中 国 地 质 大 学
资 源 信 息 系 统
第四章 地矿属
性数据库子系统
的设计与应用
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目 录
第二节 地矿资源属性数据库结构设计2
第一节 数据库系统原理与方法概述31
第三节 地矿资源属性数据 库 系统的应用3
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?数据库技术是本世纪 60年代开始兴起的一门信
息管理自动化的新兴学科, 是计算机科学的一
个重要分支 。 数据库技术是一门综合性的软件
技术, 是编译原理, 数据结构, 操作系统和程
序设计许多软件知识的综合应用 。 随着计算机
技术的蓬勃发展, 数据库技术的应用越来越广
泛, 几乎深入到各个领域, 各个部门 。
?本章首先介绍数据库基本知识, 有关数据的基
本概念和持征, 然后介绍资源数据库的结构设
计, 数据库开发, 最后介绍资源数据库的应用
情况 。
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一、数据库基本概念
?数据 描述事物的符号记录称为数据 。 描述事物的符号可以
是数字, 也可以是文字, 图形, 图像, 声音, 语言等 。 数据
本质上是对信息的一种符号化表示, 是用来载荷信息的 。
?数据处理 也称为信息处理 。 数据处理实际上就是利用计算机
对各种形式的数据进行处理 。 它包括：数据采集, 整理, 编
码和输入, 有效地把数据组织到计算机中, 由计算机对数据
进行一系列储存, 加工, 计算, 分类, 检索, 传输, 输出等
操作过程 。 数据处理的目的是从大量原始的数据中抽取和推
导出对人们有价值的信息以作为行动和决策的依据 。
?数据管理 数据管理是指数据的收集, 整理, 组织, 存储,
检索, 维护和传送等各种操作, 是数据处理中的基本环节,
是任何数据处理任务必须具有的共同部分 。
?数据管理是数据库系统的基本功能
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数据管理概述
?人类活动的整个历史, 离不开对信息和数
据的收集, 保存和处理 。 像银行, 统计,
仓库等部门的工作人员, 无时无刻不在和
大量的数据打交道 。 然而, 随着社会的不
断进步, 人类社会积累的信息, 正以, 几
何级数, 的速度增长 。 因此人们过去传统
的, 落后的数据处理方法, 已经远远适应
不了形势发展的需要了 。
?所以长期以来, 如何妥善地保存和管理数
据, 一直是人们十分关注的课题 。 人们对
数据处理现代化的要求日益迫切 。
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数据管理技术的发展历程
?人工管理阶段
? 数据不保存
? 应用程序管理数据
? 数据不共享
? 数据不具独立性
应用程序 1 数据集 1
应用程序 2 数据集 2
应用程序 n 数据集 n
… …
?数据管理：人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系
统阶段
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?文件系统阶段
? 数据保存
? 文件系统管理数据
? 数据共享差，冗余大
? 数据独立性差
应用程序 1 文件 1
应用程序 2 文件 2
应用程序 n 文件 n
存取方法… …
数据管理技术的发展历程
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? 数据库系统克服了以前所有处理方式的缺点，试图提供一种完美的、更高
级的数据管理方式。 它的基本思想是解决多用户数据共享的问题，实现对
数据的集中统一管理，具有较高的数据独立性，并为数据提供各种保护措
施。 这一时期，数据库管理软件作为用户与数据的接口，程序和数据的关
系如图所示。
应用程序 1
应用程序 2
应用程序 n
……
DBMS
数
据
库
数据库系统中应用程序与数据库之间的关系
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?数据库系统阶段：
数据结构化：
学号 姓名 性别 年龄 系别 政治面貌 籍贯 家庭成员
学号 姓名 性别 年龄 系别 政治面貌 籍贯
姓名 与本人关系 详细情况
数据管理技术的发展历程
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文件中记录内部有结构，但记录间无联系
901 李明 男 19 计算机 团员 辽宁沈阳
李义山 父子 ……
张玉 母子 ……
李平 弟弟 ……
数据管理技术的发展历程
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学号 姓名 性别 年龄 系别 家庭出身 籍贯 政治面貌
日
期
地点 学历
名
姓
名
与本人关
系
详细情
况
日
期
奖惩条
目
课程号 成绩
课程名 学
时 …
数据库系统实现整体数据结构化
数据管理技术的发展历程
?与人工管理和文件系统相比, 数据库系统主要有以下持点：
?数据结构化 在数据库系统中, 数据不再针对某一应用, 而是
面向整个组织, 实现了整体数据的结构化, 用数据模型描述数
据结构 。 这是数据库系统与文件系统的本质区别 。
?数据共享性高, 冗余度低 从整体角度看待和描述数据, 数
据不再是面向某个应用而是面向整个系统, 因此数据可以被多
个用户, 多个应用共享使用 。 数据共享减低了数据冗余度, 节
省存储空间, 而且可以避免数据的不一致性 。
?数据独立性高 数据库系统具有高度的物理独立性和一定的逻辑独立
性 。 物理独立性是指用户的应用程序与数据库的物理结构是相互独立的, 即
当数据的物理存储改变时, 应用程序不用改变 。 逻辑独立性是指用户曲应用
程序与数据库的逻辑结构是相互独立的, 即当数据的逻辑结构改变时, 应用
程序不用改变 。
?数据由 DBMS统一管理和控制 数据库管理系统 (DBMS,Chta
Data Base Management System)作为用户与数据库之间的中间层软件,
不仅提供数据定义, 数据操纵, 数据库运行, 数据库维护等功能, 而且提供
数据控制功能, 包括数据安全性控制, 数据完整性控制, 并发控制和数据库
恢复等控制 。
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三个发展阶段特点的比较
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1.1数据库技术概述
?主流数据库系统
? Oracle
? DB2
? Sybase
? Informix
? Microsoft SQL Server 2000
? Vsiual FoxPro
? Access
? SQL anywhere
小型数据库系统
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1.2数据库相关概念
?数据库（ DB） 是长期存储在计算机内、有组
织的、可共享的 数据集合 。
?数据库是按某种数据模型进行组织的、存放在
外存储器上，且可被多个用户同时使用。因此，
它具有较小的冗余度，较高的数据独立性和易
扩展性。
?数据库本身不是独立存在的，它是组成数据库
系统的一部分，在实际应用中，人们面对的是
数据库系统（ DBS）。
（ 1）数据库
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（ 2）数据库系统
?数据库系统是指具有管理和控制数
据库功能的计算机系统 。
?数据库系统简称 DBS（ database system）,
它包括和数据库有关的整个系统：硬件系统,
数据库集合, 数据库管理系统及相关软件, 数
据库管理员和用户等等 。
?当然, 人们也常把除人以外与数据库有关的硬
件和软件系统称为数据库系统 。
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?数据库管理系统 (data base management system，
缩写为 DBMS),数据库管理系统是位于用户与操作
系统之间的一层数据管理软件, 用于指挥计算机进行
有效的组织和存储数据, 管理和处理数据 。 它位于用
户与计算机操作系统之间, 主要功能,
? ① 数据定义功能
? ② 数据操纵功能
? ③ 数据库的运行管理功能
? ④ 数据库的建立和维护功能
? ⑤ 数据字典功能
? ⑥ 数据通信功能
（ 3）数据库管理系统
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?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。 数据库
管理系统 使用户能方便地定义数据和操
纵数据，并能够保证数据的安全性、完
整性、多用户对数据的并发使用及发生
故障后的系统恢复。
（ 3）数据库管理系统
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1.3数据库系统的组成
? 数据库系统是引进数
