（一）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念
1．數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)
1）數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)是指存儲在某一種媒體上能夠被識別的物理符號，即描述事物的符號記錄。
數(shù)據(jù)是有結(jié)構(gòu)的。首先，數(shù)據(jù)有型與值的區(qū)別，型即類型，值是符合指定類型的值。
數(shù)據(jù)的概念在數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域中已經(jīng)大大地拓寬了。數(shù)據(jù)不僅包括數(shù)字、字母、文字和其他特殊字符組成的文本形式的數(shù)據(jù)，而且還包括圖形、圖像、動畫、影像、聲音等多媒體數(shù)據(jù)。但是使用多、基本的仍然是文字數(shù)據(jù)。
2）數(shù)據(jù)庫
數(shù)據(jù)庫（DataBase，DB），是存儲在計算機存儲設(shè)備上，結(jié)構(gòu)化的相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)的集合。它不僅包括描述事物的數(shù)據(jù)本身，而且還包括相關(guān)事物之間的聯(lián)系。
它用綜合的方法組織和管理數(shù)據(jù)，具有較小的數(shù)據(jù)冗余，可供多個用戶共享，具有較高的數(shù)據(jù)獨立性，具有安全機制，能夠保證數(shù)據(jù)的安全、可靠，允許并發(fā)地使用數(shù)據(jù)庫，能有效、及時地處理數(shù)據(jù)，并能保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性。
例如，某個學(xué)校的相關(guān)數(shù)據(jù)，如學(xué)生基本情況、選課情況、學(xué)籍管理等所涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合。
3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBase Management System，DBMS）是對數(shù)據(jù)庫進行管理的系統(tǒng)軟件，它的職能是有效地組織和存儲數(shù)據(jù)、獲取和管理數(shù)據(jù)，接受和完成用戶提出的訪問數(shù)據(jù)的各種請求。同時還能保證數(shù)據(jù)的安全性、可靠性、完整性、一致性，還要保證數(shù)據(jù)的高度獨立性。
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要功能包括以下幾個方面：
（1）數(shù)據(jù)模式定義
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)負責為數(shù)據(jù)庫構(gòu)建模式，也為數(shù)據(jù)庫構(gòu)建其數(shù)據(jù)框架。
（2）數(shù)據(jù)存取的物理構(gòu)建
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)負責為數(shù)據(jù)模式的物理存取及構(gòu)建提供有效的存取方法和手段。
（3）數(shù)據(jù)操縱
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為用戶使用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)提供方便，一般提供查詢、插入、修改和刪除數(shù)據(jù)的功能，此外，還具有簡單的算術(shù)運算和統(tǒng)計功能，還具有專長強大的程序控制功能。
（4）數(shù)據(jù)的完整性、安全性定義與檢查
數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有內(nèi)存語義上的關(guān)聯(lián)性與一致性，即數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)的完整性是保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)正確的必要條件。
（5）數(shù)據(jù)的并發(fā)控制與故障恢復(fù)
數(shù)據(jù)庫是一個集成、共享的數(shù)據(jù)集合體，它能為多個應(yīng)用程序服務(wù)，因此，當多個應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫并發(fā)操作時，要保證數(shù)據(jù)不被破壞。
（6）數(shù)據(jù)的服務(wù)
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供了對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的多種服務(wù)，如數(shù)據(jù)拷貝、轉(zhuǎn)存、重組、性能監(jiān)測、分析等。
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的相應(yīng)的數(shù)據(jù)語言包括如下：
1）數(shù)據(jù)定義語言（Data Definition Language，DDL）
D用戶通過它可以方便地對數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)內(nèi)容進行定義。例如，對數(shù)據(jù)庫、表、索引進行定義。
2）數(shù)據(jù)操縱語言（Data Manipulation Language，DML）
用戶通過它可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的基本操作。例如，對表中數(shù)據(jù)的查詢、插入、刪除和修改。
3）數(shù)據(jù)控制語言（Data Control Language，DCL）
