第2章 数据库系统的结构
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第二章数据库的概念结构设计将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构(即概念模型)的过程就是概念结构设计。
它是整个数据库设计的关键步骤。
本章主要介绍以下内容:•数据模型。
•概念模型。
•概念结构设计的方法与步骤。
第一节数据模型一、数据数据是数据库中存储的基本对象,也是数据模型的基本元素。
1.数据在数据库中描述事物的符号记录称为数据,是存储的基本对象。
计算机是人们解决问题的辅助工具,而解决问题的前提是对问题存在条件及环境参数的正确描述,在现实世界中人们可以直接用自然语言来描述世界,为了把这些描述传达给计算机,就要将其抽象为机器世界所能识别的形式。
例如,我们在现实世界中用以下语言来描述一块主板:编号为0001的产品为“技嘉主板”,其型号为GA-8IPE1000-G,前端总线800MHz。
如果将其转换为机器世界中数据的一种形式则为:0001,技嘉主板,GA-8IPE1000-G,800MHz。
因此从现实世界中的数据到机器世界中的符号记录形式的数据,还需要一定的转换工作。
2.数据描述在数据库设计的不同阶段都需要对数据进行不同程度的描述。
在从现实世界到计算机世界的转换过程中,经历了概念层描述、逻辑层描述及存储介质层描述三个阶段。
在数据库的概念设计中,数据描述体现为“实体”、“实体集”、“属性”等形式,用来描述数据库的概念层次;在数据库的逻辑设计中,数据描述体现为“字段”、“记录”、“文件”、“关键码”等形式,用来描述数据库的逻辑层次;在数据库的具体物理实现中,数据描述体现为“位”、“字节”、“字”、“块”、“桶”、“卷”等形式,用来描述数据库的物理存储介质层次。
二、数据模型模型是对现实世界中的事物、对象、过程等客观系统中感兴趣的内容的模拟和抽象表达。
如一座大楼模型、一架飞机模型就是对实际大楼、飞机的模拟和抽象表达,人们从模型可以联想到现实生活中的事物。
数据模型也是一种模型,它是对现实世界数据特征的抽象。
数据模型一般应满足三个要求:一是能比较真实地模拟现实世界;二是容易被人们理解;三是便于在计算机上实现。
第一部分基础理论第1章数据库概述1.试说明数据、数据库、数据库管理系统和数据库系统的概念。
数据:描述事务的符号记录数据库:存储数据的仓库数据库管理系统:用于管理和维护数据的系统软件数据库系统:计算机中引入数据库后的系统,包括数据库,数据库管理系统,应用程序,数据库管理员2.数据管理技术的发展主要经历了哪几个阶段?两个阶段,文件管理和数据库管理9.数据独立性指的是什么?应用程序不因数据的物理表示方式和访问技术改变而改变,分为逻辑独立性和物理独立性。
物理独立性是指当数据的存储结构或存储位置发生变化时,不影响应用程序的特性;逻辑独立性是指当表达现实世界的信息内容发生变化时,不影响应用程序的特性。
10.数据库系统由哪几部分组成?由数据库、数据库管理系统、应用程序、数据库管理员组成。
第2章数据模型与数据库系统的结构4.说明实体一联系模型中的实体、属性和联系的概念。
实体是具有公共性质的并可相互区分的现实世界对象的集合。
属性是实体所具有的特征或性质。
联系是实体之间的关联关系。
6.数据库系统包含哪三级模式?试分别说明每一级模式的作用。
外模式、模式和内模式。
外模式:是对现实系统中用户感兴趣的整体数据结构的局部描述,用于满足不同用户对数据的需求,保证数据安全。
模式:是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述,它满足所有用户对数据的需求。
内模式:是对整个数据库的底层表示,它描述了数据的存储结构。
