数据库系统概论第一章绪论

本思维导图为数据库系统概论第一章绪论，内容十分详细，有图有重点，第一章是全书概况性内容，对掌握数据库基础知识点，建立思维框架十分有帮助，也是耗时很久所整理，希望多多支持！

绪论

• 数据库系统概论
  • 数据库的4个基本概念
    • 数据
      • 数据的语义：数据的含义
    • 数据库DB
      • 基本特点
        • 永久存储
        • 有组织
        • 可共享
    • 数据库管理系统DBMS：
      • 计算机的基础软件
        • 数据库管理系统
        • 操作系统
      • 主要功能
        • 数据定义功能
          • 数据定义语言DDL
        • ...组织、存储和管理
          • 分类组织、存储、管理各种数据，包括
            • 数据字典
            • 用户数据
            • 数据的存取路径
          • 何种文件结构和存取方式
          • 实现数据之间的联系
          • 数据组织和存储的基本目标
            • 提高存储空间利用率和方便存取
            • 提供多种存取方法（如索引查找、hash查找、顺序查找等）来提高存取效率
        • ...操纵...
          • 数据操纵语言DML
            • 实现对数据库的基本操作
              • 查询
              • 插入
              • 删除
              • 修改
        • 数据库的事务管理和运行管理
          • 数据库在建立、运行和维护时由数据库管理系统统一管理和控制
          • 保证事务的正确运行
          • 保证数据的安全性、完整性
          • 多用户对数据的并发使用
          • 发生故障后的系统恢复
        • 数据库的建立和维护...
          • 数据库初始数据的输入、转换功能
          • 数据库的转储、恢复功能
          • 性能监视、分析功能
        • 其他功能
          • 数据库管理系统与网络中其它软件系统的通信
          • 数据库管理系统或文件系统之间的数据转换
          • 异构数据库之间的互访和互操作
    • 数据库系统DBS
      • 数据库
      • 数据库管理系统（及其应用开发工具）
      • 应用程序
      • 数据库管理员
      • 组成的存储、管理、处理、和维护数据的系统
  • 数据管理技术的产生和发展
    • 数据管理
      • 对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护
      • 是数据处理的中心问题
    • 数据管理技术的发展动力
      • 应用需求的推动
      • 计算机硬件的发展
      • 计算机软件的发展
    • 数据管理技术的发展过程
      • 人工管理阶段（20世纪50年代中之前）
      • 文件系统阶段（20世纪50年代末--60年代中）
      • 数据库系统阶段（20世纪60年代末--现在）
  • 数据库系统的特点
    • 数据结构化
      • 不再仅仅针对某一个应用，而是面向全组织 不仅数据内部结构化，整体是结构化的，数据之间具有联系 数据记录可以变长 数据的最小存取单位是数据项 数据的用数据模型描述，无需应用程序定义
    • 数据的共享性高、冗余度低且易扩充
    • 数据独立性高
      • 物理独立性（模式/内模式映像）
        • 指用户的应用程序与数据库中数据的物理存储是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。
      • 逻辑独立性（外模式/模式映像）
        • 指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，应用程序不用改变。
      • 数据独立性由数据库管理系统的二级映像功能来保证。
    • 数据由数据库管理系统统一管理和控制
      • 数据控制功能
        • 数据的安全性保护
          • 保护数据以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。
        • 数据的完整性保护
          • 保证数据的正确性、有效性和相容性
        • 并发控制
          • 对多用户的并发操作加以控制和协调，防止相互干扰而得到错误的结果
        • 数据库恢复
          • 将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。
  • 数据库概念小结
    • 数据库是长期存储在计算机内有组织的大量的共享的数据集合。 可以供各种用户共享，具有最小冗余度和较高的数据独立性。 数据库管理系统在数据库建立、运用和维护时对数据库进行统一控制，以保证数据的完整性、安全性，并在多用户同时使用数据库时进行并发控制，在发生故障后对数据库进行恢复。