据库技术后的计算机系
统, 由 5部分组成：
? 硬件系统
? 数据库集合
? 数据库管理系统
? 相关软件
? 数据库管理员和用户
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1）硬件
?硬件硬件系统 是整个数据库系统的基础, 包括
CPU,内存和外部设备等 。 要求足够大的内存,
用以存放操作系统, 数据库管理系统的核心模块,
数据缓冲区等；要求足够大的外存, 用以存储数
据, 日志文件等 。
?①有足够大的内存以存放操作系统,DBMS的核
心模块、数据缓冲区和应用程序；
?②有足够大的直接存取设备存放数据 (如磁盘 )，
有足够的存储设备来进行数据备份；
?③要求计算机有较高的数据传输能力，以提高数
据传送率。
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2）软件
?软件 主要包括
?操作系统
?DBMS
?各种宿主语言, 实用程序及各种 应用程序
?DBMS是管理数据库的软件系统, 它是在操作系
统的文件系统基础上发展起来的, 而且 DBMS是
在操作系统支持下工作 。 应用程序是数据库的
特定用户根据自己的数据处理业务, 利用应用
开发工具而开发的应用系统, 供最终用户直接
操作
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?数据库集合是若干个设计合理,
满足应用需要的数据库 。
?一个数据库有四个主要成分：
数据, 联系 （ Relationship）,
约束 （ Constraint） 和模式
（ Schema） 。 数据是所存储的
逻辑实体在计算机中的二进制表
示；联系表示数据项之间的某种
对应；约束是定义正确数据状态
的断言；一种模式描述数据库中
数据的组织和联系 。
3）数据库集合
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4)数据库管理员
?数据库管理员 数据库管理员 (DBA,DataBase
Administrator)是管理和控制数据库系统, 使之
始终处于最佳状态的人员 。 DBA是相关人员中最
重要的人员 。 DBA的具体职责包括
? (1)决定数据库中信息的内容和结构；
? (2)决定数据库的存储结构和存取方法；
? (3)定义数据的安全性要求和完整性约束条件；
? (4)监督和控制数据库的使用和运行；
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5）数据库用户
?数据库系统中存在一组管理, 开发, 使用数据库的
用户 。 有的用户需要从数据库中查询信息；有的用
户要为查询信息的用户编写处理程序；有的用户专
门来管理维护数据库等 。 通常, 将这些用户根据他
们的工作分成三类, 说明如下：
? ① 终端用户 。 这类用户使用数据库系统提供的终端命令语
言或者菜单驱动, 表格驱动 。 图形显示和报表生成等对话
方式来存取数据库中的数据 。 这类人员一般为不精通计算
机和程序设计的各级管理人员 。
? ② 应用程序员 。 这类人员是负责设计和编制应用程序的人
员 。 他们通常使用 C语言, 数据库语言或 4GL（ 第四代语言 ）
等来设计和编写应用程序, 对数据库进行存取操作, 所编
应用程序供终端用户使用 。
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?为了便于更直观地了解数据库系统，可
以把数据库与图书馆做一比较,
?图书馆是存储和借阅图书的部门，而数
据库系统则是存储数据并负责用户访问
数据的机构。正像图书馆不能简单地与
书库等同起来一样，我们也不能把数据
库系统仅仅理解成存储数据的集合，而
应该理解成一个系统。
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数据库系统与图书馆比较
数据库 图书馆
数据 图书
外存 书库
用户 读者
数据模型 书卡格式
数据库管理系统 图书馆管理员
数据的物理组织方法 图书馆图书存放方法
用户对数据库的操作 （ 使用数据操
纵语言对数据检索, 插入, 删除,
修改 ）
读者对图书馆的访问 （ 用普通语
言借书, 还书等 ）
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1.4 数据库系统的特点
?数据库系统的特点如下：
?1） 数据共享；
?2） 面向全组织的数据结构化 ；
?3） 数据独立性；
?4） 可控数据冗余度
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1）数据共享
?这是数据库系统区别于文件系统的最大
特点之一, 也是数据库系统技术先进性的
重要体现 。 共享是指多用户, 多种应用,
多种语言互相覆盖地共享数据集合, 所有
用户可同时存取数据库中的数据 。 数据库
是面向整个系统的, 以最优的方式服务于
一个或多个应用程序 （ 用户 ）, 实现数据
共享 。
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2）面向全组织的数据结构化。
?在数据库中, 数据不再像文件系统那样从属于特
定的应用, 而是按照某种数据模型组织成为一个
结构化的整体 。 它不仅描述了数据本身的特性,
而且也描述了数据与数据之间的种种联系, 这使
数据库具备复杂的结构 。
?数据结构化有利于实现数据共享 。 比如, 一个学
校, 可以把学校所有的各个应用 （ 人事, 学籍,
科研, 财务, 后勤等 ） 的数据组织到一个数据库
中, 并且结构化 。 数据实现集中统一的存储与管
理, 各种应用存取各自相关的数据于集, 满足各
种应用要求, 实现数据共享 。
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3）数据独立性。
?文件系统管理中, 应用程序严重依赖于数
据文件, 如果把应用程序使用的磁带顺序
文件改成为磁盘索引文件, 则必须对应用
程序进行修改 。 而数据库技术的重要特征
就是数据独立于应用程序而存在, 数据与
程序相互独立, 互不依赖, 不因一方的改
变而改变另一方, 这大大简化了应用程序
的设计与维护的工作量 。
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4）可控数据冗余度
?数据共享, 结构化和数据独立性的优点可使
数据存储不必重复, 不仅可以节省存储空间,
而且从根本上保证了数据的一致性, 这也是
有别文件系统的重要特征 。
?从理论上讲, 数据存储完全不必重复, 即冗
余度为零, 但有时为了提高检索速度, 常有
意安排若干冗余, 这种冗余由用户控制, 称
为可控冗余度 。 可控冗余要求任何一个冗余
的改变都能自动地对其余冗余加以改变, 这
个过程叫做传播更新 。
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5）统一数据控制功能
?数据库是系统中各用户的共享资源, 因而计算机的共
享一般是并发的, 即多个用户同时使用数据库 。 因此,
数据库管理系统必须提供以下四个方面的数据控制功
能, 保证整个系统的正常运转 。
? ① 数据安全性控制 。 数据的安全性是指采取一定安全保密措施确
保数据库中的数据不被非法用户存取而造成数据的泄密和破坏 。
? ② 数据完整性控制 。 数据的完整性指数据的正确性, 有效性与相
容性 。 系统要提供必要的功能, 保证数据库中的数据在输入, 修改过程
中始终符合原来的定义和规定 。
? ③ 并发控制 。 当多个用户并发进程同时存取, 修改数据库中数据时,
可能会发生互相干扰而得到错误结果, 并使数据库完整性遭到破坏, 因
此必须对多用户的并发操作加以控制和协调 。
? ④ 数据恢复 。 当系统发生故障造成数据或当对数据库数据的操作发
生错误时, 系统能进行应急处理, 把数据库恢复到正确状态 。
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二、数据结构的关系模型与关系数据库
?数据库是用数据模型对现实世界进行抽
象和描述的 。
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三个世界的关系
?上图给出了数据处理的抽象和转换过程 。 可以
看出, 在数据处理中, 数据加工经历了现实世
界 （ Real World),信息世界 （ Information
World)和计算机世界 (Computer World)三个不
同的世界, 经历了两级抽象和转换 。 所以说,
数据模型是现实世界的两极抽象和转换的结果 。
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?, 三个世界, 即 现实世界, 信息世界和计算机世界 。 存
在于人们头脑之外的客观世界称为现实世界；信息世界是现实
世界在人们头脑中的反映, 人们把它用文字和符号记载下来；
信息世界中的信息在计算机世界是以数据形式存储的 。
?在现实世界中, 各种事物或事件千差万别且都是彼此关联的,
任何事物或事件都不是独立存在的 。 数据库是模拟现实世界中
某应用环境 （ 一个企业, 单位或部门 ） 所涉及的信息 （ 各种图,
