​ 数据库系统1——基本知识与关系模型。

​ 参考了中国人民大学的 Mooc 和战神的 Spoc 以及教材。

基础概念

一些名词：

• 数据（Data）:描述事物的符号记录。数据与其语义不可分。

• 数据库 （DB）：长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的、相互关联的数据的集合。

• 数据库管理系统 （DBMS）：管理数据库的软件系统。

• SQL（结构化查询语言）：用于管理关系数据库管理系统，或在关系流数据管理系统（RDSMS）中进行流处理。

• 数据库应用程序 （DBAP）

• 数据库系统（DBS）：指在计算机系统中引入数据库后构成的系统，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。

数据库管理技术发展过程

​ 三个阶段：人工管理阶段 $\rightarrow$ 文件系统阶段 $\rightarrow$ 数据库系统阶段

​ 阶段对比如下表（来自人大的Mooc）

数据库管理系统功能

从用户角度考虑

• 数据库定义：提供 数据定义语言（DDL） 以定义数据格式。
• 数据库操纵：提供 数据操纵语言（DML）进行数据的增、删、改、(查) 操作。
• 数据库控制：提供 数据控制语言（DCL） 让管理员对于数据的使用进行控制。
• 数据库维护：转储、恢复、重组、性能检测、分析等。

DDL、DML、DCL 联合起来就是 SQL语言。（不过这句话我有点疑惑…）

从系统实现角度考虑

• 语言编译器：将用数据库语言书写的内容翻译成DBMS的可执行命令。
• 查询优化（执行引擎）与查询实现（基本命令的不同执行算法）
• 数据存取索引：提供数据在磁盘、磁带等上的高效存取手段。
• 通信控制：提供网络环境下的数据库操作与数据传输手段。
• 事务管理：提供高可靠性并避免并发操作错误的手段。
• 故障恢复：是数据库自动恢复到故障发生前的正常状态的手段。
• 安全性控制：提供合法性检验，避免非授权用户非法访问的手段。
• 完整性控制：提供数据集数据操作正确性检查的手段。
• 应用程序接口（API）：提供应用程序使用DBMS特定功能的手段。
• 数据库数据装载、重组等实用程序
• 数据库性能分析

数据库系统的结构

数据抽象

三层抽象：（不同的 Mooc 称呼不太一样233）

• 视图层（外部层次）
• 逻辑层（全局层次）
• 物理层（内部层次）

模式与实例

​ 模式——对于数据可逻辑结构和特征的描述、不涉及具体的值且相对稳定。

​ 实例——模式的具体值，是数据库在将某一时刻的状态、随数据库的数据更新而改变。

数据独立性

1. 逻辑独立性：用户应用程序与数据库的逻辑结构相互独立。
2. 物理独立性：用户的应用程序与数据库中数据的的物理存储相互独立。

数据独立性是由DBMS的两层映像保证的。

三级模式与两层映像

三级模式

​ 三级模式与之前的三层抽象相对应

• 外模式（子模式）—— 局部角度
• 逻辑模式 —— 全局角度
• 内模式（物理模式、存储模式）

两层映像

​ 三个层次的联系和转换，由DBMS内部提供

• 外模式 - 逻辑模式（E-C）映像
  • 映像定义通常包含在各外模式描述中。
  • 保证了数据的逻辑独立性：在逻辑模式发生改变时，数据库管理员可以通过修改E-C映像是的外模式保持不变，从而使得依据外模式编写的应用程序无需修改。
• 逻辑模式 - 内模式 （C-I）映像
  • 映像定义通常包含各逻辑模式描述中。
  • 保证了数据的物理独立性：物理存储模式发生变化时，通过修改映像使得逻辑模式不变，外模式不变，应用程序不变。

作用：

• 保证了应用程序的稳定性，减少了应用程序的维护和修改。
• 使得数据定义和描述从应用程序中分离开。
• 数据的存取由DBMS管理，简化了应用程序的编制。

数据模型

这部分主要参考了人大的mooc

数据模型的分类

1. 概念模型（信息模型）—— 按用户观点考虑、用于数据库设计

   • eg：实体—联系模型（E-R模型）
2. 逻辑模型和物理模型
   1. 逻辑模型 —— 按照计算机系统的观点考虑、用于DBMS的实现
      • 网状模型、层次模型
      • 关系模型
      • 面向对象（O-O）数据模型、对象关系（O-R）数据模型
      • 半结构化数据模型
   2. 物理模型 —— 对于数据最底层的抽象、描述数据在系统内的表示和存取方法。

数据模型的组成要素

• 数据结构 —— 描述系统的静态特性
• 数据操作 —— 描述系统的动态特性
• 完整性约束

层次模型、网状模型与关系模型

层次模型

满足以下两个条件的基本层次联系的集合为层次模型

• 有且只有一个节点没有父亲节点——这个节点叫做根节点
• 根节点以外的节点有且只有一个父亲节点

树状哒

数据结构——满足下列条件的树

• 每个节点代表一个实体
• 边表示对象之间的联系

特点

• 只能处理一对多的实体联系（父节点唯一）
• 任何记录值都只有按路径查看时才显示全部意义
• 没有一个子女记录纸可以推理父亲记录值单独存在

层次模型的完整性约束

• 无相应的父亲节点值就不能插入子女节点值
• 删除父亲节点值时，子女节点值也要删除
• 更新时，应更新所有相应记录，以保证数据一致性

优缺点

• 优点：简单、（对于一对多而言）描述自然直观、易于理解、完整性支持良好

• 缺点：多对多联系表示不自然，插入删除限制多，查询子女节点必须通过父亲节点，面向过程

eg：IMS数据库管理系统（1968）

网状模型

数据结构——满足下列条件的图

• 每个节点是一个对象记录
• 边表示对象之间的联系
• 允许多个节点无父亲节点
• 允许节点有多个父亲节点
• 允许两个节点之间有多种联系

图状哒

完整性约束

• 允许插入父亲节点值未确定的子女节点值
• 允许只删除父亲节点值
• 一些具体系统提供了一些完整性约束

优缺点

• 优点：更加直观，性能良好、存取效率高
• 缺点：结构复杂，不利于最终用户掌握；DDL、DML语言复杂，不易于用户使用；面型过程

eg：最早的网状数据库管理系统IDS（1964）

小结

• 数据——信息载体

• 数据库——数据集合

• 数据库管理系统——软件系统

• 数据库系统

本章重点：掌握数据库系统的基本概念，及与文件系统相比较的优势；掌握数据抽象中三级模式、两级映像、数据独立性等概念。

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