【正文】 《全國計算機等級考試四級教程 — 數(shù)據(jù)庫工程師》 第一章 引 論 數(shù)據(jù)庫技術(shù)產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 60 年代，是信息系統(tǒng)的核心技術(shù)和重要基礎(chǔ)； 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科劃分為四個專業(yè)方向： 計算機科學(xué)（ CS）；計算機工程（ CE）；軟件工程（ SE）；信息技術(shù)（ IT） 。 1． 1 基本概念 1． 1． 1 信息與數(shù)據(jù) 信息、物質(zhì)、能量 是組成客觀世界并促進社會發(fā)展的三大基本要素； 信息（ Information） 是客觀世界事物的存在方式和運動狀態(tài)的反映，是對事物之間相互聯(lián)系、相互作用的描述。 信息具有可感知、可存儲、可加工、可傳遞和可 再生的自然屬性。 數(shù)據(jù)（ Data） 是描述現(xiàn)實世界事物的符號記錄，是用物理符號記錄下來的可以識別的信息。 不同的物理符號體現(xiàn)出數(shù)據(jù)的不同表現(xiàn)形式。 信息與數(shù)據(jù)間存在固有聯(lián)系，數(shù)據(jù)是信息的符號表示，或稱為 載體 。信息則是數(shù)據(jù)的語義解釋，是數(shù)據(jù)的 內(nèi)涵 ，信息以數(shù)據(jù)的形式表現(xiàn)出來，并為人們理解和接受。 數(shù)據(jù)處理（ Data Processing） 是指對數(shù)據(jù)進行分類、收集、組織、存儲，進而從已數(shù)據(jù)出發(fā)，抽取或推導(dǎo)出新的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表示了新的信息。 數(shù)據(jù)管理（ Data Management） 是指對數(shù)據(jù)的分類、收集 、組織、編碼、存儲、檢索和維護，是數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)的重要環(huán)節(jié)。 數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)管理的 區(qū)別 在于，數(shù)據(jù)處理除了具有數(shù)據(jù)管理功能外，還可通過數(shù)據(jù)管理得到的數(shù)據(jù)進一步 深加工 ，從中獲取新的數(shù)據(jù)和信息。 1． 1． 2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫（ DB， DataBase） 是長期存儲在計算機內(nèi)有組織的、大量的、共享的數(shù)據(jù)集合 ； 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（ DBMS， Database Management System） 是指在計算機系統(tǒng)中，位于用戶與操作系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心。 （廣義的） 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（ DBS， DataBase System） 是指在計算機系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的軟硬件系統(tǒng)構(gòu)成， DBS 一般分成 三個層次：（ 1）計算機硬件平臺；（ 2）系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件；（ 3）用戶 ；在不引起混淆和歧義的情況下，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)簡稱為數(shù)據(jù)庫。 （狹義的） 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) — 是由 數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 組成的軟件系統(tǒng)，主要為用戶提供數(shù)據(jù)存儲和查詢、插入、修改、刪除、更 8 有 新等數(shù)據(jù)管理功能。 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng) （ DBAS， DataBase Application System） — 是由 數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序組成的軟件系統(tǒng) ，它面向具體應(yīng)用領(lǐng)域， 提供了更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能。 數(shù)據(jù)庫技術(shù) — 是研究數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)、存儲、設(shè)計、管理和使用的一門計算機應(yīng)用學(xué)科。 數(shù)據(jù)庫技術(shù)與其它計算機科學(xué)有密切關(guān)系： （ 1） 數(shù)據(jù)庫技術(shù)以文件系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展而來， DBMS 需要操作系統(tǒng)的支持，數(shù)據(jù)庫以文件形式存儲在外部存儲上的； （ 2） 數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系很密切，數(shù)據(jù)庫技術(shù)不僅用到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的鏈表、樹、圖等知識，各種數(shù)據(jù)模型本身就屬于復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； （ 3） 主流的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其理論基礎(chǔ)是關(guān)系數(shù)據(jù)模型，而該模型是在離散數(shù)學(xué)集合論中“關(guān)系”這一基本概念上發(fā)展起來的； （ 4） 當(dāng)用戶訪問數(shù)據(jù)庫， DBMS 對用 戶提交的查詢操作類似于，計算機編譯系統(tǒng)對程序的編譯過程； （ 5） 開發(fā)一些大型的 DBS 或 DBMS 的過程，要遵循軟件工程的開發(fā)模式。 