數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論
本章目的在于使讀者對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本知識能有一個(gè)較為全面的了解，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。本章重點(diǎn)介紹了有關(guān)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組織的基本知識和基本概念，以及常見的三種類型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點(diǎn)。重點(diǎn)介紹關(guān)系數(shù)據(jù)庫的有關(guān)知識。


1.1 數(shù)據(jù)管理技術(shù)發(fā)展史

隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，社會的不斷進(jìn)步，人類對信息的依賴程度也在不斷地增加。數(shù)據(jù)作為表達(dá)信息的一種量化符號，正在成為人們處理信息時(shí)重要的操作對象。所謂數(shù)據(jù)處理就是對數(shù)據(jù)的收集、整理、存儲、分類、排序、檢索、維護(hù)、加工、統(tǒng)計(jì)和傳輸?shù)纫幌盗泄ぷ魅窟^程的概述。數(shù)據(jù)處理的目的就是使我們能夠從浩瀚的信息數(shù)據(jù)海洋中，提取出有用的數(shù)據(jù)信息，作為我們工作、生活等各方面的決策依據(jù)。數(shù)據(jù)管理則是指對數(shù)據(jù)的組織、編碼、分類、存儲、檢索和維護(hù)，它是數(shù)據(jù)處理的一個(gè)重要內(nèi)容中心。數(shù)據(jù)處理工作由來以久，早在1880年美國進(jìn)行人口普查統(tǒng)計(jì)時(shí)，就已采用穿孔卡片來存儲人口普查數(shù)據(jù)，并采用機(jī)械設(shè)備來完成對這些普查數(shù)據(jù)所進(jìn)行的處理工作。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及其后其硬件、軟件的迅速發(fā)展，加之?dāng)?shù)據(jù)庫理論和技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)據(jù)管理進(jìn)入一個(gè)革命性階段提供有力的支持。根據(jù)數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序相互依賴關(guān)系、數(shù)據(jù)共享以及數(shù)據(jù)的操作方式，數(shù)據(jù)管理的發(fā)展可以分為三個(gè)具有代表性的階段，即人工管理階段、文件管理階段和數(shù)據(jù)庫管理階段。
【1】人工管理階段
這一階段發(fā)生于六十年代以前，由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)硬件和軟件發(fā)展才剛剛起步，數(shù)據(jù)管理中全部工作，都必須要由應(yīng)用程序員自己設(shè)計(jì)程序完成去完成。由于需要與計(jì)算機(jī)硬件以及各外部存儲設(shè)備和輸入輸出設(shè)備直接打交道，程序員們常常需要編制大量重復(fù)的數(shù)據(jù)管理基本程序。數(shù)據(jù)的邏輯組織與它的物理組織基本上是相同的，因此當(dāng)數(shù)據(jù)的邏輯組織、物理組織或存儲設(shè)備發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)管理工作的許多應(yīng)用程序就必須要進(jìn)行重新編制。這樣就給數(shù)據(jù)管理的維護(hù)工作帶來許多困難。并且由于一組數(shù)據(jù)常常只對應(yīng)于一種應(yīng)用程序，因此很難實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同應(yīng)用程序間的數(shù)據(jù)資源共享。存在著大量重復(fù)數(shù)據(jù)，信息資源浪費(fèi)嚴(yán)重。
【2】文件管理階段
這一階段發(fā)生于六十年代，由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，以及系統(tǒng)軟件尤其是文件系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展，人們開始利用文件系統(tǒng)來幫助完成數(shù)據(jù)管理工作，具體講就是：數(shù)據(jù)以多種組織結(jié)構(gòu)（如順序文件組織、索引文件文件組織和直接存取文件組織等）的文件形式保存在外部存儲設(shè)備上，用戶通過文件系統(tǒng)而無需直接與外部設(shè)備打交道，以此來完成數(shù)據(jù)的修改、插入、刪除、檢索等管理操作；使用這種管理方式，不僅減輕進(jìn)行數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用程序工作量，更重要地是，當(dāng)數(shù)據(jù)的物理組織或存儲設(shè)備發(fā)生變化時(shí)，數(shù)據(jù)的邏輯組織可以不受任何影響，從而保證了基于數(shù)據(jù)邏輯組織所編制的應(yīng)用程序也可以不受硬件設(shè)備變化的影響。這樣就使得程序和數(shù)據(jù)之間具有了一定的相互獨(dú)立性。
但由于數(shù)據(jù)文件的邏輯結(jié)構(gòu)完全是根據(jù)應(yīng)用程序的具體要求而設(shè)計(jì)，它的管理與維護(hù)完全是由應(yīng)用程序本身來完成，因此數(shù)據(jù)文件的邏輯結(jié)構(gòu)與應(yīng)用程序密切相關(guān)，當(dāng)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)需要修改時(shí)，應(yīng)用程序也就不可避免地需要進(jìn)行修改；同樣當(dāng)應(yīng)用程序需要進(jìn)行變動(dòng)時(shí)，常常又會要求數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的變動(dòng)。在這種情況下，數(shù)據(jù)管理中的維護(hù)工作量也是較大的。更主要的是由于采用文件的形式來進(jìn)行數(shù)據(jù)管理工作，常常需要將一個(gè)完整的、相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合，人為地分割成若干相互獨(dú)立的文件，以便通過基于文件系統(tǒng)的編程來實(shí)現(xiàn)來對它們的管理操作。這樣做同樣會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的過多冗余和增加數(shù)據(jù)維護(hù)工作的復(fù)雜性。例如人事部門、教務(wù)部門和醫(yī)務(wù)部門對學(xué)生數(shù)據(jù)信息的管理，這三個(gè)部門中有許多數(shù)據(jù)是相同的，如姓名、年齡、性別等，由于是各部門均是根據(jù)自己的要求，建立各自的數(shù)據(jù)文件和應(yīng)用程序，這樣不僅造成了大量的相同數(shù)據(jù)重復(fù)存儲，而且在修改時(shí)，常常需要同時(shí)修改三個(gè)文件中的數(shù)據(jù)項(xiàng)，如修改學(xué)生年齡，此外若需要增加一個(gè)描述學(xué)生的數(shù)據(jù)項(xiàng)，如通訊地址，那么所有的應(yīng)用程序就必須都要進(jìn)行相應(yīng)的修改。除此之外，采用文件系統(tǒng)來幫助進(jìn)行數(shù)據(jù)管理工作，在數(shù)據(jù)的安全和保密等方面，也難以采取有效的措施加以控制。
【3】數(shù)據(jù)庫管理階段
1在不斷改進(jìn)和完善文件系統(tǒng)的過程中，從六十年代后期開始，人們逐步研究和發(fā)展了以數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享為主要特征的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。即在數(shù)據(jù)在統(tǒng)一控制之下，為盡可能多的應(yīng)用和用戶服務(wù)，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序相互間有較大的相對獨(dú)立性等。與以往前數(shù)據(jù)管理方法和技術(shù)相比，利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)管理工作具有以下三個(gè)顯著特點(diǎn)：
（1）從整體角度組織數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的最大差別就在于前者在描述數(shù)據(jù)時(shí)，不僅僅是對數(shù)據(jù)本身進(jìn)行描述，而且對數(shù)據(jù)之間的相互聯(lián)系也進(jìn)行了描述。因此在組織數(shù)據(jù)時(shí)是從一個(gè)相對較高的整體角度進(jìn)行的，而不是僅僅局限于個(gè)別的數(shù)據(jù)管理應(yīng)用場合。如前面提到的人事部門、教務(wù)部門和醫(yī)務(wù)部門對學(xué)生數(shù)據(jù)的管理工作，在利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來進(jìn)行管理時(shí)，若從整體考慮，其數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