表, 单据等 ） 集合, 是一个统一的, 集中的数据管理机构 。 这
个集合或者包含了信息的一部分, 或者包含了信息的全部 。 这
种模拟是通过数据模型来进行的 。 一个好的数据模型必须能够
反映现实世界中各种事物及其复杂的联系 。 现实世界中各种事
物及其复杂的联系是不能直接输入到计算机的数据库中的, 因
此, 在实际的数据处理中, 我们首先将现实世界的事物及其联
系抽象为信息世界的信息模型, 然后再将信息模型抽象转换为
计算机世界的数据模型 。
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2.1数据模型
?数据库领域过去和现在最常见的数据结
构模型有三种：
? 层次模型 (Hierarchical Model)
? 网状模型 (Network Model)
? 关系模型 (Relational Model)。
?自 2O世纪 80年代以来, 计算机厂商推出
的数据库管理系统的产品几乎都是基于关
系模型的, 下面将着重介绍关系模型 。
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2.2关系模型及其相关概念
?1) 关系模型的表达
? 用二维表结构来表示实体及实体间联系的模型称为关系模型 (Relational
Model)。
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?① 关系 关系是笛卡尔积的一个有意义的子集, 即满
足一定规范要求的二维表 。 每个关系都有一个关系名 。
?② 元组 (Tuple) 二维表格中的一行, 也称为记录 。
?③ 属性 (Attribute) 二维表格中的一列, 也称为字段
或数据项, 属性包括属性名, 属性值和属性值类型三
部分内容 。
?④ 属性名 属性的名称 （ 给属性起的名 ） 。
?⑤ 属性的值域 属性的取值范围称为值域 (Domain)。
?⑥ 分量 元组中的一个属性值 。
?⑦ 主关系键 关系中的某个属性组 （ 由一个或多个属
性组成 ）, 它的值能够唯一地标识一个元组 。 主关系
键也称为主码, 主键 。
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? 属性和值域 在二维表中的列 (字段, 数
据项 )称为属性 (Attribute)； 列值称为属
性值；属性值的取值范围称为值域
(Domain)。
? 元组, 关系和关系模式 在二维表中,
行 (记录的值 )称为元组 (Tuple)； 元组的
集合称为关系；而行定义 (记录的型 )称
为关系模式 。 关系模式和关系也常常通
称为关系 。
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2)关键字
?关键字 (Key) 在关系的诸属性中, 能够用来唯一标
识元组的属性 (或属性组合 )称为关键字 。 关系中的
元组由关键字的值来唯一确定 。
?关键字是一个语义概念 。 对图 4-２钻遇地层关系和
表４－１钻孔关系, 关键字分别是钻孔编号＋层号
和钻孔编号 。
? 在一个关系中, 关键字的值不能为空, 即关键字的值为
空的元组在关系中是不允许存在的 。
? 有些关系的关键字是由单个属性组成的, 还有一些关系
的关键字常常是由若干个属性的组合而构成的, 即这种
关系中的元组不能由任何一个属性唯一标识, 必须由多
个属性的组合才能唯一标识 。
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钻孔基本信息
?候选关键宇 (Candidate Key) 如果在一个关系中, 存在多个属
性或属性组合都能用来唯一标识该关系的元组, 这些属性或属
性组合都称为该关系的候选关键字 。
?主关键字 (Primary Key) 在一个关系的若干个候选关键字中,
经指定具有唯一标识作用的属性或属性组合, 称为该关系的主
关键字 。 例如, 在钻遇地层关系中, 当风化带类型字段的值在
每层中都是唯一的话, 则, (钻孔编号, 层号 )” 和, (钻孔编号,
风化带类型 )” 是该关系的两个候选关键字, 根据唯一标识作
用的条件, 可选择, (钻孔编号, 层号 )” 作为该关系的主关键
字 。
?非主属性 (Non Primary Attribute) 关系中不组成关键字的属性
均为非主属性 。
?外部关键字 (Foreign Key) 当关系中的某个属性或属性组合虽
不是该关系的关键字或只是关键字的一部分, 但却是另一个关
系的关键字时, 称该属性或属性组合为这个关系的外部关键字 。
例如, 对表 4-1中的钻孔关系, 钻机编号不是关键字, 但钻机
编号是钻机关系的关键字, 所以钻机编号是钻孔关系的外部关
键字 。
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1)关系操作
?(1)传统的集合操作
? 并 (Union) 关系 R与关系 S的并，它是属于 R或属于 S的
元组组成的集合，结果为 n列属性的关系。
? 交 (Intersection) 关系 R与关系 S的交，它是既属于 R
又属于 S的元组组成的集合，结果为 n列属性的关系。
? 差 (Difference) 关系 R与关系 S的差，它是属于 R而不
属于 S的元组组成的集合，结果为 n列属性的关系。
? 广义笛卡尔积 (Extended Cartesian product) 关系
R(假设为 n列 )和关系 S(假设为 m列 )的广义笛卡尔积是
一个 (n十 m)列元组的集合，每一个元组的前 n列是来自
关系 R的一个元组，后 m列是来自关系 S的一个元组。
若 R有 k1个元组,S有 k2个元组，则关系 R和关系 S的广
义笛卡尔积有 k1× k2个元组。
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(2)专门的关系操作
?选择 (Selection) 选择操作是指在关系中选择满足
某些条件的元组。例如，要找出年龄为 21岁的所
有学生的数据，可以用 21岁为条件，对学生基本
信息表做选择操作。
?投影 (Projection) 投影操作是在关系中选择某些
属性列。例如，要找出所有教师的姓名、电话，
则可以对教师基本信息表做投影操作，将表数据
投影到教师名和电话列。
?连接 (Join) 连接操作是从两个关系的笛卡尔积中，
选取属性间满足一定条件的元组。
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? (1)实体完整性规则
?实体完整性 (Entity Integrity Rule)是指关系的主属性，即主
码的组成不能为空，也就是关系的主属性不能是空值 (null)。
? (2)参照完整性规则
?如果在基本关系 R1的属性中，包含与另一基本关系 R2的主
属性 K相对应的属性组 F，则称 F为基本关系 R1的外主属性。
参照完整性 (Reference Integrity Rule)就是指在含有外主属
性 F的关系 R1中，外主属性值 (F值 )只能在空值和另一个关
系 R2的对应主属性值 (K值 )之间进行选择的特性。
? (3)用户定义的完整性规则
?用户定义的一般完整性规则，是针对某一应用环境的完整性
约束条件，它反映了某一具体应用所涉及的数据应满足的要
求。
2)关系模型的完整性
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2.3关系数据库
?采用关系型数据结构模型来组织数据的数据库称
为关系数据库 。
?关系数据库的概念简单清晰, 语言高度非过程化, 用户不
需了解复杂的存取路径, 不需说明, 怎么干,, 而只需指
出, 干什么, 就能方便地操作数据库 。 经过近 30年的发展,
目前已经涌现出许多性能优良的商品化管理系统 (RDBMS)，
例 如 著 名 的 DBZ,ORACLE,INGRES,SYBASE、
INFORMIX等 。 关系数据库产品至今也从单一的集中式系
统, 发展成为可在网络环境中运行的分布式系统；从封闭
式系统逐步发展成为开放式系统, 从联机事务处理发展到
支持信息管理, 辅助决策 。
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三、数据库的结构与工作原理
?三层模式，两级变换
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1,4数据模式
?模型 人们对实体或对象的抽象描述,
可以用文字或图形来描述
?模式 用计算机语言来描述或定义的模
型或对象
?模式为数据库管理系统各部件所定义
的各种数据库视图 。 一种模式将数据
存储的物理外表与逻辑表示分开 。
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?内部模式：定义数据在物理数据存储区中如
何组织以及放在何处；
?概念模式：按照适当的数据库数据模型 (如
关系模型或对象模型 )定义所存储数据的结
构；
?外部模式：为特定用户 (们 )所定义的数据库
的一个或多个视图。
?一个数据模型是数据库的一种抽象定义，它
提供一种描述数据的表示法。
