第四章 数据库设计基础

　　一、内容要点

　　（一）数据库系统的基本概念

　　1．数据、数据库、数据库管理系统

　　1）数据

　　数据是指存储在某一种媒体上能够被识别的物理符号，即描述事物的符号记录。

　　数据是有结构的。首先，数据有型与值的区别，型即类型，值是符合指定类型的值。

　　数据的概念在数据处理领域中已经大大地拓宽了。数据不仅包括数字、字母、文字和其他特殊字符组成的文本形式的数据，而且还包括图形、图像、动画、影像、声音等多媒体数据。但是使用最多、最基本的仍然是文字数据。

　　2）数据库

　　数据库（DataBase，DB），是存储在计算机存储设备上，结构化的相互关联的数据的集合。它不仅包括描述事物的数据本身，而且还包括相关事物之间的联系。

　　它用综合的方法组织和管理数据，具有较小的数据冗余，可供多个用户共享，具有较高的数据独立性，具有安全机制，能够保证数据的安全、可靠，允许并发地使用数据库，能有效、及时地处理数据，并能保证数据的一致性和完整性。

　　例如，某个学校的相关数据，如学生基本情况、选课情况、学籍管理等所涉及的相关数据的集合。

　　3）数据库管理系统

　　数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）是对数据库进行管理的系统软件，它的职能是有效地组织和存储数据、获取和管理数据，接受和完成用户提出的访问数据的各种请求。同时还能保证数据的安全性、可靠性、完整性、一致性，还要保证数据的高度独立性。

　　数据库管理系统主要功能包括以下几个方面：

　　（1）数据模式定义

　　数据库管理系统负责为数据库构建模式，也为数据库构建其数据框架。

　　（2）数据存取的物理构建

　　数据库管理系统负责为数据模式的物理存取及构建提供有效的存取方法和手段。

　　（3）数据操纵

　　数据库管理系统为用户使用数据库中的数据提供方便，一般提供查询、插入、修改和删除数据的功能，此外，还具有简单的算术运算和统计功能，还具有专长强大的程序控制功能。

　　（4）数据的完整性、安全性定义与检查

　　数据库中的数据具有内存语义上的关联性与一致性，即数据的完整性。数据的完整性是保证数据库中数据正确的必要条件。

　　（5）数据的并发控制与故障恢复

　　数据库是一个集成、共享的数据集合体，它能为多个应用程序服务，因此，当多个应用程序对数据库并发操作时，要保证数据不被破坏。

　　（6）数据的服务

　　数据库管理系统提供了对数据库中数据的多种服务，如数据拷贝、转存、重组、性能监测、分析等。

　　数据库管理系统提供的相应的数据语言包括如下：

　　1）数据定义语言（Data Definition Language，DDL）

　　D用户通过它可以方便地对数据库中的相关内容进行定义。例如，对数据库、表、索引进行定义。

　　2）数据操纵语言（Data Manipulation Language，DML）

　　用户通过它可以实现对数据库的基本操作。例如，对表中数据的查询、插入、删除和修改。

　　3）数据控制语言（Data Control Language，DCL）

　　负责数据完整性、安全性的定义与检查以及并发控制、故障恢复等功能，包括系统初启程序、文件读写与维护程序、存取路径管理程序、缓冲区管理程序、安全性控制程序、完整性检查程序、并发控制程序、事务管理程序、运行日志管理程序、数据库恢复程序等。

　　目前流行的DBMS均为关系型数据库系统，发ORACLE、Sybase的PowerBuilder及IBM的DB2、微软件的SQLServer等。还有一些小型的数据库，如Visual FoxPro和Access等。

　　4）数据库管理员

　　数据库的管理员（DataBase Administrator，DBA）：对数据库的规划、设计、维护、监视等进行管理。

　　主要工作如下：

　　（1）数据库设计

　　（2）数据库维护

　　（3）改善系统性能，提高系统效率

　　5）数据库系统

　　数据库系统（DataBase System，DBS）由如下几个部分组成：

　　数据库（数据）

　　数据库管理系统（软件）

　　数据库管理员（人员）

　　系统平台（硬件平台和软件平台）

　　硬件平台包括：

　　计算机

　　网络

　　软件平台包括：

　　操作系统

　　数据库系统开发工具

　　接口软件

　　6）数据库应用系统

　　数据库应用系统（DataBase Application System，DBAS）是数据库系统再加上应用软件及应用界面而构成的。它包括：

　　数据库

　　数据库管理系统

　　数据库管理员

　　硬件平台

　　软件平台

　　应用软件

　　应用界面

　　2．数据库系统的发展

　　随着计算机软硬件技术的发展，数据处理方法也经历了从低级到高级的发展过程，按照数据管理的特点可将其划分为人工管理、文件系统及数据库系统三个阶段。

　　1）人工管理阶段

　　在20世纪50年代，计算机主要用于数值计算。从当时的硬件看，外存只有纸带、卡片、磁带，没有直接存取设备；从软件看（实际上，当时还未形成软件的整体概念），没有操作系统以及管理数据的软件；从数据看，数据量小，数据无结构，由用户直接管理，且数据间缺乏逻辑组织，数据依赖于特定的应用程序，缺乏独立性。

