数据库基础知识

第一章数据库基础知识

本章以概念为主，主要是了解数据库的基本概念，数据库技术的发展，数据模型，重点是关系型数据。

第一节：信息，数据与数据处理

一、信息与数据：

1、信息：是现实世界事物的存在方式或运动状态的反映。或认为，信息是一种已经被加工为特定形式的数据。

信息的主要特征是：信息的传递需要物质载体，信息的获取和传递要消费能量；信息可以感知；信息可以存储、压缩、加工、传递、共享、扩散、再生和增值

2、数据：数据是信息的载体和具体表现形式，信息不随着数据形式的变化而变化。数据有文字、数字、图形、声音等表现形式。

3、数据与信息的关系：一般情况下将数据与信息作为一个概念而不加区分。

二、数据处理与数据管理技术：

1、数据处理：数据处理是对各种形式的数据进行收集、存储、加工和传输等活动的总称。

2、数据管理：数据收集、分类、组织、编码、存储、检索、传输和维护等环节是数据处理的基本 *** 作，称为数据管理。数据管理是数据处理的核心问题。

3、数据库技术所研究的问题不是如何科学的进行数据管理。

4、数据管理技术的三个阶段：人工管理，文件管理和数据库系统。

第二节：数据库技术的发展

一、数据库的发展：数据库的发展经历了三个阶段：

1、层次型和网状型：

代表产品是1969年IBM公司研制的层次模型数据库管理系统IMS。

2、关系型数据型库：

目前大部分数据库采用的是关系型数据库。1970年IBM公司的研究员E．F．Codd提出了关系模型。其代表产品为sysemR和Inges。

3、第三代数据库将为更加丰富的数据模型和更强大的数据管理功能为特征，以提供传统数据库系统难以支持的新应用。它必须支持面向对象，具有开放性，能够在多个平台上使用。

二、数据库技术的发展趋势：

1、面向对象的方法和技术对数据库发展的影响：

数据库研究人员借鉴和吸收了面向对旬的方法和技术，提出了面向对象数据模型。

2、数据库技术与多学科技术的有机组合：

3、面向专门应用领域的数据库技术

三、数据库系统的组成：

数据库系统（DBS）是一个采用数据库技术，具有管理数据库功能，由硬件、软件、数据库及各类人员组成的计算机系统。

1、数据库（DB）：

数据库是以一定的组织方式存放于计算机外存储器中相互关联的数据集合，它是数据库系统的核心和管理对象，其数据是集成的、共享的以及冗余最小的。

2、数据库管理系统（DBMS）：

数据库管理系统是维护和管理数据库的软件，是数据库与用户之间的界面。作为数据库的核心软件，提供建立、 *** 作、维护数据库的命令和方法。

3、应用程序：

对数据库中数据进行各种处理的程序，由用户编写。

4、计算机软件：

5、计算机硬件：

包括CPU、内存、磁盘等。要求有足够大的内存来存放 *** 作系统、数据库管理系统的核心模块以及数据库缓冲；足够大的磁盘能够直接存取和备份数据；比较主的通道能力；支持联网，实现数据共享。

6、各类人员。

四、数据库系统的特点：

1、数据共享：

2、面向全组织的数据结构化：

数据不再从属于一个特定应用，而是按照某种模型组织成为一个结构化的整。它描述数据要身的特性，也描述数据与数据之间的种种联系。

3、数据独立性：

4、可控数据冗余度：

5、统一数据控制功能：

数据安全性控制：指采取一定的安全保密措施确保数据库中的数据不被非法用户存取而造成数据的泄密和破坏；

数据完整性控制：是指数据的正确性、有效性与相容性。

并发控制：多个用户对数据进行存取时，采取必要的措施进行数据保护；

数据恢复：系统能进行应急处理，把数据恢复到正确状态。

第三节：数据模型

一、数据组织：

关系型数据库中的数据层次如下：

1、数据项（field）：又称字段，用于描述实体的一个属性，是数据库的基本单位。一般用属性名作项名；

2、记录（Record）：又称为结点，由若干个数据项组成，用于描述一个对象；

3、文件（File）：由若干个记录组成；

4、数据库（DataBase）：由逻辑相关的文件组成。

二、数据模型：

数据的组织形式称为数据模型，它决定数据（主要是结点）之间联系的表达方式。主要包括层次型、网状型、关系型和面向对象型四种。层次型和网状型是早期的数据模型，又称为格式化数据系统数模型。

