1、数据库系统原理教程第 1 章 绪论1.1、引言1、数据：数据是描述事物的符号记录。数据与其语义是不可分的。数据的形式本身并不能完全表达其内容，需要经过语义解释。2、数据库（database，简称 DB）：长期存储在计算机内、有组织的、可共享的数据集合。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，并可为各种用户共享。3、数据库管理系统（database management system，简称 DBMS）：是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。数据库在建立、运用和维护时由数据库管理系统统一管理、统一控制。数据库管理系统使用户能方便地定义数据
2、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。4、数据库系统（database system，简称 DBS）：指在计算机系统中引入数据库后的系统构成，一般由数据库、数据库管理系统、应用系统、数据库管理员和用户构成。5、数据库管理员（database administrator，简称 DBA）：完成数据库的建立、使用和维护等工作的专业人员。6、数据管理：指如何对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，它是数据处理的中心问题。随着计算机硬件和软件的发展，数据管理经历了人工管理、文件系统和数据库系统三个发展阶段。7、人工管理数据的特点：（1）数据不保存
3、。 （2）数据需要由应用程序自己管理，没有相应的软件系统负责数据的管理工作。 （3）数据不共享。 （4）数据不具有独立性，数据的逻辑结构或物理结构发生变化后，必须对应用程序做相应的修改。8、文件系统管理数据的特点：（1）数据可以长期保存。 （2）由专门的软件即文件系统进行数据管理，程序和数据之间由软件提供的存取方法进行转换，应用程序与数据之间有了一定的独立性。 （3）数据共享性差。 （4）数据独立性低。不具有弹性的无结构的数据集。文件记录之间没有联系。9、数据库系统管理数据的特点：（1）数据结构化。 （2）数据的共享性好，冗余度低。 （3）数据独立性高。 （4）数据由 DBMS 统一管理和控制
4、。10、数据的不一致性：指同一数据不同拷贝的值不一样。11、数据的逻辑独立性：数据库系统的一个映像功能是数据的总体逻辑结构与某类应用所涉及的局部逻辑结构之间的映像功能。这一映像功能保证了当数据的总体逻辑结构改变时，通过对映像的相应改变可以保持数据的局部逻辑结构不变，由于应用程序是依赖数据的局部逻辑结构编写的，所以应用程序不必修改。12、数据的物理独立性：数据库系统的另一个映像功能是数据的存储结构与逻辑结构之间的映像或转换功能。这一映像功能保证了当数据的存储结构改变时，通过对映像的相应改变可以保持数据的逻辑结构不变，从而应用程序也不必改变。13、除了管理功能外，DBMS 还提供以下功能：（1）数
5、据的安全性。 （2）数据的完整性。（3）并发控制。 （4）数据库恢复。14、数据库技术的研究领域：（1）数据库管理系统软件的研制。 （2）数据库设计。 （3）数据库理论。1.2、数据模型1、数据模型：是严格定义的概念的集合。这些概念必须能够精确地描述系统的静态特性、动态特性和完整性约束条件。通常由数据结构、数据操作和完整性约束三个要素组成。2、数据结构：所研究的对象类型的集合。这些对象是数据库的组成成分，包括与数据类型、内容、性质有关的对象和与数据之间联系有关的对象。3、数据操作：指对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则。4、数据的约束条件：是一组完整性规则的集
6、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制约和依存规则，用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保障数据的正确、有效和相容。5、信息世界涉及的概念：实体、属性、码、域、实体型、实体集、联系。6、两个实体型之间的联系分为：1:1 联系、1:n 联系、m:n 联系。7、ER 图：提供了表示实体型、属性和联系的方法。8、常用数据模型：层次模型、网状模型、关系模型。层次模型和网状模型统称为非关系模型。9、基本层次联系：指两个记录以及它们之间的一对多（包括一对一）的联系。10、层次模型：用树形结构表示各类实体以及实体间的联系。优点：模型简单、实体间联系固定、提供良好的完整性支持。缺
7、点：表示多对多联系时很笨拙、对插入删除操作限制较多、查询子节点必须通过父节点、层次命令趋于程序化。11、邻接法：按照层次树前序遍历的顺序把所有记录值依次邻接存放，即通过物理空间的位置相邻来实现层次顺序。12、链接法：用指引元反映数据之间的层次联系，每个记录设两类指引元，分别指向最左边的子节点和最近的兄弟节点，这种链接方法称为子女兄弟链接法；按树的前序穿越顺序链接各记录值，这种链接方法称为层次序列链接法。13、网状数据模型：是一种比层次模型更具普遍性的结构，去掉了层次模型的两个限制，允许多个结点没有双亲结点，允许结点有多个双亲结点，允许两个结点之间有多种关系，允许插入双亲不明确的子女结点，允许只
8、删除双亲结点值，更新只需更新指定记录。优点：能更为直接的描述现实世界、具有良好的性能和存取效率。缺点：其 DDL 语言极其复杂、数据独立性较差。14、一个关系模型涉及以下概念：关系、元组、属性、主码、域、分量、关系模式、关系名。15、关系数据模型：实体及实体间的联系都用关系表示，它的操纵主要包括查询、插入、删除和更新数据。关系的完整性约束条件包括：实体完整性、参照完整性和用户定义完整性。关系模型优点：建立在严格的数学基础上、概念单一、存取路径对用户透明，具有较好的数据独立性，安全保密性。缺点：由于存取路径对用户透明，查询效率往往不如非关系数据模型。16、网状数据模型的典型代表是 DBTG 系统
