數據庫系統綜合概論(已修改)

　

【正文】 33 / 34第一章 數據庫系統概論 本章目的在于使讀者對數據庫系統的基本知識能有一個較為全面的了解，為今后的學習和工作打下基礎。本章重點介紹了有關數據庫結構和數據庫系統組織的基本知識和基本概念，以及常見的三種類型的數據庫系統的特點。重點介紹關系數據庫的有關知識。 數據管理技術發展史 隨著生產力的不斷發展，社會的不斷進步，人類對信息的依賴程度也在不斷地增加。數據作為表達信息的一種量化符號，正在成為人們處理信息時重要的操作對象。所謂數據處理就是對數據的收集、整理、存儲、分類、排序、檢索、維護、加工、統計和傳輸等一系列工作全部過程的概述。數據處理的目的就是使我們能夠從浩瀚的信息數據海洋中，提取出有用的數據信息，作為我們工作、生活等各方面的決策依據。數據管理則是指對數據的組織、編碼、分類、存儲、檢索和維護，它是數據處理的一個重要內容中心。數據處理工作由來以久，早在1880年美國進行人口普查統計時，就已采用穿孔卡片來存儲人口普查數據，并采用機械設備來完成對這些普查數據所進行的處理工作。電子計算機的出現以及其后其硬件、軟件的迅速發展，加之數據庫理論和技術的發展，為數據管理進入一個革命性階段提供有力的支持。根據數據和應用程序相互依賴關系、數據共享以及數據的操作方式，數據管理的發展可以分為三個具有代表性的階段，即人工管理階段、文件管理階段和數據庫管理階段。【1】人工管理階段 這一階段發生于六十年代以前，由于當時計算機硬件和軟件發展才剛剛起步，數據管理中全部工作，都必須要由應用程序員自己設計程序完成去完成。由于需要與計算機硬件以及各外部存儲設備和輸入輸出設備直接打交道，程序員們常常需要編制大量重復的數據管理基本程序。數據的邏輯組織與它的物理組織基本上是相同的，因此當數據的邏輯組織、物理組織或存儲設備發生變化時，進行數據管理工作的許多應用程序就必須要進行重新編制。這樣就給數據管理的維護工作帶來許多困難。并且由于一組數據常常只對應于一種應用程序，因此很難實現多個不同應用程序間的數據資源共享。存在著大量重復數據，信息資源浪費嚴重。【2】文件管理階段 這一階段發生于六十年代，由于當時計算機硬件的發展，以及系統軟件尤其是文件系統的出現和發展，人們開始利用文件系統來幫助完成數據管理工作，具體講就是：數據以多種組織結構（如順序文件組織、索引文件文件組織和直接存取文件組織等）的文件形式保存在外部存儲設備上，用戶通過文件系統而無需直接與外部設備打交道，以此來完成數據的修改、插入、刪除、檢索等管理操作；使用這種管理方式，不僅減輕進行數據管理的應用程序工作量，更重要地是，當數據的物理組織或存儲設備發生變化時，數據的邏輯組織可以不受任何影響，從而保證了基于數據邏輯組織所編制的應用程序也可以不受硬件設備變化的影響。這樣就使得程序和數據之間具有了一定的相互獨立性。 但由于數據文件的邏輯結構完全是根據應用程序的具體要求而設計，它的管理與維護完全是由應用程序本身來完成，因此數據文件的邏輯結構與應用程序密切相關，當數據的邏輯結構需要修改時，應用程序也就不可避免地需要進行修改；同樣當應用程序需要進行變動時，常常又會要求數據的邏輯結構進行相應的變動。在這種情況下，數據管理中的維護工作量也是較大的。更主要的是由于采用文件的形式來進行數據管理工作，常常需要將一個完整的、相互關聯的數據集合，人為地分割成若干相互獨立的文件，以便通過基于文件系統的編程來實現來對它們的管理操作。