以上四种模型决定了四种类型的数据库：层次数据库系统，网状数据库系统，关系型数据库系统以及面向对象数据库系统。

目前微机上使用的主要是关系型数据库。

1、层次型：是以记录为结点的有向树；图如教材P7图1--2

2、网状型：树的集合，它的表示能力以及精巧怀强于层次型，但独立性下降。

3、关系型：

在关系型中，数据被组织成若干张二维表，每张表称为一个关系。

一张表格中的一列称为一个“属性”，相当于记录中的一个数据项（或称为字段），属性的取值范围称为域。

表格中的一行称为一个“元组”，相当于记录值。

可用一个或若干个属性集合的值标识这些元组，称为“关键字”。

每一行对应的属性值叫做一个分量。

表格的框架相当于记录型，一个表格数据相当于一个同质文件。所有关系由关系的框架和若干元组构成，或者说关系是一张二维表。

关系型的特点：描述的一致性；可直接表示多对多关系；关系必须是规范化的；关系模型建立在数学概念基础上。

4、面向对象型：主要采用对象和灯的概念。

第四节：关系型数据库

一、关系型数据库的发展：

1、数据库产品种类繁多：像dBASE，FoxBASE，Clipper，Paradox，Acess等。

2、采用SQL语言：SQL（StructuredQueryLanguage）“结构化查询语言”，是通用的关系型数据库 *** 作语言，可以查询、定义、 *** 纵和控制数据库。它是一种非过程化语言。

3、支持面向对象的程序设计：

4、提供良好的图形界面和窗口；

5、支持开放的客户机/服务器和分布式处理；

6、提供新一代的数据库管理系统开发工具：支持GUI（图形界面）、ODBC（开放数据库连接）、OLE（对象的链接与嵌入）、DLL（动态链接）等。

二、关系型数据库管理系统（RDBMS）及其产品：

主要著名的关系型数据库产品有Oracle、Sybase、Informix、DB2、Inges、Paradox、Access、SQLServer等。数据库应用系统开发工具是PowerBuilder和Delphi。

java并不是数据库管理系统，数据库管理系统时基于java实现的。

Java是一门面向对象编程语言，不仅吸收了C++语言的各种优点，还摒弃了C++里难以理解的多继承、指针等概念，因此Java语言具有功能强大和简单易用两个特征。Java语言作为静态面向对象编程语言的代表，极好地实现了面向对象理论，允许程序员以优雅的思维方式进行复杂的编程。

Java设计成支持在网络上应用，它是分布式语言。Java既支持各种层次的网络连接，又以Socket类支持可靠的流（stream）网络连接，所以用户可以产生分布式的客户机和服务器。网络变成软件应用的分布运载工具。Java程序只要编写一次，就可到处运行。

Java的发展前景：

计算机的诞生及广泛应用推动了IT领域的发展，但21世纪的计算机早已不是访问INTERNET的唯一的途径。各类更具信息化的电子产品逐渐进入IT领域，推动了PC时代的大发展。

由于各种消费信息的急剧增加，传统的客户机的各方面条件均不如PC，PC的发展对服务器的应用管理体统也提出了更高标准。

Java语言完全满足了PC的条件，在减少内存，直接在各类电子产品中运行，在网络中可被任何设备所识别，充分利用网络资源等方面有所突破创新，为PC时代的发展创造了有利条件。

数据库管理系统:

数据库管理系统是一种 *** 纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库，简称DBMS。

数据库管理系统的功能简介:     

1  主要是对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。用户通过DBMS访问数据库中的数据，数据库管理员也通过dbms进行数据库的维护工作。它可使多个应用程序和用户用不同的方法在同时或不同时刻去建立，修改和询问数据库。大部分DBMS提供数据定义语言DDL（Data Definition Language）和数据 *** 作语言DML（Data Manipulation Language），供用户定义数据库的模式结构与权限约束，实现对数据的追加、删除等 *** 作。

