《系统架构设计师教程（第2版）》第6章-据库设计基础知识-01-数据库基本概念

本文主要是介绍《系统架构设计师教程（第2版）》第6章-据库设计基础知识-01-数据库基本概念，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1. 概述

1.1 基本概念

1）信息 (Information)

• 概念：
  • 是现实世界事物的存在方式或状态的反映
  • 是具有特定释义和意义的数据
• 自然属性：
  • 可感知
  • 可存储
  • 可加工
  • 可传递
  • 可再生等
• 信息的社会属性：是社会各行各业不可缺少的资源

2）数据 (Data)

• 数据
  • 概念：是信息的符号表示（即，描述事物的符号记录）
  • 表现形式：可以是文字、图形、图像、声音和语言等
• 数据处理：对各种数据进行收集、存储、加工和传播的一系列活动。
• 数据管理：对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护的活动。

3）数据库 (DB)

• 概念：是统一管理的、长期储存在计算机内的，有组织的相关数据的集合。
• 特点：
  • 是数据间联系密切
  • 冗余度小
  • 独立性较高
  • 易扩展
  • 可为各类用户共享

广义的讲，除了数据本身还包括了存储数据的各种物理设备

4）数据库系统(DBS)

• 概念：是一个采用了数据库技术，有组织地、动态地存储大量相关联数据，从而方便多用户访问的计算机系统。
• 和文件系统的区别
  • 数据的充分共享、交叉访问、与应用程序的高度独立性

广义上包括了数据库管理系统(DataBase Management System,DBMS)，其概念如下：

5）数据库管理系统（DBMS）

• 概述：
  • 是数据库系统的核心软件
  • 是一种解决如何科学地组织和储存数据，如何高效地获取和维护数据的系统软件
• 组成：
  • 一组相互关联的数据集合
  • 一组用以访问这些数据的软件
• 主要功能
  • 数据定义功能
  • 数据操纵功能
  • 数据库的运行管理
  • 数据库的建立与维护

1.2 数据库技术的发展

数据管理技术的发展经历了3个阶段：

1.2.1 人工管理阶段

• 早期状况：

  • 数据处理都是通过手工进行的
  • 当时的计算机主要用于科学计算
  • 计算机上没有专门管理数据的软件
  • 计算机上没有诸如磁盘之类的设备来存储数据

• 该阶段数据处理的特点：

  • 数据量较少

    数据和程序一一对应，即一组数据对应一个程序，数据面向应用，独立性很差。

  • 数据不保存

  • 没有软件系统对数据进行管理

• 缺点。

  • 应用程序与数据之间的依赖性太强，不相互独立
  • 数据组和数据组之间可能有许多重复数据，造成数据冗余

1.2.2 文件系统阶段

1）概述

• 大容量的磁盘等辅助存储设备出现
• 专门管理辅助存储设备上数据的文件系统应运而生
  • 按一定的规则将数据组织成为一个文件
  • 应用程序通过文件系统对文件中的数据进行存取和加工

2） 数据管理的特点

• 数据可以长期保留
• 数据的逻辑结构和物理结构有了区别

  程序可以按照文件名称访问文件，不必关心数据的物理位置，由文件系统提供存取方法。

• 应用程序和数据不再直接对应

  数据不属于某个特定的应用，数据可以重复使用

• 文件组织形式的多样化

  有索引文件、链接文件和Hash文件等。但文件之间没有联系，相互独立，数据间的联系要通过程序去构造。

3）缺点

文件系统具有如下缺点。

• 数据冗余 (Data Redundancy)。

  文件与应用程序密切相关，相同的数据集合在不同的应用程序中使用时，经常需要重复定义、重复存储，数据冗余度大。

• 数据不一致性 (Data Inconsistency)

  由于相同数据的重复存储，单独管理，同样的数据可能存在于多个不同的文件中，给数据的修改和维护带来难度，容易造成数据的不一致。

• 数据孤立 (Data Isolation)

  即数据联系弱。由于数据分散在不同的文件中，而这些文件可能具有不同的文件格式，文件之间是孤立的，所以从整体上看文件之间没有反映现实世界事物之间的内在联系，因此很难对数据进行合理的组织以适应不同应用的需要。

