,项目：项目号、预算、开工日期,职员：职员号、姓名、年纪、职称,实体之间联络以下：,(1),一个仓库能够存放各种零件，一个零件能够存放在多个仓库中。仓库和零件含有多对多联络。用库存量来表示某种零件在某个仓库中数量,(2),一个仓库有多个职员当仓库保管员，一个职员只能在一个仓库工作，仓库和职员之间是一对多联络。职员实体型中含有一对多联络,(3),职员之间含有领导,-,被领导关系。即仓库主任领导若干保管员,(4),供给商、项目和零件三者之间含有多对多联络,数据模型与数据库系统结构,第29页,数据模型与数据库系统结构,第30页,1.2.4,最惯用数据模型,层次模型,(Hierarchical Model),网状模型,(Network Model),关系模型,(Relational Model),面向对象模型,(Object Oriented Model,）,对象关系模型,(Object Relational Model),数据模型与数据库系统结构,第31页,1.2.5,层次模型,层次模型是数据库系统中最早出现数据模型,层次数据库系统经典代表是,IBM,企业,IMS,（,Information Management System,）数据库管理系统,层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间联络,层次数据模型数据结构,满足下面两个条件基本层次联络集合为层次模型,1.,有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点,2.,根以外其它结点有且只有一个双亲结点,层次模型中几个术语,根结点，双亲结点，弟兄结点，叶结点,数据模型与数据库系统结构,第32页,1,根结点,2,弟兄结点,3,叶结点,4,弟兄结点,5,叶结点,叶结点,图,1.16,一个层次模型示例,数据模型与数据库系统结构,第33页,层次模型特点：,结点双亲是唯一,只能直接处理一对多实体联络,每个统计类型能够定义一个排序字段，也称为码字段,任何统计值只有按其路径查看时，才能显出它全部意义,没有一个儿女统计值能够脱离双亲统计值而独立存在,数据模型与数据库系统结构,第34页,图,1.17,教员学生层次数据库模型,根结点,统计型系儿女结点,统计型教员双亲结点,叶结点,叶结点,字段,数据模型与数据库系统结构,第35页,图,1.18,教员学生层次数据库一个值,数据模型与数据库系统结构,第36页,多对多联络在层次模型中表示,用层次模型间接表示多对多联络,方法,将多对多联络分解成一对多联络,分解方法,冗余结点法,虚拟结点法,数据模型与数据库系统结构,第37页,层次模型数据操纵与完整性约束,层次模型数据操纵,查询：在层次模型中假如要查找一个统计必须从跟结点开始。,插入：插入数据可先将数据写入系统输入,/,输出区，然后指定一个由根统计开始插入层次路径，完成数据插入工作。,删除：当删除一个统计时候，其隶属全部子统计都将删除,更新：先查询定位为当前统计，然后将该统计读到系统输入,/,输出区，在输入,/,输出区中对数据进行修改，然后用对应命令将修改后统计值写回到数据库中,数据模型与数据库系统结构,第38页,层次模型完整性约束条件,无对应双亲结点值就不能插入儿女结点值,假如删除双亲结点值，则对应儿女结点值也被同时删除,更新操作时，应更新全部对应统计，以确保数据一致性,数据模型与数据库系统结构,第39页,邻接法,按照层次树前序遍历次序把全部统计值依次邻接存,放，即经过物理空间位置相邻来实现层次次序,A1,A2,C8,C6,C4,B6,C9,C2,B4,C14,C7,C5,C3,B1,A1,图,1.21,邻接法,数据模型与数据库系统结构,第40页,链接法,用指导来反应数据之间层次联络,儿女弟兄链接法,层次序列链接法,层次模型优缺点,优点,层次模型数据结构比较简单清楚,查询效率高，性能优于关系模型，不低于网状模型,层次数据模型提供了良好完整性支持,数据模型与数据库系统结构,第41页,缺点,多对多联络表示不自然,对插入和删除操作限制多，应用程序编写比较复杂,查询儿女结点必须经过双亲结点,因为结构严密，层次命令趋于程序化,数据模型与数据库系统结构,第42页,1.2.6,网状模型,在现实世界中事物之间联络殉是非层次关系，用层次模型表示非树形结构是 很不直接，网状模型则能够克服这一弊病。,网状数据模型数据结构：,满足下面两个条件基本层次联络集合：,1.,允许一个以上结点无双亲；,2.,一个结点能够有多于一个双亲。,与层次模型一样，网状模型中每个结点表示一个刻录类型（实体），每个统计类型可包含若干个字段（实体属性），结点间连线表示统计类型之间一对多父子联络。,数据模型与数据库系统结构,第43页,多对多联络在网状模型中表示,用网状模型间接表示多对多联络,方法：,将多对多联络直接分解成一对多联络,网状数据模型操纵与完整性约束,网状数据库系统对数据操纵加了一些限制，提供了一定完整性约束,码：唯一标识统计数据项集合,一个联络中双亲统计与儿女统计之间是一对多联络,支持双亲统计和儿女统计之间一些约束条件,数据模型与数据库系统结构,第44页,网状数据模型存放结构,关键,实现统计之间联络,惯用方法,单向链接,双向链接,环状链接,向首链接,数据模型与数据库系统结构,第45页,图,1.25,学生,/,选课,/,课程网状数据库实例,学生统计,课程统计,选课统计,数据模型与数据库系统结构,第46页,网状数据模型优缺点,优点,能够更为直接地描述现实世界，如一个结点能够有多个双亲,含有良好性能，存取效率较高,缺点,结构比较复杂，而且伴随应用环境扩大，数据库结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握,DDL,、,DML,语言复杂，用户不轻易使用,数据模型与数据库系统结构,第47页,1.2.7,关系模型,关系数据库系统采取关系模型作为数据组织方式,1970,年美国,IBM,企业,San Jose,研究室研究员,E.F.Codd,首次提出了数据库系统关系模型,计算机厂商新推出数据库管理系统几乎都支持关系模型,关系数据模型数据结构,关系模型中数据逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。