2 数据库管理系统是数据库系统的核心，是管理数据库的软件。数据库管理系统就是实现把用户意义下抽象的逻辑数据处理，转换成为计算机中具体的物理数据处理的软件。有了数据库管理系统，用户就可以在抽象意义下处理数据，而不必顾及这些数据在计算机中的布局和物理位置。

数据库管理系统主要功能说明:

1数据定义：DBMS提供数据定义语言DDL（Data Definition Language），供用户定义数据库的三级模式结构、两级映像以及完整性约束和保密限制等约束。DDL主要用于建立、修改数据库的库结构。DDL所描述的库结构仅仅给出了数据库的框架，数据库的框架信息被存放在数据字典（Data Dictionary）中。

2数据 *** 作：DBMS提供数据 *** 作语言DML（Data Manipulation Language），供用户实现对数据的追加、删除、更新、查询等 *** 作。

3数据库的运行管理：数据库的运行管理功能是DBMS的运行控制、管理功能，包括多用户环境下的并发控制、安全性检查和存取限制控制、完整性检查和执行、运行日志的组织管理、事务的管理和自动恢复，即保证事务的原子性。这些功能保证了数据库系统的正常运行。

4数据组织、存储与管理：DBMS要分类组织、存储和管理各种数据，包括数据字典、用户数据、存取路径等，需确定以何种文件结构和存取方式在存储级上组织这些数据，如何实现数据之间的联系。数据组织和存储的基本目标是提高存储空间利用率，选择合适的存取方法提高存取效率。

5数据库的保护：数据库中的数据是信息社会的战略资源，所以数据的保护至关重要。DBMS对数据库的保护通过4个方面来实现：数据库的恢复、数据库的并发控制、数据库的完整性控制、数据库安全性控制。DBMS的其他保护功能还有系统缓冲区的管理以及数据存储的某些自适应调节机制等。

6数据库的维护：这一部分包括数据库的数据载入、转换、转储、数据库的重组合重构以及性能监控等功能，这些功能分别由各个使用程序来完成。

7通信：DBMS具有与 *** 作系统的联机处理、分时系统及远程作业输入的相关接口，负责处理数据的传送。对网络环境下的数据库系统，还应该包括DBMS与网络中其他软件系统的通信功能以及数据库之间的互 *** 作功能。

数据库管理系统的组成:

根据其功能和应用需求，数据库管理系统通常由以下几部分组成。

1数据库语言

数据库语言是给用户提供的语言，包括两个子语言：数据定义子语言和数据 *** 纵子语言。SQL语言就是一个集数据定义和数据 *** 纵子语言为一体的典型数据库语言。几乎出现的关系数据库系统产品都提供SQL语言作为标准数据库语言。

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

数据定义语言包括数据库模式定义和数据库存储结构与存取方法定义两方面。数据库模式定义处理程序接收用数据定义语言表示的数据库外模式、模式、存储模式及它们之间的映射的定义，通过各种模式翻译程序负责将它们翻译成相应的内部表示形式，存储到数据库系统中称为数据字典的特殊文件中，作为数据库管理系统存取和管理数据的基本依据；而数据库存储结构和存取方法定义处理程序接收用数据定义语言表示的数据库存储结构和存取方法定义，在存储设备上创建相关的数据库文件，建立起相应物理数据库。

（2）数据 *** 纵子语言（Data Manipulation Language，DML）

数据 *** 纵语言用来表示用户对数据库的 *** 作请求，是用户与DBMS之间的接口。一般对数据库的主要 *** 作包括：查询数据库中的信息、向数据库插入新的信息、从数据库删除信息以及修改数据库中的某些信息等。数据 *** 纵子语言通常又分为两类：一类是嵌入主语言，由于这种语言本身不能独立使用，故称为宿主型的语言；另一类是交互式命令语言，由于这种语言本身能独立使用，故又称为自主型或自含型的语言。