圖1.1 學(xué)生信息數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

采用這種數(shù)據(jù)組織不僅可以有效地解決了文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織中所存在的數(shù)據(jù)冗余以及數(shù)據(jù)一致性維護(hù)的問題。更主要的是它可以使人們從更高的全局角度出發(fā)，合理地組織數(shù)據(jù)，從而有利于更大范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)資源的共享，提高信息的使用效率。
（2）數(shù)據(jù)可為多個(gè)應(yīng)用服務(wù)
正因?yàn)閿?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是從整體角度進(jìn)行組織的，因此，數(shù)據(jù)庫中所存儲的數(shù)據(jù)往往就不僅局限于只為一二個(gè)應(yīng)用提供服務(wù)，而是在更大范圍內(nèi)為僅可能多的應(yīng)用提供服務(wù)，如圖1.1所示的一個(gè)數(shù)據(jù)庫中所存儲的數(shù)據(jù)，就至少可以為三個(gè)部門的應(yīng)用提供服務(wù)。而實(shí)際上如圖1.1所示的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)僅僅只是一個(gè)學(xué)校數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫中的一小部分。與此同時(shí)由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是以多級（層）組織模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織的，各級（層）模式之間的映射是由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)自己完成的，這就使得數(shù)據(jù)與程序之間可以具有較高的物理和邏輯相對獨(dú)立性。正是這一點(diǎn)，給數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)為多個(gè)應(yīng)用提供服務(wù)奠定了基礎(chǔ)。事實(shí)上數(shù)據(jù)庫的規(guī)模越大，所能夠提供的應(yīng)用服務(wù)就可以越多，也就越能體現(xiàn)出數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)管理中的優(yōu)勢。當(dāng)然這只是相對而言，隨著數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)規(guī)模的擴(kuò)大，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的制作和維護(hù)的工作也在迅速增加。
（3）有一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的管理軟件
任何數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都包含一個(gè)管理軟件，即數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的管理軟件，通常又稱為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)資源，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與用戶應(yīng)用之間的接口，通過它，用戶可以不必要了解過多的計(jì)算機(jī)硬件、軟件和數(shù)據(jù)庫本身許多專業(yè)知識，更不用去了解數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是如何完成數(shù)據(jù)管理工作的具體細(xì)節(jié)，如文件如何打開、關(guān)閉、讀、寫等等，就可以通過編寫一些較為簡單數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序，很方便地完成在較高級別邏輯組織基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)管理工作。除此之外，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)還負(fù)責(zé)完成在對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行并發(fā)訪問時(shí)，保證數(shù)據(jù)一致性的并發(fā)控制工作；保證數(shù)據(jù)安全性的訪問控制工作；以及在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，提供保證數(shù)據(jù)一致性和完整性的恢復(fù)機(jī)制等諸多數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)本身的各種管理控制工作。因此這里也可以看出，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)功能的強(qiáng)弱及其各項(xiàng)性能指標(biāo)的好壞，是衡量數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)質(zhì)量的一個(gè)極其重要的因素。
利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理工作，不僅可以保證數(shù)據(jù)的物理組織結(jié)構(gòu)和存儲設(shè)備與數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序之間保持相互獨(dú)立性；同時(shí)也可以保證數(shù)據(jù)的邏輯組織結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序之間保持最大可能的相互獨(dú)立性，即當(dāng)數(shù)據(jù)的邏輯組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序的變動(dòng)被限制在最小的范圍內(nèi)。由此可大大地減少數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序的開發(fā)與維護(hù)的工作量。
在數(shù)據(jù)庫管理階段，根據(jù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)本身所支持的數(shù)據(jù)模型的特點(diǎn)及所采用的相應(yīng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)技術(shù)，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)庫管理到目前為止已發(fā)展經(jīng)歷了三代，即層次網(wǎng)狀模型代、關(guān)系模型代和面向?qū)ο竽Ｐ痛?
（1）層次網(wǎng)狀模型代:流行于六十至七十年代，在這一代中的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所支持的數(shù)據(jù)模型均是層次模型或網(wǎng)狀模型。世界上第一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是于1964年由美國通用電氣公司開發(fā)成功的IDS（Integrated Data Store），它就是基于網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。IBM公司于六十年代末推出了第一個(gè)商品化的層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)IMS（Information Management Sytem）,它們的出現(xiàn)與應(yīng)用為數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
（2）關(guān)系模型代:流行于七十至八十年代，在這一代中的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所支持的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型均是關(guān)系模型。以關(guān)系（表）形式組織數(shù)據(jù)。1970年Codd提出了關(guān)系數(shù)據(jù)模型，由于其具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，抽象級別較高，且簡單清晰，便于理解應(yīng)用。到了七十年代末，出現(xiàn)了不少關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其中具有代表性應(yīng)首推IBM公司推出的SQL/DS和DB2兩個(gè)商品化關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。進(jìn)行八十年代以后，關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已成為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)展的主流，幾乎所有新推出的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)產(chǎn)品都是關(guān)系型的，它們中不僅有用于大型機(jī)和小型機(jī)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，而且有可用于微機(jī)的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品。市場上開始出現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的系列產(chǎn)品，這其中發(fā)行量較大且在我國用得較多的有Oracle、Sybase、Sysbase、Informix、FoxPro等。隨著微機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的廣泛普及和應(yīng)用，分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在八十年代后期，開始得到很大發(fā)展。其理論和技術(shù)日趨成熟。目前幾乎所有分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)均是關(guān)系型的，而且?guī)缀跛兄饕P(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)均已被擴(kuò)充為分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。
（3）面向?qū)ο蟠?開始九十年代，在這一代中的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型。它是數(shù)據(jù)庫技術(shù)與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法相結(jié)合的產(chǎn)物。作為新一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，現(xiàn)在已有了一些商品化系統(tǒng)。但其具體應(yīng)用尚不多。


