《电子商务技术基础教程》-岑雄鹰-电子教案 第七章 数据库技术

第7章 数据库技术,主讲人：岑雄鹰 信息科学与工程学院,概述,当人们收集了大量的数据后，需要将它们保存起来做进一步的处理，以便在需要的时候能随时提取有用的信息。最初人们把数据存放在文件柜中，可随着业务的发展，数据量急剧增长，人们就借助计算机和数据库技术来保存大量的数据，以便能更好地利用这些信息资源。 数据库，顾名思义，是指储存和管理数据的仓库。只不过这个仓库是在计算机存储设备上的，而且数据是按一定格式进行组织和存取的。 数据库类型包含层次数据库、网状数据库、关系数据库、面向对象数据库以及新兴的可扩展标记语言（Extensible Markup Language，XML）数据库，目前应用最广泛的是关系数据库。,7.1 数据库与数据库基本理论,7.1.1 数据库技术的产生与发展 1手工管理阶段 20世纪50年代中期以前，计算机主要用于科学计算。数据的组织和管理完全靠程序员手工完成，因此这段时期的数据管理称为手工管理阶段，这一时期数据的管理效率很低。,图7-l 文件系统阶段数据管理示意图,2文件系统阶段 文件系统阶段数据与应用程序间的关系如图7-1所示。,文件系统阶段数据管理的特点是：计算机技术有了很大的发展，开始广泛应用于信息处理；存储设备有了磁盘、磁鼓等可直接存取的设备；计算机有了操作系统，包括文件管理系统，用户可将数据组织成文件体交给系统进行自动管理；数据可长期保存在磁盘等存储设备上；程序和数据有了一定的独立性，且文件有多种形式的组织结构：顺序、链接、索引、直接。 3数据库系统阶段 从60年代后期开始，为了满足管理和共享数据的需要，软件上，有了专门管理数据的数据库管理系统，它对用户所有数据实行集中统一的管理、操作和维护。数据与应用程序间的关系如图7-2所示。,图7-2 数据库系统阶段数据管理示意图,4数据仓库阶段 数据仓库是一种帮助企业作科学决策的体系化解决方案，它包括了三方面的技术：数据仓库技术（DW）、联机分析处理技术（OLAP）和数据挖掘技术(DM)，它的应用大大提高了信息的商业价值。,7.1.2 数据库的基本理论,1数据模型 （1）有关概念 模型是对客观事物、现象、过程或系统的简化描述。所有的数据库系统都需要为它所要描述的世界建立了模型。数据模型描述了组织数据的框架结构，它描述了一个企业中的数据、数据之间的关系，以及对数据约束的一组完整的概念。 （2）数据模型的三要素 数据结构 数据操作 数据的完整性约束,2数据模型的种类 数据模型可分为两种类型。一种是独立于计算机系统的数据模型，即概念模型，另一种则是涉及到计算机系统和数据库管理系统的数据模型。 （1）概念模型与E-R方法 概念模型（Conceptual Data Model，CDM）是一种面向现实世界建模的工具，主要用来描述现实世界的概念化结构，CDM是按用户的观点对数据进行建模，与具体的DBMS无关，是对现实世界的第一层抽象，是用户与数据库设计人员进行交流的工具。,（2）结构数据模型 数据库中不仅要存放数据本身，还要存放数据间的联系，可用不同的方法表示数据与数据之间的联系。实际数据库中所支持的数据模型主要有层次模型、网状模型和关系模型和面向对象的数据模型，它们是按计算机系统的观点对数据建模，这类模型直接与数据库管理系统有关。,层次模型（Hierarchical Model） 层次模型是数据库系统最早的一类数据模型，它描述了数据之间的层次关系。在层次模型中，数据存在一对一或一对多的关系。它的结构就像一棵倒挂的树，如图7-4所示。,图7-4 层次模型的一个实例,网状模型（Network Model） 用有向图结构来表示实体之间联系的数据模型称为网状模型。在网状模型中，数据之间的关系满足以下两个特点：允许有一个以上的结点无父结点；允许一个结点可以有多个父结点。 网状模型由于没有层次模型对结点的限制，所以可以直接表示多对多的联系，如图7-5所示。