2例行程序

数据库管理例行程序随系统不同而各异，一般包括以下几部分：

（1）语言翻译处理程序

语言翻译处理程序包括DLL翻译程序、DML处理程序、终端查询语言解释程序和数据库控制语言的翻译程序等。

（2）系统运行控制程序

系统运行控制程序包括系统的初启程序、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和通信控制程序等。

（3）公用程序

公用程序包括定义公用程序和维护公用程序。定义公用程序包括信息格式定义、概念模式定义、外模式定义和保密定义公用程序等；维护公用程序包括数据装入、数据库更新、重组、重构、恢复、统计分析、工作日记转储和打印公用程序等。

3组成部分

按功能划分，数据库管理系统大致可分为6个部分：

(1)模式翻译：提供数据定义语言(ddl)。用它书写的数据库模式被翻译为内部表示。数据库的逻辑结构、完整性约束和物理储存结构保存在内部的数据字典中。数据库的各种数据 *** 作(如查找、修改、插入和删除等)和数据库的维护管理都是以数据库模式为依据的。

(2)应用程序的编译：把包含着访问数据库语句的应用程序，编译成在dbms支持下可运行的目标程序。

(3)交互式查询：提供易使用的交互式查询语言，如SQLDBMS负责执行查询命令，并将查询结果显示在屏幕上。

(4)数据的组织与存取：提供数据在外围储存设备上的物理组织与存取方法。

⑸事务运行管理：提供事务运行管理及运行日志，事务运行的安全性监控和数据完整性检查，事务的并发控制及系统恢复等功能。

(6)数据库的维护：为数据库管理员提供软件支持，包括数据安全控制、完整性保障、数据库备份、数据库重组以及性能监控等维护工具。

4技术特点

（1）采用复杂的数据模型表示数据结构，数据冗余小，易扩充，实现了数据共享。

（2）具有较高的数据和程序独立性，数据库的独立性有物理独立性和逻辑独立性。

（3）数据库系统为用户提供了方便的用户接口。

（4）数据库系统提供4个方面的数据控制功能，分别是并发控制、恢复、完整性和安全性。数据库中各个应用程序所使用的数据由数据库系统统一规定，按照一定的数据模型组织和建立，由系统统一管理和集中控制。

（5）增加了系统的灵活性。

5层次结构

根据处理对象的不同，数据库管理系统的层次结构由高级到低级依次为应用层、语言翻译处理层、数据存取层、数据存储层、 *** 作系统。

6应用层

应用层是DBMS与终端用户和应用程序的界面层，处理的对象是各种各样的数据库应用。

7语言翻译

语言翻译处理层是对数据库语言的各类语句进行语法分析、视图转换、授权检查、完整性检查等。

8数据存取层

数据存取层处理的对象是单个元组，它将上层的集合 *** 作转换为单记录 *** 作。

9数据存储层

数据存储层处理的对象是数据页和系统缓冲区。

10 *** 作系统

*** 作系统是DBMS的基础。 *** 作系统提供的存取原语和基本的存取方法通常是作为和DBMS存储层的接口。

数据库管理系统常见厂商:

SYBASE

DB2

ORACLE

MySQL

ACCESS

Visual Foxpro

MS SQL Server

Informix

PostgreSQL

如有疑问，请及时沟通。

因为面向对象是相对于面向过程来讲的，面向对象方法，把相关的数据和方法组织为一个整体来看待，从更高的层次来进行系统建模，更贴近事物的自然运行模式，系统的稳定性好，可重用性好适合空间数据库的存储与管理。

1、面向对象方法

面向对象方法是在相对于面向过程的，面向对象的方法是以对象作为核心，将数据和方法作为一个整体看待。尽可能接近人类习惯的抽象思维方法，并尽量一致地描述问题空间和解空间，从而自然而然地解决问题。

2、系统的稳定性好

面向对象方法用对象模拟问题域中的实体，以对象间的联系刻画实体间联系。当系统的功能需求变化时，不会引起软件结构的整体变化，仅需做一些局部的修改。由于现实世界中的实体是相对稳定的，因此，以对象为中心构造的软件系统也会比较稳定。

3、可重用性好

面向对象方法具有的继承性和封装性支持软件复用。有两种方法可以重复使用一个对象类。一是创建类的实例，从而直接使用它；二是从它派生出一个满足需要的新类，子类可以重用其父类的数据结构和程序代码，并且可以在父类的基础上方便地修改和扩充。

