基本知识点

    本章阐述了数据库的基本概念，介绍了数据管理技术的进展、数据库技术产生和发展的背景，数据库系统的组成。

    学习本章的重点在于将注意力放在基本概念和基本知识的把握方面，从而为以后各个章节的学习打下扎实的基础，

    对所涉及的知识点进行如下分类：

    ①需要了解的：了解数据管理技术的产生和发展过程、数据库系统的优点、层次数据模型及网络数据模型的基本概念、数据库系统的组成、数据库管理员（DBA）的职责等。   

1.1.1数据库技术的发展

    数据库技术是应数据管理任务的需求而产生的，随着计算机技术的发展，对数据管理技术也不断地提出更高的要求，其先后经历了人工管理、文件系统和数据库系统3个阶段，下面分别进行介绍。

    1.人工管理阶段

    20世纪50年代中期以前，计算机主要用于科学计算。当时硬件和软件设备都很落后，数据基本依赖于人工管理。人工管理阶段具有以下特点。

    （1）数据不保存。

    （2）使用应用程序管理数据。

    （3）数据不共享。

    （4）数据不具有独立性。

    2.文件系统管理

    20世纪50年代后期到20世纪60年代中期，硬件和软件技术都有了进一步发展，有了磁盘等存储设备和专门的数据管理软件（即文件系统）。该阶段具有如下特点。

    （1）数据可以长期保存。

    （2）由文件系统管理数据。

    （3）共享性差，数据冗余大。

    （4）数据独立性差。

    3.数据库系统阶段

    20世纪60年代中期依赖，计算机应用于管理系统，而且规模越来越大，应用越来越广泛，数据量急速增长，对共享功能的要求越来越强烈，这样使用文件系统管理已经不能满足要求，于是出现了数据库管理系统来统一管理数据。数据库系统的出现，满足了多用户、多应用共享数据的需求，比文件系统具有明显的优点，标志着数据管理技术的飞跃。

表1.1    数据管理三个阶段的比较

1.1.2数据库系统的特点（优点）

    （1）数据结构化。数据库系统实现整体数据的结构化，这是数据库系统与文件系统的本质区别。

    注意这里的“整体”两个字。在数据库系统中，数据不再仅仅针对某一个应用，而是面向全组织，可以支持许多应用；不仅数据内部是结构化的，而且数据之间是具有联系的，整体是结构化的。

    （2）数据的共享性高，冗余度低，易扩充。数据库的数据可以被多个用户、多个应用，用多钟不同的程序设计语言共享使用，而且容易增加新的应用，这就使得数据库系统易于扩充，称之为“弹性大”。数据共享可以大大减少数据冗余，节约存储空间，同时还能够避免数据之间的不相容性与不一致性。

    所谓“弹性大”是指应用系统容易扩充也容易收缩，即应用增加或减少不必修改整个数据库的结构，或者只要做很少的修改。我们可以取整体数据的各种子集用于不同的应用系统，当应用需要改变或增加时，只要重新选取不同的子集或加上一部分数据便可满足新的需求。

    （3）数据独立性高。数据独立性包括数据的物理独立性和数据的逻辑独立性。

    所谓“独立性”即相互不依赖。数据独立性是指数据和程序相互不依赖。即数据的逻辑结构或物理结构改变了，程序不会跟着改变。数据域程序的独立吧数据的定义从程序中分离出去，加上数据的存取又由DBMS负责，简化了应用程序的编制，大大减少了应用程序的维护和修改。

    （4）数据由DBMS统一管理和控制。数据库的共享是并发的共享，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中的同一个数据。为此，DBMS必须提供统一的数据控制功能，包括：

    ●   数据的安全性保护：保护数据以防止不合法的使用造成的数据泄密和破坏；

    ●   数据的完整性检查：将数据控制在有效的范围内或保证数据之间满足一定的关系，一定的约束条件；

    ●   并发控制：对多用户的并发操作加以控制和协调，保证并发操作的正确性；

    ●   数据库恢复：当计算机系统发生硬件故障、软件故障，或者由于操作员的失误以及故意的破坏影响数据库中数据的正确性，甚至造成数据库部分或全部数据的丢失时，能将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态，亦称为完整状态或一只状态。

1.1.3数据模型

    数据模型是数据库系统的核心与基础，是关于描述数据与数据之间的联系、数据的定义、数据一致性约束的概念性工具的集合。

    数据模型通常是由数据结构、数据操作和完整性约束3部分组成的，分别如下。

    （1）数据结构：是对系统静态特征的描述，描述对象包括数据的类型、内容、性质和数据之间的相互关系。

    （2）数据操作：是对系统动态特征的描述，是对数据库各种对象实例的操作。

    （3）完整性约束：是完整性规则的集合，它定义了给定数据模型中数据及其联系所具有的约束和依存规则。

    层次模型（层次数据模型）

    层次模型：用树状结构表示实体类型及实体间联系的数据模型称为层次模型，如图1.1所示。它具有以下特点。

    （1）每棵树有且仅有一个无双亲结点，称为根。

    （2）树中除根外所有结点有且仅有一个双亲。

图1.1    层次模型

    网状模型（网状数据模型）

    网状模型：用有向图结构表示实体类型及实体间联系的数据模型称为网状模型，如图1.2所示。用网状模型编写应用程序极其复杂，数据的独立性较差。

图1.2    网状模型

    关系模型（关系数据模型）

    关系模型：以二维表来描述数据。关系模型中，每个表有多个字段列和记录列，每个字段列有固定的属性（数字、字符、日期等），如图1.3所示。关系模型数据结构简单、清晰、具有很高的数据独立性，是目前主流的数据库数据模型。

