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1、第4章 数据库与数据库管理系统,用户,应用软件,系统软件,硬件,第4章 数据库与数据库管理系统,本讲内容：一 数据组织 1.实体和属性 2.数据项，记录，文件 3.纪录的关键字二 文件组织 1.顺序文件 2.散列文件 3.索引文件,第4章 数据库与数据库管理系统,三 数据库系统数据库管理技术的发展数据库系统的组成数据库的三级体系结构关系数据库模型数据库设计初步四 数据库语言,一 数据组织Data Organization,数据：对现实事物的记录和描述可包括若干的数据项在DB中，能被计算机接受和处理的数字，字符，图形，声音统称为数据。如职工的数据可包括：姓名（字符），年龄（数值），照片（图像）,
2、一 数据组织Data Organization,数据模型是对数据的某种抽象表示形式，是描述数据的一组概念和定义。数据模型决定了对数据项的组织方式。描述包括：静态（结构，联系，约束）动态：定义在数据上的操作逻辑数据模型和物理数据模型,一 数据组织Data Organization,数据层次,层次,示例,数据库,文件,记录,数据项,字节,位,学生数据库课程文件，简历文件，财务文件。,J101（课程号字段）,10101010（字母J的ASCII码）,0,一 数据组织Data Organization,1.实体和属性实体：数据所代表的事件或事物。如：职工甲属性：实体的特征属性域：属性值的变化范围实体集
3、：实体的集合。如：全厂职工,一 数据组织Data Organization,2.数据项，记录，文件数据项：描述的实体的一个属性记录：与数据处理的某一对象有关的一切数据项排列构成一个纪录文件：相关纪录的集合构成文件,一 数据组织Data Organization,三个世界模型现实世界存在于人们头脑之外的客观世界信息世界现实世界在人们头脑中的反映，人们把它用文字和符号记录下来数据世界信息世界的信息在机器世界中以数据形式存储,现实世界,一 数据组织Data Organization,一 数据组织Data Organization,3.关键字在一个文件内，通常我们以相同的方式存放着若干记录，记录中的关
4、键字是指：该记录中具有以下特征的一个或一组数据项，特征为：对于该文件中的所有记录来讲，该数据项或者该组数据项它的值是唯一的。意味着根据一个关键字可以确定一个特定的记录。设立关键字在检索，更新，排序中有很大的作用。,二 文件组织 File Organization,文件结构（组织）问题不是DB出现后才有的，在文件系统中已经充分研究过。目前，文件管理仍是操作系统的主要功能之一。有些DBMS就以操作系统的文件管理作为其物理层的基础。更多的DBMS独立设计存储结构。DB中的文件既继承了传统文件系统的某些技术，又有与之相区别的特点。文件组织关系到数据处理的效率和对记录的操作方式。,二 文件组织 File
5、 Organization,1.顺序文件记录按其在文件中的逻辑顺序依次进入存储介质而建立的文件，一个记录紧接着前一个记录顺序排列。如：磁带文件连续存取的速度快，适用于批处理和定期处理任务。如：数据备份和定期的财务报表,二 文件组织 File Organization,2.散列文件将记录的某一属性用散列函数直接映射成记录地址数据库中应用不多,二 文件组织 File Organization,3.索引文件,索引文件两部分,索引文件的一般结构,索引区,数据区,前部分，数据项 通常就是关键字,后部分，记录的存储地址指针,二 文件组织 File Organization,先根据关键字从索引表中查出记录所
6、在的位置，然后再到该位置取出数据。逻辑顺序与记录的物理顺序无关。提高查询效率索引本身要占一定空间,二 文件组织 File Organization,满足下列条件之一的属性或表不宜建立索引：不出现或很少出现在查询条件中的属性属性值很少的属性，如：性别，用索引还不如顺序扫描。属性值分布严重不均匀的属性。如：职工年龄经常更新的属性或表，因为更新时索引需要维护过长的属性，如：超过30个字节，索引的存储空间比较大。太小的表,二 文件组织 File Organization,主关键字一般可建立索引。以读为主或只读的表，只要需要，且存储空间允许，可建索引。有些查询可以从索引直接得到结果，不必访问数据块，宜建
7、索引。如，查询某属性的MIN或MAX。对于等值查询（即查询条件中以等号为比较符），如果满足条件的元组是少量的，可考虑在有关的属性上建索引。数据块系统运行以后还可以进行调整，有些索引一时难以决定是否建立，可留待运行时通过实验来确定,三 数据库系统,1.数据管理技术的发展1）程序管理阶段,应用程序1,应用程序2,.,应用程序N,数据组N,数据组1,数据组2,.,三 数据库系统,2）文件管理阶段,应用程序1,应用程序2,.,应用程序N,数据组N,数据组1,数据组2,.,操作系统,文件系统,三 数据库系统,（1）程序管理阶段数据和程序结合为一个不可分的整体一组数据对应一个应用程序（2）文件系统管理阶段