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外部模式 1 外部模式 2 外部模式 n…
全局概念模式
内部模式
物理数据库
数据库模式的概念
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?在数据库系统中，用户看到的数据与计算机中存放的
数据是两回事。用户只能看到外层，而其他两层是看
不到的。它们之间实际上经过两次抽象和转换：
?一次是把所有用户的数据综合抽象成一个统一的全局
数据共同视图，即中间层，以实现数据共享和减少数
据冗余；
?第二次是把全局数据的共同视图抽象为计算机的数据
实际存储，即把全局数据按照存储的最优组织形式进
行物理存放，以提高性能和存放效率。当计算机向用
户提供数据时则做相反的变换。
?因此，对于一个数据库系统而言，实际上只有物理数
据库是存在的，概念层数据库只是物理数据库的一种
抽象描述，用户层数据库则是用户与数据库的接口。
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关系模式
?关系模式就是关系的框架，也称表框架，相当于
记录格式。它是对关系结构的描述。一个关系模
式实际上确定了这个关系的二维表的形式 (二维
表的框架 )。
?当一个关系模型被确定之后，就可以用 DBMS提
供的关系数据定义语言来描述和定义关系模型和
组成模型的每一个关系，其中每一个被定义的关
系模式包括关系名、属性名、属性的数据类型、
属性宽度、属性值的约束等，最后指出每个关系
的主键。
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关系模式
?用关系 DBMS提供的关系数据定义语言来描述关系二维
表的框架 (相当于记录格式 )，这有点像我们做表填写数
据时，首先要画出表框 (每栏的栏名对应属性名，宽度
对应属性的长度等 )的情形。为了便于在书面上讨论和
描述关系模式，将关系模式用下面最简单的式子表示出
来：
?R(A1,A2,…, An) 学生（学号，姓名，年龄 … ）
?其中,R为关系名,A1,A2,…, An为属性名。
?关系数据库模式是关系数据库结构的语言描述 (即程序
化 )，是一组关系模式的集合。
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?学生（学号，姓名，年龄，性别，籍贯，电话）
学号 姓名 年龄 性别 籍贯 电话
02100101 王靖 19 男 湖北 8888888
02100102 丁蓉 18 女 湖北 9999999
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2.数据库管理系统的功能及操作过程
?数据库管理系统 (DBMS)执行对数据的操作，它通
常具备以下几种功能。
? 数据库定义功能
? 数据操纵功能
? 数据库运行和控制功能
? 数据的安全性保护
? 并发控制
? 数据库恢复
? 数据库的建立和维护功能
? 数据字典功能
? 数据通信功能
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?数据库定义功能 DBMS 提供数据定义语言
(DDL:data definition language)，用户通过它可以
方便地对数据库中的相关内容 (如数据库结构、基
本表、视图和索引 )进行定义。用 DDL编写的概念
模式、外模式和内模式分别称为源概念模式、源
外模式和源内模式。各种源模式通过相应的模式
编译程序转换为机器内部代码表示形式，分别称
为目标概念模式、目标外模式和目标内模式。这
些目标模式是对数据库结构的描述，并被保存在
数据字典中。
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?数据操纵功能 DBMS向用户提供数据操纵语言
(DML,data manipulation language)，利用 DML来
书写命令，可以实现对数据库的各种基本操作，例
如，对数据库中数据的查询、插入、删除和修改；
也可以补充实现对数据库的各种特殊操作，例如，
对数据进行各种统计、分析、处理和可视化输入输
出的操作。
?在现行的数据库产品中,DBMS一般同时拥有自主
型 (如 XBASE)与宿主型 (如 COBOL,FORTRAN，
PASCAL,VB或 C等高级语言 )两种类型。
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?数据库运行和控制功能 这是 DBMS
功能的核心部分，包括通过数据安
全性、完整性、并发性和数据恢复
等的控制，来对数据库进行有效的
管理，以便确保数据库数据正确有
效和数据库系统的正常运行。
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?数据的安全性保护 是指为防止不合法的使用
造成数据泄密和破坏，使每个用户只能按规定
对某些数据以某些方式进行使用和处理。例如，
划分不同的用户权限，有的用户只能查询而不
能修改数据，而有的用户却有修改权等。数据
的完整性约束是对数据的正确性、有效性和相
容性要求，即将数据有效性控制在一定范围内，
或要求数据间满足一定的关系。
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?并发控制 是对多个用户同时存取、修改
数据库的协调和控制。当多个用户同时
存取、修改数据库时，可能造成相互干
扰而得到错误结果，甚至使数据库的完
整性遭到破坏。 DBMS提供了对多用户
的并发操作加以控制和协调的功能。
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?数据库恢复 计算机的硬件故障、操作员
的失误以及人为的破坏，都会影响数据库
中数据的正确性，甚至造成数据库部分或
全部数据的丢失。 DBMS具有将数据库从
错误状态恢复到某一已知的正确状态 (亦
称为完整状态或一致状态 )的功能。
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?数据库的建立和维护功能 包括数据库初始
数据的安装，数据库的转储、恢复、重组
织，数据库的性能监视、分析功能，等等。
这些功能是数据安全性、完整性的重要保
证，通常由一些应用程序来完成的，但仍
属于数据库管理系统的重要组成部分。
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?数据字典功能 数据字典 (DD,data dictionary)
也称为数据目录或系统目录，它以表格的形式
存放着数据库的各种有关信息 (数据库三级模式、
数据类型、用户名表、用户权限、程序与其用
户联系等有关数据库系统的信息 )，能帮助用户、
数据库管理员和数据库管理系统本身使用和管
理数据库。对其作适当的开发，可用于提高自
学水平并解决数据库软件复用与自动编程方面
的难题。在大型系统中,DD也可单独成为一个
系统。
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?数据通信功能 用于实现用户程序与 DBMS
之间的通信的功能，包括与 OS的联机处理、
分时处理和远程作业传输的相应接口等。
这些功能对分布式数据库系统尤为重要，
通常与操作系统协调完成。在当前的各种
DBMS中，数据通信功能都被列为重点开
发内容。
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2)数据操作过程
应用程序 A
程序工作区
返回状态
DB的系统缓冲区
数据库
应用程序 A
对应的外模式
全局模式
内模式
数据
字典
运行日志
DBMS
OS
图 4-7 用户访问数据库的主要步骤
⑨
⑥⑦ ⑧
③
④
②
⑩
⑤
①
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用户访问数据库的主要步骤
?① 应用程序 A向 DBMS发出读取数据请求，并给出记录名及其
关键字；
?② DBMS接到请求后，利用应用程序 A所使用的外模式来分析
这一请求；
?③ DBMS调用全局模式，进一步分析请求，根据外模式与模式
之间变换的定义，决定应读入哪些模式记录；
?④ DBMS通过内模式，将数据的逻辑记录转换为实际的物理记
录；
?⑤ DBMS向操作系统发出读所需物理记录的请求；
?⑥ 操作系统对实际的物理存储设备启动读操作；
?⑦ 读出的记录从保存数据的物理设备送到系统缓冲区；
?⑧ DBMS根据模式和外模式的规定，将记录转换为应用程序所
需的形式；
?⑨ DBMS把数据从系统缓冲区传送到应用程序 A的程序工作区；
?⑩ DBMS向应用程序 A发出请求执行情况的信息。
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1.6数据库技术的发展趋势
?数据库技术的未来
? 分布式数据库
? 面向对象数据库
? 多媒体数据库
? 嵌入式数据库
? 实时数据库等
? XML数据库
? 演绎数据库
? 数据仓库等等
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The end
Thanks
资 源 信 息 系 统
第四章 地矿属