1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

本節(jié)主要介紹有關(guān)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組織的一些基本知識和概念，使讀者對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的內(nèi)涵有一個(gè)較為清楚的認(rèn)識。

1.2.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概念
由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個(gè)由許多基本概念、技術(shù)方法和其應(yīng)用對象所組成的復(fù)雜的有機(jī)整體。很難用一兩句話將其描述清楚。但為了使讀者對它有一個(gè)總體的了解，首先這里我們試著給出一個(gè)關(guān)于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的定義，即數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫是一個(gè)已被規(guī)格化和結(jié)構(gòu)化且相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合，這些數(shù)據(jù)中不存在有害的或無意義的冗余；數(shù)據(jù)的組織與存儲結(jié)構(gòu)與使用這些數(shù)據(jù)的程序相互獨(dú)立；數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可同時(shí)為多個(gè)應(yīng)用服務(wù)；數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)定義、輸入、修改和檢索等所有操作均是按一種公用的且可控的方式進(jìn)行。根據(jù)這一數(shù)據(jù)庫定義以及實(shí)際應(yīng)用的具體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的情況，我們可以認(rèn)為一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)際上是由三部分內(nèi)容組成，它們是數(shù)據(jù)庫、多種應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。這三部分之間的相互關(guān)系如圖1.2所示。
（1)數(shù)據(jù)庫：相互關(guān)聯(lián)的且具有最小冗余的數(shù)據(jù)在其中按照一定物理組織結(jié)構(gòu)存放，并且從用戶和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)角度來看，這些數(shù)據(jù)又是按一定邏輯結(jié)構(gòu)組織的。這種物理組織結(jié)構(gòu)和邏輯組織結(jié)構(gòu)在最大程度上與用戶所編制的應(yīng)用程序相互獨(dú)立。
(2)多種應(yīng)用：數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的控制與管理之下，可以同時(shí)為多種不同內(nèi)容的應(yīng)用提供服務(wù)，即可以為多個(gè)不同目的用戶服務(wù)，各用戶所操作使用的數(shù)據(jù)可以是相互交叉的。用戶的操作方式既可以按以數(shù)據(jù)輸入/輸出和數(shù)據(jù)維護(hù)為主的數(shù)據(jù)流量較大的批處理方式進(jìn)行；也可以按以查詢?yōu)橹鞯臄?shù)據(jù)流量較小的聯(lián)機(jī)處理方式進(jìn)行，必要時(shí)還可以通過編程來完成對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的各種操作。
(3)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：它一方面負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù)；一方面為用戶操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)提供一種公用的操作方法，接收用戶的操作命令，幫助完成有關(guān)的對數(shù)據(jù)庫的操作并保障數(shù)據(jù)庫的安全。
根據(jù)對數(shù)據(jù)庫的定義以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基本組成及作用的描述，我們認(rèn)為一個(gè)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)該具有的以下五個(gè)基本特點(diǎn)：
【1】由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是從整體角度考慮數(shù)據(jù)的組織，因此它必須有能力描述能夠反映客觀事物及其相互聯(lián)系的復(fù)雜數(shù)據(jù)模型，使用它能夠?qū)?shù)據(jù)本身及相互間的各種關(guān)系進(jìn)行充分描述，這也是人們?yōu)槭裁匆捎脭?shù)據(jù)庫系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)管理的主要原因之一。目前數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)共提供了四種數(shù)據(jù)模型，它們是層次數(shù)據(jù)模型、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型、關(guān)系數(shù)據(jù)模型和對象數(shù)據(jù)模型，一種類型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常只提供上述其中一種數(shù)據(jù)模型描述方法，即只支持其中一種數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)邏輯組織結(jié)構(gòu)。