這樣做同樣會導致數據的過多冗余和增加數據維護工作的復雜性。例如人事部門、教務部門和醫務部門對學生數據信息的管理，這三個部門中有許多數據是相同的，如姓名、年齡、性別等，由于是各部門均是根據自己的要求，建立各自的數據文件和應用程序，這樣不僅造成了大量的相同數據重復存儲，而且在修改時，常常需要同時修改三個文件中的數據項，如修改學生年齡，此外若需要增加一個描述學生的數據項，如通訊地址，那么所有的應用程序就必須都要進行相應的修改。除此之外，采用文件系統來幫助進行數據管理工作，在數據的安全和保密等方面，也難以采取有效的措施加以控制。【3】數據庫管理階段 1在不斷改進和完善文件系統的過程中，從六十年代后期開始，人們逐步研究和發展了以數據的統一管理和數據共享為主要特征的數據庫系統。即在數據在統一控制之下，為盡可能多的應用和用戶服務，數據庫中的數據組織結構與數據庫的應用程序相互間有較大的相對獨立性等。與以往前數據管理方法和技術相比，利用數據庫系統來進行數據管理工作具有以下三個顯著特點：（1）從整體角度組織數據 數據庫系統與文件系統的最大差別就在于前者在描述數據時，不僅僅是對數據本身進行描述，而且對數據之間的相互聯系也進行了描述。因此在組織數據時是從一個相對較高的整體角度進行的，而不是僅僅局限于個別的數據管理應用場合。如前面提到的人事部門、教務部門和醫務部門對學生數據的管理工作，在利用數據庫系統來進行管理時，若從整體考慮。 學生信息數據組織結構 采用這種數據組織不僅可以有效地解決了文件系統的數據組織中所存在的數據冗余以及數據一致性維護的問題。更主要的是它可以使人們從更高的全局角度出發，合理地組織數據，從而有利于更大范圍內的數據資源的共享，提高信息的使用效率。（2）數據可為多個應用服務 正因為數據庫中的數據是從整體角度進行組織的，因此，數據庫中所存儲的數據往往就不僅局限于只為一二個應用提供服務，而是在更大范圍內為僅可能多的應用提供服務，就至少可以為三個部門的應用提供服務。與此同時由于數據庫系統是以多級（層）組織模式對數據進行組織的，各級（層）模式之間的映射是由數據庫系統自己完成的，這就使得數據與程序之間可以具有較高的物理和邏輯相對獨立性。正是這一點，給數據庫中的數據為多個應用提供服務奠定了基礎。事實上數據庫的規模越大，所能夠提供的應用服務就可以越多，也就越能體現出數據庫在數據管理中的優勢。當然這只是相對而言，隨著數據庫中數據規模的擴大，數據庫應用系統的制作和維護的工作也在迅速增加。（3）有一個數據庫系統的管理軟件 任何數據庫系統都包含一個管理軟件，即數據庫系統的管理軟件，通常又稱為數據庫管理系統，它負責統一管理數據庫系統中所有數據資源，是數據庫系統與用戶應用之間的接口，通過它，用戶可以不必要了解過多的計算機硬件、軟件和數據庫本身許多專業知識，更不用去了解數據庫系統是如何完成數據管理工作的具體細節，如文件如何打開、關閉、讀、寫等等，就可以通過編寫一些較為簡單數據庫應用程序，很方便地完成在較高級別邏輯組織基礎上的數據管理工作。除此之外，數據庫管理系統還負責完成在對數據庫進行并發訪問時，保證數據一致性的并發控制工作；保證數據安全性的訪問控制工作；以及在數據庫系統出現故障時，提供保證數據一致性和完整性的恢復機制等諸多數據庫系統本身的各種管理控制工作。因此這里也可以看出，數據庫管理系統功能的強弱及其各項性能指標的好壞，是衡量數據庫系統質量的一個極其重要的因素。 