負責數(shù)據(jù)完整性、安全性的定義與檢查以及并發(fā)控制、故障恢復(fù)等功能，包括系統(tǒng)初啟程序、文件讀寫與維護程序、存取路徑管理程序、緩沖區(qū)管理程序、安全性控制程序、完整性檢查程序、并發(fā)控制程序、事務(wù)管理程序、運行日志管理程序、數(shù)據(jù)庫恢復(fù)程序等。
目前流行的DBMS均為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，發(fā)ORACLE、Sybase的PowerBuilder及IBM的DB2、微軟件的SQLServer等。還有一些小型的數(shù)據(jù)庫，如Visual FoxPro和Access等。
4）數(shù)據(jù)庫管理員
數(shù)據(jù)庫的管理員（DataBase Administrator，DBA）：對數(shù)據(jù)庫的規(guī)劃、設(shè)計、維護、監(jiān)視等進行管理。
主要工作如下：
（1）數(shù)據(jù)庫設(shè)計
（2）數(shù)據(jù)庫維護
（3）改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)效率
5）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DataBase System，DBS）由如下幾個部分組成：
數(shù)據(jù)庫（數(shù)據(jù)）
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（軟件）
數(shù)據(jù)庫管理員（人員）
系統(tǒng)平臺（硬件平臺和軟件平臺）
硬件平臺包括：
計算機
網(wǎng)絡(luò)
軟件平臺包括：
操作系統(tǒng)
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)工具
接口軟件
6）數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)
數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)（DataBase Application System，DBAS）是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)再加上應(yīng)用軟件及應(yīng)用界面而構(gòu)成的。它包括：
數(shù)據(jù)庫
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)
數(shù)據(jù)庫管理員
硬件平臺
軟件平臺
應(yīng)用軟件
應(yīng)用界面
2．數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展
隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理方法也經(jīng)歷了從低級到高級的發(fā)展過程，按照數(shù)據(jù)管理的特點可將其劃分為人工管理、文件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三個階段。
1）人工管理階段
在20世紀50年代，計算機主要用于數(shù)值計算。從當時的硬件看，外存只有紙帶、卡片、磁帶，沒有直接存取設(shè)備；從軟件看（實際上，當時還未形成軟件的整體概念），沒有操作系統(tǒng)以及管理數(shù)據(jù)的軟件；從數(shù)據(jù)看，數(shù)據(jù)量小，數(shù)據(jù)無結(jié)構(gòu)，由用戶直接管理，且數(shù)據(jù)間缺乏邏輯組織，數(shù)據(jù)依賴于特定的應(yīng)用程序，缺乏獨立性。
2）文件系統(tǒng)階段
是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)展的初級階段，它提供了簡單的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)管理能力，但無法提供完整的、統(tǒng)一的、管理和數(shù)據(jù)共享的能力。
3）層次數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫階段
20世紀60年代末期，層次數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫開始發(fā)展，它們?yōu)榻y(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享提供了支撐，即標志著數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的真正來臨。但它們有許多的不足，如受文件的物理影響較大，對數(shù)據(jù)庫使用帶來許多不便，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不變于推廣。
4）關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段
關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)出現(xiàn)于20世界70年代，它的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，邏輯性強物理性少，使用廣泛。
由于應(yīng)用的領(lǐng)域不同，它常分為：
工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
圖形數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
圖像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
知識數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)
3．數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本特點