圖1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成

【2】數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的獨(dú)立性。為了說明這一點(diǎn)，首先我們介紹兩個(gè)概念，（1）數(shù)據(jù)在物理存儲設(shè)備上的組織結(jié)構(gòu)被稱為數(shù)據(jù)的物理組織；（2）數(shù)據(jù)在用戶或應(yīng)用程序面前所表現(xiàn)出的組織結(jié)構(gòu)被稱為數(shù)據(jù)的邏輯組織；一種數(shù)據(jù)的邏輯組織，可以采用不同的物理組織來實(shí)現(xiàn)，物理組織的好壞影響著系統(tǒng)的性能和效率。在運(yùn)行階段中，由于性能的要求或存儲設(shè)備的改變，從而引起數(shù)據(jù)物理組織的改變，這種改變稱為數(shù)據(jù)的再組織。用戶在編制應(yīng)用程序時(shí)，則是根據(jù)數(shù)據(jù)的邏輯組織對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的。因此數(shù)據(jù)物理組織的變化，不會影響數(shù)據(jù)的邏輯組織，因而也就不會影響已有的應(yīng)用程序，這種情況就被稱為數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性；而數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性是指當(dāng)數(shù)據(jù)的邏輯組織發(fā)生變化時(shí)，如數(shù)據(jù)模型中增加了新的記錄類型，某一記錄類型中增加了新的數(shù)據(jù)項(xiàng)等，原有應(yīng)用程序的執(zhí)行不受影響或影響最小。數(shù)據(jù)的獨(dú)立性，包括物理和邏輯的獨(dú)立性，都是由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)的。
【3】數(shù)據(jù)共享，由于數(shù)據(jù)庫是從整體的角度對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織的，并在保證數(shù)據(jù)一致性的情形之下，使數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)為盡可能多的用戶提供應(yīng)用服務(wù)。這些用戶所使用的數(shù)據(jù)可以是交叉的，即數(shù)據(jù)可以共享。如果數(shù)據(jù)不能共享，數(shù)據(jù)庫中則必然會出現(xiàn)大量的冗余數(shù)據(jù)，這樣不僅造成存儲空間的浪費(fèi)，更主要的是由此可能帶來數(shù)據(jù)不一致的隱患。
【4】數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全可靠與完整，一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的可靠性體現(xiàn)在它的軟件系統(tǒng)運(yùn)行故障率很小以及在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由于各種意外而出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)的損失最??；安全性是指數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對其所存儲的數(shù)據(jù)的保護(hù)能力，能夠有效地防止數(shù)據(jù)有意無意地泄露或篡改，控制數(shù)據(jù)的授權(quán)訪問等。而數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的完整性則是指在多用戶操作數(shù)據(jù)情況下，數(shù)據(jù)能夠保持一致性。這些特性可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行說明:
〈1〉安全性控制
安全性控制主要指的是數(shù)據(jù)庫的保密性。并不是每個(gè)用戶都能夠存取數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)的，負(fù)責(zé)人和全體工作人員允許掌握的數(shù)據(jù)范圍顯然是有區(qū)別的，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)把各用戶存取數(shù)據(jù)的權(quán)利分成若干等級，如教學(xué)人員作為一個(gè)用戶可以登錄學(xué)生的成績，而學(xué)生作為一個(gè)用戶則僅可以查閱成績而無法對它進(jìn)行修改或刪除。通過對各個(gè)用戶授于不同的使用權(quán)限，以確保數(shù)據(jù)庫免遭損害和被非法使用，通常是通過采用口令密碼以及數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)訪問授權(quán)等方法對使用者操作數(shù)據(jù)的合法權(quán)進(jìn)行檢驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)安全性的保護(hù)控制。
〈2〉完整性控制
所謂完整性包括數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性。正確的數(shù)據(jù)不一定是有效的。如若用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字來表示月份，在輸入14來代表月份時(shí)顯然是無效的。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)提供盡可能多的檢驗(yàn)措施，以確保數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)滿足用戶所要求的各種約束要求。
〈3〉并發(fā)控制
在多用戶操作使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的情況下，不同用戶并行地操作數(shù)據(jù)庫就可能引起對數(shù)據(jù)庫的干擾，從而使得數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)發(fā)生不一致的問題。如當(dāng)甲用戶從數(shù)據(jù)庫中預(yù)定了僅剩的一張機(jī)票之后，若在數(shù)據(jù)庫尚來不及將剩余的機(jī)票數(shù)改為零時(shí)，乙用戶又請求訂票時(shí)怎么辦？顯然對這種并發(fā)的操作要采取某種控制措施，最常用的方法是封鎖技術(shù)，以排除和避免這種錯(cuò)誤的發(fā)生，保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的操作能夠正確完成執(zhí)行。
〈4〉故障的發(fā)現(xiàn)與恢復(fù)
由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在運(yùn)行過程中很難保證不產(chǎn)生故障、出現(xiàn)意義或受到破壞，而且往往這些情況的發(fā)生的時(shí)間都是隨機(jī)的，如斷電、用戶誤操作等，而重建一個(gè)數(shù)據(jù)庫往往要花費(fèi)很大的精力和代價(jià)，有時(shí)甚至是不可能的，因此數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)提供應(yīng)急保護(hù)設(shè)施，一旦系統(tǒng)的軟硬件發(fā)生故障或用戶誤操作導(dǎo)致系統(tǒng)異常時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能夠以盡量小的代價(jià)，盡快地恢復(fù)數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
【5】良好的人機(jī)接口與性能，任何數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)最終都是要和用戶打交道，系統(tǒng)所具有的各種功能最終都需要由用戶來進(jìn)行操作使用。簡單易學(xué)、操作簡便和用戶界面友好是任何一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所必須的。此外系統(tǒng)的響應(yīng)速度，單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)的吞吐量也是衡量數(shù)據(jù)庫性能重要指標(biāo)。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)
在上一小節(jié)，我們介紹了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所涉及的三個(gè)基本成分以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所應(yīng)具有的五個(gè)特點(diǎn)，在這一小節(jié)中，我們將略為詳盡地介紹數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要組成之一，數(shù)據(jù)庫的有關(guān)知識。在數(shù)據(jù)庫技術(shù)中，為了提高數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性和物理獨(dú)立性，采用了分級（層）方法，將數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)劃分成多個(gè)級（層）。根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ANSI）所提出的報(bào)告，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的層次，它們分別是概念層數(shù)據(jù)模式、用戶層數(shù)據(jù)模式和物理層數(shù)據(jù)模式。
【1】概念層數(shù)據(jù)模式，又稱為模式，它是對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)整體邏輯結(jié)構(gòu)的描述，它是對數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄類型以及各記錄類型之間的相互關(guān)系的描述。這里需要說明的是，這種描述僅僅是一種邏輯組織結(jié)構(gòu)的描述，是面向用戶需要而提出的。而非是真正的數(shù)據(jù)存儲組織結(jié)構(gòu)。提供這一層次的數(shù)據(jù)模式描述，主要是為了數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，在對與應(yīng)用有關(guān)的所有用戶的需求進(jìn)行統(tǒng)一綜合考慮之后提出的，它能夠從總體上，將這些需求所涉及到的數(shù)據(jù)及其它們間的相互聯(lián)系，有機(jī)地結(jié)合成為一個(gè)邏輯整體。概念層數(shù)據(jù)模式的設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的最基本也是最重要的任務(wù)。
【2】用戶層數(shù)據(jù)模式，又稱為外模式或子模式，它是對以用戶為對象使用數(shù)據(jù)庫所涉及到的所有數(shù)據(jù)局部邏輯結(jié)構(gòu)的描述。它是模式一個(gè)子集或者是一個(gè)映射，一個(gè)數(shù)據(jù)庫只有一個(gè)模式，但通常都對應(yīng)著多個(gè)子模式。子模式所包含的數(shù)據(jù)之間容許有重疊，也容許多個(gè)用戶共用同一個(gè)子模式。提供這一層次的數(shù)據(jù)模式描述，有以下優(yōu)點(diǎn)：
〈1〉用戶只要按照描述自己所使用數(shù)據(jù)的子模式編寫應(yīng)用程序或輸入操作命令，就可以完成滿足自己要求的數(shù)據(jù)庫操縱工作。而無需了解整體數(shù)據(jù)模式或數(shù)據(jù)的存儲組織結(jié)構(gòu)，從而是用戶接口變得簡單。
〈2〉保證了數(shù)據(jù)獨(dú)立性。由于用戶的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用編程僅僅是依據(jù)子模式的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)的描述，而子模式一般都是模式的一個(gè)真子集，因此若因需要而對模式所描述的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分修改或擴(kuò)充時(shí)，如增加新的數(shù)據(jù)項(xiàng)或者增加新的記錄類型等，只要不影響子模式從模式中的原有的映射關(guān)系，那么用戶依據(jù)子模式所開發(fā)的應(yīng)用程序，則就不受模式變動(dòng)的任何影響。所以提供模式與子模式這兩層數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)的描述，就可以較好地保證數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性。
〈3〉數(shù)據(jù)能夠被較好地共享。由于同一模式可以產(chǎn)生許多不同的子模式，這些子模式所描述的數(shù)據(jù)可以來源于模式所描述的全局?jǐn)?shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)中各種數(shù)據(jù)項(xiàng)或記錄類型，因此這樣做，這樣就可以很方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，也就大大減少了數(shù)據(jù)可能存在的冗余，從而有利于保證數(shù)據(jù)的一致性、完整性和正確性。
〈4〉有利于保證數(shù)據(jù)的安全和保密。由于用戶是通過其相應(yīng)的應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，因此他只能操作其子模式所描述范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，而無法接觸到其它用戶及其子模式所描述的數(shù)據(jù)，由此就可以保證數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有較好的安全性。
【3】物理層數(shù)據(jù)模式，又稱為內(nèi)模式或物理模式。它是對數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)在物理設(shè)備上實(shí)際存儲的組織結(jié)構(gòu)的描述。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)根據(jù)這一層數(shù)據(jù)模式的描述，被存放到若干按各種組織方式建立起來的物理文件中，對這些物理文件的所有存取訪問的控制都是由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一控制的。管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成從概念層數(shù)據(jù)模式到物理層數(shù)據(jù)模式之間的數(shù)據(jù)映射，這樣由于所有的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序或服務(wù)所涉及到數(shù)據(jù)又都是根據(jù)模式的數(shù)據(jù)描述得到的，因此當(dāng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的物理組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，概念層數(shù)據(jù)模式描述通常無需修改，同樣也就保證了與模式相關(guān)聯(lián)的子模式和用戶應(yīng)用程序也無需修改，從而使得數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)也具有的物理獨(dú)立性。


