【数据原理及应用 学习总结】第一章 数据库系统的基本原理
1.1数据库系统概述
1.1.1数据库系统的应用
代表性的应用如下 ：
电信业
银行业
金融业
销售业
联机的零售商
大学、航空业
人力资源
制造业
1.1.2数据库系统的概念
（1）数据（Data）
数据是数据库存储的基本对象
（2）数据库（DataBase，简称为DB）
简单的说，数据库就是相互关联的数据集合
数据库中的数据遵循特定的数据模型进行组织、描述与存储，并具备较低的冗余度、较强的独立性和良好的可扩展性
（3）数据库管理系统（DBMS）
①数据定义功能
DBMS支持数据定义工具（DDL），该系统可通过其提供的功能便捷地完成对数据库内的各种数据对象创建任务，并结合完整的完整性规范确保所有操作符合既定的数据规范。
②数据操纵功能
DBMS支持数据操作语言（DML），应用程序能够通过它执行增删改查功能。简称为‘增删查表’。该功能对应于SQL中的四个基本命令：INSERT语句用于插入数据, DELETE用于删除, UPDATE用于更新, SELECT用于检索信息
③数据控制功能
DBMS支持数据控制语言（DCL），允许用户通过其完成对用户访问数据权限的授予与撤销；同时应对多用户对数据库并发使用的事务处理问题；其还提供转储及其相关的恢复机制；并包括性能监控与分析等功能。
④数据库系统（DBS）
在计算机领域中形成的数据库体系是指在引入现代数据处理技术后发展起来的完整结构体系；其主要包含以下四个核心组成部分：一是基础的数据库（DB），二是支持运行该系统的数据管理平台——数据库管理系统（DBMS），三是与外部应用程序交互的应用程序或业务逻辑模块（Application Layer），四是保障数据安全与使用的专业人员——数据库管理员（DBA）。
⑤数据库应用系统（DBAS）
数据库应用系统主要是指实现业务逻辑的应用程序
1.1.3数据管理技术的发展阶段
（1）人工管理阶段
特点：数据不保存、数据不具有独立性、数据不共享
（2）文件管理系统阶段
弊端：数据的冗余和不一致、数据独立性差、数据孤立
（3）数据库系统阶段
数据组织化、具有良好的共享特性、冗余度较低、保证了高度的数据独立性以及由DBMS统一进行管理与控制
由DBMS实现的数据管理功能包括：
- 数据完整性验证
- 并发事务管理
- 数据安全认证机制
- 系统故障后的重建过程
1.1.4数据库系统的用户
（1）数据库管理员（DBA）
职责包括以下几方面：负责参与数据库的设计工作，并设定数据的安全性和完整性要求；日常维护包括定期备份数据以及持续监控数据库的运行状态；确保系统在正常运转时有足够的可用磁盘空间，并能在必要时进行磁盘空间升级；优化数据库结构并进行必要的重组与重构工作
（2）数据库用户
①最终用户
最终用户是现实系统中的业务人员，是数据库系统的主要用户
②专业用户
专业用户包括工程师、科学家、经济学家等具有较高科学技术背景的人员
③系统分析员和数据库设计人员
④应用程序员
1.2数据模型
1.2.1数据抽象的过程
定义了4种模型，即概念模型、逻辑模型、外部模型、内部模型
4种模型之间的关系：
（1）概念模型
①概念模型描述了数据库的全局层次结构，并为企业组织者提供了对整个企业体系的系统性总结
②概念模型是从用户需求的观点出发，对数据建模
③概念模型独立于硬件和软件
④概念模型是数据库设计人员与用户之间进行交流的工具
目前广泛采用的概念模式主要是基于实体间的关系模式（即ER模式）。ER模式通常通过图表的形式来展示关系结构。
两个实体之间的联系可以分为三种：
1）一对一联系 （1：1）
2）一对多联系 （1：n）
3）多对多联系 （m：n）
（2）逻辑模型
特点：①该逻辑模型体现了数据库的整体结构布局，并非直接由设计人员完成全盘规划
②逻辑模型是从数据库实现的观点出发，对数据建模
③逻辑模型硬件独立，但软件依赖
④逻辑模型是数据库设计人员与应用程序员之间进行交流的工具
（3）外部模型
特点：①外部模型是逻辑模型的一个逻辑子集
②硬件独立，软件依赖
③外部模型反映了用户使用数据库的观点
从整个系统考察，外部模型具有下列特点：①简化了用户的观点
②有助于数据库的安全性保护
③外部模型是对概念模型的支持
（4）内部模型
内部模型也被称作物理模型，在数据库体系中处于最底层的抽象层次。其功能在于描述数据在磁盘上的存储方式以及访问设备和方法等细节信息。同时该体系与其硬件及软件系统之间具有紧密的关联性
1.2.2关系模型
三要素：
（1）数据结构
数据结构是所描述的对象类型的集合。现在常用的是关系数据模型
数据结构是对系统静态特性的描述
（2）数据操作
数据操作涉及允许在数据库表中对记录值进行修改的一系列操作，并为管理这些记录提供相应的功能集合。 databases manage data through primary operations including add, delete, update, and query functionalities.
