前言

數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)中發(fā)展最快，應(yīng)用最廣的技術(shù)之一，它是專門研究如何科學(xué)的組織和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如何高效地獲取和處理數(shù)據(jù)的技術(shù)。它已成為各行各業(yè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、管理信息、共享資源和決策支持的最先進(jìn)，最常用的技術(shù)。

當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)+與大數(shù)據(jù)，一切都建立在數(shù)據(jù)庫(kù)之上，以數(shù)據(jù)說(shuō)話，首先需要聚集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)已成為各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心技術(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)知識(shí)也已成為每個(gè)人必須掌握的知識(shí)。

一、數(shù)據(jù)庫(kù)4個(gè)基本概念

1.1 數(shù)據(jù)（Data）

數(shù)據(jù)（Data）是信息的具體變現(xiàn)形式。在現(xiàn)實(shí)中的數(shù)據(jù)與其語(yǔ)義是不可分的。如93是一個(gè)數(shù)據(jù)，在不同語(yǔ)義下代表不同的意義：

語(yǔ)義1： 學(xué)生某門課的成績(jī)
語(yǔ)義2： 某人的體重
語(yǔ)義3： 公司員工的人數(shù)

數(shù)據(jù)是大量存在的，在特定的語(yǔ)義（背景）下，就成為信息。

例如：
記錄（張三，女，1996，蘇州）就是數(shù)據(jù)。文字、圖形、圖像、聲音等都是數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)必須數(shù)字化后才能加工處理。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)（DataBase，DB）

數(shù)據(jù)庫(kù)（DataBase，簡(jiǎn)稱DB）是一個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù)。是數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)對(duì)象的集合。這種集合可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存，具有確定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，同時(shí)能以安全可靠的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索。

當(dāng)今世界，數(shù)據(jù)庫(kù)非常廣泛的應(yīng)用在生活的方方面面。

例如：
12306保存了車次，售票等數(shù)據(jù)等等

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DataBase Managemet System，DBMS）

數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)量龐大，如何定義，操縱和管理 ？我們就需要用到數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DataBase Management System，簡(jiǎn)稱DBMS），它是位于用戶應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)之間的一層系統(tǒng)軟件，用來(lái)操縱和管理數(shù)據(jù)庫(kù)的軟件，用于建立、使用和維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

在數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中，他有如下功能：

• 數(shù)據(jù)定義功能：DBMS提供數(shù)據(jù)定義（DDL）語(yǔ)言，來(lái)定義數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，并被保存在數(shù)據(jù)字典中。
• 數(shù)據(jù)存取功能：DBMS提供數(shù)據(jù)操縱語(yǔ)言（DML），實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的基本存取操作（查詢，插入，修改和刪除）
• 數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行管理功能：DBMS提供數(shù)據(jù)控制功能，通過保證數(shù)據(jù)的安全性、完整性和并發(fā)控制等，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的有效控制和管理，以確保數(shù)據(jù)正確有效
• 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和維護(hù)功能：包括數(shù)據(jù)庫(kù)初始數(shù)據(jù)的裝入，數(shù)據(jù)庫(kù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)、恢復(fù)、系統(tǒng)性能監(jiān)視、分析等功能。
• 數(shù)據(jù)庫(kù)的傳輸：DBMS提供處理數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)用戶程序與DBMS之間的通信，通常與操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成。

常用的DBMS有Oracle、MySQL、Microsoft SQL Server等

1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（DataBase System，DBS）

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（DataBase System，簡(jiǎn)稱DBS）是指引入數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)后的整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)有組織地、動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)大量相關(guān)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)處理和信息資源共享的核心系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(軟件、硬件和人)、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

即DBS?=?計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?+?DB?+?DBMS

二、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的歷史

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)的歷史

人工管理階段

• 數(shù)據(jù)不保存
• 數(shù)據(jù)由程序各自管理
• 一組數(shù)據(jù)只能對(duì)應(yīng)一個(gè)程序
• 數(shù)據(jù)不具備獨(dú)立性

文件系統(tǒng)階段

• 數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)期的保存
• 數(shù)據(jù)由文件系統(tǒng)管理
• 數(shù)據(jù)可以結(jié)構(gòu)化（記錄內(nèi)部是有結(jié)構(gòu)的，整體無(wú)結(jié)構(gòu)）
• 數(shù)據(jù)共享差，冗余度大
• 有了一定的獨(dú)立性
• 數(shù)據(jù)面對(duì)的對(duì)象是某一個(gè)程序

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

• 數(shù)據(jù)庫(kù)由DBMS管理
• 數(shù)據(jù)整體結(jié)構(gòu)化
• 數(shù)據(jù)共享性高
• 高度的物理獨(dú)立性和一定的邏輯獨(dú)立性
• 數(shù)據(jù)控制能力由DBMS統(tǒng)一管理和控制

數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)各階段比較分析：

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展

數(shù)據(jù)庫(kù)最早的起源是因?yàn)槊绹?guó)政府要管理龐大的火箭構(gòu)件數(shù)據(jù)，要求IBM進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)。

1968年誕生了層次數(shù)據(jù)庫(kù)