• 数据模型
  • 两类数据模型
    • 概念模型
    • 逻辑模型和物理模型
      • 逻辑模型
        • 主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面向对象数据模型、对象关系数据模型、半结构化数据模型等。
      • 物理模型
        • 是对数据最底层的抽象，描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法。
  • 概念模型
    • 表示方法：实体-联系方法（E-R方法或E-R模型）
      • E-R图
    • 信息世界的基本概念
      • 实体
      • 属性
      • 码
      • 实体型
      • 实体集
      • 联系
        • 实体内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系 实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系 实体之间的联系有一对一、一对多和多对多等多种类型
  • 数据模型的组成要素
    • 数据结构
      • 数据模型的数据结构 描述数据库的组成对象，以及对象之间的联系 描述的内容 1. 与对象的类型、内容、性质有关 2. 与数据之间联系有关 数据结构是对系统静态特性的描述
    • 数据操作
      • 数据操作 对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的 操作的集合，包括操作及有关的操作规则 数据操作的类型 查询 更新（包括插入、删除、修改） 数据模型对操作的定义 操作的确切含义 操作符号 操作规则（如优先级） 实现操作的语言 数据操作是对系统的动态特性的描述
    • 数据的完整性约束
      • 数据的完整性约束条件 一组完整性规则的集合 完整性规则：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，以保证数据的正确、有效和相容 数据模型对完整性约束条件的定义 反映和规定必须遵守的基本的通用的完整性约束条件。 提供定义完整性约束条件的机制，以反映具体应用所涉及的数据必须遵守的特定 的语义约束条件。
  • 常用的数据模型
    • 层次模型 网状模型 关系模型 面向对象数据模型） 对象关系数据模型 半结构化数据模型
  • 层次模型（树形结构）
    • 满足条件：1. 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点 2. 根以外的其它结点有且只有一个双亲结点
    • 层次模型的数据结构
      • 特点
        • 结点的双亲是唯一的 只能直接处理一对多的实体联系 每个记录类型可以定义一个排序字段，也称为码字段 任何记录值只有按其路径查看时，才能显出它的全部意义 没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在
    • 层次模型的数据操纵与完整性约束
      • 层次模型的数据操纵 查询 插入 删除 更新
      • 层次模型的完整性约束条件 无相应的双亲结点值就不能插入子女结点值 如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除 更新操作时，应更新所有相应记录，以保证数据的一致性
    • 层次模型的优缺点
      • 优点 层次模型的数据结构比较简单清晰 查询效率高，性能优于关系模型，不低于网状模型 层次数据模型提供了良好的完整性支持
      • 缺点 结点之间的多对多联系表示不自然 对插入和删除操作的限制多，应用程序的编写比较复杂 查询子女结点必须通过双亲结点 层次命令趋于程序化
  • 网状模型DBTG
    • 数据结构
      • 满足下面两个条件的基本层次联系的集合： 1. 允许一个以上的结点无双亲； 2. 一个结点可以有多于一个的双亲。
      • 表示方法（与层次数据模型相同） 实体型：用记录类型描述 每个结点表示一个记录类型（实体） 属性：用字段描述 每个记录类型可包含若干个字段 联系：用结点之间的连线表示记录类型（实体）之 间的一对多的父子联系 子女结点与双亲结点联系可以不唯一，因此要为每个联系命名， 并指出与该联系有关的双亲记录和子女记录
      • 多对多联系在网状模型中的表示 用网状模型间接表示多对多联系 方法： 将多对多联系直接分解成一对多联系
        • 
    • 数据操纵与完整性约束
      • 网状数据库系统（如DBTG）对数据操纵加 了一些限制，提供了一定的完整性约束 码：唯一标识记录的数据项的集合 一个联系中双亲记录与子女记录之间是一对多联系 支持双亲记录和子女记录之间某些约束条件 OBTG提供了“属籍类别”的个概念来描述这类约束条件
    • 优缺点
      • 优点
        • 能够更为直接地描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲 具有良好的性能，存取效率较高
      • 缺点