圖1.3 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)各模式間關(guān)系

由于一個(gè)數(shù)據(jù)庫是采用上述的三個(gè)層結(jié)構(gòu)方式對其中的數(shù)據(jù)組織進(jìn)行描述的，從而較好地保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性和物理獨(dú)立性，方便了用戶對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的操作使用，減少了數(shù)據(jù)冗余。這三層模式之間的相互關(guān)系如圖1.3所示。由于數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，實(shí)際上是按照物理層數(shù)據(jù)模式進(jìn)行存儲的，而概念層數(shù)據(jù)模式和用戶層數(shù)據(jù)模式都只是對物理層數(shù)據(jù)模式描述的數(shù)據(jù)的一種逐級（層）地邏輯抽象，用戶在對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作時(shí)，都必須通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，來完成從用戶層數(shù)據(jù)模式到概念層數(shù)據(jù)模式之間、概念層數(shù)據(jù)模式到物理層數(shù)據(jù)模式之間這兩種映射，當(dāng)然這兩種映射是由管理系統(tǒng)自動(dòng)完成的，對用戶是透明的。
目前實(shí)際應(yīng)用的中高檔數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)基本上是按照上述三層模式標(biāo)準(zhǔn)，來描述數(shù)據(jù)組織的。也有一些中低檔數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為了方便一般用戶的操作使用，對上述三層模式標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一些簡化，它們往往采用一層或二層模式來描述數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，通常都略去了物理層的數(shù)據(jù)模式描述。