,图7-5 网状模型的一个实例,关系模型（Relational Model） 用关系表示实体和实体之间联系的模型称为关系模型。关系就是一张二维表格，表格中的每一行称作元组，它相当于一个记录值，每一列是一个属性值，列可以命名，称为属性名。这里的属性与前面提到实体的属性意义相当。由此可见，关系是元组的集合，如果表格有n列，则称该关系是n元关系。,7.1.3 .数据库系统,数据库、数据库管理系统和数据库系统是三个不同的概念，数据库强调数据，数据库管理系统强调系统管理工具，而数据库系统强调数据库的整个运行环境。 1数据库的三级体系结构 实际的数据库系统产品多种多样，它们支持不同的数据模型，使用不同的数据库语言，运行在不同的DBMS之上，但是，大多数数据库系统的体系结构基本是一致的，都具有三级模式结构特征。,数据库的体系结构分成三级：外模式、模式和内模式，如图7-6所示,图7-6 数据库的三级模式结构,内模式（Internal Schema）也称为存储模式，是数据在数据库系统的内部表示，即对数据的物理结构和存储方式的描述，是一种低级描述，一般由DBMS提供的语言或工具完成。要修改数据库的存储结构，如采用倒排文件代替多链表来表示数据的存储结构，只需要把这些变化反映在存储模式中就可以实现。人们不必关心内模式的具体技术实现，通常是从一般组织的观点（即概念模式）或用户的观点（外模式）来描述数据库的结构，但必须意识到基本的内模式和存储数据库的存在。 模式（Schema）也称为逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特性的描述，是所有用户的公共数据视图。DBMS提供数据定义语言DDL来描述逻辑模式，严格定义数据的名称、特征、相互关系以及约束等内容。 外模式（External Schema）也称为用户模式或视图，是模式的一个子集，是与某一应用相关的数据的逻辑表示。不同用户有不同的应用需求，看待数据的方式、对数据保密的要求以及使用的程序设计语言都可以不同，因此不同用户对外模式的描述可以是不同的。,2数据库管理系统 数据库管理系统(DataBase Management System，DBMS)是一种操纵和管理数据库的系统软件。它对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。用户通过DBMS访问数据库中的数据，数据库管理员也通过DBMS进行数据库的维护工作。它提供多种功能，帮助应用程序和用户去建立、修改和查询数据库。,一个数据库管理系统的主要功能有以下六个方面： （1）模式翻译 （2）应用程序的编译 （3）交互式查询 （4）数据的组织与存取 （5）事务运行管理 （6）数据库的维护,7.1.4 关系数据库,1关系模型的基本概念 关系数据库是以关系模型为基础的数据库，它使用关系来描述现实世界，应用数学方法来处理数据。关系模型有三个重要组成部分：数据结构、数据操纵和数据完整性规则。 （1）数据结构 （2）数据操纵 （3）数据完整性规则,（1）SQL的概念 结构化查询语言（SQL）是Structured Query Language的英文缩写。SQL是对数据库中的数据进行操纵的工具，是关系数据库产品事实上的标准语言。 （2）SQL的功能和使用方式 查询是设计SQL的最初目的，SQL不仅是关系数据库的通用查询工具，它也用于对数据库的管理和定义。,3关系数据库的规范化理论 关系数据库是由一组关系构成的，针对一个实际当中的具体问题，如何构造适合于该应用的关系模式，即应该构造几个关系，每个关系由哪些属性组成，这是关系数据库逻辑设计的问题，它是以关系数据库的规范化理论为基础的。,（1）数据依赖 关系中数据项之间主要存在以下两种依赖关系： 函数信赖 设R(U)是属性集U上的关系模式，X，Y是U的子集。若对于R(U)的任意一个可能的关系r，r中不可能存在两个元组在X上的属性值相等，而在Y上的属性值不等，则称X函数决定Y或Y函数信赖于X，记为XY.。 