資料庫系統概論 第一章 緒論

資料庫系統概論 第一章 緒論

一、資料庫系統概述

1. 資料庫的4個基本概念
   資料（data）：資料是資料庫中儲存的基本物件。

   資料庫（DataBase,DB）：是存放資料的倉庫。資料庫是長期儲存在計算機內、有組織的、可共享的大量資料的集合。資料庫資料具有永久儲存、有組織和可共享三個基本特點。

   資料庫管理系統（DBMS）：位於使用者與作業系統之間的一層資料管理軟體。是計算機的基礎軟體，也是一個大型複雜的軟體系統。
   用途：科學地組織和儲存資料，高效地獲取和維護資料。

資料庫系統（DBS）：由資料庫、資料庫管理系統、應用程式和資料庫管理員組成的儲存、管理、處理和維護資料的系統。

2. 資料庫系統的特點：
   （1）資料結構化。這是資料庫的主要特徵之一，也是資料庫系統與檔案系統的本質區別。

（2）資料的共享性高、冗餘度低且易擴充。資料面向整個系統，可以被多個使用者、多個應用共享使用。資料共享可以大大減少資料冗餘，節約儲存空間。資料共享還能夠避免資料之間的不相容性和不一致性。易於擴充是因為資料是有結構的且資料面向整個系統，容易增加新的應用。

（3）資料獨立性高
物理獨立性是指使用者的應用程式與資料庫中資料的物理儲存是相互獨立的。當資料的物理儲存改變時應用程式不用改變。
邏輯獨立性是指使用者的應用程式與資料庫的邏輯結構是相互獨立的。資料的邏輯結構改變時使用者程式也可以不變。

（4）資料由資料庫管理系統統一管理和控制
資料的安全性保護：保護資料以防止不合法使用造成的資料洩密和破壞。
資料的完整性保護：資料的正確性、有效性和相容性。
併發控制：對多使用者的併發操作加以控制和協調。
資料庫恢復：將資料庫從錯誤狀態恢復到某一已知的正確狀態的功能。

二、資料模型
資料模型也是一種模型，它是對現實世界資料特徵的抽象。資料模型是資料庫系統的核心和基礎。

1. 兩類資料模型
   資料模型要滿足三方面要求:一是能比較真實地模擬現實世界，二是容易為人所理解，三是便於在計算機上實現。

   第一類是概念模型，也稱資訊模型，它是按使用者的觀點來對資料和資訊建模，主要用於資料庫設計。

   第二類是邏輯模型和物理模型，其中邏輯模型主要包括層次模型、網狀模型、關係模型、物件導向資料模型和物件關係資料模型、半結構化資料模型等。它是按計算機系統的觀點對資料建模，主要用於資料庫管理系統的實現。物理模型是對資料最底層的抽象，它描述資料在系統內部的表示方式和存取方法，或在磁碟或磁帶上的儲存方式和存取方法，是面向計算機系統的。

2. 概念模型
   資訊世界中的基本概念
   （1）實體：客觀存在並可相互區別的事物。
   （2）屬性：實體所具有的某一特性。
   （3）碼（key）：唯一識別實體的屬性集。
   （4）實體型：用實體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實體。
   （5）實體集：同一型別實體的集合。
   （6）聯絡：實體內部的聯絡通常是指組成實體的各屬性之間的聯絡，實體之間的聯絡通常是指不同實體集之間的聯絡。實體之間的聯絡有一對一、一對多和多對多等多種型別。

概念模型的一種表示方法：實體-聯絡方法，也就是E-R方法，E-R模型。

3.資料模型的組成要素
資料模型通常由資料結構、資料操作和資料的完整性約束條件三部分組成。

資料結構：描述資料庫的組成物件以及物件之間的聯絡。是所描述的物件型別的集合，是對系統靜態特性的描述。

資料操作：對資料庫中各種物件（型）的例項（值）允許執行的操作的集合，包括操作及有關的操作規則。是對系統動態特性的描述。

資料的完整性約束條件：是一組完整性規則，以保證資料的正確、有效和相容。

4. 常用的資料模型
   層次模型
   網狀模型
   關係模型
   物件導向資料模型
   物件關係資料模型
   半結構化資料模型

（1）層次模型
在資料庫中定義滿足下面兩個條件的基本層次聯絡的集合稱為層次模型：
a 有且只有一個結點沒有雙親結點，這個結點稱為根結點
b 根以外的其他結點有且只有一個雙親結點
層次模型的一個基本的特點是，任何一個給定的記錄值只能按其層次路徑檢視，沒有一個子女記錄值能夠脫離雙親記錄值而獨立存在。