7.数据库管理系统提供的两级映像的作用是什么?它带来了哪些功能?两级映像是外模式/模式映像和模式/内模式映像。
外模式/模式映像保证了当模式发生变化时可以保证外模式不变,从而使用户的应用程序不需要修改,保证了程序与数据的逻辑独立性。
模式/内模式映像保证了当内模式发生变化,比如存储位置或存储文件名改变,可以保持模式不变,保证了程序与数据的物理独立性。
两级印象保证了应用程序的稳定性。
第3章关系数据库1.试述关系模型的三个组成部分。
数据结构、关系操作集合、关系完整性约束2.解释下列术语的含义:(3)候选码当一个属性或属性集的值能够唯一标识一个关系的元组,而又不包含多余的元素,则称该属性或属性集为候选码。
第1章数据概述一.选择题1.下列关于数据库管理系统的说法,错误的是CA.数据库管理系统与操作系统有关,操作系统的类型决定了能够运行的数据库管理系统的类型B.数据库管理系统对数据库文件的访问必须经过操作系统实现才能实现C.数据库应用程序可以不经过数据库管理系统而直接读取数据库文件D.数据库管理系统对用户隐藏了数据库文件的存放位置和文件名2.下列关于用文件管理数据的说法,错误的是DA.用文件管理数据,难以提供应用程序对数据的独立性B.当存储数据的文件名发生变化时,必须修改访问数据文件的应用程序C.用文件存储数据的方式难以实现数据访问的安全控制D.将相关的数据存储在一个文件中,有利于用户对数据进行分类,因此也可以加快用户操作数据的效率3.下列说法中,不属于数据库管理系统特征的是CA.提供了应用程序和数据的独立性B.所有的数据作为一个整体考虑,因此是相互关联的数据的集合C.用户访问数据时,需要知道存储数据的文件的物理信息D.能够保证数据库数据的可靠性,即使在存储数据的硬盘出现故障时,也能防止数据丢失5.在数据库系统中,数据库管理系统和操作系统之间的关系是DA.相互调用B.数据库管理系统调用操作系统C.操作系统调用数据库管理系统D.并发运行6.数据库系统的物理独立性是指DA.不会因为数据的变化而影响应用程序B.不会因为数据存储结构的变化而影响应用程序C.不会因为数据存储策略的变化而影响数据的存储结构D.不会因为数据逻辑结构的变化而影响应用程序7.数据库管理系统是数据库系统的核心,它负责有效地组织、存储和管理数据,它位于用户和操作系统之间,属于AA.系统软件B.工具软件C.应用软件D.数据软件8.数据库系统是由若干部分组成的。
下列不属于数据库系统组成部分的是B A.数据库B.操作系统C.应用程序D.数据库管理系统9.下列关于客户/服务器结构和文件服务器结构的描述,错误的是DA.客户/服务器结构将数据库存储在服务器端,文件服务器结构将数据存储在客户端B.客户/服务器结构返回给客户端的是处理后的结果数据,文件服务器结构返回给客户端的是包含客户所需数据的文件C.客户/服务器结构比文件服务器结构的网络开销小D.客户/服务器结构可以提供数据共享功能,而用文件服务器结构存储的数据不能共享数据库是相互关联的数据的集合,它用综合的方法组织数据,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,具有安全控制机制,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。
习题参考答案第1 章数据库概述2.与文件管理相比,数据库管理有哪些优点?答:将相互关联的数据集成在一起,具有较少的数据冗余,程序与数据相互独立,保证数据的安全可靠,最大限度地保证数据的正确性,数据可以共享并能保证数据的一致性。
3.比较文件管理和数据库管理数据的主要区别。
答:数据库系统与文件系统相比实际上是在应用程序和存储数据的数据库之间增加了一个系统软件,即数据库管理系统,使得以前在应用程序中由开发人员实现的很多繁琐的操作和功能,都可以由这个系统软件完成,这样应用程序不再需要关心数据的存储方式,而且数据的存储方式的变化也不再影响应用程序。