1.2.3 数据库系统阶段

1） 数据管理的特点

数据库系统阶段数据管理的特点如下：

• 采用复杂的数据模型表示数据结构

  • 数据模型不仅描述数据本身的特点，还描述数据之间的联系
  • 数据不再面向某个应用，而是面向整个应用系统
  • 数据冗余明显减少，实现了数据共享

• 有较高的数据独立性

  • 数据库是一种更高级的组织形式
  • 由DBMS 负责数据的存取

    DBMS把所有应用程序中使用的数据以及数据间的联系汇集在一起，以便于应用程序查询和使用。

2）相对文件系统的特性

数据库系统相对于文件系统的特性：

• 对应用程序的高度独立性

  数据库对数据的存储是按照同一种数据结构进行的，不同的应用程序都可以直接操作这些数据

• 数据的充分共享性

  数据库系统对数据的完整性、一致性和安全性都提供了一套有效的管理手段()。

• 操作方便性

  数据库系统还提供管理和控制数据的各种简单操作命令，容易掌握，使用户编写程序简单

2. 数据模型

2.1 三要素

数据模型的三要素：

• 数据结构：对象类型的集合，是对系统静态特性的描述。
• 数据操作。对数据库中各种对象的实例允许执行的操作集合，包括操作及操作规则。如操作有检索、插入、删除和修改，操作规则有优先级等。数据操作是对系统动态特性的描述。
• 数据的约束条件
  • 是一组完整性规则的集合
  • 是具体的应用数据所必须遵循的特定语义的约束条件
  • 作用：保证数据的正确、有效和相容

2.2 数据模型类型

按照不同的数据模型，可以将数据库的发展历史分为3个阶段：

1）层次和网状数据库系统

• 层次模型：
  • 概念：采用树形结构表示数据与数据间的联系
    • 每个结点表示一个记录类型(实体)
    • 记录之间的联系用结点之间的连线表示
  • 限制：根结点以外的其他结点有且仅有一个双亲结点

    上层和下一层类型的联系是1: n 联系(包括1:1)

• 网络结构：
  • 表示数据间联系的数据模型
  • 没有层次模型的限制：
    • 允许一个以上的结点无双亲
    • 允许一个结点有多个双亲
  • 表示多对多关心需要引入联结记录
• 二者共同点：
  • 支持三级模式的体系结构（后边对三级结构有介绍）
  • 用存取路径来表示数据之间的联系
  • 独立的数据定义语言
  • 导航的数据操纵语言

2）关系数据库系统

• 概述：
  • 关系：是一个实例，也是一张表，对应于程序设计语言中变量的概念
  • 关系模式：相当于一个记录型，对应于程序设计语言中类型定义的概念
  • 关系模型(Relation Model) ：由若干个关系模式组成的集合
• 关系数据库系统
  • 采用关系模型作为数据的组织方式
  • 用表格结构表达实体集以及实体集之间的联系
  • 特色：描述的一致性
• 优点
  • 比网状、层次模型更为简单灵活

3）第三代数据库系统

• 新的数据模型：如面向对象模型、语义数据模型、 XML 数据模型、半结构化数据模型等
• No SQL

没有什么要记的

3. 数据库管理系统（DBMS）

实现了对共享数据有效地组织、管理和存取

3.1 DBMS功能

DBMS提供如下功能：

1）数据定义

• 数据定义语言 (Data Definition Language)：对数据库的结构进行描述
• 内容包括：
  • 外模式、模式和内模式的定义
  • 数据库的完整性定义
  • 安全保密定义（如口令、级别和存取权限）
• 这些定义存储在数据字典中，是 DBMS 运行的基本依据。

2）数据库操作

• 数据操纵语言 (Data Manipulation Language)
• 作用：实现对数据库中数据的基本操作（如检索、插入、修改和删除）

3）数据库运行管理

• 內容包括：
  • 多用户环境下的并发控制
  • 安全性检查和存取控制
  • 完整性检查和执行
  • 运行日志的组织管理
  • 事务管理
  • 自动恢复等
• 作用：保证数据库系统的正常运行

