数据库系统管理理论

第一章数据库系统概论

本章目的在于使读者对数据库系统的差不多知识能有一个较为全面的了解，为今后的学习和工作打下基础。本章重点介绍了有关数据库结构和数据库系统组织的差不多知识和差不多概念，以及常见的三种类型的数据库系统的特点。重点介绍关系数据库的有关知识。

1.1 数据治理技术进展史

随着生产力的不断进展，社会的不断进步，人类对信息的依靠程度也在不断地增加。数据作为表达信息的一种量化符号，正在成为人们处理信息时重要的操作对象。所谓数据处理确实是对数据的收集、整理、存储、分类、排序、检索、维护、加工、统计和传输等一系列工作全部过程的概述。数据处理的目的确实是使我们能够从浩瀚的信息数据海洋中，提取出有用的数据信息，作为我们工作、生活等各方面的决策依据。数据治理则是指对数据的组织、编码、分类、存储、检索和维

护，它是数据处理的一个重要内容中心。数据处理工作由来以久，早在1880年美国进行人口普查统计时，就已采纳穿孔卡片来存储人口普查数据，并采纳机械设备来完成对这些普查数据所进行的处理工作。电子计算机的出现以及其后其硬件、软件的迅速进展，加之数据库理论和技术的进展，为数据治理进入一个革命性时期提供有力的支持。依照数据和应用程序相互依靠关系、数据共享以及数据的操作方式，数据治理的进展能够分为三个具有代表性的时期，即人工治理时期、文件治理时期和数据库治理时期。

【1】人工治理时期

这一时期发生于六十年代往常，由于当时计算机硬件和软件进展才刚刚起步，数据治理中全部工作，都必须要由应用程序员自己设计程序完成去完成。由于需要与计算机硬件以及各外部存储设备和输入输出设备直接打交道，程序员们常常需要编制大量重复的数据治理差不多程序。数据的逻辑组织与它的物理组织差不多上是相同的，因此当数据的逻辑组织、物理组织或存储设备发生变化时，进行数据治理工作的许多应用程序就必须要进行重新编制。如此就给数据治理的维护工作带来许多困难。同时由于一组数据常常只对应于一种应用程序，因此

专门难实现多个不同应用程序间的数据资源共享。存在着大量重复数据，信息资源白费严峻。

【2】文件治理时期

这一时期发生于六十年代，由于当时计算机硬件的进展，以及系统软件尤其是文件系统的出现和进展，人们开始利用文件系统来关心完成数据治理工作，具体讲确实是：数据以多种组织结构（如顺序文件组织、索引文件文件组织和直接存取文件组织等）的文件形式保存在外部存储设备上，用户通过文件系统而无需直接与外部设备打交道，以此来完成数据的修改、插入、删除、检索等治理操作；使用这种治理方式，不仅减轻进行数据治理的应用程序工作量，更重要地是，当数据的物理组织或存储设备发生变化时，数据的逻辑组织能够不受任何阻碍，从而保证了基于数据逻辑组织所编制的应用程序也能够不受硬件设备变化的阻碍。如此就使得程序和数据之间具有了一定的相互独立性。

但由于数据文件的逻辑结构完全是依照顾用程序的具体要求而设计，它的治理与维护完全是由应用程序本身来完成，因此数据文件的逻辑结构与应用程序紧密相关，当数据的逻辑结构需要修改时，应用程序也就不可幸免地需要进行修改；同样当应用程序需要进行变动时，常常又会要求数据的逻辑结构进

行相应的变动。在这种情况下，数据治理中的维护工作量也是较大的。更要紧的是由于采纳文件的形式来进行数据治理工作，常常需要将一个完整的、相互关联的数据集合，人为地分割成若干相互独立的文件，以便通过基于文件系统的编程来实现来对它们的治理操作。如此做同样会导致数据的过多冗余和增加数据维护工作的复杂性。例如人事部门、教务部门和医务部门对学生数据信息的治理，这三个部门中有许多数据是相同的，如姓名、年龄、性不等，由因此各部门均是依照自己的要求，建立各自的数据文件和应用程序，如此不仅造成了大量的相同数据重复存储，而且在修改时，常常需要同时修改三个文件中的数据项，如修改学生年龄，此外若需要增加一个描述学生的数据项，如通讯地址，那么所有的应用程序就必须都要进行相应的修改。除此之外，采纳文件系统来关心进行数据治理工作，在数据的安全和保密等方面，也难以采取有效的措施加以操纵。

