数据库系统DBS概述-什么是数据库系统

数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统

数据（Data）：数据是数据库中存储的基本对象。，定义为描述事物的符号记录，也可以是文字、图像、图形、声音、语言等。

数据库（DataBase，简称DB）:数据库时长期储存在计算机内，有组织的，可共享的大量数据的集合。

数据库数据具有永久存储、有组织和可共享三个基本特点

  • 有组织：在电脑内D盘和C盘都是可以的
  • 可共享：可以给别人用

数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS：我们可以把这个理解为是仓库管理员，管理着数据的存储和流动，数据库管理系统的主要功能包括：

  • 数据定义功能：DBMS提供数据定义语言（Data Definition Language，DDL），用户可以通过它方便地对数据库中的数据对象进行定义。
  • 数据组织、存储和管理：DBMS要分类组织、存储和管理各种数据，包括数据字典、用户数据、数据的存取路径等。
  • 数据操纵功能：DBMS提供数据操纵语言（Data Manipulation Language， DML），用户可以使用DML操纵数据，实现对数据库的基本操作，查询、插入、删除和修改等。
  • 数据库的事务管理和运行管理：数据库在建立、运用和维护时由数据库管理系统统一管理、统一控制，以保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用及发生故障后的系统回复。
  • 数据库的建立和维护功能：数据库初始数据的输入、转换功能，数据库的转储、恢复功能数据库的重组织功能和性能监视、分析功能等。

数据库系统（DataBase System，DBS）：数据库系统一般由数据库DB、数据库管理系统（及开发工具）DBMS、应用系统APP、数据库管理员DBA构成。

数据库管理员它是一个身份，一个角色，就是要用DBMS来进行一些相对应的操作。
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如图为整个数据库系统。我们来捋一下：

  • 数据库管理员DBA利用数据库管理系统DBMS建立一个数据库DB，数据库里面有一张成绩表
  • 用户就是教师，教师操控程序APP（成绩管理软件），教师可以把成绩录进去，🦌好之后，就会把数据传给数据库管理系统DBMS，接着DBMS根据自己的管理方式，把数据写入数据库
    我们也可以这样分类：
  • 应用层面：用户、应用系统、应用开发工具
  • 设计层面：数据库管理系统DBMS、数据库管理员DBA、操作系统
  • 底层：数据库DB

数据管理技术的产生和发展

数据管理技术经历了人工管理、文件系统、数据库系统3个阶段。

人工管理阶段：人工管理数据具有以下特点：

  • 数据不保存：最早开始的计算机存储是靠纸袋的孔来进行的
  • 应用程序管理数据：数据和程序是在一起的，程序没了，数据也就没了
  • 数据不共享：一个应用程序对应一个数据，纸袋执行完就废了
  • 数据不具有独立性：跟应用程序绑定在一起
    缺点：数据的逻辑结构或逻辑结构发生变化后，必须对应用程序做相应的修改，加重了程序员的负担。

文件系统阶段：用文件系统管理数据具有如下特点：

  • 数据可以长期保存：比如保存一个word之类的，不再用纸袋了
  • 由文件系统管理数据：既然保存在文件里了，那肯定可以用文件系统进行管理了
    缺点：
  • 数据共享性差，冗余度大：一个文件存储的数据只能供一个程序使用，下个程序想使用还得再建一个文件。比如在学籍管理系统使用文件A，成绩管理系统使用文件B，但是这两个文件可能是有相同的数据的，比如说姓名、学号、班级等。
  • 数据独立性差：并不是说大家都可以访问，还是跟程序绑定。

数据库系统阶段：用数据库系统管理数据具有如下特点：

  • 数据结构化：数据像一张规范的表格，有固定的行和列：
  • 数据的共享性高，冗余度低，易扩充：一个数据库/表，就可以有很多程序来访问
  • 数据独立性高：不跟应用程序绑定，谁来访问都可以，只要按照格式就可以
  • 数据由DBMS统一管理和控制：由一个集中的人/软件来进行数据库的管理和维护