面向对象的特点：

1、继承

一种联结类的层次模型，并且允许和鼓励类的重用，提供一种明确表达共性的方法。对象的一个新类可以从现有的类中派生，这个过程称为类继承。新类继承了原始类的特性，新类称为原始类的派生类(子类)，原始类称为新类的基类(父类)。

2、封装

封装是面向对象的特征之一，是对象和类概念的主要特性。封装就是把过程和数据包围起来，对数据的访问只能通过已定义的界面。隐藏复杂的特点，使交互变得更简单。

3、多态

多态是指允许不同类的对象对同一消息做出响应。多态性包括参数化多态性和包含多态性。多态性语言具有灵活/抽象/行为共享/代码共享的优势，使程序拥有更强的动态扩展能力。

以关系数据库为例，SQL语言是一种非过程化的面向集合的语言，它虽然用起来非常简单，但由于是解释实现，效率不如人意。因此许多应用仍然是由高级程序设计语言（如C）来实现的，但是高级程序设计语言是过程化的，而且是面向单个数据的，这使得SQL与它之间存在着不匹配，我们把它叫做“阻抗失配”。不论你是用嵌入式SQL，还是CLI，都需要化很多工夫去完成两种语言之间的相互转化。 但是关系数据库在数据库系统方面发展地非常完善，有强大的管理功能和可 *** 纵性。另外，关系模型具有坚实的数学基础。

面向对象数据库的产生主要是为了解决“阻抗失配”，它强调高级程序设计语言与数据库的无缝连接。什么叫无缝连接，假设你 不用数据库，用C语言编了一个程序，你可以不需要（或基本不需要）任何改动就将它作用于数据库，即你可以用C语言透明访问数据库，就好象数据库根本不存在一样，所以也有人把面向对象数据库理解为语言的持久化。怎么样，听起来挺玄的吧，可是我们自己开发的数据库系统——OSCAR早就做到了这一点。 由于实现了无缝连接，使得面向对象数据库能够支持非常复杂的数据模型，从而特别适用于工程设计领域。打个比方，想象CAD中的一个复杂部件，它可能由成千上万个不同的零件组成，要是用关系模型中的表来表达，得用多少张表啊？而描述这种复杂的部件，正好是高级程序设计语言的强项。

此外，面向对象数据库还吸收了面向对象程序设计语言的思想，如支持类、方法、继承等概念。 面向对象数据库很好地解决了阻抗失配的问题，但它也有缺点。它的缺点正好是关系数据库的强项，由于模型较为复杂（而且缺乏数学基础），使得很多系统管理功能难以实现（如权限管理），也不具备SQL处理集合数据的强大能力。

另一方面，随着多媒体数据的大量出现和应用的日益复杂，关系数据库也在不断吸收面向对象数据库的优点，出现了现在所谓的对象关系型数据库（象ORACLE8i、DB2-5以上都是这种系统）。其主要改进包括支持自定义类型（UDT），方法，继承（目前仅DB2-6支持），和引用（使得对象间可以直接引用，想想原来的关系数据库需要靠连接来实现引用，性能真是惨不忍睹）。 总之，数据库系统发展的趋势是，面向对象数据库和关系数据库将不断融合。而对象关系数据库由于继承了上述两者的优点，已经成为目前数据库发展的主流。

面向对象是一种认识方法学，也是一种新的程序设计方法学。

目前，商品化的数据库管理系统以关系型数据库为主导产品，技术比较成熟。

面向对象的数据库管理系统虽然技术先进，数据库易于开发、维护，但尚未有成熟的产品。国际国内的主导关系型数据库管理系统有ORACLE、SYBASE、INFORMIX和INGRES。这些产品都支持多平台，如UNIX、VMS、WINDOWS，但支持的程度不一样。在下面的分析中会比较他们的平台支持能力。IBM 的DB2也是成熟的关系型数据库。

但是，DB2是内嵌于IBM的 AS/400系列机中，只支持OS/400 *** 作系统。

数据库是一组信息的集合，以便可以方便地访问、管理和更新，常用数据库有：1、关系型数据库；2、分布式数据库；3、云数据库；4、NoSQL数据库；5、面向对象的数据库；6、图形数据库。