【3】数据库治理时期

1在不断改进和完善文件系统的过程中，从六十年代后期开始，人们逐步研究和进展了以数据的统一治理和数据共享为要紧特征的数据库系统。即在数据在统一操纵之下，为尽可能多的应用和用户服务，数据库中的数据组织结构与数据库的应用

程序相互间有较大的相对独立性等。与以往前数据治理方法和技术相比，利用数据库系统来进行数据治理工作具有以下三个显著特点：

（1）从整体角度组织数据

数据库系统与文件系统的最大差不就在于前者在描述数据时，不仅仅是对数据本身进行描述，而且对数据之间的相互联系也进行了描述。因此在组织数据时是从一个相对较高的整体角度进行的，而不是仅仅局限于个不的数据治理应用场合。如前面提到的人事部门、教务部门和医务部门对学生数据的治理工作，在利用数据库系统来进行治理时，若从整体考虑，其数据的组织结构如图1.1所示。

学生信息数据公用部分

人事部门学生数据专用部分教务部门学生数据专用部分医务部门学生数据专用部分

图1.1 学生信息数据组织结构

采纳这种数据组织不仅能够有效地解决了文件系统的数据组织中所存在的数据冗余以及数据一致性维护的问题。更要紧的是它能够使人们从更高的全局角度动身，合理地组织数据，从而有利于更大范围内的数据资源的共享，提高信息的使用效率。

（2）数据可为多个应用服务

正因为数据库中的数据是从整体角度进行组织的，因此，数据库中所存储的数据往往就不仅局限于只为一二个应用提供服务，而是在更大范围内为仅可能多的应用提供服务，如图1.1所示的一个数据库中所存储的数据，就至少能够为三个部门的应用提供服务。而实际上如图1.1所示的数据组织结构仅仅只是一个学校数据治理数据库中的一小部分。与此同时由于数据库系统是以多级（层）组织模式对数据进行组织的，各级（层）模式之间的映射是由数据库系统自己完成的，这就使得数据与程序之间能够具有较高的物理和逻辑相对独立性。正是这一点，给数据库中的数据为多个应用提供服务奠定了基础。事实上数据库的规模越大，所能够提供的应用服务就能够越多，也就越能体现出数据库在数据治理中的优势。因此这只是相对而言，随着数据库中数据规模的扩大，数据库应用系统的制作和维护的工作也在迅速增加。

（3）有一个数据库系统的治理软件

任何数据库系统都包含一个治理软件，即数据库系统的治理软件，通常又称为数据库治理系统，它负责统一治理数据库系统中所有数据资源，是数据库系统与用户应用之间的接口，通过它，用户能够不必要了解过多的计算机硬件、软件和数据

库本身许多专业知识，更不用去了解数据库系统是如何完成数据治理工作的具体细节，如文件如何打开、关闭、读、写等等，就能够通过编写一些较为简单数据库应用程序，专门方便地完成在较高级不逻辑组织基础上的数据治理工作。除此之外，数据库治理系统还负责完成在对数据库进行并发访问时，保证数据一致性的并发操纵工作；保证数据安全性的访问操纵工作；以及在数据库系统出现故障时，提供保证数据一致性和完整性的恢复机制等诸多数据库系统本身的各种治理操纵工作。因此那个地点也能够看出，数据库治理系统功能的强弱及其各项性能指标的好坏，是衡量数据库系统质量的一个极其重要的因素。

