第1章 数据库系统的基本原理

1.1 数据库系统概述

1.1.2 数据库系统概念

1．数据（Data）
数据是数据库存储的基本对象。是描述现实世界中各种具体事物或抽象概念的、可存储并具有明确意义的符号记录。

2．数据库（DataBase，简称为DB）
简单的说，数据库就是相互关联的数据集合。严格的说，数据库是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。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。

3．数据库管理系统（DBMS）
1）数据定义功能
DBMS提供数据定义语言（DDL），用户通过它可以方便地在数据库中定义数据对象（包括表、视图、索引、存储过程等）和数据的完整性约束等。
2）数据操纵功能
DBMS提供数据操纵语言（DML），用户可以通过它对数据库的数据进行增加、删除、修改和查询操作，简称为“增、删、改、查询”，对应于SQL语言的4个命令，即INSERT、DELETE、UPDATE和SELECT。
3）数据控制功能
DBMS提供了数据控制语言（DCL），用户可以通过它完成对用户访问数据权限的授予和撤消，即安全性控制；解决多用户对数据库的并发使用所产生的事务处理问题，即并发控制；数据库的转储、恢复功能；数据库的性能监视、分析等功能。

4．数据库系统（DBS）
数据库系统是指在计算机系统中引入数据库后的系统，一般由数据库（DB）、数据库管理系统（DBMS）、应用系统和数据库管理员（DBA）构成。

5．数据库应用系统（DBAS）
数据库应用系统主要是指实现业务逻辑的应用程序。

1.1.3 数据管理技术的发展阶段

数据管理技术的发展经历了人工管理、文件管理系统、数据库系统和高级数据库系统四个阶段。

1.1.4 数据库系统的用户

1．数据库管理员（DBA）
DBA的具体职责包括：
1）参与数据库的设计
2）定义数据的安全性要求和完整性约束条件
3）日常维护：定期备份数据 、监视数据库的运行 、确保正常运转时所需的空余磁盘空间，并且在需要时升级磁盘空间。
4）数据库的改进和重组、重构

2．数据库用户
1）最终用户
最终用户是现实系统中的业务人员，是数据库系统的主要用户。
2）专业用户
专业用户包括工程师、科学家、经济学家等具有较高科学技术背景的人员。
3）系统分析员和数据库设计人员
4）应用程序员

1.2 数据模型

1.2.1 数据抽象的过程

   美国国家标准化协会ANSI根据数据抽象的级别定义了4种模型，即概念模型、逻辑模型、外部模型、内部模型。 <br />![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/22782459/1661822620857-85101dd2-99da-414f-98c7-72aea2c0ad6b.png#clientId=ud72da630-5d57-4&errorMessage=unknown%20error&from=paste&height=533&id=uead180f7&originHeight=533&originWidth=1365&originalType=binary&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&size=20046&status=error&style=shadow&taskId=uba0407b4-fc27-4ed4-85d7-98c807907ed&title=&width=1365)<br />**1．概念模型**<br />概念模型在这4种模型中抽象级别最高。其特点如下。<br />1）概念模型表达了数据库的整体逻辑结构，它是企业管理人员对整个企业组织的全面概述。<br />2）概念模型是从用户需求的观点出发，对数据建模。<br />3）概念模型独立于硬件和软件。<br />4）概念模型是数据库设计人员与用户之间进行交流的工具。<br />现在采用的概念模型主要是实体-联系模型，即**E-R模型**。E-R模型主要用E-R图来表示。<br />实体是现实世界或客观世界中可以相互区别的对象，这种对象可以是具体的，也可以是抽象的。 

联系是两个或多个实体间的关联。两个实体之间的联系可以分为三种：
1）一对一联系（1：1）
2）一对多联系（1：n）
3）多对多联系（m：n）

2．逻辑模型
逻辑模型具有下列特点。
1）逻辑模型表达了数据库的整体逻辑结构，但它是设计人员对整个企业组织数据库的全面概述。
2）逻辑模型是从数据库实现的观点出发，对数据建模。
3）逻辑模型硬件独立，但软件依赖。
4）逻辑模型是数据库设计人员与应用程序员之间进行交流的工具。
逻辑模型有层次模型、网状模型和关系模型3种。现在使用的关系型数据库管理系统（RDBMS）均采用关系数据模型。

3．外部模型
外部模型具有如下特点。
1）外部模型是逻辑模型的一个逻辑子集。
2）硬件独立，软件依赖。
3）外部模型反映了用户使用数据库的观点。
从整个系统考察，外部模型具有下列特点。
1）简化了用户的观点。
2）有助于数据库的安全性保护。
3）外部模型是对概念模型的支持。

4．内部模型
内部模型又称为物理模型，是数据库最底层的抽象，它描述数据在磁盘上存储方式、存取设备和存取方法。内部模型是与硬件和软件紧密相连的。
可以不必考虑内部级的设计细节，由系统自动实现。

1.2.2 关系模型

1．数据模型的三要素※
1）数据结构
数据结构是所描述的对象类型的集合。现在常用的是关系数据模型。
数据结构是对系统静态特性的描述。
2）数据操作
数据操作是指对数据库表中记录的值允许执行的操作集合，数据库对数据的操作主要有增、删、改、查询4种操作。
数据操作是对系统动态特性的描述。
3）数据的完整性约束条件
数据的完整性约束条件是一组完整性规则。用以保证数据的正确、有效、相容。

2．关系数据模型的数据结构
1）关系（Relation）
一个关系就是一张规范的二维表 。
2）元组（Tuple）
表中的一行即为一个元组。
3）属性（Attribute）
表中的一列即为一个属性，每个属性都有一个属性名。
4）码或键（Key）
也称为关键码或关键字。表中的某个属性或者属性的组合，能唯一的确定一个元组。
5）关系模式
对关系的描述，一般表示为：
关系名（属性1，属性2，属性3，……，属性n）

3．关系数据模型的操作与完整性约束
关系的完整性约束条件包括三大类：

• 实体完整性
• 参照完整性
• 用户定义的完整性

1.3 数据库体系结构

1.3.1 数据库系统三级结构

1．用户级数据库
用户级对应于外模式，是最接近用户的一级，是用户看到和使用的数据库，又称为用户视图。
2．概念级数据库
概念级数据库对应于概念模式，介于用户级和物理级之间，是数据库管理员看到和使用的数据库，又称DBA视图。
3．物理级数据库
物理级数据库对应于内模式，是数据库的底层表示，它描述数据的实际存储组织，是最接近于物理存储的级，又称内部视图。

1.3.2 数据库系统三级模式

1．概念模式
概念模式又称为模式或逻辑模式，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。一个数据库只能有一个概念模式。
2．外模式
外模式又称为子模式或用户模式，是数据库用户（包括程序员和最终用户）能够看到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。一个数据库可以有多个外模式。
3．内模式
内模式又称为存储模式或物理模式，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表示方式。一个数据库只能有一个内模式。