9、。1.3、数据库系统结构1、模式：也称逻辑模式，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。它是数据库系统模式结构的中间层，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。2、外模式：也称子模式或用户模式，它是数据库用户（包括应用程序员和最终用户）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。一个应用程序只能使用一个外模式。同一外模式可以被多个应用系统使用。3、内模式：也称存储模式，它是数据物理结构和存储结构的描述，是数据在数据库内部的表示方式。一个数据库只
10、有内模式。4、数据库系统的三级模式结构：是指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成。5、二级映像功能：外模式/模式映像和模式 /内模式映像。正是这两层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。6、三级模式和两级映像的作用：（1）对于每个外模式，数据库系统都有一个外模式/模式映像，它定义了该外模式和模式之间的对应关系。当模式改变时，只需对各个外模式/模式的映像作出相应的改变，可以保持外模式不变，从而应用程序不必修改，保证了数据的逻辑独立性。 （2）数据库中只有一个模式和内模式，所以模式/内模式映像是唯一的，它定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。当数据库的存
11、储结构改变了，只需对模式/内模式映像作出相应的改变，可以使模式保持不变，从而保证了数据的物理独立性。7、数据库系统体系结构包括：（1）单用户数据库系统：是一种早期的最简单的数据库系统。在单用户系统中，整个数据库系统，包括应用程序、DBMS 、数据，都装在一台计算机上，由一个用户独占，不同机器之间不能共享数据。（2）主从式结构的数据库系统：是指一个主机带多个终端的多用户结构。在这种结构中，数据库系统，包括应用程序、DBMS、数据，都集中存放在主机上，所有处理任务都由主机来完成，各个用户通过主机的终端并发地存取数据库，共享数据资源。（3）分布式结构的数据库系统：指数据库中的数据在逻辑上是一个整体，
12、但物理地分布在计算机网络的不同结点上。数据存放、管理、维护困难。（4）客户/服务器结构的数据库系统：将 DBMS 和应用功能分开，网络中某些结点上的计算机专门用于执行 DBMS 功能，称为数据库服务器，其他结点上的计算机安装 DBMS 的外围应用开发工具，支持用户的应用，称为客户机。分为集中和分布两种。1.4、数据库管理系统1、DBMS 的功能主要包括：（1）数据定义，数据定义包括定义各种模式、映射、约束条件。（2）数据操纵，数据操纵包括对数据库数据的检索、插入、修改和删除等基本操作。（3）数据库运行管理，包括对数据库进行并发控制、安全性检查、完整性约束条件检查、数据库内部维护等等。（4）数据
13、组织、存储和管理，DBMS 负责分门别类地组织、存储和管理各种数据，确定文件结构。（5）数据库的建立和维护，建立数据库包括数据库初始数据的输入和数据转换等，数据库维护包括数据库的转储、恢复、重构、监视等。（6）数据通信接口，DBMS 提供与其他软件系统进行通信的功能。2、DBMS 通常由 4 部分组成：（1）数据定义语言及其翻译处理程序，DDL 供用户定义数据库的模式、存储模式、外模式、各级模式之间的映射、有关的约束条件等。（2）数据操纵语言及其编译程序，DML 实现对数据库的检索、插入、修改、删除等基本操作。（3）数据库运行控制程序，DBMS 提供一些系统运行控制程序负责数据库运行过程中的控
14、制与管理。（4）实用程序，DBMS 提供一些实用程序，包括数据初始装入程序、数据转储程序等。3、实现 DBMS 的方法：（1）N 方案：DBMS 模块被用户进程按子程序调用，DBMS 与应用程序融合在一起，N 个用户的系统中只有 N 个进程。（2）2N 方案：每个用户进程均有一个影子进程为之服务，系统中还有若干后台进程。由于系统中进程总数接近于用户数的 2 倍，所以称为 2N 方案。（3）M+N 方案：是 2N 方案的一种改进，在 N 个用户进程的系统中，有 M 个 DBMS 进程为之服务（My，其中 x 是码的真子集，y是非主属性。2NF 存在的问题包括：插入异常、删除异常、数据冗余度大、修
15、改复杂。3、3NF：如果关系模式 R中不存在候选码 X、属性组 Y 以及非主属性 Z 使得 X 决定Y，Y 决定 Z 和 Y 不决定 X 成立，则 R 满足 3NF。3NF 存在的问题包括：插入异常、删除异常、数据冗余度大、修改复杂。4、BCNF：在关系模式 R 中，如果每一个决定属性集都包含候选码，则 R 为 BCNF。BCNF是修正的 3NF。 BCNF 关系模式具有如下性质：（1）所有非主属性都完全函数依赖于每个候选码。（2）所有主属性都完全函数依赖于每个不包含它的候选码。（3）没有任何属性完全函数依赖于非码的任何一组属性。5、多值依赖：设 R（U）是一个属性集 U 上的关系模式，X，Y 和 Z 是 U 的子集，并且Z=U-X-Y，多值依赖 X-Y 成立当且仅当对 R 的任一关系 r，r 在（X，Z）上的每个值对应一组Y 的值，这组值仅仅决定于 X 值而与 Z 无关。多值依赖具有下列性质：对称性、传递性、函数依赖是多值依赖的特殊情况、多值依赖的有效性与属性集的范围有关等等。6、4NF：关系模式 R 满足 1NF，如果对于 R 的每个非平凡多值依赖 X-Y，X 都含有候选码，则 R 满足 4NF。4NF 就是限制关系模式的属性之间不允许有非平凡函数依赖的多值依