利用数据库系统进行数据治理工作，不仅能够保证数据的物理组织结构和存储设备与数据库应用程序之间保持相互独立性；同时也能够保证数据的逻辑组织结构与数据库应用程序之间保持最大可能的相互独立性，即当数据的逻辑组织结构发生变化时，数据库应用程序的变动被限制在最小的范围内。由此可大大地减少数据库应用程序的开发与维护的工作量。

在数据库治理时期，依照数据库系统本身所支持的数据模型的特点及所采纳的相应数据库系统技术，能够认为数据库治

理到目前为止已进展经历了三代，即层次网状模型代、关系模型代和面向对象模型代。

（1）层次网状模型代:流行于六十至七十年代，在这一代中的数据库系统所支持的数据模型均是层次模型或网状模型。世界上第一个数据库系统是于1964年由美国通用电气公司开发成功的IDS（Integrated Data Store），它确实是基于网状模型的数据库系统。IBM公司于六十年代末推出了第一个商品化的层次数据库系统IMS（Information Management Sytem）,它们的出现与应用为数据库技术的进展奠定了基础。

（2）关系模型代:流行于七十至八十年代，在这一代中的数据库系统所支持的数据的数据模型均是关系模型。以关系（表）形式组织数据。1970年Codd提出了关系数据模型，由于其具有严格的数学基础，抽象级不较高，且简单清晰，便于理解应用。到了七十年代末，出现了许多关系数据库系统，其中具有代表性应首推IBM公司推出的SQL/DS和DB2两个商品化关系数据库系统。进行八十年代以后，关系数据库系统已成为数据库系统进展的主流，几乎所有新推出的数据库系统产品差不多上关系型的，它们中不仅有用于大型机和小型机数据库产品，而且有可用于微机的数据库产品。市场上开始出现关系数据库的系列产品，这其中发行量较大且在我国用得较多的有

Oracle、Sybase、Sysbase、Informix、FoxPro等。随着微机和计算机网络的广泛普及和应用，分布式数据库系统在八十年代后期，开始得到专门大进展。其理论和技术日趋成熟。目前几乎所有分布式数据库系统均是关系型的，而且几乎所有要紧关系数据库系统均已被扩充为分布式数据库系统。

（3）面向对象代:开始九十年代，在这一代中的数据库系统支持面向对象的数据模型。它是数据库技术与面向对象程序设计方法相结合的产物。作为新一代数据库系统，现在已有了一些商品化系统。但其具体应用尚不多。

1.2 数据库系统

本节要紧介绍有关数据库结构和数据库系统组织的一些差不多知识和概念，使读者对数据库系统的内涵有一个较为清晰的认识。

1.2.1 数据库系统概念

由于数据库系统是一个由许多差不多概念、技术方法和其应用对象所组成的复杂的有机整体。专门难用一两句话将其描

述清晰。但为了使读者对它有一个总体的了解，首先那个地点我们试着给出一个关于数据库系统的定义，即数据库系统中的数据库是一个已被规格化和结构化且相互关联的数据集合，这些数据中不存在有害的或无意义的冗余；数据的组织与存储结构与使用这些数据的程序相互独立；数据库中的数据可同时为多个应用服务；数据库中的数据定义、输入、修改和检索等所有操作均是按一种公用的且可控的方式进行。依照这一数据库定义以及实际应用的具体数据库系统的情况，我们能够认为一个数据库系统实际上是由三部分内容组成，它们是数据库、多种应用和数据库治理系统。这三部分之间的相互关系如图1.2所示。

（1)数据库：相互关联的且具有最小冗余的数据在其中按照一定物理组织结构存放，同时从用户和数据库治理系统角度来看，这些数据又是按一定逻辑结构组织的。这种物理组织结构和逻辑组织结构在最大程度上与用户所编制的应用程序相互独立。

(2)多种应用：数据库中的数据，在数据库治理系统的操纵与治理之下，能够同时为多种不同内容的应用提供服务，即能够为多个不同目的用户服务，各用户所操作使用的数据能够是相互交叉的。用户的操作方式既能够按以数据输入/输出和数据维护