1． 2 數(shù)據(jù)模型 1． 2． 1 數(shù)據(jù)模型概念 數(shù)據(jù)模型（ Data Model） 對現(xiàn)實世界的特征抽象 。 是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的形式框架，是用來描述數(shù)據(jù)的一組概念和定義，包括描述數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)聯(lián)系、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)語義以及數(shù)據(jù)一致性的概念工具； 數(shù)據(jù)模型應(yīng) 滿足 3 個條件 ：（ 1）能夠比較真實地模擬現(xiàn)實世界；（ 2）容易為人們所理解；（ 3）便于在計算機上實現(xiàn)。 數(shù)據(jù)模型的組成： （ 1） 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ：用于描述系統(tǒng)的 靜態(tài)特征 ，從語法角度表述了客觀世界中數(shù)據(jù)對象本身的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)對象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是刻畫一個數(shù)據(jù)模型性質(zhì)最重要的方面。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，通常按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來區(qū)分、命名各種數(shù)模，如層次、網(wǎng)狀、關(guān)系數(shù)模。 （ 2） 數(shù)據(jù)操作 ：用于描述系統(tǒng)的 動態(tài)特征 ，是一組對數(shù)據(jù)庫中各種數(shù)據(jù)對象允許執(zhí)行的操作和操作規(guī)則組成的集合。數(shù)據(jù)操作可以是檢索、插入等，數(shù)模必須定義這些操作的確切含義、操作符號、操作規(guī)則以及實現(xiàn)操作的數(shù)據(jù)庫語言。 （ 3） 數(shù)據(jù)完整性約束 ：是一組完整性規(guī)則的集合，它定義了數(shù)模必須遵守的語義約束，也規(guī)定了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)內(nèi)部及數(shù)據(jù)之間 聯(lián)系所必須滿足的語義約束。它限定了數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以便維護數(shù)據(jù)的正確性、有效性。 1． 2． 2 數(shù)據(jù)模型分類 用數(shù)據(jù)模型這一概念來描述數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和語義，通過 現(xiàn)實世界 — 信息世界 — 機器世界 （建模過程）的抽象轉(zhuǎn)換過程構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)模型所定義的規(guī)范去管理和使用數(shù)據(jù)。 建模過程：（ 1）將現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)對象抽象為信息世界中的某一信息結(jié)構(gòu)；（ 2）再將信息結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為機器世界中某一具體 DBMS 支持的數(shù)據(jù)模型，并存儲于計算機中。 數(shù)據(jù)模型分類 ： （ 由上到下 ） （ 1） 概念數(shù)據(jù)模型（概念模型） ：按用戶的觀點對數(shù)據(jù)和信息進行 建模，是現(xiàn)實世界到信息世界的第一層抽象，強調(diào)其語義表達功能，易于用戶理解，是用戶與設(shè)計人員交流的語言，主要用于數(shù)據(jù)庫設(shè)計。最常用的是實體 — 聯(lián)系模型。 （ 2） 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型（表示型 /實現(xiàn)型） ：是機器世界中與具體 DBMS 相關(guān)的數(shù)據(jù)模型，包括關(guān)系模型、網(wǎng)狀模型和層次模型 （ 3） 物理數(shù)據(jù)模型 ：屬底層數(shù)據(jù)模型，描述數(shù)據(jù)的實際存儲方式。 1． 3 數(shù)據(jù)視圖與模式結(jié)構(gòu) 1． 3． 1 數(shù)據(jù)視圖與數(shù)據(jù)抽象 數(shù)據(jù)視圖：指從 某個角度 看到的客觀世界數(shù)據(jù)對象的特征，是對數(shù)據(jù)對象某一方面特征的描述。 數(shù)據(jù)抽象：是一種數(shù)據(jù)描述和數(shù)據(jù)庫 設(shè)計原則 ，是指專注于 數(shù)據(jù)對象的某方面特征，而忽略其他特征。 