        • 结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握 DDL、DML语言复杂，还要嵌入某一种高级语言（如COBOL、C）用户不容易使用 记录之间联系是通过存取路径实现的，用户必须了解系统结构的细节
  • 关系模型
    • 关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式 1970年美国IBM公司San Jose研究室的研究员E.F.Codd首次提出了数据库系统的关系模型 ，获得ACM图灵奖 计算机厂商新推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型
    • 数据结构
      • 关系（Relation） 一个关系对应通常说的一张表 元组（Tuple） 表中的一行即为一个元组 属性（Attribute） 表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名 主码（Key） 也称码键。表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组 域（Domain） 是一组具有相同数据类型的值的集合。属性的取值范围来自某个域。 分量 元组中的一个属性值。 关系模式 对关系的描述 关系名（属性1，属性2，…，属性n） 学生（学号，姓名，年龄，性别，系名，年级）
        • 
      • 关系必须是规范化的，满足一定的规范条件 最基本的规范条件：关系的每一个分量必须是一个不可分的 数据项, 不允许表中还有表
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    • 数据操纵与完整性约束
      • 数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系 查询 插入 删除 更新 存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”，不必详细说明“怎么干”
      • 关系的完整性约束条件 实体完整性 参照完整性 用户定义的完整性
    • 优缺点
      • 优点
        • 建立在严格的数学概念的基础上 概念单一 实体和各类联系都用关系来表示 对数据的检索结果也是关系 关系模型的存取路径对用户透明 具有更高的数据独立性，更好的安全保密性 简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作
      • 缺点
        • 存取路径对用户透明，查询效率往往不如格式化数据模型 为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化，增加了开发数据库管理系统的难度
• 数据库系统的结构
  • 从数据库应用开发人员角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构 从数据库最终用户角度看，数据库系统的结构分为: 单用户结构 主从式结构 分布式结构 客户-服务器 浏览器-应用服务器／数据库服务器多层结构等
  • 数据库系统模式的概念
    • “型” 和“值” 的概念 型（Type） 对某一类数据的结构和属性的说明 值（Value） 是型的一个具体赋值
    • 模式（Schema） 数据库逻辑结构和特征的描述 是型的描述，不涉及具体值 反映的是数据的结构及其联系 模式是相对稳定的
    • 实例（Instance） 模式的一个具体值 反映数据库某一时刻的状态 同一个模式可以有很多实例 实例随数据库中的数据的更新而变动
  • 数据库系统的三级模式结构
    • 模式
      • 模式（也称逻辑模式） 数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述 所有用户的公共数据视图 一个数据库只有一个模式
      • 模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层 与数据的物理存储细节和硬件环境无关 与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关
      • 模式的定义 数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等） 数据之间的联系 数据有关的安全性、完整性要求 数据库管理系统提供模式数据定义语言（模式DDL）
    • 外模式
      • 外模式（也称子模式或用户模式） 数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述 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
      • 外模式的地位：介于模式与应用之间 模式与外模式的关系：一对多 外模式通常是模式的子集 一个数据库可以有多个外模式。反映了不同的用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求 对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同
      • 外模式与应用的关系：一对多 同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用 但一个应用程序只能使用一个外模式
