数据库原理与应用（SQL Server）笔记——第一章 数据库基本概念

目录

• 一、数据管理技术的发展

• 二、数据（Data）

• 三、数据库（DB）

• 四、数据库管理系统（DBMS）

• 五、数据库系统（DBS）

• 六、数据库系统的体系结构

• • （一）三级模式结构
  • （二）二级映像

• 七、数据库设计

一、数据管理技术的发展

数据管理技术的发展历程可以大致划分为三个阶段，分别是人工管理阶段、文件系统阶段以及数据库系统阶段，这三个阶段的发展以数据存储冗余不断减小、数据独立性不断增强、数据操作更加方便和简单为标志。另外，随着技术的不断进步和应用需求的推动，数据管理技术也在持续发展和完善。

二、数据（Data）

数据（Data）是事物信息的符号表示，可以是数字、文字、图像、音视频等。例如，下表Employee中，每个员工所记录的数据有工号、姓名、性别、出生日期、职务以及部门编号，这些都是数据信息。

三、数据库（DB）

在计算机系统中，数据库是以文件的方式存储的，它是按照特定的组织存储在计算机内的数据集合。在数据库中存储的内容是数据以及数据之间的联系，数据库具有以下特点：
（1）具有较小的数据冗余度，减少了数据冗余；
（2）有较高的独立性；
（3）数据是集成的、共享的。

注：数据库避免了一切数据重复，这句话是错误的，因为数据库的恢复技术需要建立冗余数据，虽然冗余数据会导致数据存储空间的浪费，即相同的数据被重复存储，所占用的存储空间会相应增加。但浪费通常是可以接受的，与其换来的是保障了数据的完整性、一致性、可访问性和可维护性，同时也提高了数据的分析效率。

四、数据库管理系统（DBMS）

数据库管理系统是位于用户和操作系统之间的数据管理软件，即建立在操作系统之上的软件系统，它确保数据的准确性、安全性和完整性，主要功能有数据定义、数据操纵、数据控制以及数据库建立维护。

五、数据库系统（DBS）

数据库系统（DBS）由数据库、操作系统、数据库管理系统（DBMS）、用户、应用程序以及数据库管理员（DBA），其中数据库管理员的工作是保证数据库系统的正常运维，内、外存数据交换是通过操作系统的文件系统完成的。

数据库DBS

数据DB

数据库管理系统DBMS

数据库管理员DBA

...

另外，数据库系统可分为客户-服务器模式（C/S）和三层客户-服务器模式（B/S）。

客户-服务器模式（Client / Server），C/S模式
三层客户-服务器模式（Browser/Server），B/S模式

C/S模式通常适用于专业、小范围的网络环境中，适用于局域网，由于用户群较固定所以安全性高，但安装维护复杂；而B/S模式适用于广域网，安装维护简单且适用性强，但安全性稍低。

六、数据库系统的体系结构

（一）三级模式结构

数据库系统的结构由三级模式组成，包括外模式（用户模式/子模式）、模式（逻辑模式）和内模式（存储模式）。模式描述的是数据的全局逻辑结构，外模式描述的是数据的局部逻辑结构，内模式描述的是物理存储结构。三层模式的划分有利于保持数据库的数据独立性。

其中，外模式是用户级，位于三层模式的最外层，一个数据库可以有多个外模式，但一个应用程序只能使用一个外模式，单个用户使用的数据视图的描述即为外模式；一个数据库只有一个模式和内模式，模式是概念级，是所有用户的全局视图，内模式是物理级，是三层模式的物理级，是数据在数据库内的表示方式。

（二）二级映像

数据库管理系统中提供了三级模式之间的二级映像，分别是外模式/模式映射和模式/内模式映射，两者对应数据的逻辑独立性和数据的物理独立性两个独立性原则，主要涉及数据的逻辑结构和物理结构的变化对应用程序的影响变化，即数据的逻辑独立性和物理独立性确保了数据库结构的变化不会对应用程序产生影响。

保证数据库的逻辑独立性——修改模式和外模式之间的映像
保证数据库的物理独立性——修改模式和内模式之间的映像

1、逻辑独立性
【应用程序与数据库中数据的逻辑结构相互独立，模式改变，外模式和应用程序不变】

当总体逻辑结构改变，例如改变数据之间关系等，这种情况下由于应用程序与数据的逻辑结构是相互独立的，且是根据数据的外模式编写的，所以应用程序不会改变，保证了数据与程序之间的逻辑独立性。

2、物理独立性
【应用程序与数据库中数据的存储结构相互独立，内模式改变，外模式和应用程序不变】

当物理结构改变，例如存取方式的改变、存储设备的更换等，这种情况下由于保数据的存储和访问方式与应用程序相互独立，所以应用程序不会改变，保证了数据与程序之间的物理独立性。

七、数据库设计

数据库设计大概可分为以下六个阶段：
1、需求分析阶段
需求分析阶段的任务是调查和分析用户的实际应用需求，生成的文档是数据字典和数据流图，数据字典是数据描述文档，数据流图是对业务流程描述的文档。

数据字典中记录了数据库中所有的定义信息，包括了关系模式定义、索引定义、视图定义、完整性约束定义、各类用户对数据库的操作权限、统计信息等。

2、概念结构设计阶段
概念结构设计是将通过需求分析得到的无结构的、抽象的用户需求转换为整体数据库的概念结构，常用的设计概念结构方法有自顶向下、自底向上、逐步扩张和混合策略，常用的表示方法有E-R图、UML图等。

E-R图也称实体-联系图，它提供了表示实体型、属性和联系的方法，是用来描述现实世界的概念模型。在E-R图中，矩形表示实体型，椭圆形表示属性，通过无向边将其与相应的实体型连接，菱形表示联系，也是通过无向边将其与相应的实体型连接，同时还需要在无向边上标上联系的类型（一对一、一对多或多对多）。

例如，下面就是一个1：n（一对多）联系的E-R图：

3、逻辑结构设计阶段
逻辑结构设计的重点是将概念模型（E-R图）转换为关系模型，然后还需进行进一步的模型优化。通过合理的逻辑结构设计，可以确保数据库能够满足实际应用的需求。
4、物理结构设计阶段
对逻辑结构确定其物理结构，包括其在物理存储设备上的组织、存取方法等。数据的一般存储结构有顺序存储、散列存储和聚簇存储等，具体需要用户或开发人员根据实际需求进行选择和配置。
5、数据库实施阶段
6、数据库和维护阶段
为管理数据库的管理员分配权限时，应当遵循最小权限原则，每个管理用户应被授予完成其工作所需的最小权限，有助于减少因权限过大而导致的潜在风险。另外，对每个应用程序给出权限受限制的数据库连接是确保系统安全、数据完整性和资源管理效率的重要措施。

数据库系统故障主要有事务内部的故障、系统故障、计算机病毒和介质故障。