数据操作是对系统动态特性的描述
（3）数据的完整性约束条件
系统中的数据完整性约束条件是一组完整性规则。为了确保这些数据准确无误、功能正常且逻辑上一致。
实体完整性
参照完整性
用户定义的完整性
数据结构：
（1）关系（Relation）
一个关系就是一张规范的二维表
（2）元组（Tuple）
表中的一行即为一个元组
（3）属性（Attribute）
表中的一列即为一个属性，每个属性都有一个属性名
（4）码或键（Key）
也被称作键字段或键字段集合。表中的某个字段或字段集合能够唯一标识一个记录。
（5）关系模式
对关系的描述，一般表示为：
关系名（属性1，属性2，属性3，……，属性n）
1.3数据库体系结构
1.3.1数据库系统的三级结构
（1）用户级数据库
在数据库体系中，在线操作层（即处于离用户最近的一层）等价于外模式，并且它代表了用户直接接触到的数据信息库。该层也被称为用户的视图数据表。
（2）概念级数据库
概念级别的数据库对应于概念模式，并位于用户级别与物理级别之间；即是数据库管理员所见到并使用的数据库，并也被称为DBA视图。
（3）物理级数据库
在物理层上对应的数据库模式作为数据库底层的数据表示方式，并具体描述了数据在存储介质中的实际排列方式；最接近于物理存储介质层次的数据表示形式也可称为内部视图。
1.3.2数据库系统的三级模式
（1）概念模式
概念模式亦称作模态或逻辑架构，在数据库领域中代表了数据库内全部数据所具有的结构与属性的表现形式。它构成了所有用户共享的数据视图方案，并且任何一个数据库系统最多只能定义一种基本的概念模型
（2）外模式
外模式也被称作子系统模式或应用程序模式，它是被数据库系统所定义的局部数据结构及其特征的描述性标识符集合。这些标识符允许数据库系统对本地存储的数据进行组织、管理和访问控制。每个数据库都可以拥有不同的外模式集合
（3）内模式
内模式又被称作存储架构或物理架构（...），它是对数据物理结构及存储方式的描述，并体现了数据在数据库内部的具体表示形式（...）。一个数据库系统只能有一个统一的内模式以确保数据的一致性和完整性
1.3.3数据库系统的二级映射与数据独立性
二级映射是：外模式/模式映射和模式/内模式映射
数据独立性：①物理独立性
物理独立性体现为应用程序与存储于硬盘的数据之间实现了相互隔离。该机制通过基于模式和内模式的数据映射实现。
②逻辑独立性
逻辑独立性体现为应用程序与数据结构各自独立。该特性依赖于外模式/模式映射机制。
1.3.4数据库应用系统的开发结构
（1）C/S模式
客户端/服务器端系统（Client/Server, C/S）是一种广泛采用的解决分布式问题的体系结构。C/S体系结构基于网络环境运作，并将应用分为前后端两大部分。
①两层C/S模式
②三层C/S模式
（2）B/S模式（浏览器/服务器模式）
