数据库系统概述
数据库系统组成
数据库系统(Database System),主要由数据库、数据库用户、计算机硬件系统和计算机软件系统组成。
数据库
数据库是按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库。它有两个特点：
- 集成性。数据库中的数据是相关联的，它们之间存在着某种联系，这种联系可以是逻辑联系，也可以是物理联系。
- 共享性。数据库中的数据可以被多个用户共享。
数据库用户
数据库用户有三类：
- 应用程序员。他们设计和编写应用程序，使用数据库系统来存储和管理数据。
- 数据库管理员。数据库管理员是数据库系统的管理者，他们负责数据库系统的建立、维护和管理。
- 数据库应用用户。数据库应用用户是数据库系统的最终用户，他们通过应用程序来访问数据库系统。
数据库管理员（Database Administrator）在大型项目中极为重要，他们负责数据库系统的建立、维护和管理。数据库管理员的主要工作包括：
- 数据库设计。数据库设计是数据库系统的核心工作，它包括数据库的逻辑设计和物理设计。
- 数据库实现。数据库实现是将数据库设计转换为数据库系统的过程。
- 数据库运行和维护。数据库运行和维护是保证数据库系统正常运行的重要工作。
- 数据库安全。数据库安全是保证数据库系统的安全的重要工作。
- 帮助用户使用数据库系统。帮助用户使用数据库系统是数据库管理员的重要工作。
计算机硬件系统
计算机硬件系统是数据库系统的基础，它包括计算机系统、存储系统和通信系统。
计算机软件系统
软件系统主要包括数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）和操作系统（Operating System，简称OS）。
数据库系统的内部体系结构
三级结构
数据库系统的内部体系结构是三级结构，它包括：
- 模式，又称概念模式，它描述了数据库中全体数据的逻辑结构和特征。处于三级模式的中间层，不涉及 数据的物理存储细节和硬件环境，与所使用的开发工具或者语言无关。一个数据库只有一个模式，它是数据库的逻辑结构的描述，是数据库的蓝图。
- 外模式 （外部模式，或用户模式，或子模式）。它是三级结构的最外层，使用户能够看到和使用数据库中的数据。外模式是数据库的逻辑结构的子集，它是数据库的实际使用者看到的部分，是数据库用户的数据视图或者用户视图。外模式一般是 内模式的子集。一个数据库可以有多个外模式。
- 内模式 。内模式又称存储模式或者物理模式。是三级结构的最内层，它描述了数据库中数据的物理结构和存储方式。内模式是数据库的逻辑结构的实现，是数据库的实际存储结构。一个数据库只有一个内模式。它可能记录以什么方式存储数据（比如顺序存储或者索引存储），以及数据的物理存储位置，又或者是否进行压缩。
二级映像
DBMS在三级模式之间建立了二级映像，它们之间的映像关系如下：
- 模式映像到外模式。例如，在学生的逻辑结构中添加新的属性，如“学生的爱好”，这个属性就会映像到外模式中，即用户可以看到这个属性。
- 外模式映像到内模式。当采取了更加先进的存储技术时，只要保持其模式不变化，就可以把存储结构的变化限制在模式之下，这使数据的存储结构和存储方式都高度独立于应用程序。
数据库的外部体系结构
单用户的数据库
单用户的数据库是指只有一个用户使用的数据库。不能实现多用户共享，因此只能用于个人使用。
主从数据库
主从数据库是指一个数据库系统中有一个主数据库和多个从数据库。是一个单个大型主机带终端的数据库。
分布式数据库
分布式数据库是指多个数据库系统共同组成一个数据库系统。是多个计算机共同组成的数据库系统。
客户机/服务器数据库
在这个结构的数据库中，DBMS和数据库存放在数据库服务器上，应用程序和相关的开发工具安装在客户机上。（富客户端）
十分不方便，每次维护升级都需要重新安装客户端，而且客户端的安装包很大，很多时候还需要重新安装操作系统。
浏览器/服务器数据库
客户端只安装通用的浏览器软件，应用程序不安装在客户端，而是安装在介于客户端和数据库服务器之间的应用服务器上。（瘦客户端）
数据库管理系统
数据库管理系统即DBMS，是一种软件系统，它是数据库系统的核心部分。DBMS就是把抽象的数据处理成计算机中具体的物理数据的软件。 主要包括数据定义功能、数据操纵功能、数据库运行管理功能、数据库的建立和维护功能、数据通信接口及组织、存储和管理功能。
数据定义功能
DBMS提供数据定义语言（Data Definition Language，DDL）来定义数据库的结模式、外模式和内模式三级结构。
数据操纵功能
DBMS提供数据操纵语言（Data Manipulation Language，DML）来操纵数据库中的数据。例如，SQL语言提供查询语句（SELECT）、插入语句（INSERT）、更新语句（UPDATE）和删除语句（DELETE）等。
数据库的运行管理功能
DBMS提供数据库的运行管理功能，包括数据库的安全管理、备份和恢复、并发控制、完整性控制。
数据库的建立和维护功能
DBMS提供数据库的建立和维护功能，数据库的维护包括数据库的转储、恢复、重构造、系统性能监视和分析等。
数据通信接口
DBMS提供数据通信接口，使用户可以通过这些接口与数据库进行通信。
组织、存储和管理功能
DBMS提供组织、存储和管理功能，包括数据的存储管理、索引管理、文件管理、存储空间管理、缓冲管理、重组管理、安全管理、完整性管理、并发管理、恢复管理、事务管理等。
DBMS的组成
语言编译处理程序
语言编译处理程序是DBMS的核心部分，它负责把用户的数据操纵语言（DML）转换成数据库系统能够识别的语言，然后把这些语言转换成数据库系统能够执行的语言。
系统运行控制程序
DBMS提供一系列运行控制程序，负责数据库系统运行过程中的控制和管理，主要包括下面几部分：