（2）網狀模型
在資料庫中定義滿足下面兩個條件的基本層次聯絡的集合稱為網狀模型：
a 允許一個以上的結點無雙親
b 一個結點可以有多於一個的雙親
與層次模型的區別：網狀模型中結點之間的聯絡不唯一

（3）關係模型
關係模型要求關係必須是規範化的，關係的每一個分量必須是一個不可分的資料項，即不允許表中還有表。

關係的資料操縱主要包括查詢、插入、刪除和更新資料。這些操作必須滿足關係的完整性約束條件。關係的完整性約束條件包括三大類：實體完整性、參照完整性、使用者定義的完整性。

三、資料庫系統的結構

1. 資料庫系統模式的概念
   模式是資料庫中全體資料的邏輯結構和特徵的描述，它僅僅涉及型的描述，不涉及具體的值。模式的一個具體值稱為模式的一個例項。同一個模式可以有很多例項。
   模式是相對穩定的，而例項是相對變動的。因為資料庫中的資料是在不斷更新的。模式反應的是資料的結構及其聯絡，而例項反映的是資料庫某一時刻的狀態。
   資料庫管理系統在體系結構上通常都具有相同的特徵，即採用三級模式結構並提供兩級映像功能。

2. 資料庫系統的三級模式結構
   資料庫系統的三級模式結構是指資料庫系統是由外模式、模式和內模式三級構成。
   a 模式：也稱邏輯模式，是資料庫中全體資料的邏輯結構和特徵的描述，是所有使用者的公共資料檢視。

   b 外模式：子模式或使用者模式，它是資料庫使用者能夠看見和使用的區域性資料的邏輯結構和特徵的描述，是資料庫使用者的資料檢視，是與某一應用有關的資料的邏輯表示。
   外模式通常是模式的子集。一個資料庫可以有多個外模式，同一外模式也可以為某一使用者的多個應用系統所使用，但一個應用程式只能使用一個外模式。
   每個使用者只能看見和訪問所對應的外模式中的資料，資料庫中的其餘資料是不可見的。

   c 內模式：也成儲存模式，一個資料庫只有一個內模式。它是資料物理結構和儲存方式的描述，是資料在資料庫內部的組織方式。

3. 資料庫的二級映像功能與資料獨立性
   為了能夠在系統內部實現這三個抽象層次的聯絡，資料庫管理系統在這三級模式之間提供了兩層映像：外模式/模式映像和模式/內模式映像。正是這兩層映像保證了資料庫系統中的資料能夠具有較高的邏輯獨立性和物理獨立性。
   a 外模式/模式映像
   當模式改變時（如增加新的關係、新的屬性、改變屬性的資料型別等），由資料庫管理員對各個外模式/模式的映像作相應改變，可以使外模式保持不變。應用程式是依據資料的外模式編寫的，從而應用程式不必修改，保證了資料與程式的邏輯獨立性，簡稱資料的邏輯獨立性。

   b 模式/內模式映像
   資料庫只有一個模式，也只有一個內模式，所以模式/內模式映像是唯一的。它定義了資料全域性邏輯結構與儲存結構之間的對應關係。
   當資料庫的儲存結構改變時（如選用了另一種儲存結構），由資料庫管理員對模式/內模式映像作相應改變，可以使模式保持不變，從而應用程式也不必改變。保證了資料與程式的物理獨立性，簡稱資料的物理獨立性。

4. 資料庫系統的組成
   a 硬體平臺及資料庫
   b 軟體
   c人員
   （1）資料庫管理員
   決定資料庫中的資訊內容和結構。
   決定資料庫的儲存結構和存取策略。
   定義資料的安全性要求和完整性約束條件。
   監控資料庫的使用和執行。
   資料庫的改進和重組、重構。
   （2）系統分析員和資料庫設計人員
   前者負責應用系統的需求分析和規範說明，後者負責資料庫中資料的確定及資料庫各級模式的設計。
   （3）應用程式設計師
   負責設計和編寫應用系統的程式模組，並進行除錯和安裝。
   （4）使用者
   終端使用者通過應用系統的介面使用資料庫。