1）數(shù)據(jù)的集成性
在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式
在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中按照多個應(yīng)用程序的需要組織全局的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)模式可建立全局的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也可建立數(shù)據(jù)間的語義聯(lián)系從而構(gòu)成一個內(nèi)存緊密聯(lián)系的數(shù)據(jù)整體
數(shù)據(jù)模式是多個應(yīng)用程序共同的、全局的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而每個應(yīng)用的數(shù)據(jù)則是全局結(jié)構(gòu)中的一部分
2）數(shù)據(jù)的高共享性與低冗余性
數(shù)據(jù)的一致性是指系統(tǒng)中同一數(shù)據(jù)的不同出現(xiàn)應(yīng)保持相同的值，而數(shù)據(jù)的不一致性是指同一數(shù)據(jù)在系統(tǒng)不同拷貝處有不同的值。減少數(shù)據(jù)的冗余性可以避免數(shù)據(jù)的不一致性。
3）數(shù)據(jù)的獨立性
數(shù)據(jù)的獨立性是指數(shù)據(jù)與程序間的互不依賴性。即數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)與存取方式的改變不會影響應(yīng)用程序。
（1）物理獨立性
即數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)（包括存儲結(jié)構(gòu)、存取方式）的改變，不會影響數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)，即不會引起應(yīng)用程序的變化。
（2）邏輯的獨立性
4）數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與控制
數(shù)據(jù)庫總體邏輯結(jié)構(gòu)的改變，不需要相應(yīng)修改應(yīng)用程序。
數(shù)據(jù)完整性檢查：檢查數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確性以保證數(shù)據(jù)的正確
數(shù)據(jù)的安全性保護：檢查數(shù)據(jù)庫訪問者以防非法訪問
并發(fā)控制：控制多個應(yīng)用程序的并發(fā)訪問所發(fā)生的相互干擾以保證其正確性
4．數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的內(nèi)部具有三級模式與二級映射。
1）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式
數(shù)據(jù)模式是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一種表示形式，它具有不同的層次與結(jié)構(gòu)方式。
（1）概念模式
概念模式是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中全局數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)的描述，是全體用戶公共數(shù)據(jù)視圖。概念模式主要描述數(shù)據(jù)的概念記錄類型以及它們之間的關(guān)系，還包括一些數(shù)據(jù)間的語義約束。
（2）外模式
外模式又稱子模式或用戶模式，是用戶的數(shù)據(jù)視圖，即用戶見到的數(shù)據(jù)模式。
概念模式給出系統(tǒng)全局的數(shù)據(jù)描述而外模式則給出每個用戶的局部數(shù)據(jù)描述。
（3）內(nèi)模式
內(nèi)模式又稱物理模式，它給出數(shù)據(jù)庫物理存儲結(jié)構(gòu)與物理存儲方法，如數(shù)據(jù)存儲的文件結(jié)構(gòu)、索引、集簇及hash等存取方式與存取路徑，內(nèi)模式的物理性主要體現(xiàn)在操作系統(tǒng)及文件級上。
內(nèi)模式對一般的用戶是透明的，但它的設(shè)計直接影響到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的性能。
模式的三個級別層次反映了模式的三個不同環(huán)境以及它們的不同要求，其中內(nèi)模式處于底層，它反映數(shù)據(jù)在計算機物理結(jié)構(gòu)中的實際存儲形式，概念模式牌中層，它反映了設(shè)計者的數(shù)據(jù)全局邏輯要求，而外模式處于外層，通過兩種映射由物理數(shù)據(jù)庫映射而成它反映用戶對數(shù)據(jù)的要求。
2）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的二級映射
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式是對數(shù)據(jù)的三個級別抽象，它把數(shù)據(jù)的具體物理實現(xiàn)留給物理模式，使得全局設(shè)計者不必關(guān)心數(shù)據(jù)庫的具體實現(xiàn)與物理背景；通過兩級映射建立了模式間的聯(lián)系與轉(zhuǎn)換，使得概念模式與外模式雖然并不物理存在，但也能通過映射獲得實體。同時，兩級映射也保證了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的獨立性。
兩級模式的映射：
概念模式到內(nèi)模式的映射：該映射給出概念模式中數(shù)據(jù)的全局邏輯結(jié)構(gòu)到數(shù)據(jù)的物理存儲結(jié)構(gòu)間的對應(yīng)關(guān)系
外模式到概念模式的映射：該映射給出了外模式與概念模式之間的對應(yīng)關(guān)系