1.2.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBase Management System，簡稱DBMS），在它的控制和幫助下，用戶可以建立、使用、修改和維護(hù)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是建立在操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用軟件平臺。它一般具有以下三個(gè)主要功能：
（1）提供操作數(shù)據(jù)庫的用戶高級接口。具體講就是（A）提供數(shù)據(jù)描述語言，供用戶對整個(gè)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種邏輯和物理組織結(jié)構(gòu)描述，而這些組織結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，則由DBMS完成，用戶不必關(guān)心。（B）提供數(shù)據(jù)操縱語言，供用戶對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)按照其定義邏輯組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種操作，如插入、刪除、修改和查詢等，這些操作的的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，則也由DBMS完成，用戶不必關(guān)心。（C）同時(shí)還可能提供其它工具，如用戶界面生成工具、報(bào)表生成工具等，幫助用戶更加容易地對數(shù)據(jù)庫的操縱進(jìn)行編程。
（2）管理數(shù)據(jù)庫。它主要包括以下功能：（A）控制整個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的運(yùn)行；（B）控制用戶對數(shù)據(jù)庫的并發(fā)性操作；（C）執(zhí)行對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的安全、保密、有效性和完整性檢驗(yàn)；（D）實(shí)施對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的檢索、插入、刪除、修改等操作。（E）維護(hù)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)的完整和一致。
（3）維護(hù)數(shù)據(jù)庫，主要包括：（A）初始化時(shí)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的裝入；（B）運(yùn)行時(shí)記錄下與用戶、操作、系統(tǒng)狀態(tài)和結(jié)果等信息的工作日志；（C）監(jiān)視數(shù)據(jù)庫性能；在性能變壞時(shí)，重新組織數(shù)據(jù)庫；（D）在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的硬件或軟件發(fā)生故障后，對數(shù)據(jù)庫中受破壞的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。
這一小節(jié)，將略為詳盡地介紹與數(shù)據(jù)庫管理軟件有關(guān)的一些基本情況。
（一）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)語言
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)語言是用戶與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行交互操作的主要工具，是連接用戶與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的橋梁。數(shù)據(jù)庫語言功能的強(qiáng)弱直接影響到用戶使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的方便程度。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)語言通常包括數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)描述語言DDL（Data Description Language）和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)操作語言DML（Data Manipulation Language）這兩種語言。數(shù)據(jù)描述語言用于描述數(shù)據(jù)庫中各種模式的定義；而數(shù)據(jù)操作語言則是用于描述對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)所要進(jìn)行的各種操作。這里我們將概述這兩種語言一些基本功能。
【1】數(shù)據(jù)描述語言
數(shù)據(jù)描述語言是建立和使用數(shù)據(jù)庫的重要工具，它是用于描述數(shù)據(jù)庫各層數(shù)據(jù)模式描述的語言。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將對用戶用該語言所描述的各層數(shù)據(jù)模式，進(jìn)行編譯，產(chǎn)生可供數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)操作時(shí)所使用的目標(biāo)模式。對應(yīng)著數(shù)據(jù)庫的模式、子模式和內(nèi)模式，數(shù)據(jù)描述語言又可分為模式描述語言、子模式描述語言和內(nèi)模式描述語言。它們各自的功能如下：
（1）模式描述語言，它是用來描述數(shù)據(jù)庫概念層數(shù)據(jù)模式的，即用于描述數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)以及它們間相互關(guān)系的特性。用模式描述語言寫出的數(shù)據(jù)庫全體數(shù)據(jù)的邏輯組織結(jié)構(gòu)的全部語句的集合，通常就被稱為一個(gè)模式，一個(gè)模式的主要內(nèi)容有：
① 給數(shù)據(jù)庫總體數(shù)據(jù)的邏輯組織結(jié)構(gòu)，即模式取名
② 描述模式中每個(gè)記錄類型名稱，以及其中各數(shù)據(jù)項(xiàng)的名稱、數(shù)據(jù)類型（如字符型、數(shù)字型等）和數(shù)據(jù)長度等。
③ 描述模式中各記錄類型之間的相互聯(lián)系，如果存在有相互聯(lián)系的話。
一個(gè)模式僅僅是對數(shù)據(jù)庫概念層邏輯數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)的一個(gè)描述，并非是概念層邏輯數(shù)據(jù)本身。與其它程序語言一樣，模式描述語言也有自己的一套清晰而又嚴(yán)格的語句和語法規(guī)則。對應(yīng)不同類型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它們的模式描述語言也有很大差別，即使是同一類型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，不同軟件商推出的系統(tǒng)，其模式描述語言也不盡相同。但有一點(diǎn)是一致的，這就是它們都必須是可對上面所說明的，描述一個(gè)模式所需要包括的三個(gè)基本方面進(jìn)行定義說明。
（2）子模式描述語言，它是用來描述數(shù)據(jù)庫用戶層數(shù)據(jù)模式的，即用于描述用戶所使用的數(shù)據(jù)的邏輯數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)的定義。用子模式描述語言寫出的用戶局部數(shù)據(jù)邏輯組織結(jié)構(gòu)的全部語句的集合，通常就被稱為一個(gè)子模式，一個(gè)子模式的主要內(nèi)容有：
① 給用戶使用數(shù)據(jù)庫所涉及到局部數(shù)據(jù)的邏輯組織結(jié)構(gòu)，即子模式取名
② 描述子模式中所包含的每個(gè)記錄類型及其中的各數(shù)據(jù)項(xiàng)，這些記錄類型的名稱以及各數(shù)據(jù)項(xiàng)的名稱和長度，可以與模式中的定義有所不同，但這里主要是描述子模式中的記錄類型及其數(shù)據(jù)項(xiàng)與模式中記錄類型及其數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的對應(yīng)映射關(guān)系，子模式中所描述的記錄及其中的數(shù)據(jù)項(xiàng)必須是已在模式中定義過的。
③ 描述子模式中各記錄類型之間的相互聯(lián)系。這里同樣是描述子模式中的記錄間相互聯(lián)系與模式中記錄間相互聯(lián)系之間的對應(yīng)映射關(guān)系。子模式中所描述的記錄間相互聯(lián)系必須是已在模式中定義過的。
與模式描述語言不同，子模式描述語言有時(shí)與編寫應(yīng)用程序所采用的其它程序設(shè)計(jì)語言相關(guān)，因此根據(jù)子模式描述語言所適用的編寫應(yīng)用程序語言，子模式描述語言也可分為COBOL子模式描述語言、FORTRAN子模式描述語言和C子模式描述語言等。
（3）內(nèi)模式描述語言，它是用來描述數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)在物理存貯介質(zhì)上的組織結(jié)構(gòu)和存放方式等,它與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所運(yùn)行的硬件環(huán)境特性相關(guān)。例如，系統(tǒng)建立了哪些物理文件？文件的存貯設(shè)備是什么？文件是以什么樣的組織方式等等，這些都是由內(nèi)模式描述語言來負(fù)責(zé)描述的。
上述內(nèi)容僅僅是關(guān)于數(shù)據(jù)描述語言中一些最基本的部分。通常各軟件商生產(chǎn)出的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，往往都要根據(jù)自己的具體實(shí)現(xiàn)情況，提供出相應(yīng)的一整套數(shù)據(jù)描述語言的規(guī)范，其中也有一些數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對上述的數(shù)據(jù)描述語言的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一些簡化，只給出一種或二種描述語言定義，或干脆將數(shù)據(jù)描述語言與數(shù)據(jù)操作語言歸并到了一起，以方便用戶使用。如FoxPro數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以及目前比較流行的基于SQL的多種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。
【2】數(shù)據(jù)操作語言
數(shù)據(jù)操縱語言是用戶操縱數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的工具，用戶借助它來實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)庫中檢索數(shù)據(jù)、向數(shù)據(jù)庫中添加數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)庫中沒有保留價(jià)值的數(shù)據(jù)或修改某些發(fā)生變化的數(shù)據(jù)等操作。
數(shù)據(jù)操縱語言通常分為兩種類型，即宿主式數(shù)據(jù)操縱語言和自含式數(shù)據(jù)操縱語言。自含式數(shù)據(jù)操縱語言在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中可獨(dú)立使用，是一種完整的語言，這類語言使用簡單方便，很適合于在終端上使用。這類語言的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行效率較高且使用簡單，缺點(diǎn)是它的應(yīng)用范圍常常受到限制，例如要提取出數(shù)據(jù)庫中的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行某種復(fù)雜運(yùn)算處理時(shí)，單靠數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所提供的這類數(shù)據(jù)操縱語言有時(shí)就很難做到這一點(diǎn)。自含式數(shù)據(jù)操縱語言通常包含以下基本操作功能：（A）從數(shù)據(jù)庫中選擇滿足一定要求的記錄或聯(lián)系；（B）增加新的記錄或聯(lián)系到數(shù)據(jù)庫中；（C）修改數(shù)據(jù)庫中的記錄或聯(lián)系；（D）刪除數(shù)據(jù)庫中的記錄或聯(lián)系；
另一種是宿主式數(shù)據(jù)操縱語言，它不能單獨(dú)使用，必須嵌入到某種程序設(shè)計(jì)語言（如C，COBOL，F(xiàn)ORTRAN）之中方能進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作，這種數(shù)據(jù)操縱語言語句僅負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的操作，其它復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作均有主語言完成，有時(shí)這樣做會使得用戶的應(yīng)用程序變得相當(dāng)復(fù)雜。由于這樣的程序既包含了主語言語句，也包含了數(shù)據(jù)操縱語言語句，也就使得主語言原來的編譯程序便不能完全編譯應(yīng)用程序了，解決這一問題有兩種辦法：（A）重新設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)編譯程序，使之能編譯包括數(shù)據(jù)操縱語言和主語言的所有語句，這種辦法不大現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)；（B）不修改主語言編譯程序，而是設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)編程序來對應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)操縱語言進(jìn)行預(yù)編譯，將其首先轉(zhuǎn)換成用主語言寫的程序，然后再用主語言的編譯程序來編譯，以產(chǎn)生最后的目標(biāo)程序。這樣做辦法比較可行，目前已為許多數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所采用。
實(shí)際上許多數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)除了提供上述兩種數(shù)據(jù)操作語言之外，還提供了許多編程工具和或編程命令，以便幫助用戶更加容易地編制數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序，如用戶界面生成工具、報(bào)表生成工具和數(shù)據(jù)庫API接口等。

