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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
DBPA | CH01 | 1.1

学习目标

学完后，你能用教务、游戏或网购中的例子说清数据库系统怎样管理数据

  1. 01面对一套系统，指出哪些是数据、数据库、DBMS 和完整的数据库系统
  2. 02用建表、查成绩、备份和恢复等操作，说明 DBMS 为应用程序做了什么
  3. 03比较程序自己管数据、各应用保存文件和多个应用共用数据库时有什么不同
  4. 04指出数据库系统解决了什么数据管理问题
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LEARNING OBJECTIVES
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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
Quote

描述事物的符号记录，被称为数据

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DATA DEFINITION
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数据是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

玩家与对局、学生与课程、订单与商品

Takeaway

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
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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

数据库原理课程成绩：93 分；班级人数：93 人；当前排名：第 93 名；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；某书页数：93 页；货物重量：93 公斤；等等等等

Takeaway

决定含义的是符号带有的语义，来自符号所描述的对象和符号所在的语境

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DATA SEMANTICS
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数据库的定义

数据库会被应用程序使用，能够长期保存、共享有组织的数据

数据库示意图
Quote

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
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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
Quote

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
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数据库的基础概念

成绩是数据；数据库保存成绩；DBMS 管理数据库；应用和人员组成完整系统

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

当计算机系统引入数据库后，就形成了数据库系统

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CORE CONCEPTS
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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
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数据库管理系统所在层级

教务应用只向 DBMS 查询成绩，不必自己寻找磁盘上的数据文件

位置

位于应用程序与操作系统之间

向上

接收教务、选课和成绩查询等应用请求

向下

决定数据放在哪个文件、怎样查找得更快

控制

检查谁能查看成绩、多人同时选课是否冲突、故障后怎样恢复

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
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数据库管理系统的主要功能

建表、保存、查询、修改、检查和备份等工作，都由 DBMS 统一处理

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
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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
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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

比较问题数据处理数据管理
要做什么收集、加工、使用和发布数据给数据分类、命名、保存、查找和更新
教务系统收集成绩，计算平均分、最高分、最低分，并生成成绩单保存学生、课程和成绩，让教务与教师都能查询
常见问题这批数据要算出什么结果？数据放在哪里，谁能使用，修改后怎样保持一致？
Takeaway

数据需要固定的名称、保存位置和修改规则，否则会影响计算、共享和查询

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DATA MANAGEMENT
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数据管理技术的三个阶段

由程序自己处理；通过文件系统管理；由 DBMS 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
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人工管理阶段

程序读取自己的输入；程序结束后，其他程序通常不能直接使用这些数据

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
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文件系统阶段

文件能长期留在磁盘上，但教务、财务和学生管理仍可能各存一份学生资料

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需要依赖具体应用
  • ■多个应用各自保存所需数据，增加了冗余和不一致
  • ■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
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数据库系统阶段

DBMS 让教务、教师和学生应用共用课程与成绩数据，并按同一规则修改

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
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不同阶段的比较

数据能否留下来、能否共用、程序是否必须跟着文件一起修改

比较问题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
数据独立性无低高
主要管理者应用程序文件系统数据库管理系统
整体结构化无文件内部有结构，但整体分散整体数据结构化
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STAGE COMPARISON
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数据库系统的特点

DBMS 关联记录、减少重复，处理修改冲突和系统故障

整体结构化

学生、课程和成绩不再是三个文件，系统记录谁选了哪门课、得了多少分

共享、低冗余、易扩充

教务、教师和学生读取同一份课程数据，不必各自复制后再修改

数据独立性强

管理员更换磁盘或为数据库增加索引时，查成绩的应用通常不需要重写

统一管理和控制

系统检查教师能看哪些成绩、解决同时访问冲突，处理故障后恢复数据

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SYSTEM FEATURES
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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

数据换到另一块磁盘，或者增加新的查询索引时，应用程序尽量不变

逻辑独立性

课程表增加一个可选字段时，原有的成绩查询程序尽量少改

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DATA INDEPENDENCE
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数据库系统的组成

数据库、DBMS、应用程序、计算机、管理员和用户需要一起工作

用户在多台计算机前管理数据库系统

数据库系统 = 数据库 + DBMS + 应用程序 + 硬件与软件 + DBA 与用户

Takeaway

数据和使用这些数据所需的软硬件和人加在一起，才是完整的数据库系统

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SYSTEM COMPOSITION
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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

数据定义、数据存储、数据操纵、数据库运行、数据库维护、数据库互访

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
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本节知识地图

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KNOWLEDGE MAP
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本节问题

  1. 01数据与语义为什么不可分？
  2. 02数据库、数据库管理系统、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？
  5. 05在不同数据管理阶段，保存方式、共享能力和管理主体发生了哪些变化？
  6. 06DBMS 如何通过自身功能支持数据库系统？
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SECTION QUESTIONS