性数据库子系统
的设计与应用
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目 录
第二节 地矿资源属性数据库结构设计2
第一节 数据库系统原理与方法概述31
第三节 地矿资源属性数据 库 系统的应用3
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?数据库技术是本世纪 60年代开始兴起的一门信
息管理自动化的新兴学科, 是计算机科学的一
个重要分支 。 数据库技术是一门综合性的软件
技术, 是编译原理, 数据结构, 操作系统和程
序设计许多软件知识的综合应用 。 随着计算机
技术的蓬勃发展, 数据库技术的应用越来越广
泛, 几乎深入到各个领域, 各个部门 。
?本章首先介绍数据库基本知识, 有关数据的基
本概念和持征, 然后介绍资源数据库的结构设
计, 数据库开发, 最后介绍资源数据库的应用
情况 。
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一、数据库基本概念
?数据 描述事物的符号记录称为数据 。 描述事物的符号可以
是数字, 也可以是文字, 图形, 图像, 声音, 语言等 。 数据
本质上是对信息的一种符号化表示, 是用来载荷信息的 。
?数据处理 也称为信息处理 。 数据处理实际上就是利用计算机
对各种形式的数据进行处理 。 它包括：数据采集, 整理, 编
码和输入, 有效地把数据组织到计算机中, 由计算机对数据
进行一系列储存, 加工, 计算, 分类, 检索, 传输, 输出等
操作过程 。 数据处理的目的是从大量原始的数据中抽取和推
导出对人们有价值的信息以作为行动和决策的依据 。
?数据管理 数据管理是指数据的收集, 整理, 组织, 存储,
检索, 维护和传送等各种操作, 是数据处理中的基本环节,
是任何数据处理任务必须具有的共同部分 。
?数据管理是数据库系统的基本功能
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数据管理概述
?人类活动的整个历史, 离不开对信息和数
据的收集, 保存和处理 。 像银行, 统计,
仓库等部门的工作人员, 无时无刻不在和
大量的数据打交道 。 然而, 随着社会的不
断进步, 人类社会积累的信息, 正以, 几
何级数, 的速度增长 。 因此人们过去传统
的, 落后的数据处理方法, 已经远远适应
不了形势发展的需要了 。
?所以长期以来, 如何妥善地保存和管理数
据, 一直是人们十分关注的课题 。 人们对
数据处理现代化的要求日益迫切 。
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数据管理技术的发展历程
?人工管理阶段
? 数据不保存
? 应用程序管理数据
? 数据不共享
? 数据不具独立性
应用程序 1 数据集 1
应用程序 2 数据集 2
应用程序 n 数据集 n
… …
?数据管理：人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系
统阶段
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?文件系统阶段
? 数据保存
? 文件系统管理数据
? 数据共享差，冗余大
? 数据独立性差
应用程序 1 文件 1
应用程序 2 文件 2
应用程序 n 文件 n
存取方法… …
数据管理技术的发展历程
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? 数据库系统克服了以前所有处理方式的缺点，试图提供一种完美的、更高
级的数据管理方式。 它的基本思想是解决多用户数据共享的问题，实现对
数据的集中统一管理，具有较高的数据独立性，并为数据提供各种保护措
施。 这一时期，数据库管理软件作为用户与数据的接口，程序和数据的关
系如图所示。
应用程序 1
应用程序 2
应用程序 n
……
DBMS
数
据
库
数据库系统中应用程序与数据库之间的关系
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?数据库系统阶段：
数据结构化：
学号 姓名 性别 年龄 系别 政治面貌 籍贯 家庭成员
学号 姓名 性别 年龄 系别 政治面貌 籍贯
姓名 与本人关系 详细情况
数据管理技术的发展历程
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文件中记录内部有结构，但记录间无联系
901 李明 男 19 计算机 团员 辽宁沈阳
李义山 父子 ……
张玉 母子 ……
李平 弟弟 ……
数据管理技术的发展历程
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学号 姓名 性别 年龄 系别 家庭出身 籍贯 政治面貌
日
期
地点 学历
名
姓
名
与本人关
系
详细情
况
日
期
奖惩条
目
课程号 成绩
课程名 学
时 …
数据库系统实现整体数据结构化
数据管理技术的发展历程
?与人工管理和文件系统相比, 数据库系统主要有以下持点：
?数据结构化 在数据库系统中, 数据不再针对某一应用, 而是
面向整个组织, 实现了整体数据的结构化, 用数据模型描述数
据结构 。 这是数据库系统与文件系统的本质区别 。
?数据共享性高, 冗余度低 从整体角度看待和描述数据, 数
据不再是面向某个应用而是面向整个系统, 因此数据可以被多
个用户, 多个应用共享使用 。 数据共享减低了数据冗余度, 节
省存储空间, 而且可以避免数据的不一致性 。
?数据独立性高 数据库系统具有高度的物理独立性和一定的逻辑独立
性 。 物理独立性是指用户的应用程序与数据库的物理结构是相互独立的, 即
当数据的物理存储改变时, 应用程序不用改变 。 逻辑独立性是指用户曲应用
程序与数据库的逻辑结构是相互独立的, 即当数据的逻辑结构改变时, 应用
程序不用改变 。
?数据由 DBMS统一管理和控制 数据库管理系统 (DBMS,Chta
Data Base Management System)作为用户与数据库之间的中间层软件,
不仅提供数据定义, 数据操纵, 数据库运行, 数据库维护等功能, 而且提供
数据控制功能, 包括数据安全性控制, 数据完整性控制, 并发控制和数据库
恢复等控制 。
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三个发展阶段特点的比较
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1.1数据库技术概述
?主流数据库系统
? Oracle
? DB2
? Sybase
? Informix
? Microsoft SQL Server 2000
? Vsiual FoxPro
? Access
? SQL anywhere
小型数据库系统
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1.2数据库相关概念
?数据库（ DB） 是长期存储在计算机内、有组
织的、可共享的 数据集合 。
?数据库是按某种数据模型进行组织的、存放在
外存储器上，且可被多个用户同时使用。因此，
它具有较小的冗余度，较高的数据独立性和易
扩展性。
?数据库本身不是独立存在的，它是组成数据库
系统的一部分，在实际应用中，人们面对的是
数据库系统（ DBS）。
（ 1）数据库
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（ 2）数据库系统
?数据库系统是指具有管理和控制数
据库功能的计算机系统 。
?数据库系统简称 DBS（ database system）,
它包括和数据库有关的整个系统：硬件系统,
数据库集合, 数据库管理系统及相关软件, 数
据库管理员和用户等等 。
?当然, 人们也常把除人以外与数据库有关的硬
件和软件系统称为数据库系统 。
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?数据库管理系统 (data base management system，
缩写为 DBMS),数据库管理系统是位于用户与操作
系统之间的一层数据管理软件, 用于指挥计算机进行
有效的组织和存储数据, 管理和处理数据 。 它位于用
户与计算机操作系统之间, 主要功能,
? ① 数据定义功能
? ② 数据操纵功能
? ③ 数据库的运行管理功能
? ④ 数据库的建立和维护功能
? ⑤ 数据字典功能
? ⑥ 数据通信功能
（ 3）数据库管理系统
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?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。 数据库
管理系统 使用户能方便地定义数据和操
纵数据，并能够保证数据的安全性、完
整性、多用户对数据的并发使用及发生
故障后的系统恢复。
（ 3）数据库管理系统
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1.3数据库系统的组成
? 数据库系统是引进数
据库技术后的计算机系
统, 由 5部分组成：