1969年誕生了網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫(kù)

1970年誕生了關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)

2.3 未來(lái)已來(lái)

新型數(shù)據(jù)庫(kù)由普通數(shù)據(jù)庫(kù)到與各種先進(jìn)技術(shù)結(jié)合所形成的新型數(shù)據(jù)庫(kù)：

• OA?DB + Management Information System
• Database Machine ?DB + Computer Architecture
• Intelligent Database ? DB + Artificial Intelligence
• Distributed Database(DDB) ? DB + Computer Network
• Image Database / Multimedia Database ? DB + Image
• processing/ Multimedia processing
• Temporal Database ? DB + 時(shí)態(tài)技術(shù)處理
• 傳感器數(shù)據(jù)庫(kù) RFID（Radio Frequency IDentification）射頻識(shí)別技術(shù)，可以薄如紙張，小如豆粒?？梢詿o(wú)線存儲(chǔ)、發(fā)送數(shù)據(jù)。

三、數(shù)據(jù)模型

現(xiàn)實(shí)生活中一張地圖、一組建筑沙盤、一架航模飛機(jī)都是的模型。

而我們?cè)跀?shù)據(jù)庫(kù)中，要把現(xiàn)實(shí)世界中存在的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。比如我們把一個(gè)學(xué)校轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型，然后存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。就需要經(jīng)過一些數(shù)據(jù)抽象的步驟：

• 在數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)過程中，我們把學(xué)校中的數(shù)據(jù)，通過概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)化成概念數(shù)據(jù)模型
• 然后對(duì)概念數(shù)據(jù)模型進(jìn)行抽象，轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)模型（邏輯模型）
• 最終通過計(jì)算機(jī)物理模型的實(shí)現(xiàn)，有效的表達(dá)在計(jì)算機(jī)。

3.1 層次模型

層次模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是樹型結(jié)構(gòu)。滿足下面兩個(gè)條件的基本層次的集合為層次模型

• 有且只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)沒有雙親結(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)稱為根結(jié)點(diǎn)
• 根結(jié)點(diǎn)以外的其他結(jié)點(diǎn)有且只有一個(gè)雙親結(jié)點(diǎn)

根節(jié)點(diǎn)：最頂上的唯一的一個(gè)，所以A就是根結(jié)點(diǎn)
雙親節(jié)點(diǎn)：子節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)就叫做雙親節(jié)點(diǎn)，如A是B、C的雙親節(jié)點(diǎn)

以下是教員學(xué)生層次數(shù)據(jù)模型

以下是教員學(xué)生層次數(shù)據(jù)的值

通過層次數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以清晰的了解到邏輯上對(duì)數(shù)據(jù)是怎么儲(chǔ)存的（1對(duì)N）

層次模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn) ：

• 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單清晰
• 查詢效率高
• 提供了良好的完整性支持

層次模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)

• 結(jié)點(diǎn)之間的多對(duì)多聯(lián)系表示不自然
• 對(duì)插入和刪除操作的限制多，應(yīng)用程序的編寫比較復(fù)雜
• 查詢孩子結(jié)點(diǎn)必須通過雙親結(jié)點(diǎn)
• 層次命令趨于程序化

3.2 網(wǎng)狀模型

網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是是圖型結(jié)構(gòu)，任一結(jié)點(diǎn)都可以無(wú)雙親或有一個(gè)以上的雙親（N對(duì)N）。

例如：
學(xué)生進(jìn)行選修課程的時(shí)候可以選擇多門課程，一門課程也可以被多名學(xué)生選擇

網(wǎng)狀模型的優(yōu)點(diǎn)：

• 能夠更為直接地描述現(xiàn)實(shí)世界，如一個(gè)結(jié)點(diǎn)可以有多個(gè)雙親，具有良好的性能，存取效率較高

網(wǎng)狀模型的缺點(diǎn)：

• 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且隨著應(yīng)用環(huán)境的擴(kuò)大，數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)就變得越來(lái)越復(fù)雜，不利于最終用戶掌握
• DDL、DML語(yǔ)言復(fù)雜，用戶不容易使用
• 記錄之間聯(lián)系是通過存取路徑實(shí)現(xiàn)的，用戶必須了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。

3.3 關(guān)系模型

層次、網(wǎng)狀模型基本上是面向?qū)I(yè)人員的，與物理層關(guān)系密切。我們需要一種面向用戶的數(shù)據(jù)模型，因此我們用二維表（關(guān)系）來(lái)描述實(shí)體及實(shí)體間聯(lián)系的模型。

例如，在現(xiàn)實(shí)生活中，有兩張表，一個(gè)是班級(jí)信息表，一個(gè)是學(xué)生信息表。一名學(xué)生只能對(duì)應(yīng)一個(gè)班級(jí)，班級(jí)中可以包含多名學(xué)生，這在現(xiàn)實(shí)生活中是一對(duì)多的聯(lián)系，我們通過設(shè)置兩個(gè)相同的屬性列，就可以把這兩個(gè)關(guān)系聯(lián)接在一起，我們通過學(xué)生的ClaID就可以查詢到班級(jí)相關(guān)的信息。