而在文件系统中,应用程序和数据的存储是紧密相关的,数据的存储方式的任何变化都会影响到应用程序,因此不利于应用程序的维护。
4.数据库管理方式中,应用程序是否需要关心数据的存储位置和结构?为什么?答:不需要。
因为在数据库系统中,数据的存储位置以及存储结构保存在数据库管理系统中,从数据到物理存储位置的转换是由数据库管理系统自动完成的。
6.在数据库系统中,应用程序可以不通过数据库管理系统而直接访问数据库文件吗?答:不能。
7.数据独立性指的是什么?它能带来哪些好处?答:数据独立性指的是数据的逻辑独立性和物理独立性。
逻辑独立性带来的好处是当表达现实世界信息的逻辑结构发生变化时,可以不影响应用程序;物理独立性带来的好处是当数据的存储结构发生变化时,可以不影响数据的逻辑组织结构,从而也不影响应用程序。
8.数据库系统由哪几部分组成,每一部分在数据库系统中的作用大致是什么?答:数据库系统由三个主要部分组成,即数据库、数据库管理系统和应用程序。
数据库是数据的汇集,它以一定的组织形式存于存储介质上;数据库管理系统是管理数据库的系统软件,它可以实现数据库系统的各种功能;应用程序指以数据库数据为核心的应用程序。
9.在文件服务器结构和客户/服务器结构中,对数据的处理有什么区别?.k5.在数据库系统中,数据库的作用是什么?答:在数据库系统中,数据库是存放数据的场所。
第1章数据库概述1.与文件管理相比,数据库管理有哪些优点?答:(1)相互关联的数据集合;(2)较少的数据冗余;(3)程序与数据相互独立;(4)保证数据的安全可靠;(5)最大限度地保证数据的正确性;(6)数据可以共享并能保证数据的一致性。
2.比较文件管理和数据库管理数据的主要区别。
答:文件系统不能提供数据的独立性,也不能提供数据共享、安全性等功能,这些需要客户端编程实现。
而数据库管理系统可以很方便地提供这些功能。
3.在数据库管理方式中,应用程序是否需要关心数据的存储位置和结构?为什么?答:不需要。
因为这些都由数据库管理系统来维护。
4.在数据库系统中,数据库的作用是什么?答:数据库是存储数据的仓库,其作用是存储数据。
5.在数据库系统中,应用程序可以不通过数据库管理系统而直接访问数据库文件吗?答:不可以。
6.数据独立性指的是什么?它能带来哪些好处?答:数据独立性包括逻辑独立性和物理独立性两部分。
物理独立性是指当数据的存储结构发生变化时,不影响应用程序的特性;逻辑独立性是指当表达现实世界的信息内容发生变化时,不影响应用程序的特性。
这两个独立性使用户只需关心逻辑层即可,同时增强了应用程序的可维护性。
7.数据库系统由哪几部分组成,每一部分在数据库系统中的作用大致是什么?答:数据库系统一般包括3个主要部分:数据库、数据库管理系统和应用程序。
数据库是数据的汇集,它以一定的组织形式保存在存储介质上;数据库管理系统是管理数据库的系统软件,它可以实现数据库系统的各种功能;应用程序专指以数据库数据为基础的程序8.在文件服务器结构和客户/服务器结构中,对数据的处理有什么区别?答:在文件服务器结构中,数据的处理是在客户端完成的,而在客户/服务器结构中,对数据的处理是在服务器端完成的,服务器返回给客户端的是处理后的结果。
第2章数据模型与数据库系统结构1.解释数据模型的概念,为什么要将数据模型分成两个层次?答:数据模型实际上是模型化数据和信息的工具,在数据库中,数据模型要满足三个要求:第一,要能够比较真实地模拟现实世界;第二,要容易被人们理解;第三,要能够很方便地在计算机上实现。
第一部分基础理论第1章数据库概述1.试说明数据、数据库、数据库管理系统和数据库系统的概念。
数据:描述事务的符号记录数据库:存储数据的仓库数据库管理系统:用于管理和维护数据的系统软件数据库系统:计算机中引入数据库后的系统,包括数据库,数据库管理系统,应用程序,数据库管理员2.数据管理技术的发展主要经历了哪几个阶段?两个阶段,文件管理和数据库管理3.数据独立性指的是什么?应用程序不因数据的物理表示方式和访问技术改变而改变,分为逻辑独立性和物理独立性。