,学 号,姓 名,年 龄,性 别,系 名,年 级,004,王小明,19,女,社会学,006,黄大鹏,20,男,商品学,008,张文斌,18,女,法律,数据模型与数据库系统结构,第48页,关系（,Relation,）,一个关系对应通常说一张表,元组（,Tuple,）,表中一行即为一个元组,属性（,Attribute,）,表中一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名,主码（,Key,）,表中某个属性组，它能够唯一确定一个元组。,域（,Domain,）,属性取值范围。,分量,元组中一个属性值。,数据模型与数据库系统结构,第49页,关系模式,对关系描述,关系名（属性,1,，属性,2,，,，属性,n,）,学生（学号，姓名，年纪，性别，系，年级）,学生、系、系与学生之间一对多联络：,学生（学号，姓名，年纪，性别，系号，年级）,系,(,系号，系名，办公地点,),学生、课程、学生与课程之间多对多联络：,学生（学号，姓名，年纪，性别，系号，年级）,课程（课程号，课程名，学分）,选修（学号，课程号，成绩）,数据模型与数据库系统结构,第50页,关系必须是规范化，满足一定规范条件,最基本规范条件：关系每一个分量必须是一个不可分数据项,不允许表中还有表,图,1.27,中工资和扣除是可分数据项,不符合关系模型要求,数据模型与数据库系统结构,第51页,关系数据模型操纵与完整性约束,数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系,查询,插入,删除,更新,数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组集合,存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”，无须详细说明“怎么干”,数据模型与数据库系统结构,第52页,关系数据模型存放结构,实体及实体间联络都用表来表示,表以文件形式存放,有,DBMS,一个表对应一个操作系统文件,有,DBMS,自己设计文件结构,关系数据模型优缺点,优点,建立在严格数学概念基础上,概念单一,关系模型存取路径对用户透明,数据模型与数据库系统结构,第53页,缺点,存取路径对用户透明造成查询效率往往不如非关系数据模型,为提升性能，必须对用户查询请求进行优化，增加了开发,DBMS,难度,数据模型与数据库系统结构,第54页,1.3,数据库系统结构,从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采取三级模式结构，是数据库系统内部系统结构,从数据库最终用户角度看（数据库系统外部体系结构），数据库系统结构分为,:,单用户结构,主从式结构,分布式结构,客户服务器,浏览器应用服务器数据库服务器多层结构等,数据模型与数据库系统结构,第55页,1.3.1,数据库系统模式概念,“,型”和“值”概念,模式是数据库中全体数据逻辑结构和特征描述，它仅仅包括到型描述，不包括到详细值。,模式一个详细值称为模型一个实例，同一个模式能够有多个实例。,比如,数据模型与数据库系统结构,第56页,1.3.2,数据库系统三级模式结构,数据库三级模式结构 是指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级组成。,模式详细定义：,数据逻辑结构（数据项名字、类型、取值范围等）,数据之间联络,数据相关安全性、完整性要求,数据模型与数据库系统结构,第57页,外模式也称子模式,数据库用户（包含应用程序员和最终用户）使用局部数据逻辑结构和特征描述,数据库用户数据视图，是与某一应用有关数据逻辑表示,外模式地位：介于模式与应用之间,模式与外模式关系：一对多,外模式通常是模式子集,一个数据库可以有多个外模式。反映了不一样用户应用需求、对待数据方式、对数据保密要求,对模式中同一数据，在外模式中结构、类型、长度、保密级别等都可以不一样,外模式与应用关系：一对多,同一外模式也可认为某一用户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,数据模型与数据库系统结构,第58页,外模式用途,确保数据库安全性一个有力办法,每个用户只能看见和访问所对应外模式中数据,内模式（也称存放模式）,是数据物理结构和存放方式描述,是数据在数据库内部表示方式,统计存放方式（次序存放，按照,B,树结构存放，按,hash,方法存放）,索引组织方式,数据是否压缩存放,数据是否加密,数据存放统计结构要求,一个数据库只有一个内模式,数据模型与数据库系统结构,第59页,1.3.3,数据库二级映像功效与数据独立性,二级映象在,DBMS,内部实现这三个抽象层次联络和转换,外模式模式映像,模式：描述是数据全局逻辑结构,外模式：描述是数据局部逻辑结构,同一个模式能够有任意多个外模式,每一个外模式，数据库系统都有一个外模式模式映象，定义外模式与模式之间对应关系,映象定义通常包含在各自外模式描述中,数据模型与数据库系统结构,第60页,模式内模式映像,模式内模式映象定义了数据全局逻辑结构与存放结构之间对应关系。,比如，说明逻辑统计和字段在内部是怎样表示,数据库中模式内模式映象是唯一,该映象定义通常包含在模式描述中,优点：,数据与程序之间独立性，使得数据定义和描述能够从应用程序中分离出去,数据存取由,DBMS,管理,用户无须考虑存取路径等细节,简化了应用程序编制,大大降低了应用程序维护和修改,数据模型与数据库系统结构,第61页,1.4,数据库系统组成,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,本章作业：,6,、,12,、,21,数据模型与数据库系统结构,第62页,