CREATE TABLE Student
(StuID char(13),
StuName varchar(8),
StuBir smalldatetime,
StuSex char(2),
StuAddr varchar(30),
Cla_ID char(10) ,
CONSTRAINT class_Cla_ID FOREIGN key(Cla_ID) REFERENCES class(Cla_ID)
);

關(guān)系模型的優(yōu)點(diǎn)：

• 建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)概念的基礎(chǔ)上
• 概念單一
• 關(guān)系模型的存取路徑對(duì)用戶透明

關(guān)系模型的缺點(diǎn) ：

• 存取路徑對(duì)用戶透明，查詢效率往往不如格式化數(shù)據(jù)模型
• 為提高性能，必須對(duì)用戶的查詢請(qǐng)求進(jìn)行優(yōu)化，增加了開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的難度

數(shù)據(jù)模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界存在的客觀對(duì)象進(jìn)行抽象認(rèn)識(shí)。

按照抽象的層次可分為：概念模型->數(shù)據(jù)模型（邏輯模型）->物理模型。
數(shù)據(jù)模型（邏輯模型）：層次模型，網(wǎng)狀模型，關(guān)系模型，面向?qū)ο竽Ｐ偷?，關(guān)系模型是我們最常用的一種數(shù)據(jù)模型

四、模式與映像

在上面我們了解了數(shù)據(jù)庫(kù)的工作壞境，應(yīng)用程序是通過DBMS來(lái)訪問數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)。

例如，圖書借閱系統(tǒng)。圖書采買管理系統(tǒng)中有圖書采買管理程序、圖書借閱程序管理程序等很多程序，他們是怎么DBMS進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問的？

4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的體系結(jié)構(gòu)

從數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用開發(fā)人員角度看，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通常采用三級(jí)模式結(jié)構(gòu)，是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)內(nèi)部的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從數(shù)據(jù)庫(kù)最終用戶角度看，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為:

4.2 模式（Schema）

模式（Schema）是數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是型的描述，不涉及具體值， 反映的是數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及其聯(lián)系。

4.3 三級(jí)模式

4.3.1 模式（邏輯模式）

模式也稱邏輯模式，是數(shù)據(jù)庫(kù)中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖，一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)只有一個(gè)模式 。簡(jiǎn)單點(diǎn)理解就是所有用戶的公共視圖（全局視圖），可以用數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言DDL來(lái)定義。

模式是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)的中間層 ，與數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)細(xì)節(jié)和硬件環(huán)境、應(yīng)用程序、開發(fā)工具及高級(jí)程序設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)。

模式的定義 ：

• 數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)項(xiàng)的名字、類型、取值范圍等）
• 數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系
• 數(shù)據(jù)有關(guān)的安全性、完整性要求

4.3.2 外模式（子模式或用戶模式）

數(shù)據(jù)庫(kù)用戶（包括應(yīng)用程序員和最終用戶）使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述。

數(shù)據(jù)庫(kù)用戶的數(shù)據(jù)視圖，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示，

用戶能看到的數(shù)據(jù)庫(kù)和視圖跟具體的程序或項(xiàng)目有關(guān)，可用DML來(lái)操作。

外模式的作用： 保證數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性

模式與外模式的關(guān)系： 一對(duì)多

• 外模式通常是模式的子集
• 一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可以有多個(gè)外模式
• 對(duì)模式中同一數(shù)據(jù)，在外模式中的結(jié)構(gòu)、類型、長(zhǎng)度、保密級(jí)別等都可以不同。

4.3.3 內(nèi)模式（也稱存儲(chǔ)模式）

內(nèi)模式是數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式的描述

是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部的表示方式

• 記錄的存儲(chǔ)方式（如順序存儲(chǔ)，按照B+樹結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，按hash方法存儲(chǔ)等）
• 索引的組織方式
• 數(shù)據(jù)是否壓縮存儲(chǔ)
• 數(shù)據(jù)是否加密
• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄結(jié)構(gòu)的規(guī)定。

簡(jiǎn)單而言內(nèi)模式對(duì)應(yīng)物理級(jí)，數(shù)據(jù)在物理介質(zhì)的存儲(chǔ)方式和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

4.4 二級(jí)映象

三級(jí)模式是對(duì)數(shù)據(jù)的三個(gè)抽象級(jí)別

二級(jí)映象在數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)這三個(gè)抽象層次的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換

• 外模式／模式映像
• 模式／內(nèi)模式映像

主要保證數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性

當(dāng)模式改變時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理員對(duì)外模式／模式映象作相應(yīng)改變，使外模式保持不變

應(yīng)用程序是依據(jù)數(shù)據(jù)的外模式編寫的，應(yīng)用程序不必修改，保證了數(shù)據(jù)與程序的邏輯獨(dú)立性，簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性

保證數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性

當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)改變了（例如選用了另一種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)），數(shù)據(jù)庫(kù)管理員修改模式／內(nèi)模式映象，使模式保持不變。

應(yīng)用程序不受影響。保證了數(shù)據(jù)與程序的物理獨(dú)立性，簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性

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