【数据库理论】绪论

本系列为《数据库系统原理与应用（刘先锋等著）》的读书笔记。

一，数据库的概念

1. 数据库定义：数据库（DB）是长期保存在计算机的存储设备上并按照某种模型组织起来的，可以被各种用户或应用共享的数据集合。
2. 数据库分类：关系数据库，层次数据库，网状数据库.
3. 数据库基本特征：
   1）具有较高的数据独立性；数据独立性是指数据的组织方法和储存方法与应用程序互不依赖，彼此独立的特性，包括物理独立性和逻辑独立性。
   2）数据库用综合的方法组织数据，保证尽可能高的访问效率；
   3）具有较小的数据冗余，可以供多个用户共享；
   4）具有安全控制机制，能够保证数据的安全，可靠；
   5）数据允许多用户共享，能够有效，及时地处理数据，并能够保证数据的一致性和完整性。

二，数据库管理系统（DBMS）

1. DBMS的定义：DBMS是位于用户与操作系统之间的数据管理软件，数据库在建立，运用和维护时由数据库管理系统统一管理，控制。

2. DBMS的目标：
   1）用户界面友好；
   2）功能完备；
   3）效率高，DBMS应该具有较高的系统效率和高的用户生产率，其中系统效率包括：

   （1）计算机内部资源的利用率，即能够充分利用磁盘空间，CPU，设备等资源，并注意使各种资源的负载均衡以提高整个系统的效率；
   （2）DBMS本身的运行效率，根据系统目标确定恰当的体系结构，数据结构和算法，保证DBMS运行的高效率；用户生产率是指用户设计和开发应用程序的效率；

   4）结构清晰：DBMS内部结构清新，层次分明既便于支持其外层开发环境的构造，也便于自身的设计、开发与维护；
   5）开放性：DBMS的开放性是指符合标准和规范，如ODBC标准，SQL标准等。

3. DBMS的基本功能：

   1）数据库定义功能：DDL可以定义数据库中数据之间的联系，可以定义数据的完整性约束条件和保证完整性的触发机制等，包括全局逻辑数据结构（模式）的定义，局部逻辑数据结构（外模式）的定义，保密定义等；
   2）数据库操纵功能：DML可以接收，分析和执行用户提出的访问数据库的各种要求，完成对数据库的各种基本操作，如对数据库的检索，插入，删除和修改等操作，可以重新组织数据的存储结构，可以完成数据库的备份和恢复等操作；
   3）数据库的控制功能：DCL包括整个数据库系统的运行控制，数据库的完整性控制，数据库的安全性控制及多用户环境下的数据库并发访问控制等；
   4）数据库的运行管理功能：指DBMS运行机制和管理功能；
   5）数据库组织和存储管理功能
   6）数据库的建立和维护功能
   7）数据库通信功能

4. DBMS的组成：

   1）数据库定义语言及其翻译程序：

DDL用于描述数据库中要存储的现实世界实体的语言，包括数据字典中数据库的逻辑结构，完整性约束，物理存储结构的表述，数据库的各种数据操作和数据库的维护管理的各种依据。包括：

模式DDL：定义全局逻辑数据结构(包括所有字段的名称，特征及其相互关系)，数据的完整性，安全性约束；
外模式DDL：为用户定义所用的局部逻辑数据结构(包括与用户的应用程序有关的字段名称，特征及其相互关系)，描述外模式到模式之间的映射关系；
内模式DDL：用于描述数据在存储介质上的安排和存放方式，描述模式到内模式之间的映射关系；

2）数据库操纵语言及其编译（或解释）程序：

DML用于实现对数据库的一些基本操作，如数据检索，数据插入，数据修改和数据删除，其中数据插入，数据修改和数据删除操作又称为数据更新操作。分为：

宿主型DML：本身不能独立使用，必须嵌入到宿主语言中，如C，COLBOL，PASCAL等，因此也称嵌入型DML，仅负责对数据库数据的操纵，其他工作都由宿主语言完成；
自主型DML，又称自含型DML，可以独立进行数据查询，数据更新等操作，语法简单，使用方便，适合终端用户使用；