数据模型-数据如何组织与关联

数据模型(Data Model)：它也是一种模型，它是对现实世界数据特征的抽象。数据模型就是现实世界的模拟。类似于沙盘就是对楼房的模拟。

两类数据模型

数据模型应满足三方面要求：

  1. 能比较真实地模拟现实世界：张三名字是一个文本，年龄身高体重是数字，还可能有小数之类的
  2. 容易为人所理解：给数据起名，姓名就叫name，别叫其他怪东西
  3. 便于在计算机上实现

根据模型应用的不同目的，可分为两类：

第一类是概念模型（Conceptual Model)。

概念模型：也称信息模型，它是按照用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计。其实就是我们在数据库的设计阶段，根据我们对用户数据和信息的理解，然后设计出来的模型。

第二类模型是逻辑模型和物理模型。

  • 逻辑模型：主要包括层次模型，网状模型，关系模型，面向对象模型和对象关系模型等。它是按计算机系统的观点对数据建模 ，主要用于DBMS的实现。层次模型有二叉树；网状模型有图的结构；关系模型也就是主流的模型，也就是表格/二维表；
  • 物理模型：是对数据最底层的抽象，它描述数据在系统内部的表示方法和存取方法，在磁盘上或磁带上的存储方式和存取方法是面向计算机系统的。
  • 可以这样理解，逻辑模型就是思考不同数据应该如何联系起来，比如一个君主立宪制从上往下分，各个官员谁管谁；而物理模型就是如何实现它。
    三者的递进关系：
  1. 概念模型：先画「业务蓝图」，比如 “学生可以选多门课，一门课可以被多个学生选”
  2. 逻辑模型：把蓝图转成「计算机能理解的结构」，比如设计成三张表：学生表、课程表、选课表
  3. 物理模型：最后落地成「硬件可存储的实现」，比如决定用 B + 树做索引、用页式存储管理

数据模型的组成要素

数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三个部分组成

  • 数据结构：数据结构描述数据库的组成对象以及对象之间的联系。数据结构是所描述的对象类型的集合，是对系统静态特征的描述。其实就是我们之前说的模型。
  • 数据操作：数据库主要有查询和更新（包括插入、删除、修改）两大类操作。数据操作是对系统动态特征的描述。
  • 数据的完整性约束条件：数据的完整性约束条件是一组完整性规则。在第一个表里学号001是张三，你第二个表学号001号就必须也得是张三；第二个就是你的身高和体重不能是图片，得是数字；成绩最高100，不能出现101。

概念模型

概念模型是现实世界到机器世界的一个中间层次，表现为：

  • 概念模型用于信息世界的建模
  • 现实世界到信息世界的第一层抽象
  • 数据库设计人员进行数据库设计的有力工具
  • 数据库设计人员和用户之间进行交流的语言：我设计的这个数据库符不符合你的实际应用？
    概念模型设计要求：
  • 具有较强的语义表达能力：我这个模型要能非常清楚的表示出现实世界中它是什么意思
  • 能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识：有学生姓名，就应该有学号等信息
  • 简单、清晰、易于用户理解

信息世界的基本概念：

实体(Entity)：客观存在并可相互区别的事务称为实体。 实体可以是具体的人、事、物，也可以是抽象的概念或联系。比如一个职工、一个部门、一门课。

属性（Attribute）：实体所具有的某一特征称为属性。 一个实体可以由若干个属性来刻画。比如一个学生实体可以有学号，姓名等若干个属性。

码（Key）：唯一标识实体的属性集称为码。比如学号是学生的码。

域（Domain）：域是一组具有相同数据类型的值的集合。属性的取值范围。比如说成绩域的范围是0-100，学号是8为整数。性别是男或女。

实体型（Entity Type）：具有相同属性的实体必然具有相同的特征和性质。用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体，称为实体型。比如学生（学号，姓名，性别，出生年月）就是一个实体型。