集 和 值 ：集是指對某一類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和屬性的說明，值是集的一個具體賦值； 數(shù)據(jù)模式 ：對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)某方面結(jié)構(gòu)和特征的描述，它僅涉及集的描述，不涉及具體的值。 1． 3． 2 三級模式結(jié)構(gòu) （從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)角度） 數(shù)據(jù)庫三級模式結(jié)構(gòu) — 外部級、概念級和內(nèi)部級，分別定義了外模式、模式和內(nèi)模式，用于從不同角度描述數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。 模式： （ 1） 也稱邏輯模式、概念模式； （ 2） 對數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖； （ 3） 模式不僅定義了數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，還定義了數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系、與 數(shù)據(jù)的關(guān)的安全性和完整性要求； （ 4） 一個數(shù)據(jù)庫只有一個模式，建立在某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上。 外模式： （ 1） 也稱子模式、用戶模式、用戶視圖； （ 2） 是對數(shù)據(jù)庫用戶能夠看見和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述。 （ 3） 一個數(shù)據(jù)庫可以有多個外模式，每個外模式描述了某個特定用戶所使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。 （ 4） 外模式還是保證數(shù)據(jù)安全的有力措施，每個用戶只能看見和訪問所對應(yīng)的外模式中的數(shù)據(jù)，其它數(shù)據(jù)對他是不可見的。 內(nèi)模式： （ 1） 也稱物理模式、存儲模式； （ 2） 是對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)和存儲方式的描述，代表 了數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式和物理組織結(jié)構(gòu)； 1． 3． 3 二級映象與數(shù)據(jù)獨立性 外模式 /模式映象： （ 1） 定義了數(shù)據(jù)庫中不同用戶的外模式與數(shù)據(jù)庫邏輯模式之間的對應(yīng)關(guān)系； （ 2） 可有多個外模式 /模式映象，對于每個外模式，需要一個外模式 /模式映象來定義該外模式與模式之間的對應(yīng)關(guān)系； （ 3） 當(dāng)模式發(fā)生變化時，只需調(diào)整外模式 /模式間的映象關(guān)系，而外模式無需修改，保證了數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序的邏輯獨立性，稱為數(shù)據(jù)的邏輯獨立性。 模式 /內(nèi)模式映象： （ 1） 定義了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)全局邏輯結(jié)構(gòu)，與這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的物理存儲組織結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系。 （ 2） 模式 /內(nèi)模 式映象是唯一的； （ 3） 當(dāng)內(nèi)模式發(fā)生變化時，只需調(diào)整模式 /內(nèi)模式映象關(guān)系，而模式無需修改，保證了數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序間的物理獨立性，稱為數(shù)據(jù)的物理獨立性。 1． 4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) （從用戶角度） ： 是指數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成構(gòu)件、各構(gòu)件的功能及各構(gòu)件間的協(xié)同工作方式； 分類： （ 1） 集中式：全部數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)管理功能均集中在一臺計算機上的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；包括單用戶和主從式兩種，單用戶 DBS 是指系統(tǒng)由一個用戶獨占，不同機器間不能共享數(shù)據(jù)；主從式DBS 是指一個主機帶多個分時多用戶的 DBS； （ 2） 分布式：數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù) 在邏輯上是一個整體，但在物理上卻可以分布在網(wǎng)絡(luò)中不同數(shù)據(jù)管理節(jié)點上； （ 3） 客戶 /服務(wù)器：將 DBMS 和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用分開，網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點上的計算機專門執(zhí)行 DBMS功能，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理服務(wù)，稱為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；其他節(jié)點的計算機上安裝 DBMS 的外圍應(yīng)用開發(fā)工具，支持用戶的應(yīng)用，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)表示服務(wù)，稱為客戶端； （ 4） 并行式：硬件平臺是并行計算機系統(tǒng)，使用多個 CPU 和多個磁盤進行并行數(shù)據(jù)處理和磁盤訪問操作，以提高執(zhí)行速度； （ 5） WEB 式： 由通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來的客戶端、 WEB 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成。 