TIP
本文主要是介绍 数据库绪论 。
数据库是数据管理的最新技术，是计算机科学的重要分支。
感性认识一下数据库：
数据：学生数据
数据管理：数据的存储，更新，查询统计排序等
本节要点：
- n 数据库系统概述
- n 数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统
- u 数据库管理技术的产生和发展
- n 数据模型
- n 数据模型概念
- u 数据模型的组成要素
- u 概念模型及E-R图
- u 概念模型的表示方法：实体-联系图（E-R图）
- u 逻辑数据模型
- n 数据库系统结构
- n 数据库系统的组成
# 1、数据库系统概述
在系统介绍数据库的基本概念之前，首先了解一些数据库最常用的术语和基本概念。
# 1.1、 数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统
# a) 数据（data）（数据是数据库中存储的基本对象）
例如：李明，男，21，1972，江苏，计算机，1999
- 描述事物的符号记录称为数据。
- 数据！=数字 (数字只是其中的一种形式）
- 形式：数值、文字、图形、图像、声音 等。（符号）
- 信息(information)：数据所表示的含义称为信息。
- 数据与信息的关系：数据是信息的载体，数据的内涵是信息，数据语义表达了信息，同时数据和语义是不可分的。
# b) 数据库Database(DB)
数据库:长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。
特点：数据库中的数据具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。
- 冗余度，通俗的讲就是数据的重复度。在一个数据集合中重复的数据称为数据冗余
- 数据独立性是指应用程序和数据结构之间相互独立, 互不影响
- 易扩展性指当有新的业务逻辑，数据库结构变动无须太大
# c) 数据库管理系统Database Management System(DBMS)
DBMS是对数据库建立、操纵、维护的系统软件。它主要功能包括以下几个方面：
l 数据定义功能
提供数据定义语言DDL（Data Definition Language),定义数据库对象（如数据库，数据表，视图等）
l 数据组织、存储和管理
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）来提高存取效率。
l 数据操纵功能
提供数据操纵语言DML（Data Manipulation Language),实现数据插入，修改，删除，查询等
l 数据库的事务管理和运行管理
实现数据库的安全性、完整性(有效性)，多用户并发控制
l 数据库的建立和维护功能
数据库初始数据的装入、转换功能，数据库的转储、恢复功能，数据库的重组织功能和性能监视、分析功能等。
l 其他功能
DBMS与网络中其他软件系统的通信功能；一个DBMS与另一个DBMS或文件系统的数据转换功能；异构数据库之间的互访和互操作功能等。
# d) 数据库系统Database System(DBS)
数据库系统是指在计算机系统中引入数据库后的系统，通常由下面部分组成：
i. 数据库 DB
ii. 操作系统（ Operating System ，简称OS）
iii. 数据库管理系统 DBMS
iv. 开发工具SDK开发的应用系统APP
v. 管理员DBA
vi. 用户USER
# 1.2、数据库管理技术的产生和发展
在应用需求的推动下，在计算机硬件、软件发展的基础上，数据库管理技术经历了人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系统阶段。
# 1.2.1、人工管理阶段
在50年代中期以前；
基础技术：没有直接存储设备（卡片）；没有基本操作系统；
应用领域：科学计算
- 数据管理没有纳入计算机统一管理的范畴。
- 应用程序中所使用数据均由应用程序自身管理。
特点：
- 数据不保存
- 应用程序管理数据
- 数据不共享
- 数据不具有独立性（针对特定的应用，数据或其结构变，程序也须变 ）
# 1.2.2、文件系统管理阶段
在50年代后期——60年代中期；
基础技术：出现直接存储设备：磁盘、磁鼓；基本操作系统概念的建立，实现了抽象的文件系统
应用领域：扩展到信息管理
特点（优/缺）：
- 数据可以长期保存（磁介质）
- 由文件系统管理数据（OS负责管理文件）
- 数据共享性差、冗余度大（文件——应用）
- 数据独立性较差（数据结构变，程序也须变）
# 1.2.3数据库系统管理阶段
在60年代后期；
基础技术： 容量直接存储设备，硬件价格下降，应用开发（软件）价格上升
应用领域： 管理大量数据，联机实时处理为特点的大型数据管理
数据库系统管理的特点：
1.数据结构化(数据库的文件系统的根本区别）
2.数据独立性高（数据结构变，程序不须变）
3.数据共享性高，冗余度低，易扩充
4.数据由DBMS统一管理和控制，并使数据管理具有：
- 数据的安全性(security)保护（数据不被非法访问）
- 数据完整性（Integrity)检查(数据的正确性有效性相容性)
- 并发（Concurrency)控制
- 数据恢复（Recovery)
# 2、数据模型
模型，人们并不陌生。一张地图、一组建筑设计沙盘、一架精致的航模飞机都是具体的模型。模型是对现实世界中某个对象特征的模拟和抽象。例如，航模飞机是对生活中飞机的一种模拟和抽象。
数据模型（Data Model）也是一种模型，它是对现实世界数据特征的抽象。也就是说，数据模型是用来描述数据、组织数据和对数据进行操作的。