实体集（Entity Set）：同一类型实体的集合称为实体集。比如全体学生就是一个实体集。

联系（Relationship）：在现实世界中，事物内部以及事物之间是有联系的，这个在信息世界中反映为实体（型）内部的联系和实体（型）之间的联系。实体内部通常是指组成实体的各属性之间的联系；实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系。

两个实体之间的联系：

一对一联系（1：1）：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中最多有一个实体与之联系，反之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一联系，记作1：1。比如班级是实体集A，班长是实体集B，那么班级和班长具有一对一联系，如下图所示：
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一对多联系（1：n）：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体(n>=0)与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对多联系，记为1：n。比如班级与学生之间的联系，如图：
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多对多联系（m：n）：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（m>=0)与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体与之联系，则称实体集A与实体集B多对多联系，记为m：n。实际上1：1是1：多的特例，1：多又是多对多的特例。比如学校的选课系统，一门课可以由多个学生选，而一个学生又可以选多门课：
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两个以上实体型的联系：两个以上的实体型之间也存在着一对一、一对多、多对多联系。若实体型$E_1,E_2,...,E_n$之间存在联系，对于实体型$E_i$中给定的实体，最多只和$E_i$中的一个实体相联系，则说$E_i$与$E_1,E_2,...,E_i-1,E_i+1,...,E_n$之间能联系是一对多的。比如对于课程，教师，参考书这三个实体型，如图：
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单个实体型内的联系：同一个实体集内的各实体之间也可以存在一对一、一对多、多对多的联系。比如员工中的职工和领导：
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概念模型的一种表示方法：实体-联系图（E-R图）：

E-R图提供了表示实体型、属性和联系的方法：

  • 实体型：用矩形表示，矩形框内写明实体名。
  • 属性：用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体型连接起来。
  • 联系：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体型连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1：1、1：n、m：n等）。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边跟联系连接起来。联系的属性，本质就是为 “实体组合” 做 1:1 描述。
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    联系的属性，本质就是为 “实体组合” 做 1:1 描述。上面的含义是，某一个供应商，为某一个项目，供应了某一种零件，供应的数量是多少。

最常用的数据模型

目前，常用逻辑数据模型有：层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型、对象关系模型。

关系模型

关系数据模型的数据结构

  • 关系(Relation)：一个关系对应通常说的一张表，如下表中的这张学生登记表。
  • 元组（Tuple）：表中的一行即为一个元组。
  • 属性（Attribute）：表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名。
    比如下表有六列，也就是六个属性，而这整整一个表叫做属性:
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  • 码（Key）：也称为码键。表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组；如上表中的学号，可以唯一确定一个学生，也就成为本关系的码。
  • 域（Domain）：属性的取值范围，如人的年龄一般在1~114514岁之间。
  • 分量：元组中的一个属性值。
  • 关系模式：对关系的描述，一般表示为：关系名（$属性_1，属性_2，....，属性_n$)
    举个例子，学生、课程之间的多对多联系在关系模型中可以如下表示：
  • 学生（学号，姓名，年龄，性别，系名，年级）
  • 课程（课程号，课程名，学分）
  • 选修（学号，课程号，成绩）

关系数据模型额操作与完整性约束：关系数据模型的操作主要包括查询、插入、删除和更新数据。这些操作必须满足关系的完整性约束条件。

关系的完整性约束条件包括三大类：

  • 实体完整性：想办法确定出唯一的实体
  • 参照完整性：如上面选修这个实体，它的学号和课程号不能瞎填，必须得参照学生实体
  • 用户定义的完整性：也就是数据得在域内

关系数据模型的优点：

  • 关系模型与格式化模型不同，它是建立在严格的数学概念的基础上的。
  • 关系模型的概念单一：关系模型是一个二维表，你进行一系列操作后的结果肯定也是二维表
  • 关系模型的存取路径对用户透明，从而具有更高的数据独立性、更好的安全保密性也简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作：在计算机中我们要记住，透明的意思是看不见