计算机数据库通常包含数据记录或文件的聚合，例如销售事务、产品目录和库存以及客户配置文件。

通常，数据库管理器为用户提供了控制读写访问、指定报表生成和分析使用情况的能力。有些数据库提供ACID(原子性、一致性、隔离性和持久性)遵从性，以确保数据的一致性和事务的完整性。

数据库普遍存在于大型主机系统中，但也存在于较小的分布式工作站和中端系统中，如IBM的as /400和个人计算机。

数据库的演变

数据库从1960年代开始发展，从层次数据库和网络数据库开始，到1980年代的面向对象数据库，再到今天的SQL和NoSQL数据库和云数据库。

一种观点认为，数据库可以按照内容类型分类:书目、全文、数字和图像。在计算中，数据库有时根据其组织方法进行分类。有许多不同类型的数据库，从最流行的方法关系数据库到分布式数据库、云数据库或NoSQL数据库。

常用数据库：

1、关系型数据库

关系型数据库是由IBM的EF Codd于1970年发明的，它是一个表格数据库，其中定义了数据，因此可以以多种不同的方式对其进行重组和访问。

关系数据库由一组表组成，其中的数据属于预定义的类别。每个表在一个列中至少有一个数据类别，并且每一行对于列中定义的类别都有一个特定的数据实例。

结构化查询语言(SQL)是关系数据库的标准用户和应用程序接口。关系数据库易于扩展，并且可以在原始数据库创建之后添加新的数据类别，而不需要修改所有现有应用程序。

2、分布式数据库

分布式数据库是一种数据库，其中部分数据库存储在多个物理位置，处理在网络中的不同点之间分散或复制。

分布式数据库可以是同构的，也可以是异构的。同构分布式数据库系统中的所有物理位置都具有相同的底层硬件，并运行相同的 *** 作系统和数据库应用程序。异构分布式数据库中的硬件、 *** 作系统或数据库应用程序在每个位置上可能是不同的。

3、云数据库

云数据库是针对虚拟化环境(混合云、公共云或私有云)优化或构建的数据库。云数据库提供了一些好处，比如可以按每次使用支付存储容量和带宽的费用，还可以根据需要提供可伸缩性和高可用性。

云数据库还为企业提供了在软件即服务部署中支持业务应用程序的机会。

4、NoSQL数据库

NoSQL数据库对于大型分布式数据集非常有用。

NoSQL数据库对于关系数据库无法解决的大数据性能问题非常有效。当组织必须分析大量非结构化数据或存储在云中多个虚拟服务器上的数据时，它们是最有效的。

5、面向对象的数据库

使用面向对象编程语言创建的项通常存储在关系数据库中，但是面向对象数据库非常适合于这些项。

面向对象的数据库是围绕对象(而不是 *** 作)和数据(而不是逻辑)组织的。例如，关系数据库中的多媒体记录可以是可定义的数据对象，而不是字母数字值。

6、图形数据库

面向图形的数据库是一种NoSQL数据库，它使用图形理论存储、映射和查询关系。图数据库基本上是节点和边的集合，其中每个节点表示一个实体，每个边表示节点之间的连接。

图形数据库在分析互连方面越来越受欢迎。例如，公司可以使用图形数据库从社交媒体中挖掘关于客户的数据。

访问数据库:DBMS和RDBMS

数据库管理系统(DBMS)是一种允许您定义、 *** 作、检索和管理存储在数据库中的数据的软件。

关系数据库管理系统(RDBMS)是上世纪70年代开发的一种基于关系模型的数据库管理软件，目前仍然是最流行的数据库管理方法。

Microsoft SQL Server、Oracle数据库、IBM DB2和MySQL是企业用户最常用的RDBMS产品。DBMS技术始于20世纪60年代，支持分层数据库，包括IBM的信息管理系统和CA的集成数据库管理系统。一个关系数据库管理系统（RDBMS）是一种数据库管理软件是在20世纪70年代开发的，基于关系模式，仍然是管理数据库的最普遍的方式。

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