6.1 数据库基本概念总结
核心概念定义
- 数据（Data）：描述事物的符号记录，表现形式包括文字、图形、图像、声音等。
- 信息（Information）：现实世界事物的存在方式或状态的反映，具有可感知、可存储、可加工等属性，是数据的特定释义和意义。
- 数据库（DB）：统一管理的、长期存储在计算机内的有组织的相关数据集合，特点是联系密切、冗余度小、独立性高、易扩展、可共享（含存储数据的物理设备及数据本身）。
- 数据库管理系统（DBMS） ：数据库系统的核心软件，在操作系统支持下工作，负责科学组织/存储数据、高效获取/维护数据，主要功能包括：
- 数据定义（通过DDL定义数据库结构、完整性、安全性等）；
- 数据操纵（通过DML实现检索、插入、修改、删除）；
- 数据库运行管理（并发控制、安全检查、完整性执行等）；
- 数据组织、存储和管理（优化存储结构和存取效率）；
- 数据库建立与维护（初始建立、转储恢复、重组重构等）。
- 数据库系统（DBS）：采用数据库技术的计算机系统，广义上包括DB、DBMS、硬件、软件及用户，可动态存储大量关联数据，支持多用户访问。
6.1.1 数据库技术的发展（数据管理技术三阶段）
| 阶段 | 特点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 人工管理阶段 | 数据量少，与程序一一对应（面向应用，独立性差）；数据不长期保存；无专门管理软件，需程序员设计物理结构。 | 应用程序与数据依赖性强（不独立）；数据冗余度大。 |
| 文件系统阶段 | 数据可长期保存；逻辑结构与物理结构分离（通过文件名访问，不关心物理位置）；文件组织形式多样（索引、链接等）。 | 数据冗余大（相同数据重复存储）；数据不一致（修改维护困难）；数据孤立（文件间无内在联系，共享困难）。 |
| 数据库系统阶段 | 采用复杂数据模型（描述数据及联系），数据面向系统而非单个应用；数据共享性高、冗余少；独立性强（由DBMS负责数据存取）；提供完整性、一致性、安全性管理。 | 无显著缺点，是目前主流数据管理方式。 |
6.1.2 数据模型
数据模型是描述数据的一组概念和定义，三要素包括：
- 数据结构：对象类型的集合，描述系统静态特性；
- 数据操作：对数据的允许操作（检索、插入、删除、修改等）及规则，描述系统动态特性；
- 数据约束条件：一组完整性规则，保证数据正确、有效、相容。
数据模型的发展阶段：
-
层次和网状数据库系统
- 层次模型：树形结构，根结点外的结点仅有一个双亲，体现1:n联系；
- 网状模型：允许多结点无双亲或一个结点多个双亲，可描述更复杂联系（但需通过联结记录表示多对多联系）；
- 共同特点：支持三级模式、用存取路径表示联系、有独立数据定义语言和导航式操纵语言。
-
关系数据库系统
- 用表格结构表达实体及联系，描述具有一致性；
- 核心是"关系"（一张表，对应程序设计中的"变量"）和"关系模式"（表结构，对应"类型定义"）；
- 因简单灵活，成为目前最常用的数据模型。
-
第三代数据库系统
- 传统数据库难以应对新型应用（如大数据、Web 2.0），催生多种新模型（面向对象、XML、半结构化等）；
- 典型代表是NoSQL（非关系型数据库），侧重分布式、大规模数据处理，不依赖SQL和ACID特性，适用于高并发场景。
6.1.3 数据库管理系统（DBMS）
DBMS实现了对共享数据有效地组织、管理和存取，因此DBMS应具有如下几个方面的功能及特征。
1.DBMS功能
DBMS功能主要包括数据定义、数据库操作、数据库运行管理、数据组织、存储和管理、数据库的建立和维护。
(1)数据定义。
DBMS提供数据定义语言(Data Definition Language,DDL),可以对数据库的结构进行描述，包括外模式、模式和内模式的定义；数据库的完整性定义；安全保密定义，如口令、级别和存取权限等。这些定义存储在数据字典中，是DBMS运行的基本依据。
(2)数据库操作。
DBMS向用户提供数据操纵语言(Data Manipulation Language,DML),实现对数据库中数据的基本操作，如检索、插入、修改和删除。
(3)数据库运行管理。
数据库在运行期间，多用户环境下的并发控制、安全性检查和存取控制、完整性检查和执行、运行日志的组织管理、事务管理和自动恢复等都是DBMS的重要组成部分。这些功能可以保证数据库系统的正常运行。
(4)数据组织、存储和管理。
DBMS分类组织、存储和管理各种数据，包括数据字典、用户数据和存取路径等。要确定以何种文件结构和存取方式在存储级别上组织这些数据，以提高存取效率。实现数据间的联系、数据组织和存储的基本目标是提高存储空间的利用率。
(5)数据库的建立和维护。
数据库的建立和维护，包括数据库的初始建立、数据的转换、数据库的转储和恢复、数据库的重组和重构、性能监测和分析等。
(6)其他功能。
如DBMS与网络中其他软件系统的通信功能，一个DBMS与另一个DBMS或文件系统的数据转换功能等。
2. DBMS的特点
- 数据结构化且统一管理：通过数据模型描述数据及联系，数据面向整个系统，冗余少、易扩展、可共享。
- 高数据独立性：数据与程序分离，应用程序仅关注逻辑结构，无需关心物理存储（包括物理独立性和逻辑独立性）。
- 数据控制功能 ：
- 安全性：防止不合法使用导致数据泄露/破坏（如权限管理）；
- 完整性：保证数据正确性和相容性（避免非法更新）；
- 并发控制：协调多用户同时操作，防止数据不一致；
- 故障恢复：通过冗余数据将数据库从故障状态恢复到一致状态（应对事务故障、系统故障等）。
6.1.4 数据库三级模式（抽象层次）
数据库系统通过三级模式屏蔽复杂性，实现用户与系统的简化交互，从高到低分为：
| 模式层级 | 对应抽象层 | 描述 |
|---|---|---|
| 外模式（子模式/用户模式） | 视图层 | 用户可见的部分数据描述，简化交互并保证数据保密性，是用户与系统的接口。 |
| 概念模式（模式） | 逻辑层 | 整个数据库的逻辑结构和特征描述（仅含"型"，不含具体值），由数据库管理员负责，独立于物理存储。 |
| 内模式（存储模式） | 物理层 | 数据物理存储方式的描述（如文件结构、索引方式等），是最低层抽象。 |
作用：三级模式通过"型"（结构描述）和"值"（具体数据）的分离，保证任意一层的改变不影响其他层（如物理存储变化不影响用户视图），提升系统灵活性和稳定性。