（二）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運(yùn)行管理與控制軟件
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運(yùn)行管理與控制軟件是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件的實(shí)際組成，它主要包括語言編譯處理程序、系統(tǒng)運(yùn)行控制程序和數(shù)據(jù)庫日常管理程序以及數(shù)據(jù)庫工具等多種軟件。下面將概述這幾種軟件一些基本功能
（1）語言編譯處理程序。它主要包括：（A）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)描述語言的編譯處理程序，它們的作用是將各種采用模式描述語言所定義數(shù)據(jù)模式編譯成DBMS所使用的內(nèi)部定義目標(biāo)模式。（B）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)操縱語言的處理程序，它們可將應(yīng)用程序中采用數(shù)據(jù)操縱語言所寫的數(shù)據(jù)操作語句轉(zhuǎn)換成其宿主語言編譯程序所能處理的語句。（C）終端操作命令解釋程序，它主要用于解釋終端操作命令的意義，完成相應(yīng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)命令的執(zhí)行過程。（D）數(shù)據(jù)庫控制命令解釋程序，它負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行每一條數(shù)據(jù)庫控制命令。
（2）系統(tǒng)運(yùn)行控制程序。它主要包括：（A）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的總控程序，它用于檢查訪問的合法性，以決定一個(gè)訪問是否能使用數(shù)據(jù)庫。（B）并發(fā)控制程序。協(xié)調(diào)多個(gè)應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫的操作，保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的一致性。（C）保密控制程序。實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的安全保密控制。（D）數(shù)據(jù)完整性控制程序。核對數(shù)據(jù)庫完整性約束條件，以決定對數(shù)據(jù)庫的操作是否有效。（E）數(shù)據(jù)庫存取訪問程序。實(shí)施對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的操作，如執(zhí)行檢索、插入、修改、刪除等操作。（F）通訊控制程序。實(shí)現(xiàn)用戶程序與DBMS之間的通訊。
（3）數(shù)據(jù)庫日常管理程序。這主要包括：（A）數(shù)據(jù)裝入程序。實(shí)現(xiàn)將初始數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)庫。（B）系統(tǒng)恢復(fù)程序。當(dāng)軟硬件出現(xiàn)故障時(shí)，利用恢復(fù)程序?qū)?shù)據(jù)庫恢復(fù)到正確狀態(tài)。（C）工作日志程序。負(fù)責(zé)記載進(jìn)入數(shù)據(jù)庫的所有訪問，其內(nèi)容包括用戶名稱、進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)間、進(jìn)行何種操作、數(shù)據(jù)變更情況等等。使每個(gè)用戶每次訪問都留下蹤跡。（D）性能監(jiān)測程序。監(jiān)測操作執(zhí)行時(shí)間與存貯空間占用情況，為數(shù)據(jù)庫的再組織提供依據(jù)。（E）重新組織程序。當(dāng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能變壞時(shí)，對數(shù)據(jù)庫重新進(jìn)行物理組織。（F）轉(zhuǎn)貯、編輯、打印程序、用于轉(zhuǎn)貯數(shù)據(jù)庫的部分和全部數(shù)據(jù)，或者編輯打印數(shù)據(jù)等。
（4）數(shù)據(jù)庫工具軟件。它主要是為了方便建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的具體應(yīng)用，而提供各種工具軟件。其中有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用程序界面制作工具，報(bào)表制作工具等許多軟件工具。
最后我們簡單介紹一下建立數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的基本知識。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法我們將在第五章詳細(xì)介紹。與其它應(yīng)用軟件開發(fā)與應(yīng)用過程一樣，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用，也有一個(gè)生命周期，它主要由以下五個(gè)階段構(gòu)成：
（1）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的規(guī)劃。它包括系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和功能的確認(rèn)、應(yīng)用環(huán)境的分析、DBMS及其支撐環(huán)境的選擇、硬件配置，人員的配備和培訓(xùn)，投資估算和效益分析等活動(dòng)。
（2）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。它包括了解應(yīng)用系統(tǒng)的信息和處理需求，設(shè)計(jì)滿足其要求的整體數(shù)據(jù)模型及處理流程，并結(jié)合具體所采用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、硬件環(huán)境和系統(tǒng)軟件平臺的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出符合具體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用要求的數(shù)據(jù)模型，及其應(yīng)用軟件的流程圖。選擇合適的商用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，來設(shè)計(jì)、建立、管理和維護(hù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，使之能夠?yàn)橛脩籼峁┳罴逊?wù)。
（3）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建立。首先根據(jù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果，定義數(shù)據(jù)模式，規(guī)定訪問權(quán)限，設(shè)置完整性約束。然后準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行正確性校驗(yàn)后，將其錄入，與此同時(shí)，完成主要應(yīng)用程序的編制工作。
（4）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的管理。它包括應(yīng)用軟件的編制與修改、數(shù)據(jù)庫的重新組織、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)等工作。保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的完好，為用戶提供可靠的服務(wù)。
（5）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的調(diào)整。由于應(yīng)用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的用戶所在的硬環(huán)境，如單位組織調(diào)整、人員變化等，軟環(huán)境，如人員素質(zhì)、應(yīng)用要求等，發(fā)生變化，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，往往都需要進(jìn)行擴(kuò)充與重構(gòu)，即需要對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)模式的定義和處理流程進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮脱a(bǔ)充，使之適應(yīng)新的形勢。
一般與一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)有關(guān)的人員，有以下四類，他們是：（A）系統(tǒng)管理員，他的任務(wù)主要是定義數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的物理存儲模式，分配并管理各用戶操作的權(quán)限，管理日常數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的運(yùn)行工作，以及維護(hù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，保證其完整和安全、（B）系統(tǒng)分析員，他們的任務(wù)主要是，從整體上分析數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用所涉及的客觀信息結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，定義相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的全局?jǐn)?shù)據(jù)模式；（C）應(yīng)用程序員，他們的任務(wù)主要是分析具體用戶的信息處理需要，定義數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的子模式，編寫具體數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序；（D）用戶，他們具體的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫的最終使用者。