物理独立性是指当数据的存储结构或存储位置发生变化时,不影响应用程序的特性;逻辑独立性是指当表达现实世界的信息内容发生变化时,不影响应用程序的特性。
4.数据库系统由哪几部分组成?由数据库、数据库管理系统、应用程序、数据库管理员组成。
第2章数据模型与数据库系统的结构1.说明实体一联系模型中的实体、属性和联系的概念。
实体是具有公共性质的并可相互区分的现实世界对象的集合。
属性是实体所具有的特征或性质。
联系是实体之间的关联关系。
2.数据库系统包含哪三级模式?试分别说明每一级模式的作用。
外模式、模式和内模式。
外模式:是对现实系统中用户感兴趣的整体数据结构的局部描述,用于满足不同用户对数据的需求,保证数据安全。
模式:是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述,它满足所有用户对数据的需求。
内模式:是对整个数据库的底层表示,它描述了数据的存储结构。
3.数据库管理系统提供的两级映像的作用是什么?它带来了哪些功能?两级映像是外模式/模式映像和模式/内模式映像。
外模式/模式映像保证了当模式发生变化时可以保证外模式不变,从而使用户的应用程序不需要修改,保证了程序与数据的逻辑独立性。
模式/内模式映像保证了当内模式发生变化,比如存储位置或存储文件名改变,可以保持模式不变,保证了程序与数据的物理独立性。
两级印象保证了应用程序的稳定性。
第3章关系数据库1.试述关系模型的三个组成部分。
数据结构、关系操作集合、关系完整性约束2.解释下列术语的含义:(1)主码当一个关系有多个候选码时,选择一个作为主码(2)候选码当一个属性或属性集的值能够唯一标识一个关系的元组,而又不包含多余的元素,则称该属性或属性集为候选码。
数据模型的基本概念
数据模型是一种抽象表示和模拟客观事物的数据特征的形式化工具,是严格定义的一组概念的集合,是DBMS的核心。
数据模型的三要素
●数据结构:定义数据如何组织存储,是数据库的
静态特性,是最重要的要素
●数据操作:定义数据的增删改和检索等操作,是
数据库的动态特性
●完整性约束:通过定义各种完整性规则,以保证
数据的正确、一致和相容
数据模型的分类
概念数据模型,简称概念模型,是对现实世界的数据抽象,与具体的DBMS无关,是数据库设计人员和数据库用户之间进行交流的工具。
结构数据模型,又称逻辑数据模型,是由具体的DBMS 支持的面向用户使用的数据模型。
物理数据模型,描述数据在存储介质上的组织结构。
它不但与具体的DBMS有关,而且还与OS 和硬件有关。
现
实世
界
概念
数据
模型
逻辑
数据
模型
物理
数据
模型
数
据
库抽象转换映象实现
英文全称为Entity Relationship Model ,是最常用的
概念数据模型。
课程
课程号课程名
学分教师
教工号姓名性别职称
参考书书号书名出版社主编
学生学号姓名性别年龄班级班号班名
选修成绩
组成人数讲授m n 领导n 11n m
n p 实体
联系
属性
E-R 模型中的基本概念
E-R
模型中的基本概念
属性(Attributes
):
实体或联系的某一特性。
有课名、课程性质、任课教师等属性。
实体(Entity ):客观存在并可以相互区别的事物。
可以是一个具体的物体或抽象的概念。
1n
商店职工
编号店名地址
编号名称性别工资聘用入店时间
E-R 模型中的基本概念
联系(Relationship ):实体之间的对应关系。
联系分为三种:
学校与校长
班级与学生课程与学生1
1
1
n
m
n
E-R
图的两种画法形式
实体
联系
属性
课程
课程号课程名
学分教师
教工号姓名性别职称
参考书书号书名出版社主编