为主的数据流量较大的批处理方式进行；也能够按以查询为主的数据流量较小的联机处理方式进行，必要时还能够通过编程来完成对数据库中数据的各种操作。

(3)数据库治理系统：它一方面负责对数据库中的数据进行治理和维护；一方面为用户操作数据库中的数据提供一种公用的操作方法，接收用户的操作命令，关心完成有关的对数据库的操作并保障数据库的安全。

依照对数据库的定义以及数据库系统差不多组成及作用的描述，我们认为一个的数据库系统应该具有的以下五个差不多特点：

【1】由于数据库系统是从整体角度考虑数据的组织，因此它必须有能力描述能够反映客观事物及其相互联系的复杂数据模型，使用它能够对数据本身及相互间的各种关系进行充分描述，这也是人们什么缘故要采纳数据库系统来进行数据治理的要紧缘故之一。目前数据库系统共提供了四种数据模型，它们是层次数据模型、网状数据模型、关系数据模型和对象数据模型，一种类型数据库系统通常只提供上述其中一种数据模型描述方法，即只支持其中一种数据模型的数据逻辑组织结构。

用户1

用户2

数据库管理系统数据库

....

用户n

图1.2 数据库系统组成

【2】数据库中数据的独立性。为了讲明这一点，首先我们介绍两个概念，（1）数据在物理存储设备上的组织结构被称为数据的物理组织；（2）数据在用户或应用程序面前所表现出的组织结构被称为数据的逻辑组织；一种数据的逻辑组织，能够采纳不同的物理组织来实现，物理组织的好坏阻碍着系统的性能和效率。在运行时期中，由于性能的要求或存储设备的改变，从而引起数据物理组织的改变，这种改变称为数据的再组织。用户在编制应用程序时，则是依照数据的逻辑组织对数据进行操作的。因此数据物理组织的变化，可不能阻碍数据的逻辑组织，因而也就可不能阻碍已有的应用程序，这种情况就被称为数据的物理独立性；而数据的逻辑独立性是指当数据的逻辑组织发生变化时，如数据模型中增加了新的记录类型，某一记录类型中增加了新的数据项等，原有应用程序的执行不受阻碍或阻碍最小。数据的独立性，包括物理和逻辑的独立性，差不多上由数据库治理系统进行维护的。

【3】数据共享，由于数据库是从整体的角度对数据进行组织的，并在保证数据一致性的情形之下，使数据库中的数据为尽可能多的用户提供应用服务。这些用户所使用的数据能够是交叉的，即数据能够共享。假如数据不能共享，数据库中则必定会出现大量的冗余数据，如此不仅造成存储空间的白费，更要紧的是由此可能带来数据不一致的隐患。

【4】数据库系统的安全可靠与完整，一个数据库系统的可靠性体现在它的软件系统运行故障率专门小以及在数据库系统由于各种意外而出现故障时，数据库中的数据的损失最小；安全性是指数据库系统对其所存储的数据的爱护能力，能够有效地防止数据有意无意地泄露或篡改，操纵数据的授权访问等。而数据库系统的完整性则是指在多用户操作数据情况下，数据能够保持一致性。这些特性能够从以下几个方面进行讲明:

〈1〉安全性操纵

安全性操纵要紧指的是数据库的保密性。并不是每个用户都能够存取数据库中所有数据的，负责人和全体工作人员同意掌握的数据范围显然是有区不的，数据库系统把各用户存取数据的权利分成若干等级，如教学人员作为一个用户能够登录学生的成绩，而学生作为一个用户则仅能够查阅成绩而无法对它进行修改或删除。通过对各个用户授于不同的使用权限，以确

保数据库免遭损害和被非法使用，通常是通过采纳口令密码以及数据库中数据访问授权等方法对使用者操作数据的合法权进行检验，以实现对数据库中数据安全性的爱护操纵。

〈2〉完整性操纵

所谓完整性包括数据的正确性、有效性和相容性。正确的数据不一定是有效的。如若用两位阿拉伯数字来表示月份，在输入14来代表月份时显然是无效的。数据库系统应提供尽可能多的检验措施，以确保数据库中的数据满足用户所要求的各种约束要求。