　　2）文件系统阶段

　　是数据库系统发展的初级阶段，它提供了简单的数据共享和数据管理能力，但无法提供完整的、统一的、管理和数据共享的能力。

　　3）层次数据库与网状数据库阶段

　　20世纪60年代末期，层次数据库与网状数据库开始发展，它们为统一管理和数据共享提供了支撑，即标志着数据库系统的真正来临。但它们有许多的不足，如受文件的物理影响较大，对数据库使用带来许多不便，数据结构复杂，不变于推广。

　　4）关系数据库系统阶段

　　关系数据库系统出现于20世界70年代，它的数据库结构简单，使用方便，逻辑性强物理性少，使用广泛。

　　由于应用的领域不同，它常分为：

　　工程数据库系统

　　图形数据库系统

　　图像数据库系统

　　统计数据库系统

　　知识数据库系统

　　分布式数据库系统

　　并行数据库系统

　　面向对象数据库系统

　　3．数据库系统的基本特点

　　1）数据的集成性

　　在数据库系统中采用统一的数据结构方式

　　在数据库系统中按照多个应用程序的需要组织全局的统一的数据结构，数据模式可建立全局的数据结构，也可建立数据间的语义联系从而构成一个内存紧密联系的数据整体

　　数据模式是多个应用程序共同的、全局的数据结构，而每个应用的数据则是全局结构中的一部分

　　2）数据的高共享性与低冗余性

　　数据的一致性是指系统中同一数据的不同出现应保持相同的值，而数据的不一致性是指同一数据在系统不同拷贝处有不同的值。减少数据的冗余性可以避免数据的不一致性。

　　3）数据的独立性

　　数据的独立性是指数据与程序间的互不依赖性。即数据的逻辑结构、存储结构与存取方式的改变不会影响应用程序。

　　（1）物理独立性

　　即数据的物理结构（包括存储结构、存取方式）的改变，不会影响数据库的逻辑结构，即不会引起应用程序的变化。

　　（2）逻辑的独立性

　　4）数据统一管理与控制

　　数据库总体逻辑结构的改变，不需要相应修改应用程序。

　　数据完整性检查：检查数据库中数据的正确性以保证数据的正确

　　数据的安全性保护：检查数据库访问者以防非法访问

　　并发控制：控制多个应用程序的并发访问所发生的相互干扰以保证其正确性

　　4．数据库系统的内部结构体系

　　数据库系统的内部具有三级模式与二级映射。

　　1）数据库系统的三级模式

　　数据模式是数据库系统中数据结构的一种表示形式，它具有不同的层次与结构方式。

　　（1）概念模式

　　概念模式是数据库系统中全局数据逻辑结构的描述，是全体用户公共数据视图。概念模式主要描述数据的概念记录类型以及它们之间的关系，还包括一些数据间的语义约束。

　　（2）外模式

　　外模式又称子模式或用户模式，是用户的数据视图，即用户见到的数据模式。

　　概念模式给出系统全局的数据描述而外模式则给出每个用户的局部数据描述。

　　（3）内模式

　　内模式又称物理模式，它给出数据库物理存储结构与物理存储方法，如数据存储的文件结构、索引、集簇及hash等存取方式与存取路径，内模式的物理性主要体现在操作系统及文件级上。

　　内模式对一般的用户是透明的，但它的设计直接影响到数据库系统的性能。

　　模式的三个级别层次反映了模式的三个不同环境以及它们的不同要求，其中内模式处于最底层，它反映数据在计算机物理结构中的实际存储形式，概念模式牌中层，它反映了设计者的数据全局逻辑要求，而外模式处于最外层，通过两种映射由物理数据库映射而成它反映用户对数据的要求。

　　2）数据库系统的二级映射

　　数据库系统的三级模式是对数据的三个级别抽象，它把数据的具体物理实现留给物理模式，使得全局设计者不必关心数据库的具体实现与物理背景；通过两级映射建立了模式间的联系与转换，使得概念模式与外模式虽然并不物理存在，但也能通过映射获得实体。同时，两级映射也保证了数据库系统中数据的独立性。

　　两级模式的映射：

　　概念模式到内模式的映射：该映射给出概念模式中数据的全局逻辑结构到数据的物理存储结构间的对应关系

　　外模式到概念模式的映射：该映射给出了外模式与概念模式之间的对应关系