    关系模型的基本术如下。

    （1）关系：一个二维表就是一个关系。

    （2）元组：二维表中的一行，即表中的记录。

    （3）属性：二维表中的一列，用数据和值表示。

    （4）域：每个属性取值的变化范围，如性别的域为｛男，女｝。

    （5）码：表中的某个属性值，它可以唯一确定一个元组。

    （6）分量：元组中的一个属性值。

    （7）关系模型：对关系的描述，一般表示为

                    关系名（属性1，属性2，……，属性n）

    关系中的数据约束如下。

    （1）实体完整性约束：约束关系的主键中属性值不能为空值。

    （2）参照完整性约束：关系之间的基本约束。

    （3）用户定义的完整性约束，反映了具体应用中数据的语义要求。

学生信息表

学生成绩表

图1.3    关系模型

1.1.4数据库系统的组成

    数据库系统（Database System，DBS）是采用数据库技术的计算机系统，是由数据库（数据）、数据库管理系统、数据库管理员（人员）、支持数据库系统的硬件和软件（应用开发工具、应用系统等）以及用户5部分构成的运行实体，如图1.4所示。其中，数据库管理员（Database Administrator，DBA）是对数据库进行规划、设计、维护和监视等的专业管理人员，在数据库系统中起着非常重要的作用。

图1.4    数据库系统的组成

1.1.5数据库管理员（DBA）的职责

    数据库管理员全面负责管理和控制数据库系统。具体职责包括：

    （1）决定数据库的信息内容和结构；

    （2）决定数据库的存储结构和存取策略；

    （3）定义数据的安全性要求和完整性约束条件；

    （4）监控数据库的使用和运行；

    （5）数据库系统的改进和重组重构。

    ②需要牢固掌握的：掌握概念模型的基本概念、关系数据模型的相关概念、数据库系统三级模型和两级映像的体系结构、数据库系统的逻辑独立性和物理独立性等。

1.2.1概念模型

    概念模型实际上是现实世界到机器世界的一个中间层次。

    概念模型用于信息世界的建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，是数据库设计人员进行数据库设计的有力工具，也是数据库设计人员和用户之间进行交流的语言，因此概念模型一方面应该具有较强的语义表达能力，能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识，另一方面它还应该简单、清晰、易于用户理解。

    信息世界主要涉及以下一些概念。

    （1）实体（entity）

    客观存在并可相互区别的事物称为实体。实体可以是具体的人、物、事，也可以是抽象的概念或联系，例如，一个职工、一个学生、一个部门、一门课、学生的一次选课、部门的一次订单、教师与院系的工作关系（即某位教师在某院系工作）等都是实体。

    （2）属性（attribute）

    实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以有若干个属性来刻画。例如，学生实体可以由学号、姓名、性别、出生日期、所在院系、入学时间等属性组成，属性组合（201815121，张三，男，199505，计算机系，2018）即代表了一个学生。

    （3）码（key）

    唯一标识实体的属性集称为码。例如学号是学生实体的码。

    （4）实体型（entity type）

    具有相同属性的实体必然具有共同的特征和性质。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。例如，学生（学号，姓名，性别，出生年月，所在院系，入学时间）就是一个实体型。

    （5）实体集（entity set）

    同一类型实体的集合称为实体集。例如，全体学生就是一个实体集。

    （6）联系（relationship）

    在现实世界中，事物内部以及事物之间是由联系的，这些联系在信息世界中反馈为实体（型）内部的联系和实体（型）之间的联系。实体内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系，实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系。

    实体之间的联系有一对一、一对多和多对多等多种类型。

1.2.2关系数据模型

    补充1.3数据模型：

表2.1    数据模型优缺点

1.2.3数据库系统三级模式

    模式（schema）

    模式也称逻辑模式，是数据库中安全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。它是数据库系统模式结构的中间层，即不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，又与具体的应用程序、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。数据库模式以某一种数据模型为基础，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，例如数据记录由哪些数据项构成，数据项的名字、类型、取值范围等；而且要定义数据之间的联系，定义与数据有关的安全性、完整性要求。

    数据库管理系统提供模式数据定义语言（模式DLL）来严格地定义模式。

    外模式（external schema）

    外模式也称子模式（subschema）或用户模式，它是数据库用户（包括应用程序员和最终用户）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。

    外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式。由于它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。即使对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同。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，但是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。

    数据库管理系统提供外模式数据定义语言（模式DDL）来严格地定义外模式。

    内模式（internal scheme）

    内模式也称存储模式（storage schema），一个数据库只有一个内模式。它是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的组织方式。