利用數據庫系統進行數據管理工作，不僅可以保證數據的物理組織結構和存儲設備與數據庫應用程序之間保持相互獨立性；同時也可以保證數據的邏輯組織結構與數據庫應用程序之間保持最大可能的相互獨立性，即當數據的邏輯組織結構發生變化時，數據庫應用程序的變動被限制在最小的范圍內。由此可大大地減少數據庫應用程序的開發與維護的工作量。 在數據庫管理階段，根據數據庫系統本身所支持的數據模型的特點及所采用的相應數據庫系統技術，可以認為數據庫管理到目前為止已發展經歷了三代，即層次網狀模型代、關系模型代和面向對象模型代。 （1）層次網狀模型代:流行于六十至七十年代，在這一代中的數據庫系統所支持的數據模型均是層次模型或網狀模型。世界上第一個數據庫系統是于1964年由美國通用電氣公司開發成功的IDS（Integrated Data Store），它就是基于網狀模型的數據庫系統。IBM公司于六十年代末推出了第一個商品化的層次數據庫系統IMS（Information Management Sytem）,它們的出現與應用為數據庫技術的發展奠定了基礎。 （2）關系模型代:流行于七十至八十年代，在這一代中的數據庫系統所支持的數據的數據模型均是關系模型。以關系（表）形式組織數據。1970年Codd提出了關系數據模型，由于其具有嚴格的數學基礎，抽象級別較高，且簡單清晰，便于理解應用。到了七十年代末，出現了不少關系數據庫系統，其中具有代表性應首推IBM公司推出的SQL/DS和DB2兩個商品化關系數據庫系統。進行八十年代以后，關系數據庫系統已成為數據庫系統發展的主流，幾乎所有新推出的數據庫系統產品都是關系型的，它們中不僅有用于大型機和小型機數據庫產品，而且有可用于微機的數據庫產品。市場上開始出現關系數據庫的系列產品，這其中發行量較大且在我國用得較多的有Oracle、Sybase、Sysbase、Informix、FoxPro等。隨著微機和計算機網絡的廣泛普及和應用，分布式數據庫系統在八十年代后期，開始得到很大發展。其理論和技術日趨成熟。目前幾乎所有分布式數據庫系統均是關系型的，而且幾乎所有主要關系數據庫系統均已被擴充為分布式數據庫系統。 （3）面向對象代:開始九十年代，在這一代中的數據庫系統支持面向對象的數據模型。它是數據庫技術與面向對象程序設計方法相結合的產物。作為新一代數據庫系統，現在已有了一些商品化系統。但其具體應用尚不多。 數據庫系統 本節主要介紹有關數據庫結構和數據庫系統組織的一些基本知識和概念，使讀者對數據庫系統的內涵有一個較為清楚的認識。 數據庫系統概念 由于數據庫系統是一個由許多基本概念、技術方法和其應用對象所組成的復雜的有機整體。很難用一兩句話將其描述清楚。但為了使讀者對它有一個總體的了解，首先這里我們試著給出一個關于數據庫系統的定義，即數據庫系統中的數據庫是一個已被規格化和結構化且相互關聯的數據集合，這些數據中不存在有害的或無意義的冗余；數據的組織與存儲結構與使用這些數據的程序相互獨立；數據庫中的數據可同時為多個應用服務；數據庫中的數據定義、輸入、修改和檢索等所有操作均是按一種公用的且可控的方式進行。根據這一數據庫定義以及實際應用的具體數據庫系統的情況，我們可以認為一個數據庫系統實際上是由三部分內容組成，它們是數據庫、多種應用和數據庫管理系統。（1)數據庫：相互關聯的且具有最小冗余的數據在其中按照一定物理組織結構存放，并且從用戶和數據庫管理系統角度來看，這些數據又是按一定邏輯結構組織的。這種物理組織結構和邏輯組織結構在最大程度上與用戶所編制的應用程序相互獨立。