〈3〉并发操纵

在多用户操作使用数据库系统的情况下，不同用户并行地操作数据库就可能引起对数据库的干扰，从而使得数据库中的数据发生不一致的问题。如当甲用户从数据库中预定了仅剩的一张机票之后，若在数据库尚来不及将剩余的机票数改为零时，乙用户又请求订票时如何办？显然对这种并发的操作要采取某种操纵措施，最常用的方法是封锁技术，以排除和幸免这种错误的发生，保证数据库中数据的操作能够正确完成执行。〈4〉故障的发觉与恢复

由于数据库系统在运行过程中专门难保证不产生故障、出现意义或受到破坏，而且往往这些情况的发生的时刻差不多上

随机的，如断电、用户误操作等，而重建一个数据库往往要花费专门大的精力和代价，有时甚至是不可能的，因此数据库系统应提供应急爱护设施，一旦系统的软硬件发生故障或用户误操作导致系统异常时，系统应能够以尽量小的代价，尽快地恢复数据库的内容和系统的正常运行。

【5】良好的人机接口与性能，任何数据库系统最终差不多上要和用户打交道，系统所具有的各种功能最终都需要由用户来进行操作使用。简单易学、操作简便和用户界面友好是任何一个数据库系统所必须的。此外系统的响应速度，单位时刻内数据的吞吐量也是衡量数据库性能重要指标。

1.2.2 数据库结构

在上一小节，我们介绍了数据库系统所涉及的三个差不多成分以及数据库系统所应具有的五个特点，在这一小节中，我们将略为详尽地介绍数据库系统的要紧组成之一，数据库的有关知识。在数据库技术中，为了提高数据库中数据的逻辑独立性和物理独立性，采纳了分级（层）方法，将数据库中数据的组织结构划分成多个级（层）。依照美国国家标准协会（ANSI）所提出的报告，数据库的数据组织结构能够分为三个

相互关联的层次，它们分不是概念层数据模式、用户层数据模式和物理层数据模式。

【1】概念层数据模式，又称为模式，它是对数据库中数据整体逻辑结构的描述，它是对数据库中所有数据项、记录类型以及各记录类型之间的相互关系的描述。那个地点需要讲明的是，这种描述仅仅是一种逻辑组织结构的描述，是面向用户需要而提出的。而非是真正的数据存储组织结构。提供这一层次的数据模式描述，要紧是为了数据库应用系统的设计者，在对与应用有关的所有用户的需求进行统一综合考虑之后提出的，它能够从总体上，将这些需求所涉及到的数据及其它们间的相互联系，有机地结合成为一个逻辑整体。概念层数据模式的设计是数据库设计的最差不多也是最重要的任务。

【2】用户层数据模式，又称为外模式或子模式，它是对以用户为对象使用数据库所涉及到的所有数据局部逻辑结构的描述。它是模式一个子集或者是一个映射，一个数据库只有一个模式，但通常都对应着多个子模式。子模式所包含的数据之间容许有重叠，也容许多个用户共用同一个子模式。提供这一层次的数据模式描述，有以下优点：

〈1〉用户只要按照描述自己所使用数据的子模式编写应用程序或输入操作命令，就能够完成满足自己要求的数据库操纵工

作。而无需了解整体数据模式或数据的存储组织结构，从而是用户接口变得简单。

〈2〉保证了数据独立性。由于用户的数据库应用编程仅仅是依据子模式的数据逻辑结构的描述，而子模式一般差不多上模式的一个真子集，因此若因需要而对模式所描述的数据逻辑结构进行部分修改或扩充时，如增加新的数据项或者增加新的记录类型等，只要不阻碍子模式从模式中的原有的映射关系，那么用户依据子模式所开发的应用程序，则就不受模式变动的任何阻碍。因此提供模式与子模式这两层数据逻辑结构的描述，就能够较好地保证数据的逻辑独立性。