1． 5 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 1． 5． 1 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能 （ 1） 數(shù)據(jù)定義功能： DBMS 提供了數(shù)據(jù)定義語言（ DDL），用戶利用 DDL 定義數(shù)據(jù)庫對象的三級模式結(jié)構(gòu)，描述數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)特征。 （ 2） 數(shù)據(jù)操縱功能： DBMS 提供數(shù)據(jù)操縱語言（ DML），用戶利用 DML 對數(shù)據(jù)進行查詢、插入、刪除或更新； （ 3） 數(shù)據(jù)庫 運行管理和控制 功能 （ 4） 數(shù)據(jù)庫的 建立和維護 功能 1． 5． 2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的 全局結(jié)構(gòu) （圖） DBS 可分為用戶、人機交互界面、 DBMS 和磁盤四個層次； 用戶可分為四類：數(shù)據(jù)庫管理員 DBA；專業(yè)用戶；應(yīng)用程序員；終端用戶； DBMS 可分為兩部份： （ 1） 查詢處理器：面向用戶查詢 請求；包括以下幾個功能模塊： DML 編譯器、嵌入式 DML 的預(yù)編譯器、 DDL 編譯器、查詢執(zhí)行引擎； （ 2） 存儲管理器：面向數(shù)據(jù)存儲訪問，包括以下幾個功能模塊：權(quán)限和完整性管理器、事務(wù)管理器、文件管理器、緩沖區(qū)管理器； 磁盤存儲的類型： （ 1） 以數(shù)據(jù)庫文件方式存儲的應(yīng)用數(shù)據(jù)； （ 2） 數(shù)據(jù)字典； （ 3） 為提高查詢速度而設(shè)置的數(shù)據(jù)庫引擎； （ 4） DMS 運行時的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)； （ 5） 日志信息。 1． 6 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用 第一代 DBS： 60 年代末 70 年代初，層次型和網(wǎng)狀型 DBS； 第二代 DBS： 70 年代后期，關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)； 新型 DBS： 80 年代， 分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)； 90 年代，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 第二章 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng) （ DBAS） 生命周期 2． 1 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)生命周期 2． 1． 1 軟件工程與軟件開發(fā)方法 軟件工程 ： 指導(dǎo) 計算機軟件開發(fā)和維護的工程科學(xué)，它采用工程化的概念、原理、技術(shù)和方法，以及正確的項目管理技術(shù)，來開發(fā)和維護軟件；它將系統(tǒng)化、規(guī)范化、定量化方法應(yīng)用于軟件的開發(fā)、操作和維護，也就是將工程化應(yīng)用于軟件生產(chǎn)； 軟件工程的目標(biāo)：在給定成本、進度的前提下，開發(fā)出滿足用戶需求并具有 下述特征 的軟件產(chǎn)品：可修改性、有效性、可靠性、可 理解性、可維護性、可重用性、可適應(yīng)性、可移植性、可追蹤性和可互操作性。 軟件 生命周期 ： （以及 開發(fā)周期 ） 指軟件產(chǎn)品從考慮其概念開始，到該 不再使用的整個時期（ 產(chǎn)品交付使用的整個時期 ） ，包括概念階段、需求階段、設(shè)計階段、實現(xiàn)階段、測試階段、安裝部署及交付階段； 軟件項目管理：為了能使軟件開發(fā)按預(yù)定的質(zhì)量、進度和成本進行，而對成本、質(zhì)量、進度、人員、風(fēng)險等進行分析和有效管理的一系列活動。 軟件工程以關(guān)注軟件質(zhì)量為特征，由 方法、工具和過程 三部分組成； 軟件過程模型（軟件開發(fā)模型）：是對軟件過程的 一種抽象表示 ，表示了軟 件過程的整體框架和軟件開發(fā)活動各階段間的關(guān)系，常見的有： 瀑布模型、快速原形模型、增量模型和螺旋模型 。 2． 1． 2 DBAS（ 面向某個特定領(lǐng)域，實現(xiàn)特定功能的計算機軟件、硬件的集成體 ） 軟件組成 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件在內(nèi)部可看作由一系列軟件模塊 /子系統(tǒng)組成，這些模塊 /子系統(tǒng)可分成兩類： （ 1） 與數(shù)據(jù)訪問 有關(guān) 的數(shù)據(jù)庫 事務(wù)模塊 ：利用 DBMS 提供的數(shù)據(jù)庫管理功能，以數(shù)據(jù)庫 事務(wù)方式 直接對數(shù)據(jù)庫中的各類應(yīng)用數(shù)據(jù)進行操作，模塊粒度較小