8、数据文件按应用程序的要求而建立程序和数据有一定的独立性，仍相互依赖各文件相互独立，分散保管。数据的一致性不易控制。文件系统是用户和用户应用程序与数据文件间的接口。,三 数据库系统,3）数据库方法阶段使用数据库管理系统DBMS不仅描述数据本身，还描述数据之间的联系。数据在统一控制下，为尽可能多的用户服务。,用户或用户程序,数据库管理系统如：ACCESSFOXPROORACLEDB2等,数据库,用户或用户程序,用户或用户程序,三 数据库系统,数据独立性强物理独立性。数据库的物理组织发生变化不影响数据的逻辑结构。逻辑独立性。数据库的逻辑结构改变时，无须改变应用程序。数据冗余度小数据的共享性高数据的一
9、致性好有数据安全和完整性保障。,三 数据库系统,3.数据库的三级体系结构,用户,用户,子模式,用户,用户级,用户视图,子模式映式模式,子模式,DBA视图,系统管理员视图,概念级,模式,物理级,模式存储模式映射,存储模式,三 数据库系统,ANSI提出的数据库结构的标准化建意：用户级：亦称外模式。是数据库用户看到的数据视图。概念级，称为概念模式，模式1.对数据库整体逻辑结构的描述。2.统一考虑所有用户现在和将来的需求，并把这些需求所涉及的记录及记录间的联系有机地结合成一个逻辑整体。物理级：又称内模式或存储模式。1.对数据物理结构和存储方式的描述，对用户是透明的。2.物理组织修改后，不必修改模式。,
10、三 数据库系统,4.数据库模型DB概念模型：层次模型，网络模型，关系模型。RDB在80年代退出，新推出的DBMS几乎都支持关系模型。关系模型以表（TABLE）这一统一形式来表示数据的逻辑结构。关系数据库有一套完善的关系代数理论和方法支持。,三 数据库系统,1）层次模型的数据结构（Hierarchical Model）用树形结构来表示实体之间联系的模型叫层次模型层次数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS系统特点：每个记录只有一个父节点，当表示M:N关系时必然存在冗余。只有一个结点无父结点总是从父记录指向子记录一个单位的层次模型可有多棵树构成联系一般用指针实现（或物理邻接）每个记录只有一条查找路
11、径,三 数据库系统,查询时采取广度遍历策略，操作人员必须非常熟悉数据的层次结构,层次模型使用指针来避免大量的数据冗余，但这样做会导致数据模式的不清晰,三 数据库系统,2）网状模型的数据结构：用有向图结构表示实体类型及实体间的联系网状数据模型的典型代表是DBTG系统特点可以有一个以上的结点无父结点至少有一个结点多于一个父节点联系由指针实现每个记录可由多条查找路径,三 数据库系统,通过LINK联系记录表达M：N关系用户在使用网状DB时，不但要说明做什么，还要说明怎么做，即给出存储路径,三 数据库系统,3）关系模型的数据结构：关系模型采用二维表来表示，二维表由表框架（FRAME）及表的元组（TUPL
12、E）组成。表框架由N个命名的属性（Attribute）组成，N称为属性元素（arity）。每个属性有一个取值范围称为值域（domain）。表框架对应了关系的模式，即类型的概念。,三 数据库系统,从北京机床配件厂采购了哪些零件？,在RDB中，用户需要用多个相关联的表中的信息来生成管理所需的报表。通过关系运算，可以将任何两个有共同数据项的表关联起来，这是RDB的威力所在。,三 数据库系统,关系数据库的基本操作选择：在表中找出符合指定条件的记录。连接：把相关的表合并起来，向用户提供比单个表更多的信息投影：在已有表的基础上，选定所需的列建立一个新表。,三 数据库系统,三 数据库系统,优点：便于查询,缺
13、点：数据冗余度大：如，设备厂出现的次数插入异常：如，要添加“铜帽”，因没进货，则无法插入删除异常：如，没进北京配件厂的螺丝帽，则把螺丝帽材质为钢的信息去掉。更新异常：如，要更换螺栓规格，则要逐一更换。,三 数据库系统,关系模型的规范理论关系模型的好坏对数据的存储，操作有很大影响。因此，一般要对得到的关系模式进行优化（规范化）规范化理论是E.F.Codd在1971年提出的，研究关系模型中各属性之间的关系，探讨关系模型应具备的性质和设计方法。,三 数据库系统,初步得到的关系模型,三 数据库系统,范式的定义：1NF：如果一个关系模式R的所有属性都是基本的不可分隔的，则称为R为第一范式。2NF：如果关