1.2.4数据库的两级映像体系结构（三级模式之间的映射）

    为了能够在内部实现数据库的3个抽象层次的联系和转换，数据库管理系统在三级模式之间提供了两层映射，分别为外模式/模式映射和模式/内模式映射，下面分别介绍。

    外模式/模式映射

    对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/模式映射。当模式改变时，由数据库管理员对各个外模式/模式映射做相应的改变，可以使外模式保持不变。这样，依据数据外模式编写的应用程序就不用修改，保证了数据与程序的逻辑独立性。

    模式/内模式映射

    数据库中只有一个模式和一个内模式，所有模式/内模式映射是唯一的，它定义了数据库的全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。当数据库的存储结构改变时，有数据库管理员对模式/内模式映射做相应改变，可以使模式保持不变，应用程序相应也不做变动。这样，保证了数据与程序的物理独立性。

1.3.1补充习题

1.选择题

（1）数据库系统的核心和基础是（    ）。

A.物理模型    B.概念模型    C.数据模型    D.逻辑模型

（2）实现将现实世界抽象为信息世界的是（    ）。

A.物理模型    B.概念模型    C.关系模型    D.逻辑模型

（3）数据管理技术经历了若干阶段，其中人工管理阶段和文件系统阶段相比文件系统的一个显著优势是（    ）。

A.数据可以长期保存    B.数据共享性很强    C.数据独立性很好    D.数据整体结构化

（4）能够保证数据库系统中的数据具有较好的逻辑独立性的是（    ）。

A.外模式/模式映像    B.模式    C.模式/内模式映像    D.外模式

（5）IBM公司的IMS数据库管理系统采用的数据模型是（    ）。

A.层次模型    B.网状模型    C.关系模型    D.面向对象模型。

（6）DBMS是一类系统软件，它是建立在下列哪种系统之上的？（    ）

A.应用系统    B.编译系统    C.操作系统    D.硬件系统

（7）关于网状数据库，以下说法正确的是（    ）。

A.只有一个节点可以无双亲            B.一个节点可以有多于一个的双亲

C.两个节点之间只能有一种联系     D.每个节点有且只能有一个双亲

（8）下列说法中，正确的是（    ）。

A.数据库的概念模型与具体的DBMS有关。

B.三级模式中描述全体数据的逻辑结构和特征的是外模式。

C.数据库管理员负责设计和编写应用程序的程序模块。

D.从逻辑模型到物理模型的转换一般是由DBMS完成的。

（9）长期存储在计算机内，有组织的、可共享的大量数据的集合是（    ）。

A.数据（Data）                        B.数据库（DataBase）

C.数据库管理系统（DBMS）    D.数据库系统（DBM）

（10）在数据管理技术发展过程中，需要应用程序管理数据的是（    ）。

A.人工管理阶段    B.人工管理阶段和文件管理阶段

C.文件系统阶段和数据库系统阶段    D.数据库系统阶段

2.判断题

（1）在文件系统管理阶段，由文件系统提供数据存取方法，所以数据已经达到很强的独立性。（    ）

（2）通常情况下，外模式是模式的子集。（    ）

（3）数据库管理系统是指在计算机系统中引入数据库后的系统，一般由DB、DBS、应用程序和DBA组成。（    ）

（4）在数据模式的组成要素中，数据结构是刻画一个数据模型性质最重要的方向，人们通常按照数据结构的类型来命名数据模型。（    ）

（5）数据库系统的三级模式是对数据进行抽象的3个级别，把数据的具体组织留给DBMS管理。（    ）

（6）层次模型是比网状模型更具普遍性的结构，网状模型是层次模型的一个特例。（    ）

3.填空题

（1）数据库系统的逻辑模型按照计算机的观点对数据建模，主要包括            、            、            、面向对象模型、对象关系模型和半结构化数据模型等。

（2）最经常使用的概念模型是            。

（3）数据独立性是数据库领域的重要概念，包括数据的            独立性和数据的            独立性。

（4）数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由            、            和              三级构成。

（5）两个实体性之间的联系可以分为三种：一对一联系、            和           。

（6）数据库管理系统提供的数据控制方面的功能包括数据的            保护、数据的            检查、            和数据库恢复。

（7）数据库的三级模式结构中，描述局部数据的逻辑结构和特征的是            。

（8）层次模型和网状模型中的单位是基本层次联系，这是指两个            以及它们之间的            （包括一对一）的联系。

（9）数据模型的组成要素中描述系统的静态特性和动态特性的分别是            和            。

4.问答题

^*（1）试述数据管理的文件系统阶段和数据库系统阶段“数据独立性”有何不同。

 （2）叙述使用文件系统管理数据的缺点。

1.3.2补充习题答案

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参考文献：

[1]王珊，萨师煊.数据库系统概论（第五版）[M]. 北京:高等教育出版社, 2014.

[2]王珊，张俊.数据库系统概论（第五版）习题解析与实验指导[M]. 北京:高等教育出版社, 2015.

[3]明日科技.MySQL从入门到精通[M]. 北京:清华大学出版社, 2017.