? 硬件系统
? 数据库集合
? 数据库管理系统
? 相关软件
? 数据库管理员和用户
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1）硬件
?硬件硬件系统 是整个数据库系统的基础, 包括
CPU,内存和外部设备等 。 要求足够大的内存,
用以存放操作系统, 数据库管理系统的核心模块,
数据缓冲区等；要求足够大的外存, 用以存储数
据, 日志文件等 。
?①有足够大的内存以存放操作系统,DBMS的核
心模块、数据缓冲区和应用程序；
?②有足够大的直接存取设备存放数据 (如磁盘 )，
有足够的存储设备来进行数据备份；
?③要求计算机有较高的数据传输能力，以提高数
据传送率。
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2）软件
?软件 主要包括
?操作系统
?DBMS
?各种宿主语言, 实用程序及各种 应用程序
?DBMS是管理数据库的软件系统, 它是在操作系
统的文件系统基础上发展起来的, 而且 DBMS是
在操作系统支持下工作 。 应用程序是数据库的
特定用户根据自己的数据处理业务, 利用应用
开发工具而开发的应用系统, 供最终用户直接
操作
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?数据库集合是若干个设计合理,
满足应用需要的数据库 。
?一个数据库有四个主要成分：
数据, 联系 （ Relationship）,
约束 （ Constraint） 和模式
（ Schema） 。 数据是所存储的
逻辑实体在计算机中的二进制表
示；联系表示数据项之间的某种
对应；约束是定义正确数据状态
的断言；一种模式描述数据库中
数据的组织和联系 。
3）数据库集合
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4)数据库管理员
?数据库管理员 数据库管理员 (DBA,DataBase
Administrator)是管理和控制数据库系统, 使之
始终处于最佳状态的人员 。 DBA是相关人员中最
重要的人员 。 DBA的具体职责包括
? (1)决定数据库中信息的内容和结构；
? (2)决定数据库的存储结构和存取方法；
? (3)定义数据的安全性要求和完整性约束条件；
? (4)监督和控制数据库的使用和运行；
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5）数据库用户
?数据库系统中存在一组管理, 开发, 使用数据库的
用户 。 有的用户需要从数据库中查询信息；有的用
户要为查询信息的用户编写处理程序；有的用户专
门来管理维护数据库等 。 通常, 将这些用户根据他
们的工作分成三类, 说明如下：
? ① 终端用户 。 这类用户使用数据库系统提供的终端命令语
言或者菜单驱动, 表格驱动 。 图形显示和报表生成等对话
方式来存取数据库中的数据 。 这类人员一般为不精通计算
机和程序设计的各级管理人员 。
? ② 应用程序员 。 这类人员是负责设计和编制应用程序的人
员 。 他们通常使用 C语言, 数据库语言或 4GL（ 第四代语言 ）
等来设计和编写应用程序, 对数据库进行存取操作, 所编
应用程序供终端用户使用 。
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?为了便于更直观地了解数据库系统，可
以把数据库与图书馆做一比较,
?图书馆是存储和借阅图书的部门，而数
据库系统则是存储数据并负责用户访问
数据的机构。正像图书馆不能简单地与
书库等同起来一样，我们也不能把数据
库系统仅仅理解成存储数据的集合，而
应该理解成一个系统。
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数据库系统与图书馆比较
数据库 图书馆
数据 图书
外存 书库
用户 读者
数据模型 书卡格式
数据库管理系统 图书馆管理员
数据的物理组织方法 图书馆图书存放方法
用户对数据库的操作 （ 使用数据操
纵语言对数据检索, 插入, 删除,
修改 ）
读者对图书馆的访问 （ 用普通语
言借书, 还书等 ）
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1.4 数据库系统的特点
?数据库系统的特点如下：
?1） 数据共享；
?2） 面向全组织的数据结构化 ；
?3） 数据独立性；
?4） 可控数据冗余度
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1）数据共享
?这是数据库系统区别于文件系统的最大
特点之一, 也是数据库系统技术先进性的
重要体现 。 共享是指多用户, 多种应用,
多种语言互相覆盖地共享数据集合, 所有
用户可同时存取数据库中的数据 。 数据库
是面向整个系统的, 以最优的方式服务于
一个或多个应用程序 （ 用户 ）, 实现数据
共享 。
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2）面向全组织的数据结构化。
?在数据库中, 数据不再像文件系统那样从属于特
定的应用, 而是按照某种数据模型组织成为一个
结构化的整体 。 它不仅描述了数据本身的特性,
而且也描述了数据与数据之间的种种联系, 这使
数据库具备复杂的结构 。
?数据结构化有利于实现数据共享 。 比如, 一个学
校, 可以把学校所有的各个应用 （ 人事, 学籍,
科研, 财务, 后勤等 ） 的数据组织到一个数据库
中, 并且结构化 。 数据实现集中统一的存储与管
理, 各种应用存取各自相关的数据于集, 满足各
种应用要求, 实现数据共享 。
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3）数据独立性。
?文件系统管理中, 应用程序严重依赖于数
据文件, 如果把应用程序使用的磁带顺序
文件改成为磁盘索引文件, 则必须对应用
程序进行修改 。 而数据库技术的重要特征
就是数据独立于应用程序而存在, 数据与
程序相互独立, 互不依赖, 不因一方的改
变而改变另一方, 这大大简化了应用程序
的设计与维护的工作量 。
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4）可控数据冗余度
?数据共享, 结构化和数据独立性的优点可使
数据存储不必重复, 不仅可以节省存储空间,
而且从根本上保证了数据的一致性, 这也是
有别文件系统的重要特征 。
?从理论上讲, 数据存储完全不必重复, 即冗
余度为零, 但有时为了提高检索速度, 常有
意安排若干冗余, 这种冗余由用户控制, 称
为可控冗余度 。 可控冗余要求任何一个冗余
的改变都能自动地对其余冗余加以改变, 这
个过程叫做传播更新 。
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5）统一数据控制功能
?数据库是系统中各用户的共享资源, 因而计算机的共
享一般是并发的, 即多个用户同时使用数据库 。 因此,
数据库管理系统必须提供以下四个方面的数据控制功
能, 保证整个系统的正常运转 。
? ① 数据安全性控制 。 数据的安全性是指采取一定安全保密措施确
保数据库中的数据不被非法用户存取而造成数据的泄密和破坏 。
? ② 数据完整性控制 。 数据的完整性指数据的正确性, 有效性与相
容性 。 系统要提供必要的功能, 保证数据库中的数据在输入, 修改过程
中始终符合原来的定义和规定 。
? ③ 并发控制 。 当多个用户并发进程同时存取, 修改数据库中数据时,
可能会发生互相干扰而得到错误结果, 并使数据库完整性遭到破坏, 因
此必须对多用户的并发操作加以控制和协调 。
? ④ 数据恢复 。 当系统发生故障造成数据或当对数据库数据的操作发
生错误时, 系统能进行应急处理, 把数据库恢复到正确状态 。
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二、数据结构的关系模型与关系数据库
?数据库是用数据模型对现实世界进行抽
象和描述的 。
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三个世界的关系
?上图给出了数据处理的抽象和转换过程 。 可以
看出, 在数据处理中, 数据加工经历了现实世
界 （ Real World),信息世界 （ Information
World)和计算机世界 (Computer World)三个不
同的世界, 经历了两级抽象和转换 。 所以说,
数据模型是现实世界的两极抽象和转换的结果 。
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?, 三个世界, 即 现实世界, 信息世界和计算机世界 。 存
在于人们头脑之外的客观世界称为现实世界；信息世界是现实
世界在人们头脑中的反映, 人们把它用文字和符号记载下来；
信息世界中的信息在计算机世界是以数据形式存储的 。
?在现实世界中, 各种事物或事件千差万别且都是彼此关联的,
任何事物或事件都不是独立存在的 。 数据库是模拟现实世界中
某应用环境 （ 一个企业, 单位或部门 ） 所涉及的信息 （ 各种图,