现有的数据库系统均是基于某种数据模型的。数据模型是数据库系统的核心和基础。因此，了解数据模型的基本概念是学习数据库的基础。
# 2.1、数据模型概念
数据模型应满足三方面要求：一是较真实模拟现实世界；二是易于人所理解；三是易于在计算机上实现。因此，在数据库系统中针对不同的使用对象和应用目的，采用不同的数据模型。在开发实施数据库应用系统中也需要使用三种不同的数据模型，包括概念模型、逻辑模型和物理模型，介绍如下：
概念模型：也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计；
逻辑模型：它是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于DBMS的实现。主要包括层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型和对象关系模型等；
物理模型：是对数据最低层的抽象，它描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，是面向计算机系统的。
# 2.2、数据模型的组成要素
数据模型精确地描述了系统的静态特性、动态特性和完整性约束条件。因此数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三个部分组成：
数据结构：描述数据库的组成对象以及对象之间的练习。
数据操作：允许执行的操作。主要：检索和更新
数据约束条件：数据完整性规则的集合。数据的完整性主要指数据的正确性、有效性和相容性。
# 2.3、概念模型及E-R图
概念模型用于信息世界的建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，反应人对客观事物的认识。
# a) 信息世界中的基本概念
- 实体(Entity)：客观存在的可区别的事物。例：某学生，某公司，某国家etc.
- 属性（Attribute):实体所具有某一特征，描述、表达、界定实体。 例：（姓名，性别，年龄…）
- 实体型（Entity Type)：用实体名及属性名集合来抽象和刻划的同类实体。例：学生（学号，姓名，性别，专业，入学时间）；公司（ID，name,type,memo)
- 实体集(Entity Set):同型实体的集合。如一个班的学生集合
- 码（Key):唯一标识实体的属性集。例：学生编号
- 域（Domain)：属性的取值范围。学生编号---6位，性别：男/女
- 联系（Relationship):实体型之间或实体型内部实体的联系。
# b) 两实体型实体间联系的分类
1:1(一对一联系)：A中任意实体至多对应B中的一个实体，反之B中的任意实体至多对应A中的一个实体。例如：观众与座位、乘客与车票、病人与病床、学校与校长等；
1:n(一对多联系)：A中一个实体对应B中的多个实体，反之B中的任意实体至多对应A中的一个实体。例：城市与街道、宿舍与学生、父亲与子女、班级与学生等；
m:n(多对多联系)：A中一个实体对应B中的多个实体，反之B中一个实体对应A中的多个实体。例：学生与课程、工厂与产品、商店与顾客。
# c) 两个以上的实体型之间的联系
1对1例：一个教室属于一个班级，一个班级只有一个班长，一个教室里只有一个班长。
1对多示例：如果一门课程可以有若干个教师讲授，使用若干本参考书，每一个教师只讲授一门课程，每一本参考书只供一门课程使用，课程与教师、参考书之间的联系是一对多的；
多对多示例：1个供应商供应多个项目；1个供应商供应多种零件；1个项目有多个供应商；1个项目使用多种零件；1种零件应用于多个项目，1种零件由多个供应商供应。
# d) 单个实体型内的联系
同一个实体集内的各实体之间也可以存在一对一、一对多、多对多的联系。例如，职工实体型内部具有领导与被领导的联系，即某一职工（干部）“领导”若干名职工，而一个职工仅被另外一个职工直接领导，因此这是一对多的联系。
# 2.4、概念模型的表示方法：实体-联系图（E-R图）
概念模型的表示方法很多，最著名的是实体—联系方法（E-R，Entity-Relationship Approach），该方法用E-R图来描述现实世界的概念模型，E-R方法也称E-R模型。
E-R图提供了表示实体型、属性和联系的方法：
- 用矩形表示实体、用椭圆表示属性、用菱形表示联系。
- 属性和实体间、实体和联系间用线段连接
- 联系线标注联系类型（1，n), 如果联系有属性,也要标注
示例：假设一个学生可选多门课程,而一门课程又有多个学生选修, 一个教师可讲多门课程,一门课程至多只有一个教师讲授。E-R图如下：
# 2.5、逻辑数据模型
最常见的逻辑数据模型有四种（按发展时间为序）：
- 层次模型 适于描述层次结构的数据
- 网状模型 速度快、不易掌握
- 关系模型 易于理解和使用、有严格的数学理论基础
- 面向对象模型 适于模拟实体的行为
·层次模型和网状模型统称为格式化模型，格式化模型的数据库系统在20世纪70年代至80年代初非常流行，现在已逐渐被关系模型的数据库系统取代。
层次模型定义：
- 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点；
- 根以外的其他结点有且只有一个双亲结点。
网状模型定义：
- 允许一个以上的结点无双亲；
- 一个节点可以有多于一个的双亲。
层次模型和网状模型详细介绍待补充。
下面详细介绍关系模型。
关系模型是目前最重要的一种数据模型，关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式。由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。