〈3〉数据能够被较好地共享。由于同一模式能够产生许多不同的子模式，这些子模式所描述的数据能够来源于模式所描述的全局数据逻辑结构中各种数据项或记录类型，因此如此做，如此就能够专门方便地实现数据的共享，也就大大减少了数据可能存在的冗余，从而有利于保证数据的一致性、完整性和正确性。

〈4〉有利于保证数据的安全和保密。由于用户是通过其相应的应用程序对数据库中数据进行操作，因此他只能操作其子模式所描述范围内的数据，而无法接触到其它用户及其子模式所描

述的数据，由此就能够保证数据库中的数据具有较好的安全性。

【3】物理层数据模式，又称为内模式或物理模式。它是对数据库中所有数据在物理设备上实际存储的组织结构的描述。数据库数据依照这一层数据模式的描述，被存放到若干按各种组织方式建立起来的物理文件中，对这些物理文件的所有存取访问的操纵差不多上由数据库治理系统统一操纵的。治理系统负责完成从概念层数据模式到物理层数据模式之间的数据映射，如此由于所有的数据库应用程序或服务所涉及到数据又差不多上依照模式的数据描述得到的，因此当数据库数据的物理组织结构发生变化时，概念层数据模式描述通常无需修改，同样也就保证了与模式相关联的子模式和用户应用程序也无需修改，从而使得数据库系统中数据也具有的物理独立性。

用户1用户2 ...用户N 子模式1

子模式M

映射模式映射存储模式数据库

数据库管理系统

OS

图1.3 数据库结构各模式间关系

由于一个数据库是采纳上述的三个层结构方式对其中的数据组织进行描述的，从而较好地保证了数据的逻辑独立性和物理独立性，方便了用户对数据库中数据的操作使用，减少了数据冗余。这三层模式之间的相互关系如图1.3所示。由于数据库中数据，实际上是按照物理层数据模式进行存储的，而概念层数据模式和用户层数据模式都只是对物理层数据模式描述的数据的一种逐级（层）地逻辑抽象，用户在对数据库进行操作时，都必须通过数据库治理系统，来完成从用户层数据模式到概念层数据模式之间、概念层数据模式到物理层数据模式之间这两种映射，因此这两种映射是由治理系统自动完成的，对用户是透明的。

目前实际应用的中高档数据库系统的数据组织结构差不多上是按照上述三层模式标准，来描述数据组织的。也有一些中低档数据库系统，为了方便一般用户的操作使用，对上述三层模式标准进行了一些简化，它们往往采纳一层或二层模式来描述数据组织结构，通常都略去了物理层的数据模式描述。

1.2.3 数据库系统

数据库系统的核心是数据库治理系统（DataBase Management System，简称DBMS），在它的操纵和关心下，用户

能够建立、使用、修改和维护数据库中数据。数据库治理系统是建立在操作系统之上的应用软件平台。它一般具有以下三个要紧功能：

（1）提供操作数据库的用户高级接口。具体讲确实是（A）提供数据描述语言，供用户对整个数据库中的数据进行各种逻辑和物理组织结构描述，而这些组织结构的具体实现细节，则由DBMS完成，用户不必关怀。（B）提供数据操纵语言，供用户对数据库中数据按照其定义逻辑组织结构进行各种操作，如插入、删除、修改和查询等，这些操作的的具体实现细节，则也由DBMS完成，用户不必关怀。（C）同时还可能提供其它工具，如用户界面生成工具、报表生成工具等，关心用户更加容易地对数据库的操纵进行编程。

（2）治理数据库。它要紧包括以下功能：（A）操纵整个数据库系统的运行；（B）操纵用户对数据库的并发性操作；（C）执行对数据库中数据的安全、保密、有效性和完整性检验；（D）实施对数据库中数据的检索、插入、删除、修改等操作。（E）维护数据库数据组织结构的完整和一致。

（3）维护数据库，要紧包括：（A）初始化时数据库数据的装入；（B）运行时记录下与用户、操作、系统状态和结果等信息的工作日志；（C）监视数据库性能；在性能变坏时，重新组织