      • 外模式的用途 保证数据库安全性的一个有力措施 每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据
    • 内模式
      • 内模式（也称存储模式） 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组织方式 记录的存储方式（例如，顺序存储，按照B树结构存储， 按hash方法存储等） 索引的组织方式 数据是否压缩存储 数据是否加密 数据存储记录结构的规定 一个数据库只有一个内模式
  • 数据库的二级映像功能与数据独立性
    • 三级模式是对数据的三个抽象级别 二级映象在数据库管理系统内部实现这三个抽象层次的联系和转换 外模式／模式映像 模式／内模式映像
    • 外模式/模式映像
      • 模式：描述的是数据的全局逻辑结构 外模式：描述的是数据的局部逻辑结构 同一个模式可以有任意多个外模式 每一个外模式，数据库系统都有一个外模式／模式映象，定义外模式与模式之间的对应关系 映象定义通常包含在各自外模式的描述中 保证数据的逻辑独立性 当模式改变时，数据库管理员对外模式／模式映象作相应改变，使外模式保持不变 应用程序是依据数据的外模式编写的，应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻 辑独立性，简称数据的逻辑独立性
    • 模式/内模式映像
      • 模式／内模式映象定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。 例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的 数据库中模式／内模式映象是唯一的 该映象定义通常包含在模式描述中 保证数据的物理独立性 当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），数据库管理员修改 模式／内模式映象，使模式保持不变。 应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。
    • 数据库模式 即全局逻辑结构是数据库的中心与关键 独立于数据库的其他层次 设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式 数据库的内模式 依赖于它的全局逻辑结构 独立于数据库的用户视图，即外模式 独立于具体的存储设备 将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储 策略进行组织，以达到较好的时间与空间效率 数据库的外模式 面向具体的应用程序 定义在逻辑模式之上 独立于存储模式和存储设备 当应用需求发生较大变化，相应外模式不能满足其视图要求时，该 外模式就得做相应改动 设计外模式时应充分考虑到应用的扩充性 特定的应用程序 在外模式描述的数据结构上编制的 依赖于特定的外模式 与数据库的模式和存储结构独立 不同的应用程序有时可以共用同一个外模式 数据库的二级映像 保证了数据库外模式的稳定性 从底层保证了应用程序的稳定性，除非应用需求本身发生变化， 否则应用程序一般不需要修改 数据与程序之间的独立性，使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去 数据的存取由数据库管理系统管理 简化了应用程序的编制 大大减少了应用程序的维护和修改
• 数据库的组成
  • 硬件开发及数据库
    • 数据库系统对硬件资源的要求 足够大的内存 足够的大的磁盘或磁盘阵列等设备 较高的通道能力，提高数据传送率
  • 软件
    • 数据库管理系统 支持数据库管理系统运行的操作系统 与数据库接口的高级语言及其编译系统 以数据库管理系统为核心的应用开发工具 为特定应用环境开发的数据库应用系统
  • 人员
    • 数据库管理员
      • 具体职责： 1. 决定数据库中的信息内容和结构 2. 决定数据库的存储结构和存取策略 3. 定义数据的安全性要求和完整性约束条件 4.监控数据库的使用和运行 周期性转储数据库 数据文件 日志文件 系统故障恢复 介质故障恢复 监视审计文件 5. 数据库的改进和重组 性能监控和调优 定期对数据库进行重组织，以提高系统的性能 需求增加和改变时，数据库须需要重构造
    • 系统分析员和数据库设计人员
      • 系统分析员 负责应用系统的需求分析和规范说明 与用户及数据库管理员结合，确定系统的硬软件配置 参与数据库系统的概要设计 数据库设计人员 参加用户需求调查和系统分析 确定数据库中的数据 设计数据库各级模式
    • 应用程序员
      • 设计和编写应用系统的程序模块 进行调试和安装
    • 用户
      • 用户是指最终用户（End User）。最终用户通过应用系统的用户接口使用数据库。 1. 偶然用户 不经常访问数据库，但每次访问数据库时往往需要不同的数据库信息 企业或组织机构的高中级管理人员 2. 简单用户 主要工作是查询和更新数据库 银行的职员、机票预定人员、旅馆总台服务员 3. 复杂用户 工程师、科学家、经济学家、科技工作者等 直接使用数据库语言访问数据库，甚至能够基于数据库管理系统的应用程序接口编制自己的应用程序
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