# a) 关系数据模型的数据结构
用表格(称为关系)表示实体以及实体间联系的数据模型叫关系模型。每个关系的数据结构是一张规范化的二维表（在网状和层次模型中用指针的链接表示实体之间的联系）。介绍关系模型中的一些术语：
- 关系（Relation)：一个二维表格；
- 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；
- 码（key)：表中某属性组，可唯一确定任一元组；
- 域（Domain)：属性的取值范围；
- 分量：元组中的一个属性值；
- 关系模式：对关系的描述，表述为：关系名（属性1，属性2，….，属性n）。如：学生（学号，姓名，性别，专业，入学时间）
# b) 关系数据模型的操纵与完整性约束
操作主要包括：查询、插入、删除和更新数据。而这些操作必须满足关系的完整性约束条件。关系的完整性约束条件包括三大类：实体完整性、参照完整性和用户定义的完整性。
# c) 关系数据模型的存储结构
在关系数据模型中，实体及实体间的联系都是用表来表示。在关系数据库的物理组织中，有的DBMS一个表对应一个操作系统文件，有的DBMS从操作系统获得若干个大的文件，自己设计表、索引等存储结构。例：表头；记录1，记录2，…,记录n, 结束标志。
# d) 关系模型优缺点
优：
1）建立在严格的数学概念的基础上的；
2）概念单一，无论实体还是实体之间的联系都用关系来表示，所以其数据结构简单、清晰，用户易懂易用；
3）存取路径对用户透明，具有较高数据独立性和安全保密性；
注：这里透明其实是隐藏的意思，就是数据处理过程隐藏了存取路径，由数据关系系统自己选择存储路径，普通用户可能在不知情的情况下选择了效率较低的方法，所以关系数据库经常讲要优化。
缺：
查询效率不如非关系型
现实世界信息世界、机器世界术语的对应关系如下：
# 3、数据库系统结构
考察数据库系统的结构可以有多种不同的层次或不同的角度。
从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采用三级模式结构；这是数据库关系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。
现在从数据库管理系统的角度，讲解数据库系统的三级模式结构。
# a)数据库系统的三级模式
数据库模式（Schema)：数据库中全体数据的结构和特征的描述称为数据库模式。
数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成。如图：
外模式(Sub-Schema)(用户模式）
- 用户的数据视图
- 是数据的局部逻辑结构，模式的子集
模式(Schema)（概念模式）
- 所有用户的公共数据视图
- 是数据库中全体数据的全局逻辑结构和特性的描述
内模式(Storage Schema)（存贮模式）
- 又称存储模式
- 是数据的物理结构及存储方式
# b)数据库的二级映像功能与数据独立
数据库系统的三级模式是对数据的3个抽象级别，它把数据的具体组织留给DBMS管理，使用户能逻辑地抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的具体表示方式与存储方式。为了能够在系统内部实现这3个抽象层次的联系和转换，数据库管理系统在这三级模式之间提供了两层映像：
- 外模式/模式映象
定义某一个外模式和模式之间的对应关系，映象定义通常包含在各外模式中。当模式改变时，修改外模式/模式映象，使外模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为数据的逻辑独立性
例如：增加新的数据表；将一个数据表分解为两个表；增加新属性，改变属性的类型、名称。
- 模式/内模式映像
定义数据逻辑结构与存储结构之间的对应关系。存储结构改变时，修改模式/内模式映象，使模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为数据的物理独立性
例如：
1）改变存储设备或引进新的存储设备；
2）改变数据的存储位置；
3）改变存储记录的体积；
4）改变数据组织方式；
# 4、数据库系统的组成
数据库系统一般由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理人员构成。
# a) 硬件平台及数据库
数据库系统对硬件资源的要求：足够大的内存；足够大的外存；较高的通道能力，提高数据传送率。
# b) 软件
DBMS、操作系统、与数据库接口的高级语言及其编译系统、以DBMS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
# c) 人员
数据库管理员
- 决定数据库中的信息内容和结构
- 决定数据库的存储结构和存取策略
- 定义数据的安全性要求和完整性约束条件
- 监控数据库的使用和运行,周期性转储数据库,故障恢复
- 数据库的改进和重组
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DBA协商，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
最终用户
- 偶然用户
企业或组织机构的高中级管理人员
- 简单用户
银行的职员、机票预定人员、旅馆总台服务员
- 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API编制自己的应用程序
# 参考文章
- https://www.cnblogs.com/zhouyeqin/p/7282174.html
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