3）数据库运行控制程序：包括系统初启程序(DBMS的神经中枢)，访问控制程序，安全性控制程序，完整性检查程序，并发控制程序，数据存取/更新程序，通信控制程序；
4）数据库服务实用程序：包括数据装入程序，工作日志程序，性能监督程序，数据库重新组织程序，系统恢复程序，转储/编辑/打印程序。

1. 数据库管理与数据库管理员(DBA)：

   1）DBA：从事数据库管理工作的人员，不是数据库的“占有者”，而是数据库的“保护者”。
   2) DBA职责

   • 在数据库设计开始之前，DBA首先调查数据库的用户需求。
   • 在数据库设计阶段，DBA要负责数据库标准的制定和功用数据字典的研制，要负责各级数据库模式的设计，负责数据库安全，可靠方面的设计，决定文件组织的方法。
   • 在数据库运行阶段，DBA要负责对用户进行数据库方面的培训，负责数据库的转储和恢复，数据维护，用户的使用权限等，负责监控数据库的性能。

三，数据库系统（DBS）

1. DBS定义：指在计算机系统中引入数据库后的系统构成，一般由数据库，数据库系统运行环境，数据库管理系统及其开发工具，数据库管理员和用户组成。

2. 数据库系统的三级模式结构：
   1）模式定义：数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，仅仅涉及型的描述，而不涉及具体的值。
   2）三级模式结构：

   • 外模式：也称子模式或者用户模式，是数据库用户看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库的用户视图，是和某个应用相关的数据逻辑表示；一个数据库可以有多个外模式；
   • 模式：也称逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共视图，是数据库的整个逻辑描述，并说明一个数据库所采用的数据模型；一个数据库只有一个模式；
   • 内模式：也称存储模式，是数据物理结构和存储方式的描述，是数据库的内部表示方式；一个数据库只有一个内模式。

3. 二级映像功能和数据独立性：
   1）外模式/模式映像：当模式改变时，DBA对各个外模式/模式的映像做出相应改变，使外模式保持不变，从而使应用程序不改变，保证了数据的逻辑独立性；
   2）模式/内模式映像：唯一定义了数据全局逻辑结构和存储方式之间的对应关系。当数据库的存储方式改变时，DBA将对模式/内模式映像做出相应的改变，使模式保持不变，从而保证了数据的物理独立性。

4. 数据库系统的体系结构：
   1）单用户结构的数据库系统：最早最简单，不能共享数据；
   2）主从式结构的数据库系统：结构简单，数据易于维护维护和管理，但系统的可靠性不高；
   3）分布式结构的数据库系统：数据在逻辑上上一个整体，但是分布在计算机网络的不同结点上。
   4）客户端/服务器结构的数据库系统

5. 数据库系统的工作流程：
   1）DBA建立并维护数据库；
   2）用户编写应用程序；
   3）应用程序在DBMS支持下运行，在模式，外模式，内模式，用户源程序翻译为目标代码后，即可启动目标程序。

四，数据库的发展

1. 人工管理阶段：
   1）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。

2. 文件系统阶段：
   1）优点：数据可以长期保存；有专门的软件即文件系统管理数据，文件系统把数据组织成相互独立的数据文件；文件的形式多样化；
   2）缺点：数据共享性差，冗余度大；数据独立性差；数据联系弱。

3. 数据库系统阶段

4. 数据库技术的研究，应用领域和发展方向

• 数据模型
• 数据库管理系统软件的研制
• 数据操作
• 数据库理论：主要集中在关系的规范化理论，关系数据理论等。

  代表性的数据库应用领域和发展方向：

  • 因特网上的Web数据库
  • 面向对象数据库
  • 多媒体数据库

• 并行数据库

• 人工智能领域的知识库和主动数据库

• 模糊数据库系统