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DBPA · 1.1

数据库系统概述

从数据到数据库管理系统和数据库系统

VER. 2608 Built with impress.js

学习目标

完成本节后,你应该能够

  1. 01区分数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统
  2. 02了解数据库管理系统的主要功能
  3. 03了解数据管理的三个阶段,理解数据库系统的优越性
  4. 04理解数据库系统的四个核心特点
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LEARNING OBJECTIVES

数据的定义

数据是数据库中存储的基本对象

数据的多种表现形式

描述事物的符号记录,被称为数据

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DATA DEFINITION

数据:被记录下来的重要事实

数据是描述事物的符号记录

数据可以描述事物的

属性

玩家等级;某门课程成绩;某个商品价格

状态

对局已结束、课程已选、订单已支付

相互关系

玩家参加对局、学生选修课程、订单包含商品

数据只有和它所表达的语义结合起来,才具有可解释的意义

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DATA

同一个数据,含义可以不同

相同的符号记录,只有放进字段、单位和业务场景中才能确定含义

93

Case

课程

数据库原理成绩:93 分;班级人数:93 人;当前排名:第 93;学时:共 93 学时;课程编号:93;等等等等

商品

某商品库存:93 件;书名:《93》;商品代码:93;价格:93 元;页数:93 页;重量:93 公斤,等等等等

决定含义的是符号带有的语义,来自符号所描述的对象、符号所在的语境

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DATA SEMANTICS

数据库的定义

数据库面向应用,长期保存、共享有组织的数据

数据库示意图

数据库是长期存储在计算机内有组织、可共享的大量数据的集合

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DATABASE DEFINITION

数据库管理系统的定义

DBMS 在用户与操作系统之间,负责统一管理数据

数据库管理系统示意图

数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的数据管理软件

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DBMS DEFINITION

数据库的基础概念

从数据对象,逐步扩展到管理软件和完整运行环境

数据 Data

描述事物的符号记录,需要结合语义解释和理解

数据库 Database

在计算机中长期存储的、有组织、可共享的数据集合

数据库管理系统 DBMS

应用系统与操作系统之间的软件层,负责管理数据

数据库系统 DBS

当计算机系统——计算机硬件、操作系统和应用软件、用户和管理员所构成的系统——引入数据库后,形成了数据库系统

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CORE CONCEPTS

数据库系统的构成

数据库系统由数据、数据库管理系统、应用程序、人员和运行环境共同组成

数据库通过 DBMS 为应用程序和用户提供数据服务
DBMS 连接数据库、应用程序和用户

数据库

保存数据

DBMS

数据的组织、控制、访问

应用程序

实现具体业务的处理过程

DBA

数据库的规划、管理、维护

用户

使用数据库系统

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DATABASE SYSTEM

数据库管理系统所在层级

在应用与底层存储之间,提供统一的数据管理接口

位置

位于应用程序与操作系统之间

向上

提供统一的数据访问接口

向下

管理文件、存储空间、访问路径

控制

安全、完整性、并发控制和恢复控制

数据库系统层次结构示意图
用户与应用不需要直接管理底层数据文件
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DBMS LAYER

数据库管理系统的主要功能

数据的定义、存储、操作、控制、维护

定义

定义要描述的对象、相应的属性、约束、数据模式

存储

管理数据文件、数据字典、存取路径、存储空间

操纵

支持对数据的查询、插入、删除、修改操作

运行

数据安全、数据完整性、并发控制、恢复

维护

数据库装载、数据文件转储、数据库重组、性能监视

互访

数据转换、通信、数据库互访

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DBMS FUNCTIONS

数据定义语言和数据操纵语言

定义语言(DDL)描述数据结构,操纵语言(DML)在这些结构上读写数据

Case
SQL
CREATE TABLE enrollment (
  enrollment_id BIGINT GENERATED ALWAYS AS IDENTITY PRIMARY KEY,
  student_id CHAR(10) NOT NULL REFERENCES student(student_id),
  course_id CHAR(12) NOT NULL REFERENCES course(course_id),
  semester_code VARCHAR(12) NOT NULL,
  final_score DECIMAL(5, 2) CHECK (final_score BETWEEN 0 AND 100),
  status VARCHAR(16) NOT NULL DEFAULT 'ENROLLED',
  CONSTRAINT uq_enrollment UNIQUE (student_id, course_id, semester_code)
);
SELECT s.student_id, s.name, e.course_id, e.semester_code, e.final_score, e.status
FROM student AS s JOIN enrollment AS e ON e.student_id = s.student_id
WHERE e.semester_code = '2026-FALL' AND e.status = 'ENROLLED' AND e.final_score >= 90;