学生学号姓名性别年龄班级班号班名选修成绩组成人数讲授m n 领导n 11n m
n p 一般形式或集成式
E-R 图的两种画法形式课程教师
参考书学生班级
选修成绩
组成人数讲授m n 领导
n 11n m
n p 分离式
班级班号班名课程
课程号课程名学分学生学号姓名性别
年龄教师
教工号姓名性别职称参考书书号书名出版社主编
专业工具绘制E-R图
Microsoft Visio
层次模型树型结构,每一结点为一实体集,父子结点间是1:n
的
联系,结构简单稳定,易操作。
只能按树的层次进行查询。
有良好的完整性支持。
表示m:n 联系比较麻烦。
对插入和删除的限制比较多。
系编号,系名,系主任
教研室号,教研室名
教师编号,姓名,专业学号,姓名,成绩
系学生教研室教师典型代表是IMS
网状模型
有向图结构,每一结点为一实体集,结点间可以是m:n 的联系,能表示实体间的多种复杂联系。
有一定的完整性支持。
性能良好,存储效率高。
结构复杂。
数据独立性较差。
典型代表是
DBTG
课程号,课名,学分
教师编号,姓名,专业
课程学号,姓名,成绩
学生教师
一个关系的逻辑结构就是一张二维表。
表的名称即为关系名。
姓名性别年龄工资职称李青女35500助教王华男50940讲师……………张家明男36500助教
关系模型
有严格的关系数学理论基础。
一个关系就是一张规则二维表。
实体或联系,乃至操作结果都是关系。
结构简单自然,易懂易用。
数据存取路径对用户透明,数据独立性较强。
查询效率较非关系模型差。
面向对象模型
Orient-Object-Programming 面向对象数据库技术
⏹
类层次结构等概念;
⏹扩展持久对象、长寿事务处理、版本管理、模式演化能力
进行数据库管理;
⏹用户界面支持消息传递,提供能力完备的数据库语言
面向对象数据模型是由类构成的层次结构。
主要应用于CAD、CAM、CIMS、CASE、VLSI、GIS、DSS和多媒体应用系统等场合。
主要产品有Versant,Objectivity,ObjectStore,GemStone等。
三级模式结构
……
应用A应用B应用n
外模式1……外模式m
子模式/模式映象
模式
模式/内模式映象
DBMS
内模式
数据库
应用A应用B应用n
……
外模式1……外模式m
子模式/模式映象
模式
模式/内模式映象
内模式
数据库
DBMS
又称逻辑模式或结构模
式,与结构数据模型对
应,是所有用户的公共
逻辑数据视图,是对数
据库中全体数据的逻辑
结构以及完整性、安全
性的描述。
一个数据库
只有一个模式。
三级模式结构
应用
A
应用B
应用n ……外模式1
……
外模式m
子模式/模式映象
模
式
模式/内模式映象
内模式
数据库
DBMS
又称子模式或用户模式,是数据库用户看得见和使用的部分数据,或者说是与某一具体应用有关的数据的逻辑结构和特征的描述,通常是模式的子集。
一个数据库可以有多个外模式。
三级模式结构
应用
A
应用B
应用n ……外模式1
……
外模式m
子模式/模式映象
模
式
模式/内模式映象
内模式
数据库
DBMS
又称存储模式,是数据物理存储结构的描述。
一个数据库只有一个内模式。
应用A
应用B
应用n ……外模式1
……
外模式m
子模式/模式映象
模
式
模式/内模式映象
内模式
数据库
DBMS
在外模式中定义的某一个外模式和模式之间的对应关系。
当模式发生改变时,DBA 可以对外模式/模式的映像作出相应的改变,从而可以使外模式保持不变,这就是数据的逻辑独立性。
应用A
应用B
应用n ……外模式1
……
外模式m
子模式/模式映象
模
式
模式/内模式映象
内模式
数据库
DBMS
在模式中定义的数据的全局逻辑结构与其存储结构之间的对应关系。
当数据库的存储结构改变时,DBA 只需对模式/内模式映像作出相应的修改,从而可以使模式保持不变,这就是数据的物理独立性。