表, 单据等 ） 集合, 是一个统一的, 集中的数据管理机构 。 这
个集合或者包含了信息的一部分, 或者包含了信息的全部 。 这
种模拟是通过数据模型来进行的 。 一个好的数据模型必须能够
反映现实世界中各种事物及其复杂的联系 。 现实世界中各种事
物及其复杂的联系是不能直接输入到计算机的数据库中的, 因
此, 在实际的数据处理中, 我们首先将现实世界的事物及其联
系抽象为信息世界的信息模型, 然后再将信息模型抽象转换为
计算机世界的数据模型 。
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2.1数据模型
?数据库领域过去和现在最常见的数据结
构模型有三种：
? 层次模型 (Hierarchical Model)
? 网状模型 (Network Model)
? 关系模型 (Relational Model)。
?自 2O世纪 80年代以来, 计算机厂商推出
的数据库管理系统的产品几乎都是基于关
系模型的, 下面将着重介绍关系模型 。
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2.2关系模型及其相关概念
?1) 关系模型的表达
? 用二维表结构来表示实体及实体间联系的模型称为关系模型 (Relational
Model)。
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?① 关系 关系是笛卡尔积的一个有意义的子集, 即满
足一定规范要求的二维表 。 每个关系都有一个关系名 。
?② 元组 (Tuple) 二维表格中的一行, 也称为记录 。
?③ 属性 (Attribute) 二维表格中的一列, 也称为字段
或数据项, 属性包括属性名, 属性值和属性值类型三
部分内容 。
?④ 属性名 属性的名称 （ 给属性起的名 ） 。
?⑤ 属性的值域 属性的取值范围称为值域 (Domain)。
?⑥ 分量 元组中的一个属性值 。
?⑦ 主关系键 关系中的某个属性组 （ 由一个或多个属
性组成 ）, 它的值能够唯一地标识一个元组 。 主关系
键也称为主码, 主键 。
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? 属性和值域 在二维表中的列 (字段, 数
据项 )称为属性 (Attribute)； 列值称为属
性值；属性值的取值范围称为值域
(Domain)。
? 元组, 关系和关系模式 在二维表中,
行 (记录的值 )称为元组 (Tuple)； 元组的
集合称为关系；而行定义 (记录的型 )称
为关系模式 。 关系模式和关系也常常通
称为关系 。
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2)关键字
?关键字 (Key) 在关系的诸属性中, 能够用来唯一标
识元组的属性 (或属性组合 )称为关键字 。 关系中的
元组由关键字的值来唯一确定 。
?关键字是一个语义概念 。 对图 4-２钻遇地层关系和
表４－１钻孔关系, 关键字分别是钻孔编号＋层号
和钻孔编号 。
? 在一个关系中, 关键字的值不能为空, 即关键字的值为
空的元组在关系中是不允许存在的 。
? 有些关系的关键字是由单个属性组成的, 还有一些关系
的关键字常常是由若干个属性的组合而构成的, 即这种
关系中的元组不能由任何一个属性唯一标识, 必须由多
个属性的组合才能唯一标识 。
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钻孔基本信息
?候选关键宇 (Candidate Key) 如果在一个关系中, 存在多个属
性或属性组合都能用来唯一标识该关系的元组, 这些属性或属
性组合都称为该关系的候选关键字 。
?主关键字 (Primary Key) 在一个关系的若干个候选关键字中,
经指定具有唯一标识作用的属性或属性组合, 称为该关系的主
关键字 。 例如, 在钻遇地层关系中, 当风化带类型字段的值在
每层中都是唯一的话, 则, (钻孔编号, 层号 )” 和, (钻孔编号,
风化带类型 )” 是该关系的两个候选关键字, 根据唯一标识作
用的条件, 可选择, (钻孔编号, 层号 )” 作为该关系的主关键
字 。
?非主属性 (Non Primary Attribute) 关系中不组成关键字的属性
均为非主属性 。
?外部关键字 (Foreign Key) 当关系中的某个属性或属性组合虽
不是该关系的关键字或只是关键字的一部分, 但却是另一个关
系的关键字时, 称该属性或属性组合为这个关系的外部关键字 。
例如, 对表 4-1中的钻孔关系, 钻机编号不是关键字, 但钻机
编号是钻机关系的关键字, 所以钻机编号是钻孔关系的外部关
键字 。
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1)关系操作
?(1)传统的集合操作
? 并 (Union) 关系 R与关系 S的并，它是属于 R或属于 S的
元组组成的集合，结果为 n列属性的关系。
? 交 (Intersection) 关系 R与关系 S的交，它是既属于 R
又属于 S的元组组成的集合，结果为 n列属性的关系。
? 差 (Difference) 关系 R与关系 S的差，它是属于 R而不
属于 S的元组组成的集合，结果为 n列属性的关系。
? 广义笛卡尔积 (Extended Cartesian product) 关系
R(假设为 n列 )和关系 S(假设为 m列 )的广义笛卡尔积是
一个 (n十 m)列元组的集合，每一个元组的前 n列是来自
关系 R的一个元组，后 m列是来自关系 S的一个元组。
若 R有 k1个元组,S有 k2个元组，则关系 R和关系 S的广
义笛卡尔积有 k1× k2个元组。
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(2)专门的关系操作
?选择 (Selection) 选择操作是指在关系中选择满足
某些条件的元组。例如，要找出年龄为 21岁的所
有学生的数据，可以用 21岁为条件，对学生基本
信息表做选择操作。
?投影 (Projection) 投影操作是在关系中选择某些
属性列。例如，要找出所有教师的姓名、电话，
则可以对教师基本信息表做投影操作，将表数据
投影到教师名和电话列。
?连接 (Join) 连接操作是从两个关系的笛卡尔积中，
选取属性间满足一定条件的元组。
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? (1)实体完整性规则
?实体完整性 (Entity Integrity Rule)是指关系的主属性，即主
码的组成不能为空，也就是关系的主属性不能是空值 (null)。
? (2)参照完整性规则
?如果在基本关系 R1的属性中，包含与另一基本关系 R2的主
属性 K相对应的属性组 F，则称 F为基本关系 R1的外主属性。
参照完整性 (Reference Integrity Rule)就是指在含有外主属
性 F的关系 R1中，外主属性值 (F值 )只能在空值和另一个关
系 R2的对应主属性值 (K值 )之间进行选择的特性。
? (3)用户定义的完整性规则
?用户定义的一般完整性规则，是针对某一应用环境的完整性
约束条件，它反映了某一具体应用所涉及的数据应满足的要
求。
2)关系模型的完整性
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2.3关系数据库
?采用关系型数据结构模型来组织数据的数据库称
为关系数据库 。
?关系数据库的概念简单清晰, 语言高度非过程化, 用户不
需了解复杂的存取路径, 不需说明, 怎么干,, 而只需指
出, 干什么, 就能方便地操作数据库 。 经过近 30年的发展,
目前已经涌现出许多性能优良的商品化管理系统 (RDBMS)，
例 如 著 名 的 DBZ,ORACLE,INGRES,SYBASE、
INFORMIX等 。 关系数据库产品至今也从单一的集中式系
统, 发展成为可在网络环境中运行的分布式系统；从封闭
式系统逐步发展成为开放式系统, 从联机事务处理发展到
支持信息管理, 辅助决策 。
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三、数据库的结构与工作原理
?三层模式，两级变换
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1,4数据模式
?模型 人们对实体或对象的抽象描述,
可以用文字或图形来描述
?模式 用计算机语言来描述或定义的模
型或对象
?模式为数据库管理系统各部件所定义
的各种数据库视图 。 一种模式将数据
存储的物理外表与逻辑表示分开 。
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?内部模式：定义数据在物理数据存储区中如
何组织以及放在何处；
?概念模式：按照适当的数据库数据模型 (如
关系模型或对象模型 )定义所存储数据的结
构；
?外部模式：为特定用户 (们 )所定义的数据库
的一个或多个视图。
?一个数据模型是数据库的一种抽象定义，它
提供一种描述数据的表示法。
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外部模式 1 外部模式 2 外部模式 n…
