数据库系统概论
1.1 数据库系统的作用
1.1.1 数据与数据管理
1）数据。描述事物的符号记录称为数据。数据是数据库中存储的对象，也是数据库管理系统处理的对象。数据和关于数据的解释是不可分的。
2）数据管理。数据处理是指对各种数据进行采集、存储、检索、加工、传播和应用等一系列活动的总和。数据管理是对数据进行有效的分类、组织、编码、存储、检索、维护和应用，它是数据处理的中心问题。
1.1.2 数据管理技术的产生与发展
1）人工管理阶段。面向应用程序，一个数据集只能对应一个程序，没有相应的软件系统专门负责数据的管理工作。当多个应用程序设计某些相同的数据时，必须由各自的应用程序分别定义和管理这些数据，无法共享利用，存在大量冗余。
2）文件系统阶段。利用文件系统管理数据就是由专门的软件对数据进行统一管理。对于一个特定的应用，数据被集中组织存放在多个数据文件组中，并针对该文件组来开发特定的应用程序。文件系统利用“按文件名访问，按记录进行存取”的管理技术，可以对文件进行修改、插入和删除。
文件系统的弊端：数据共享性差，数据冗余和不一致。数据独立性差。数据孤立。数据获取困难。完整性问题（也称为一致性约束）。原子性问题。并发访问异常。安全性问题。
3）数据库管理系统阶段。数据库管理系统是由一个相互关联的数据的集合和一组用以访问、管理和控制这些数据的程序组成。这个数据集合通常称为数据库。
数据库管理系统的优点：
a. 数据整体结构化。
b.数据的共享度高，冗余度低，易扩充。数据独立性高。
c.数据独立性是用来描述数据与应用程序之间的依赖程度，包括数据的物理独立性和数据的逻辑独立性。
物理独立性是指用户的应用程序与存储在磁盘上数据库中的数据是相互独立的。
逻辑独立性是指用户的应用程序与数据的逻辑结构是相互独立的。
d.数据由数据库管理系统统一管理和控制
DBMS 必须提供：数据的安全性保护。数据的完整性检查。并发控制。数据库恢复。
1.2 数据模型
数据模型是一个描述数据语义数据与数据之间联系数据操作，以及一致性（完整性）约束的概念工具的集合。通过数据模型可以对现实世界的数据特征进行抽象。
1.2.1 数据模型的分类
数据模型应满足三方面的要求：一是能比较真实地模拟现实世界；二是容易被人所理解；三是便于在计算机上实现。
1）概念模型。又称信息模型，它按用户的观点或认识对现实世界的数据和信息进行建模，主要用于数据库设计。常用的概念模型有 E-R 模型，OO 模型。
2）逻辑模型。逻辑层是数据抽象的中间层，用于描述数据库数据的整体逻辑结构。该层的数据抽象称为逻辑数据模型。它是用户通过数据库管理系统看到的现实世界，是按计算机系统的观点对数据建模，即数据的计算机实现形式，主要用于 DBMS 的实现。
3）物理模型。物理层是数据抽象的最低层，用来描述数据的物理存储结构和存取方法。它不但由 DBMS 的设计决定，而且与操作系统、计算机硬件密切相关。
1.2.2 数据模型的组成要素
1）数据结构。数据结构描述数据库的组成对象（数据）以及对象之间的联系。
2）数据操作。数据操作指对数据库中各种对象的实例允许执行的操作集合，包括操作及有关的操作规则。
3）数据的完整性约束条件。完整性规则是给定数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则，用以限定复合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效和相容。
数据模型有：层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型、XML模型。
1.3 数据抽象与数据库三级模式
1. 数据抽象
1）物理层抽象。最低层次的抽象，描述数据实际上是怎样存储的。
2）逻辑层抽象。描述数据库中存储什么数据以及这些数据之间存在什么关系。
3）视图层抽象。最高层次的抽象，只描述整个数据库的某个部分。
2. 数据库的三级模式
模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅设计型的描述，不涉及具体的值。模式的一个具体值称为模式的一个实例。
数据库的三级模式结构是指数据库管理系统提供的外模式、模式和内模式 3 个不同的抽象级别观察数据库中数据的角度。
1）模式。也称为逻辑层数据抽象。是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。DBMS 提供 数据定义语言（DDL）来严格定义模式。模式对应于表。
2）外模式。对应于视图层数据抽象，它是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述。
3）内模式。也称存储模式，对应于物理层数据抽象，它是数据的物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。
3. 数据库的两层映像功能与数据独立性
1）外模式/模式映像。定义了外模式与模式之间的对应关系。当模式改变时，由数据库管理员对各个外模式/模式的映像作相应的改变，可以保持外模式不变。保证了数据与程序的逻辑独立性，简称为数据的逻辑独立性。
2）模式/内模式映像。当数据库的存储结构改变了，由数据库管理员对模式。内模式映像作相应的改变，可以使模式保持不变。保证了数据与程序的物理独立性，简称为数据的物理独立性。
1.4 数据库系统
1.4.1 数据库系统组成
从DBMS角度来看：数据库系统结构是外模式/模式/内模式的三级模式；从用户角度看：数据库系统分为单用户结构、主从式结构、分布式结构、客户/服务器、浏览器/应用服务器/数据库服务器等结构。
数据库中包含 4 类数据：用户数据、元数据、索引和元数据。用户数据就是通过结构化的关系（二维表）组织的所有业务数据的集合；元数据是对关系数据库结构的描述数据和数据库的有关统计数据，也成为数据字典；索引是为了改进数据库的性能和可访问性而建立的附件数据；应用元数据是用户窗体、报表、查询和其他形式的应用组件。
1.4.2 数据库管理系统
1. DBMS 的功能
1）数据定义。DBMS 提供数据定义语言（Data Definition Language，DDL），用户通过它可以方便的对数据库中的数据对象进行定义。
2）数据组织、存储和管理。DBMS 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。
3）数据操纵。DBMS 还提供数据操纵语言（Data Manipulation Language，DML）用户通过它实现增删改查。
4）数据库的事务管理和运行。数据库在建立、运行和维护时由 DBMS 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操作以及发生故障后的系统恢复。
5）数据库的建立和维护。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。
2. DBMS 的组成
1）模式更新。对数据库中的逻辑结构进行修改。
2）查询。
3）更新。
4）查询处理器。对用户请求的 SQL 操作进行查询优化。
5）存储管理器。根据执行策略，从数据库中取数据或更新数据。
6）事务管理器。负责保证系统的完整性，保证多个同时运行的事务不发生冲突。