数据库系统（2）：数据库系统的结构抽象与演变

重点与难点

• 一组概念的区分：三级模式两层映像，物理独立性和逻辑独立性
• 一组概念的区分：数据 -> 模式 -> 数据模型
• 几种数据模型的差异：网状/层次模型 -> 关系模型 -> OO数据模型

一、数据库系统的标准结构

• DBMS管理数据的三个层次

1. Externel Level = User Level （某一用户能够看到与处理的数据，全局数据中的一部分）
2. Conceptual Level = Logic Level （从全局角度理解/管理的数据，含相应的关联约束）
3. Internal Level = Physical Level （存储在介质上的数据，含存储路径、存储方式、索引方式等）

• 

• 数据 与 数据的结构 --模式
• 模式（Schema）

1. 对数据库中数据所进行的一种结构性的描述
2. 所观察到的数据的结构信息

• 视图（View）/数据（Data）

1. 某一种表现形式下表现出来的数据库中的数据

• 三级模式（三级视图）

1. External Schema --- （External） View （某一用户能够看到与处理的数据的结构描述）
2. （Conceptual） Schema --- Conceptual View （从全局角度理解/管理的数据的结构描述，含相应的关联约束，体现在数据之间的内在本质联系）
3. Internal Schema --- Internal View （存储在介质上的数据的结构描述，含存储路径、存储方式、索引方式等）

• 两个映像

1. E-C Mapping：External Schema - Conceptual Schema Mapping （将外模式映射为概念模式，从而支持实现数据概念视图向外部视图的转换、便于用户观察和使用）
2. C-I Mapping：Conceptual Schema - Internal Schema Mapping （将概念模式映射为内模式，从而支持实现数据概念视图向内部视图的转换、便于计算机进行存储和处理）

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• 数据库系统的标准结构

• 两个独立性

1. 逻辑独立性：当概念模式变化时，可以不改变外部模式（秩序改变E-C Mapping），从而无需改变应用程序
2. 物理数据独立性：当内部模式变化时，可以不改变概念模式（只需要改变C-I Mapping），从而不改变外部模式

二、什么是数据模型

• 模式 与 模式的结构：数据模型
• 数据模型

1. 规定模式统一描述方法的模型，包括：数据结构、操作和约束
2. 数据模型是对模式本身结构的抽象，模式是对数据本身结构形式的抽象

• 三大经典数据模型

1. 关系模型：表的形式组织数据
2. 层次模型：树的形式组织数据
3. 网状模型：图的形式组织数据

• 关系模型
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• 层次模型
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• 网状模型
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三、数据库系统的演变与发展

• 简要发展史

1. 第一阶段：数据库技术探索阶段（59-65/67）
2. 第二阶段：数据库技术确立阶段（65/68-75）
3. 第三阶段：数据库技术成熟阶段（76-80s前期）
4. 第四阶段：数据库技术深化发展阶段（85年以来）

• 重要发展：由文件系统到数据库
• 文件系统

1. 文件存储空间的管理、目录管理、文件读写管理、文件保护、向用户提供操作接口
2. 提供了不同的存取方法（索引文件、链接文件、直接存取文件、倒排文件等），支持对文件的基本操作（增、删、改、查等），数据存取基本上以记录为单位
3. 优点：用户（程序）不比考虑文件存储的物理细节，解脱了对物理设备存取复杂性处理的负担
4. 不足：数据与程序紧密结合，数据的组织及语义紧密依赖于处理该文件的应用程序，数据结构发生改变则必须修改应用程序，文件之间无联系，文件的记录之间无联系，共享性差，冗余度大，不一致性高

• 数据库系统

1. 由DBMS统一存取、维护数据组织形式及语义，可较强地独立于应用程序（两个独立性）
2. 把数据及数据结构的定义和描述从应用程序中分离出去，交给DBMS，使得多个应用程序可共享数据及数据结构的操作，数据存取可以记录为单位，也可以以数据项和记录集合为单位
3. 统一的数据控制功能，数据共享程度高，系统可自动检查安全性，完整性和并发正确性
4. 整体数据结构化，文件之间、记录之间相互有关联，数据的冗余度小，易扩充
5. 独立于应用程序的高效率查询/统计操作

• 重要发展：由层次模型数据库、网状数据库到关系数据库
• 层次模型与网状模型数据库

1. 数据之间的关联关系由复杂的指针系统来维系，结构描述复杂
2. 数据检索操作依赖于由指针系统指示的路径
3. 逐一记录的操作，不能有效支持记录集合的操作

• 关系数据库

1. 数据之间的关联关系由Table中属性的值来表征，结构描述简单
2. 数据检索操作不依赖与路径信息或过程信息，支持非过程化的数据操作
3. 有效支持记录集合的操作
4. 较为完整的理论基础

• 重要发展：由关系数据库到对象关系数据库、面向对象数据库
• 关系数据库

1. 按行按列形式组织数据
2. 数据项的不可再分特性（即关系的第1范式）
3. 关系运算：关系代数、元祖演算、域演算 --> 标准SQL
4. 关系数据库设计理论

• 对象-关系数据库

1. 可有效支持不满足关系第1范式的数据项
2. 以对象来封装需分解的数据项
3. 行对象与列对象，聚集对象与结构对象

• 面向对象数据库

1. 面向对象技术（O-O）与集合/聚集操作技术（SQL）的结合
2. 支持复杂的数据类型，数据封装与抽象数据结构
3. 支持面向对象的一些特性：类、继承、封装、多态...

• XML数据库

1. 是数据库的另一种形式，被称为半结构化数据库
2. 数据与数据的语义合并在一起进行存储和处理
3. 面向数据交换而提出，在互联网世界得到广泛应用

• 重要发展：由多种多样的数据库到多数据库开放式互连
• 多种多样的数据库：Oracle、Sybass、Ingres、DB 2、MS Access、Informix
• 开放互连多种多样的数据库：ODBC、JDBC

• 重要发展：由普通数据库到与各种先进技术结合所形成的新型数据库
• 新型数据库：

1. OA
2. Database Machine
3. Intelligent Database
4. Distributed Database（DDB）
5. Image Database/Multimedia Database
6. Temporal Database
7. Mobile Database
8. Active Database
9. ......