(2)多種應用：數據庫中的數據，在數據庫管理系統的控制與管理之下，可以同時為多種不同內容的應用提供服務，即可以為多個不同目的用戶服務，各用戶所操作使用的數據可以是相互交叉的。用戶的操作方式既可以按以數據輸入/輸出和數據維護為主的數據流量較大的批處理方式進行；也可以按以查詢為主的數據流量較小的聯機處理方式進行，必要時還可以通過編程來完成對數據庫中數據的各種操作。(3)數據庫管理系統：它一方面負責對數據庫中的數據進行管理和維護；一方面為用戶操作數據庫中的數據提供一種公用的操作方法，接收用戶的操作命令，幫助完成有關的對數據庫的操作并保障數據庫的安全。 根據對數據庫的定義以及數據庫系統基本組成及作用的描述，我們認為一個的數據庫系統應該具有的以下五個基本特點：【1】由于數據庫系統是從整體角度考慮數據的組織，因此它必須有能力描述能夠反映客觀事物及其相互聯系的復雜數據模型，使用它能夠對數據本身及相互間的各種關系進行充分描述，這也是人們為什么要采用數據庫系統來進行數據管理的主要原因之一。目前數據庫系統共提供了四種數據模型，它們是層次數據模型、網狀數據模型、關系數據模型和對象數據模型，一種類型數據庫系統通常只提供上述其中一種數據模型描述方法，即只支持其中一種數據模型的數據邏輯組織結構。 數據庫系統組成【2】數據庫中數據的獨立性。為了說明這一點，首先我們介紹兩個概念，（1）數據在物理存儲設備上的組織結構被稱為數據的物理組織；（2）數據在用戶或應用程序面前所表現出的組織結構被稱為數據的邏輯組織；一種數據的邏輯組織，可以采用不同的物理組織來實現，物理組織的好壞影響著系統的性能和效率。在運行階段中，由于性能的要求或存儲設備的改變，從而引起數據物理組織的改變，這種改變稱為數據的再組織。用戶在編制應用程序時，則是根據數據的邏輯組織對數據進行操作的。因此數據物理組織的變化，不會影響數據的邏輯組織，因而也就不會影響已有的應用程序，這種情況就被稱為數據的物理獨立性；而數據的邏輯獨立性是指當數據的邏輯組織發生變化時，如數據模型中增加了新的記錄類型，某一記錄類型中增加了新的數據項等，原有應用程序的執行不受影響或影響最小。數據的獨立性，包括物理和邏輯的獨立性，都是由數據庫管理系統進行維護的。【3】數據共享，由于數據庫是從整體的角度對數據進行組織的，并在保證數據一致性的情形之下，使數據庫中的數據為盡可能多的用戶提供應用服務。這些用戶所使用的數據可以是交叉的，即數據可以共享。如果數據不能共享，數據庫中則必然會出現大量的冗余數據，這樣不僅造成存儲空間的浪費，更主要的是由此可能帶來數據不一致的隱患。【4】數據庫系統的安全可靠與完整，一個數據庫系統的可靠性體現在它的軟件系統運行故障率很小以及在數據庫系統由于各種意外而出現故障時，數據庫中的數據的損失最小；安全性是指數據庫系統對其所存儲的數據的保護能力，能夠有效地防止數據有意無意地泄露或篡改，控制數據的授權訪問等。而數據庫系統的完整性則是指在多用戶操作數據情況下，數據能夠保持一致性。這些特性可以從以下幾個方面進行說明:〈1〉安全性控制 安全性控制主要指的是數據庫的保密性。并不是每個用戶都能夠存取數據庫中所有數據的，負責人和全體工作人員允許掌握的數據范圍顯然是有區別的，數據庫系統把各用戶存取數據的權利分成若干等級，如教學人員作為一個用戶可以登錄學生的成績，而學生作為一個用戶則僅可以查閱成績而無法對它進行修改或刪除。通過對各個用戶授于不同的使用權限，以確保數據庫免遭損害和被非法使用，通常是通