多值信赖 在一个给定的关系模式中，若结定属性X，有一组属性值Y与之对应，则称X多值决定Y或Y多值依赖于X，记为XY。例如在学生选课关系中，一个学生可选修多门课程，若给定一个学号，则可得到多个该学生选修的课程，则称“课程”属性多值依赖于“学号”属性。,（2）范式 第一范式（1NF） 如果关系R的所有属性都是不可再分的最小数据项，则称该关系属于第一范式，记作R1NF。第一范式是数据库中的所有关系模式都应满足的基本要求。 第二范式（2NF） 若R1NF，且每一非主属性完全函数依赖于码，则R2NF。 很显然，所有单属性关键字的关系模式都是2NF的关系模式。复合关键字（即关键字由多个属性构成）组成的关系模式如果存在非主属性对关键字的部分依赖，则不满足2NF要求，需要将关系模式进行正确分解才能使分解后的关系模式满足2NF条件。 第三范式（3NF） 若R1NF，并且所有非主属性都不传递依赖于R的关键字，则R3NF。若关系模式中存在非主属性对关键字的传递依赖，则该关系模式就不满足3NF的条件。 BCNF范式（BCNF） 若R1NF，且每个属性都不传递依赖于R的候选健，则记作：RBCNF。 第四范式（4NF） 若R1NF，关系R的每个 XY都是非平凡（Y不是X的子集）的多值依赖，且X都是R的超键，则称R是第四范式的关系模式，记作：R4NF。,范式的级别越高，其发生数据冗余和操作异常的可能就越少。一般，高级别范式一定满足较低级别范式的条件，反之则不然。各级范式之间的关系如图7-7所示：,图7-7 各级别范式间的关系,7.1.5 面向对象数据库,面向对象是一种认识方法学，也是一种新的程序设计方法。把面向对象的方法和数据库技术结合起来可以使数据库系统的分析、设计最大程度地与人们对客观世界的认识相一致。面向对象数据库系统是为了满足新的数据库应用需要而产生的新一代数据库系统。,1面向对象技术的引入 在数据库中使用面向对象技术是为了满足特定应用的需要。随着面向对象技术的发展和成熟，面向对象思想逐渐延伸到其它涉及复杂数据的应用领域，包括辅助软件工程（CASE）、计算机辅助印刷（CAP）和材料需求计划（MRP），这些应用在程序设计方面都属于数据密集型系统。另外，许多应用需要使用多媒体数据，要求能以集成方式处理数据。 2面向对象数据库的特性和优点 面向对象数据库将面向对象的能力赋予了数据库设计人员和数据库应用开发人员，从而扩展了数据库系统的应用领域，提高了开发人员的工作效率和应用系统的质量。,面向对象数据库与传统数据模型相比具有如下几方面的优点： （1）面向对象数据库对数据语义的扩展更广。 （2）面向对象技术强调与数据相关的软件的组织 （3）面向对象数据库在功能方面与关系数据库有很大 区别 （4）面向对象数据库是一种主动型数据库，而关系数据库则是被动型的数据库。 （5）面向对象数据库引入的抽象、扩充类型定义、用户自定义操作以及支持模型演化等概念和功能，消除了传统数据库对数据定义的一致性，提供了更多丰富的语义。,3面向对象数据库面临的问题与对策 （1）面向对象数据库的性能改善必须加强。 （2）要大力加强面向对象数据库的应用开发工具的研制和推广。 （3）视图、演绎能力、语义建模也是未来面向对象数据库应具备的特征。 （4）标准化和形式化是面向对象数据库系统研究和发展的一个重要方向。 （5）加强面向对象数据库技术与关系数据库技术相互融合性方面的研究。,7.1.6 数据库应用系统的建设,1应用系统的开发 （1）结构化生命周期法 结构化生命周期法是一种基于软件工程思想的信息系统建设方法 （2）快速原型法 快速原型法是为了克服结构化生命周期法的缺陷应运而生的一种系统建设方法。 （3）面向对象方法 面向对象方法的思想源于面向对象程序设计，是从现实世界抽象出对象及发生在对象上的事件，从而建立起数据和处理操作之间的联系。,2数据库的设计 目前，数据库的设计主要采用以概念设计和逻辑设计为核心的规范化设计方法，其中概念设计主要是建立反映