DDL

CREATE TABLE用于定义基本数据结构

DML

SELECT用于完成最重要的数据操作——查询

约束

告诉数据库管理系统在当前环境中允许哪些数据状态

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DDL AND DML

数据管理是数据处理的中心环节

数据处理是一套完整流程,数据管理关注数据的组织、保存、使用

比较维度数据处理数据管理
范围从数据收集到传播的完整活动数据的分类、组织、存储、检索和维护
核心活动数据收集、存储、加工、使用、传播、废弃数据分类、组织、编码、存储、检索、维护
关注数据应该如何被处理和使用才能达成管理目的数据如何在长期和变化环境中持续保持可用、可信

数据库技术关注数据如何在长期、共享和变化的环境中保持可用、可信

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DATA MANAGEMENT

数据管理技术的三个阶段

数据从依附于程序,到独立和统一管理

01

人工管理

从电子计算机诞生到 1950 年代中期以前,数据通常由应用程序直接管理

02

文件系统

1950 年代后期至 60 年代,因为存储技术的进步,数据可以以文件形式长期保存,但共享程度低、冗余度高

03

数据库系统

1960 年代后期以来,数据库技术发展,推动数据整体结构化,并由数据库管理系统统一管理

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DEVELOPMENT STAGES

人工管理阶段

数据与程序紧密绑定,难以保存和共享

图书馆中的实体资料存储
数据依靠人工分类和实体载体进行管理
  • 数据通常不保存
  • 不同应用不能共享数据
  • 数据不具有独立性
  • 应用程序直接管理数据
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MANUAL MANAGEMENT

文件系统阶段

数据可以长期保存,但未能解决全局共享和一致性问题

早期 IBM 硬盘存储设备
磁盘使数据能够以文件形式长期保存
  • 数据可以长期保存
  • 文件结构和存取方法依然需要依赖具体应用
  • 多个应用各自保存所需数据,增加冗余和不一致
  • 文件系统负责管理文件,但没有全局数据模型
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FILE SYSTEM

数据库系统阶段

通过数据库管理系统,将分散数据纳入统一结构和集中控制

集中运行数据库服务的服务器设备
服务器为多个应用提供集中管理的数据服务
  • 数据整体结构化
  • 多用户、多应用共享同一批数据
  • 物理和逻辑独立性提高
  • 数据库管理系统负责统一管理和控制数据
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DATABASE SYSTEM

不同阶段的核心差异

体现在保存、共享、独立性和管理主体上

比较维度人工管理文件系统数据库系统
长期保存通常不保存可以保存可以保存
共享能力不共享共享性弱共享性强
数据独立性
主要管理者应用程序文件系统数据库管理系统
整体结构化文件内部有结构,但整体分散整体数据结构化
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STAGE COMPARISON

数据库系统的特点

数据库系统的优势来自结构、共享、独立性和统一控制的协同

整体结构化

不仅记录内部有结构,数据之间的联系也进入统一结构

共享、低冗余、易扩充

多用户、多应用共享数据,减少重复保存和反复维护

数据独立性强

存储方式或逻辑结构变化时,应用程序尽量不变动

统一管理和控制

提供安全、完整性、并发控制和数据库恢复

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SYSTEM FEATURES

数据独立性

数据独立性让存储和结构的变化尽量不影响应用程序

硬盘与数据存储结构示意图

物理独立性

数据库的存储位置、文件组织形式或存取路径发生变化时,应用程序尽量不变

逻辑独立性

数据库的逻辑结构发生变化时,应用程序尽量少变

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DATA INDEPENDENCE

数据库系统的组成

数据库系统是多个要素共同组成的运行整体

用户在多台计算机前管理数据库系统

以上概念关系式帮助理解数据库系统的组成

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SYSTEM COMPOSITION

本节回顾

四个概念、六类功能、三个阶段、四个特点

本课程的四个核心概念

数据 → 数据库 →数据库管理系统→ 数据库系统

数据库管理系统的六类功能

定义、存储、操纵、运行、维护、互访

数据管理发展的三个阶段

人工管理 → 文件系统 → 数据库系统

数据库的四个特点

结构化、共享与低冗余、物理与逻辑独立性、统一控制

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SECTION REVIEW

本节知识地图

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KNOWLEDGE MAP

本节问题

  1. 01数据与语义为什么不可分?
  2. 02数据库、数据管理系统、数据库系统三个概念有什么区别?
  3. 03文件系统为什么不能充分解决数据共享问题?
  4. 04数据独立性为什么能降低应用维护成本?
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SECTION QUESTIONS