- 系统总控程序。用于协调和控制各程序的活动。它是DBMS的核心。
- 安全性控制程序。
- 完整性控制程序。
- 并发控制程序。
- 数据存取和更新程序。
- 通信控制程序。
系统建立和维护程序
包括装备程序、重组程序以及系统的恢复程序。
数据字典
数据字典是描述数据库信息的数据目录。
四种数据模型
层次模型
数据库的层次模型是类似一个树形结构，在这种层次结构模型中，每一个节点表示一个记录型，每个记录型又包含多个字段。
网状模型
网状模型采用类似图的形式来描述。
关系模型
关系模型是最常用的数据模型，它是一种二维表结构，每个表都有一个名字，每个表都由若干个字段组成，每个字段都有一个名字，每个字段都有一个数据类型。关系模型的数据结构是规范化的二维表，它由表名、表头和表体组成。表名即表的名称，如（T1、T2、T3）。表头即表的属性。表体即表的记录。
如一张教师表（T）：
| Tno | Tname | Tsex | Ttitle | Tdept |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 张三 | 男 | 讲师 | 计算机系 |
| 2 | 李四 | 男 | 副教授 | 计算机系 |
| 3 | 王五 | 男 | 教授 | 网工 |
| 4 | 赵六 | 女 | 讲师 | 计算机系 |
| 5 | 钱七 | 女 | 副教授 | 数媒 |
学生表（S）：
| Sno | Sname | Ssex | Sage | Sdept |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 张三 | 男 | 20 | 计算机系 |
| 2 | 李四 | 男 | 21 | 计算机系 |
| 3 | 王五 | 男 | 22 | 计算机系 |
| 4 | 赵六 | 女 | 23 | 计算机系 |
| 5 | 钱七 | 女 | 24 | 数媒 |
课程关系表（C）：
| Cno | Cname | Ccredit | Tno |
|---|---|---|---|
| 1 | 数据库 | 4 | 1 |
| 2 | 网络 | 4 | 3 |
| 3 | 数学 | 4 | 2 |
| 4 | 英语 | 4 | 4 |
| 5 | 体育 | 4 | 5 |
选课关系表（SC）：
| Sno | Cno | Grade |
|---|---|---|
| 1 | 1 | 90 |
| 1 | 2 | 80 |
| 1 | 3 | 70 |
| 1 | 4 | 60 |
| 1 | 5 | 50 |
| 2 | 1 | 90 |
| 2 | 2 | 80 |
| 2 | 3 | 70 |
| 2 | 4 | 60 |
| 2 | 5 | 50 |
| 3 | 1 | 90 |
| 3 | 2 | 80 |
| 3 | 3 | 70 |
| 3 | 4 | 60 |
| 3 | 5 | 50 |
| 4 | 1 | 90 |
| 4 | 2 | 80 |
| 4 | 3 | 70 |
| 4 | 4 | 60 |
| 4 | 5 | 50 |
| 5 | 1 | 90 |
| 5 | 2 | 80 |
| 5 | 3 | 70 |
| 5 | 4 | 60 |
| 5 | 5 | 50 |
授课关系表（TC）：
| Tno | Cno |
|---|---|
| 1 | 1 |
| 1 | 2 |
| 1 | 3 |
| 1 | 4 |
| 1 | 5 |
| 2 | 1 |
| 2 | 2 |
| 2 | 3 |
| 2 | 4 |
| 2 | 5 |
| 3 | 1 |
| 3 | 2 |
| 3 | 3 |
| 3 | 4 |
| 3 | 5 |
| 4 | 1 |
| 4 | 2 |
| 4 | 3 |
| 4 | 4 |
| 4 | 5 |
| 5 | 1 |
| 5 | 2 |
| 5 | 3 |
| 5 | 4 |
| 5 | 5 |
- 关系与关系实例。一个关系实例就是一个由行和列组成的二维表。如上面就有五个关系实例，分别是教师表、学生表、课程关系表、选课关系表和授课关系表。
- 元组。元组是关系中的一行，它是一个不可分割的整体。如上面的教师表中的一行就是一个元组，如（1、张三、男、讲师、计算机系）。
- 属性。属性是关系中的一列，它是一个不可分割的整体。如上面的教师表中的一列就是一个属性，如（Tno、Tname、Tsex、Ttitle、Tdept）。
- 域。域是属性的取值范围。如上面的教师表中的Tsex属性的域是 {男、女} ，Ttitle属性的域是{讲师、副教授、教授}，Tdept属性的域是 {计算机系、网工、数媒} 。
- 分量。分量是元组中的一个值。如上面的教师表中的一行（1、张三、男、讲师、计算机系）中的张三就是一个分量。
- 候选码。候选码是一个或多个属性的集合，它能唯一地标识关系中的每一个元组。如上面的教师表中的Tno属性就是一个候选码，因为它能唯一地标识关系中的每一个元组。
- 主码。主码是候选码中的一个，它是关系中的一个属性或属性组，它能唯一地标识关系中的每一个元组。如上面的教师表中的Tno属性就是一个主码，因为它能唯一地标识关系中的每一个元组。
- 关系模式。关系模式是关系的一个描述，它由关系的名称和属性组成。如上面的教师表的关系模式是（Tno、Tname、Tsex、Ttitle、Tdept）。
- 关系实例。关系实例是关系的一个具体的值，它由关系的名称和元组组成。如上面的教师表的关系实例是（Tno、Tname、Tsex、Ttitle、Tdept）和（1、张三、男、讲师、计算机系）。
面向对象模型
对象是现实世界中实体的模型化。如一个学生、一门课程和考试记录都可以看成对象。