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01. 绪论：核心概念

一、引言：数据库系统概述​

本课程主要学习数据库系统的基本概念、原理和应用，特别是关系型数据库系统。

1.1 什么是数据库（Database）？​

一个非常庞大、集成的数据集合。它建模了真实的企业实体（Entities，如学生、课程）及其关系（Relationships，如选课）。

1.2 什么是数据库管理系统（DBMS）？​

一个旨在存储和管理数据库的软件包（Software Package）。

1.3 为什么使用DBMS？（考试重点）​

使用DBMS相比直接使用文件系统具有显著优势：

  • 数据独立性（Data Independence）和高效访问：应用程序与数据结构和存储方式解耦。
  • 减少应用开发时间（Reduced Application Development Time）。
  • 数据完整性（Data Integrity）和安全性（Security）。
  • 统一数据管理（Uniform Data Administration）。
  • 并发访问（Concurrent Access），支持多用户同时操作。
  • 从崩溃中恢复（Recovery from Crashes）。

1.4 为什么学习数据库？​

  • 从“计算”转向“信息”：数据量和多样性爆炸式增长。
  • DBMS涵盖了计算机科学的诸多领域，如操作系统、语言、理论、人工智能、多媒体、逻辑等。

二、数据、数据模型与数据模式​

2.1 数据（Data）​

描述现实世界事物的符号，是信息的现有形式。

2.2 数据模型（Data Model）​

用于描述数据的一系列概念和定义。

2.3 数据模式（Schema）​

使用给定数据模型对特定数据集合的描述。

  • 关系模型（Relational Model）：目前最广泛使用的数据模型。
    • 核心概念：关系（Relation），本质上是一个带有行和列的表。
    • 每个关系都有一个模式，描述其列或字段。

2.4 抽象级别（Levels of Abstraction）（考试重点）​

数据库系统通过多层抽象来管理数据，实现数据独立性。

  • 视图（Views）：描述用户如何看待数据。
  • 概念模式（Conceptual Schema）：定义逻辑结构。
  • 物理模式（Physical Schema）：描述使用的文件和索引。
  • 模式定义使用数据定义语言（DDL），数据修改/查询使用数据操作语言（DML）。

示例：大学数据库

  • 概念模式：
    • 学生（sid: string, name: string, login: string, age: integer, gpa:real）
    • 课程（cid: string, cname: string, credits:integer）
    • 选课（sid: string, cid: string, grade:integer）
  • 物理模式：
    • 关系存储为无序文件。
    • 学生表的第一列有索引。
  • 外部模式（视图）：
    • 课程信息（cid: string, enrollment:integer）

2.5 数据独立性（Data Independence）（考试重点）​

应用程序与数据结构和存储方式的解耦。这是使用DBMS最重要的好处之一。

  • 逻辑数据独立性（Logical Data Independence）：保护应用程序不受数据逻辑结构变化的影响。
  • 物理数据独立性（Physical Data Independence）：保护应用程序不受数据物理存储结构变化的影响。

三、数据库技术发展与分类​

3.1 按数据模型发展分类​

  • 无管理阶段（1960年前）：科学计算。
  • 文件系统阶段：简单数据管理。
  • DBMS出现：
    • 1964年：第一个DBMS（美国）IDS，网络模型（Network Model）。
    • 1969年：IBM第一个商用DBMS，层次模型（Hierarchical Model）。
    • 1970年：E.F.Codd提出关系数据模型（Relational Data Model）。
    • 其他数据模型：面向对象模型（Object-Oriented Model）、演绎模型（Deductive Model）、ER模型（ER Model）等。

3.2 按DBMS架构发展分类​

  • 集中式数据库系统（Centralized Database Systems）。
  • 并行数据库系统（Parallel Database Systems）。
  • 分布式数据库系统（Distributed Database Systems）和联邦数据库系统（Federated Database Systems）。
  • 移动数据库系统（Mobile Database Systems）。

3.3 按基于数据库的应用系统架构发展分类​

  • 集中式结构：主机+终端。
  • 分布式结构。
  • 客户端/服务器结构（Client/Server Structure）。
  • 三层/多层结构（Three-tier/Multi-tier Structure）。
  • 移动计算（Mobile Computing）。
  • 网格计算（Grid Computing）/ 云计算（Cloud Computing）。

3.4 按应用领域扩展分类​

  • 联机事务处理（OLTP）。
  • 工程数据库（Engineering Database）。
  • 演绎数据库（Deductive Database）。
  • 多媒体数据库（Multimedia Database）。
  • 时态数据库（Temporal Database）。
  • 空间数据库（Spatial Database）。
  • 数据仓库（Data Warehouse）、联机分析处理（OLAP）、数据挖掘（Data Mining）。
  • 知识管理（Knowledge Management）。

四、数据库系统组成与生命周期​

4.1 数据库系统组成​

应用程序（Applications）+ DBMS + 数据库（Database）+ 数据库管理员（DBA）。 其中，DBMS是数据库系统的核心。

DBMS核心功能：

  • 高级用户接口。
  • 查询处理和优化。
  • 目录管理。
  • 并发控制和恢复。
  • 完整性约束检查。
  • 访问控制。

4.2 数据库系统生命周期​

  1. 数据库系统规划。
  2. 数据库设计：信息需求、过程需求、数据模式、DBMS特性、硬件/操作系统特性。
  3. 数据库建立和加载。
  4. 数据库运行、管理和维护。
  5. 数据库扩展和重构。