数据库系统DBS结构-数据库运作原理

数据库系统模式的概念

模式（Schema） 是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，同一个模式可以有很多实例。

是不是有一种“这家伙在说什么啊”的感觉，我们来看下实例：

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在学生选课数据库模式中，包含学生记录、课程记录和学生选课记录，则2003年有一个学生数据库的实例，该实例包含了2003年学校中所有学生的记录（如果某校有10000个学生，则有10000个学生记录）、学校开设的所有课程的记录和所有学生选课的记录。
概念 类比 说明
模式（Schema） 游戏角色模板 定义了角色有 “姓名、职业、等级、血量” 这些属性，结构固定
实例（Instance） 你创建的具体角色 比如 “战士张三，等级 10，血量 1000”，数据会随游戏变化
多个实例 不同玩家的角色 都遵循同一个角色模板，但数据各不相同
其实模式严格意义上来讲更像是模板，这不就是我们伟大二游明日方舟终末地的蓝图系统吗😋。我可以造紫瓶蓝瓶设施，但是机器本身是一样，只是里面放的东西不一样😋。

数据库系统的三级模式结构

数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由外模式、模式、内模式三级构成。
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  • 外模式：用户想要看自己的信息，为了保证数据库透明原则，外模式会将只属于你的数据从数据库调用出来，比如你的成绩，它是应用程序在访问数据库的时候所用到的一种模式。
  • 模式：我们查到了自己的成绩，但是这个成绩是怎么在数据库中存储的呢？比如通过一个二维表，这个二维表包含你的全部信息。
  • 内模式：你的数据库中有这么多数据，你在计算机的实际物理硬盘当中是怎么存的，比如说你是在D盘存的还是在C盘存的，这也叫做物理模式。
  • 通俗点来讲，外模式就是单领出一个数据来看，而模式是所有表，内模式是这些数据储存的地方。我们在DBMS上看到的其实就是模式反映出来的。
    注意：
  • 外模式通常是模式的子集，一个数据库可以有多个外模式
  • 同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用，但一个应用程序只能使用一个外模式。
  • 外模式是保证数据安全性的一个有力措施。每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据，数据库中的其余数据是不可见的。

数据库的二级映像功能与数据独立性

数据库的三级模式是对数据的3个抽象级别，它把数据的具体组织留给DBMS管理，使用户能逻辑地抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的具体表示方法与存储方式。

DBS在这三个模式之间提供了两层映射：

  1. 外模式/模式映像
  2. 模式/内模式映像
    具体方式如上一节的图，这两层映像抱枕两个DBS中的数据能够具有较高的逻辑独立性和物理独立性。

数据库系统的组成

数据库系统一般由数据库DB、数据库系统DBS（及其开发工具）、应用系统APP、数据库管理员DBA构成。

硬件平台及数据库：硬件资源要求：

  1. 要有足够大的内存，存放操作系统、DBMS的核心模块、数据缓冲区和应用程序。内存不是外存，我草拟的计组还在追我🤬
  2. 有足够大的磁盘或磁盘阵列等设备存放数据库，有足够的磁带（或光盘）作数据备份。
  3. 要求系统有较高的通道能力，以提高数据传送率。

软件：数据库系统的软件主要包括：

  1. DBMS。DBMS是为数据库的建立、使用和维护配置的系统软件。
  2. 支持DMBS运行的操作系统
  3. 具有与数据库接口的高级语言及编程语言，便于开发应用程序APP
  4. 以DBMS为核心的应用开发工具
  5. 为特定应用环境开发的数据库应用系统。

人员：开发、管理和使用数据库系统的人员主要是：

  1. 数据库管理员：维护，改进
  2. 系统分析员：根据需求和规范说明，要和用户及DBA结合，er图，建模
  3. 数据库设计人员：建表，各级模式设计
  4. 应用程序员
  5. 最终用户

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