4）数据组织、存储和管理

• 基本目标：提高存储空间的利用率
• 管理对象包括：数据字典、用户数据、存取路径等

5）数据库的建立和维护

• 内容包括：
  • 数据库的初始建立
  • 数据的转换
  • 数据库的转储和恢复
  • 数据库的重组和重构
  • 性能监测和分析等。

6）其他功能

如：

• DBMS 与网络中其他软件系统的通信功能
• 一个DBMS 与另一个 DBMS或文件系统的数据转换功能

3.2 DBMS 的特点

通过 DBMS来管理数据具有如下特点：

1）数据结构化且统一管理

• 采用数据模型表示数据结构
  • 描述数据本身的特点
  • 描述数据之间的联系
• 数据面向整个企业内的所有应用（而不再面向某个应用），真正实现了数据的共享
• 数据易维护、易扩展，数据冗余明显减少

2）有较高的数据独立性

• 数据的独立性：
  • 概念：指数据与程序独立
  • 包括：数据的物理独立性和数据的逻辑独立性
• 优点：
  • 应用程序关心的只是数据的逻辑结构，无须了解数据在磁盘上的存储形式，从而简化应用程序，大大减少应用程序编制的工作量

3）数据控制功能

包括以下方面的控制：

• 数据库的安全性 (Security)

  保护数据库以防止不合法的使用所造成的数据泄露、更改或破坏。

• 数据的完整性 (Integrality)

  • 概念：是指数据库正确性和相容性
  • 作用：是防止合法用户使用数据库时向数据库加入不符合语义的数据

• 并发控制 (concurrency control)

  • 概念：是指在多用户共享的系统中，许多用户可能同时对同一数据进行操作
  • 作用：协调并发事务的执行，保证数据库的完整性不受破坏

• 故障恢复 (recovery from failure)

  • 常见故障：事务内部故障、系统故障、介质故障、计算机病毒等
  • 概念：主要是指恢复数据库本身，即将数据库恢复到某个正确状态或一致状态
  • 恢复原理：建立冗余 (redundancy) 数据

4. 数据库三级模式

• 作用：对用户屏蔽系统的复杂性，简化用户与系统的交互
  

4.1 视图层 (View Level)

• 概念：
  • 最高层次的抽象
  • 描述整个数据库的某个部分的数据
• 意义：通过构建视图层来实现用户关新，不仅使用户与系统交互简化，而且还可以保证数据的保密性和安全性。

4.2 逻辑层 (Logical Level)

• 概念：
  • 比物理层更高一层的抽象
  • 描述数据库中存储的数据以及这些数据间存在的关系
• 逻辑层抽象是数据库管理员的职责，管理员确定数据库应保存哪些信息

4.3 物理层 (Physical Level)

• 概念：
  • 是最低层次的抽象
  • 描述数据在存储器中是如何存储的
• 作用：物理层详细地描述复杂的底层结构

5. 管理角度的三级模式

• 数据库按外模式的描述提供给用户
• 数据库按内模式的描述存储在磁盘上
• 概念模式提供了连接这两极模式的相对稳定的中间观点，并使得两级的任意一级的改变都不受另一级的牵制。

5.1 外模式

• 概述：
  • 也称用户模式或子模式
  • 是用户需要使用的部分数据的描述
• 用户对数据库的操作：
  • 外部模式由若干个外部记录类型组成
  • 用户使用数据操纵语言对数据库进行操作，实际上是对外模式的外部记录进行操作。

5.2 概念模式

• 概述：
  • 是数据库中全部数据的逻辑结构和特征的描述
  • 由若干个概念记录类型组成，描述概念记录类型，不涉及具体的值
    • 概念记录类型：记录间的联系、操作、数据的完整性和安全性等要求
    • 不涉及存储结构、访问技术等细节
• 实例：
  • 概念模式的一个具体值称为模式的一个实例
  • 同一个模式可以有很多实例
• 概念模式和实例
  • 概念模式：反映的是数据库的结构及其联系，是相对稳定的
  • 实例：反映的是数据库某一时刻的状态，是相对变动的

5.3 内模式

• 概述
  • 也称存储模式
  • 是数据物理结构和存储方式的描述
  • 是数据在数据库内部的表示方式
• 定义所有的内部记录类型、索引和文件的组织方式，以及数据控制方面的细节

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