全局概念模式
内部模式
物理数据库
数据库模式的概念
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?在数据库系统中，用户看到的数据与计算机中存放的
数据是两回事。用户只能看到外层，而其他两层是看
不到的。它们之间实际上经过两次抽象和转换：
?一次是把所有用户的数据综合抽象成一个统一的全局
数据共同视图，即中间层，以实现数据共享和减少数
据冗余；
?第二次是把全局数据的共同视图抽象为计算机的数据
实际存储，即把全局数据按照存储的最优组织形式进
行物理存放，以提高性能和存放效率。当计算机向用
户提供数据时则做相反的变换。
?因此，对于一个数据库系统而言，实际上只有物理数
据库是存在的，概念层数据库只是物理数据库的一种
抽象描述，用户层数据库则是用户与数据库的接口。
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关系模式
?关系模式就是关系的框架，也称表框架，相当于
记录格式。它是对关系结构的描述。一个关系模
式实际上确定了这个关系的二维表的形式 (二维
表的框架 )。
?当一个关系模型被确定之后，就可以用 DBMS提
供的关系数据定义语言来描述和定义关系模型和
组成模型的每一个关系，其中每一个被定义的关
系模式包括关系名、属性名、属性的数据类型、
属性宽度、属性值的约束等，最后指出每个关系
的主键。
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关系模式
?用关系 DBMS提供的关系数据定义语言来描述关系二维
表的框架 (相当于记录格式 )，这有点像我们做表填写数
据时，首先要画出表框 (每栏的栏名对应属性名，宽度
对应属性的长度等 )的情形。为了便于在书面上讨论和
描述关系模式，将关系模式用下面最简单的式子表示出
来：
?R(A1,A2,…, An) 学生（学号，姓名，年龄 … ）
?其中,R为关系名,A1,A2,…, An为属性名。
?关系数据库模式是关系数据库结构的语言描述 (即程序
化 )，是一组关系模式的集合。
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?学生（学号，姓名，年龄，性别，籍贯，电话）
学号 姓名 年龄 性别 籍贯 电话
02100101 王靖 19 男 湖北 8888888
02100102 丁蓉 18 女 湖北 9999999
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2.数据库管理系统的功能及操作过程
?数据库管理系统 (DBMS)执行对数据的操作，它通
常具备以下几种功能。
? 数据库定义功能
? 数据操纵功能
? 数据库运行和控制功能
? 数据的安全性保护
? 并发控制
? 数据库恢复
? 数据库的建立和维护功能
? 数据字典功能
? 数据通信功能
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?数据库定义功能 DBMS 提供数据定义语言
(DDL:data definition language)，用户通过它可以
方便地对数据库中的相关内容 (如数据库结构、基
本表、视图和索引 )进行定义。用 DDL编写的概念
模式、外模式和内模式分别称为源概念模式、源
外模式和源内模式。各种源模式通过相应的模式
编译程序转换为机器内部代码表示形式，分别称
为目标概念模式、目标外模式和目标内模式。这
些目标模式是对数据库结构的描述，并被保存在
数据字典中。
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?数据操纵功能 DBMS向用户提供数据操纵语言
(DML,data manipulation language)，利用 DML来
书写命令，可以实现对数据库的各种基本操作，例
如，对数据库中数据的查询、插入、删除和修改；
也可以补充实现对数据库的各种特殊操作，例如，
对数据进行各种统计、分析、处理和可视化输入输
出的操作。
?在现行的数据库产品中,DBMS一般同时拥有自主
型 (如 XBASE)与宿主型 (如 COBOL,FORTRAN，
PASCAL,VB或 C等高级语言 )两种类型。
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?数据库运行和控制功能 这是 DBMS
功能的核心部分，包括通过数据安
全性、完整性、并发性和数据恢复
等的控制，来对数据库进行有效的
管理，以便确保数据库数据正确有
效和数据库系统的正常运行。
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?数据的安全性保护 是指为防止不合法的使用
造成数据泄密和破坏，使每个用户只能按规定
对某些数据以某些方式进行使用和处理。例如，
划分不同的用户权限，有的用户只能查询而不
能修改数据，而有的用户却有修改权等。数据
的完整性约束是对数据的正确性、有效性和相
容性要求，即将数据有效性控制在一定范围内，
或要求数据间满足一定的关系。
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?并发控制 是对多个用户同时存取、修改
数据库的协调和控制。当多个用户同时
存取、修改数据库时，可能造成相互干
扰而得到错误结果，甚至使数据库的完
整性遭到破坏。 DBMS提供了对多用户
的并发操作加以控制和协调的功能。
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?数据库恢复 计算机的硬件故障、操作员
的失误以及人为的破坏，都会影响数据库
中数据的正确性，甚至造成数据库部分或
全部数据的丢失。 DBMS具有将数据库从
错误状态恢复到某一已知的正确状态 (亦
称为完整状态或一致状态 )的功能。
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?数据库的建立和维护功能 包括数据库初始
数据的安装，数据库的转储、恢复、重组
织，数据库的性能监视、分析功能，等等。
这些功能是数据安全性、完整性的重要保
证，通常由一些应用程序来完成的，但仍
属于数据库管理系统的重要组成部分。
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?数据字典功能 数据字典 (DD,data dictionary)
也称为数据目录或系统目录，它以表格的形式
存放着数据库的各种有关信息 (数据库三级模式、
数据类型、用户名表、用户权限、程序与其用
户联系等有关数据库系统的信息 )，能帮助用户、
数据库管理员和数据库管理系统本身使用和管
理数据库。对其作适当的开发，可用于提高自
学水平并解决数据库软件复用与自动编程方面
的难题。在大型系统中,DD也可单独成为一个
系统。
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?数据通信功能 用于实现用户程序与 DBMS
之间的通信的功能，包括与 OS的联机处理、
分时处理和远程作业传输的相应接口等。
这些功能对分布式数据库系统尤为重要，
通常与操作系统协调完成。在当前的各种
DBMS中，数据通信功能都被列为重点开
发内容。
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2)数据操作过程
应用程序 A
程序工作区
返回状态
DB的系统缓冲区
数据库
应用程序 A
对应的外模式
全局模式
内模式
数据
字典
运行日志
DBMS
OS
图 4-7 用户访问数据库的主要步骤
⑨
⑥⑦ ⑧
③
④
②
⑩
⑤
①
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用户访问数据库的主要步骤
?① 应用程序 A向 DBMS发出读取数据请求，并给出记录名及其
关键字；
?② DBMS接到请求后，利用应用程序 A所使用的外模式来分析
这一请求；
?③ DBMS调用全局模式，进一步分析请求，根据外模式与模式
之间变换的定义，决定应读入哪些模式记录；
?④ DBMS通过内模式，将数据的逻辑记录转换为实际的物理记
录；
?⑤ DBMS向操作系统发出读所需物理记录的请求；
?⑥ 操作系统对实际的物理存储设备启动读操作；
?⑦ 读出的记录从保存数据的物理设备送到系统缓冲区；
?⑧ DBMS根据模式和外模式的规定，将记录转换为应用程序所
需的形式；
?⑨ DBMS把数据从系统缓冲区传送到应用程序 A的程序工作区；
?⑩ DBMS向应用程序 A发出请求执行情况的信息。
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1.6数据库技术的发展趋势
?数据库技术的未来
? 分布式数据库
? 面向对象数据库
? 多媒体数据库
? 嵌入式数据库
? 实时数据库等
? XML数据库
? 演绎数据库
? 数据仓库等等
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The end
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