14、系模式R是1NF，而且非关键字的属性完全函数依赖于关键字属性，那么关系模式R为第二范式如果关系模式R是2NF，而且每个非关键字的属性不是传递依赖于关键字，那么关系模式R是第三范式BCNF：若关键模式R中的每个觉得因素，都是R的一个候选关键字，则称R是BCNF。,三 数据库系统,例1：下面的关系-物资税价表不满足第一范式的条件，不是第一范式。,去掉分割的数据项后，可得到下面的关系，它已经是第一范式,三 数据库系统,例2：下面的关系模式是否为第三范式？（关系模式中主码为“教师代码”）,非主属性“院系名称”依赖于主码“教师代码”，而院系负责人又依赖与院系名称。因此，院系负责人传递依赖于主码教师代码。
15、因此不是第三范式,三 数据库系统,上例中消除传递依赖关系的办法是将关系教师分解为如下两个满足第三范式的关系（教师代码，教师姓名，院系名称，院系负责人）教师（教师代码，教师姓名，院系名称）院系（院系名称，负责人）,三 数据库系统,在关系数据库中，对关系模型的基本要求是满足第一范式，这样的关系模式就是合法的，允许的。但有些关系模式存在数据冗余，存储操作异常等不足，因此，要进一步改善关系模式，这就是规范化的目的关系模式的规范化是采用投影分解的方法来实现的，分解时应注意保证分解前和分解后的等价性规范化等级的选择要综合考虑多种因素，要在减少数据冗余，消除存储操作异常和响应时间之间做出合理的折中。一般而言
16、，规范化等级越高，检索时需要的数据连接操作就越多，DBMS的开销就越大，响应时间变长。实际研制和开发数据库系统时，多采用3NF和BCDF,三 数据库系统,5.数据库的初步设计要建立数据库需要做两方面的设计1）逻辑设计：得出好的关系模式（表的各个属性构成）2）物理设计：数据库在物理存储设备上如何组织（设计内模式）,三 数据库系统,实体关系图（E-R图）是P.S.Chen于1976年提出用于直接从现实世界中抽象出实体类型及实体间联系，然后用E-R图表示。E-R图中的四个基本成分矩形框，表示实体类型菱形框，表示联系类型椭圆形框，表示实体类型和联系类型的属性直线，联系类型与其涉及的实体类型之间以直线连
17、接在直线端部标上联系的种类（1：1，1：n，m：n）,三 数据库系统,关系模型可以由E-R模型转换而来，转换规则有：E-R模型中的每一个实体集对应一个关系，实体集名作为关系名，实体集的属性作为这个关系的属性E-R模型中的联系也对应一个关系，该联系的属性及与该联系相连的各实体集的主码作为该关系的属性。,三 数据库系统,联系（Relation）：是指实体间的相互关系一对一联系一对多联系多对多联系,三 数据库系统,一对一联系如果实体集合A中的每一个实体，实体集合B中只有一个实体与其发生联系；B中的每一个实体，A中也只有一个实体与其发生联系，称A和B是一对一联系。如：总统与国家之间的关系（管理）,三
18、数据库系统,一对多联系如果对于A中的一个实体，B中有一个以上实体与其发生联系；而B中的每一个实体只与A中的一个实体发生联系，那么称A和B是一对多联系。如：国家与省之间的联系（管辖）,三 数据库系统,多对多联系如果对A中一个实体，B中至少有一个实体与之存在联系；B中一个实体，A中至少也有一个实体与之存在联系，称A和B是多对多联系。如：医生与病人之间的联系（诊疗）,三 数据库系统,E-R模型设计举例 为仓库管理设计一个E-R模型。该仓库主要管理零件的入库，出库和采购等事项。仓库根据需要向外面厂家订购零件，而许多工程项目需要仓库供应零件。,建立E-R图的过程如下：,三 数据库系统,建立E-R图的过程
19、如下：1)确定实体类型：工程项目PROJECT，零件PART，供应商SUPPLIER2)确定联系类型：Project和part之间是M:N联系，定义为P-PPART和supplier之间也是M:N联系，定义为P-S3)把实体类型和联系类型组合成E-R图4)确定实体类型和联系类型的属性5)确定实体类型的键，在属于键的属性名下画一横线,三 数据库系统,M,N,M,N,三 数据库系统,E-R图设计过程总结1）建立E-R图的过程是对数据进行归纳，分析，抽象的过程，首先把企业的全部数据综合组织，然后根据不同用户对数据的使用需求进行分组。从局部或子系统入手，建立局部E-R模型，再综合成总体E-R模型。2）确定实体集3）确定联系和联系类型4）设计出由E-R图表示的企业模型5）确定属性6）将E-R图优化,三 数据库系统,课堂练习：为一个系教务管理设计信息模型，用E-R图表示。要求包含系信息，教师信息，学生信息，课程信息以及学生选课成绩。希望可方便获取某教师的讲授课程评价及听课学生的成绩，可获取学生所选课程。,三 数据库系统,E-R模型向关系模式转换一个实体对应着一个关系模式实体名作为关系名实体属性作为关系的属性联系也可以转换成一个关系模式联系名作为关系名。联系的属性和相关实体的关键字作为关系的属性，如：厂家（代号，厂家，城市）进货（代号，编号，数量）零件（编号，名称，材质，规则）,