（三）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)訪問示例
這里，我們介紹一下普通用戶讀取數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)庫的工作過程（如圖1.4所示），以便使讀者可以從中了解DBMS是如何來進(jìn)行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的管理工作的。用戶訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的過程實(shí)際上就是用戶與DBMS進(jìn)行交互的過程。其具體步驟如下：
（１）用戶通過應(yīng)用程序指明它使用的子模式名稱，發(fā)出數(shù)據(jù)操作命令，DBMS通過處理用戶的應(yīng)用程序，接收該操作命令。
（２）DBMS按照應(yīng)用程序中的子模式名稱，調(diào)出相應(yīng)的子模式，核對該用戶的訪問權(quán)利、操作合法性等，若檢查通過則繼續(xù)執(zhí)行，否則拒絕執(zhí)行并報(bào)告出錯(cuò)信息。
（３）DBMS按模式確定子模式中操作所涉及的記錄類型，并通過模式到存儲模式的映射，找出這些記錄類型的相應(yīng)存貯模式。
（４）DBMS查閱存貯模式，確定應(yīng)從哪個(gè)物理文件、存貯設(shè)備以及調(diào)用哪個(gè)訪問程序去讀取所需的記錄。
（５）DBMS的訪問程序找到有關(guān)的物理數(shù)據(jù)地址，向操作系統(tǒng)發(fā)出讀操作命令。
（６）操作系統(tǒng)收到DBMS發(fā)來的命令后，啟動(dòng)系統(tǒng)的輸入／輸出程序完成讀操作，把要讀取的數(shù)據(jù)塊送到內(nèi)存中的系統(tǒng)緩沖區(qū)。
（７）DBMS收到操作系統(tǒng)關(guān)于輸入／輸出操作結(jié)束回答后，按模式、子模式的定義，將已讀入到系統(tǒng)緩沖區(qū)的內(nèi)容映射為用戶程序所要的邏輯記錄，并送到用戶的工作區(qū)中。
（８）DBMS向應(yīng)用程序發(fā)送反映操作執(zhí)行結(jié)果的狀態(tài)信息（由狀態(tài)字描述），如“執(zhí)行成功”、“數(shù)據(jù)未找到”等。
（９）記載DBMS系統(tǒng)的工作日志。
（10）應(yīng)用程序檢查狀態(tài)信息，如執(zhí)行成功，則可對程序工作區(qū)中的數(shù)據(jù)作正常處理，否則按出錯(cuò)類型決定程序的后續(xù)處理。
用戶修改一個(gè)記錄的操作步驟也是類似的。首先讀出所需記錄，在程序工作區(qū)中修改好，而后再把修改好的記錄寫回?cái)?shù)據(jù)庫中原記錄的位置上。


圖1.4 數(shù)據(jù)庫的工作過程


1.3 實(shí)體聯(lián)系模型

本節(jié)主要介紹有關(guān)實(shí)體聯(lián)系模型的概念和基本知識，使讀者了解并掌握基本的實(shí)體聯(lián)系模型的使用方法。

1.3.1 模型的組成
我們都知道數(shù)據(jù)是表達(dá)信息的一種重要的量化符號，是信息存在的一種重要形式。而所謂數(shù)據(jù)模型則是數(shù)據(jù)特征的一種抽象。它不是描述個(gè)別的數(shù)據(jù)，而是描述數(shù)據(jù)的共性。一般來講，數(shù)據(jù)模型包含兩方面內(nèi)容，它們是：（1）數(shù)據(jù)的靜態(tài)特性，這主要包括數(shù)據(jù)的基本結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)間的聯(lián)系和數(shù)據(jù)中的相互約束等特性；（2）數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)特性，這主要包括對數(shù)據(jù)操作的方法。在數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)中，建立反映客觀信息范疇的數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為重要的，也最基本的步驟之一，它是連接客觀信息世界和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)邏輯組織的橋梁。也是計(jì)算機(jī)專業(yè)人員與非計(jì)算機(jī)專業(yè)的用戶之間進(jìn)行交流的共同基礎(chǔ)。這里我們將要介紹的數(shù)據(jù)模型就是實(shí)體聯(lián)系數(shù)據(jù)模型（又稱Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型），它與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型有所不同。Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型是面向現(xiàn)實(shí)世界，而不是面向?qū)崿F(xiàn)方法的，它主要是用于描述現(xiàn)實(shí)信息世界中數(shù)據(jù)的靜態(tài)特性。而不涉及數(shù)據(jù)的處理過程。但由于它簡單易學(xué)，因而在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)中，得到了廣泛應(yīng)用。
E-R數(shù)據(jù)模型是P.P.Chen在1976年提出的，它為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員提供了三個(gè)基本的模型描述成分，它們是實(shí)體、聯(lián)系和屬性。E-R數(shù)據(jù)模型就是利用這三個(gè)成分來描述反映一個(gè)客觀信息世界內(nèi)容的數(shù)據(jù)模型。在數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常還需要將這一數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為各數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所支持的具體數(shù)據(jù)模型，即層次數(shù)據(jù)模型、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型和關(guān)系數(shù)據(jù)模型等。由此我們也可以看出E-R數(shù)據(jù)模型是從現(xiàn)實(shí)信息世界到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)邏輯組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間的一個(gè)中間階段，只所以是這樣，主要是因?yàn)槿绻苯訉F(xiàn)實(shí)世界的信息，構(gòu)造成某個(gè)DBMS所能接受的數(shù)據(jù)邏輯組織結(jié)構(gòu)，其工作往往是十分復(fù)雜而且難度也很大，應(yīng)用設(shè)計(jì)人員不僅要考慮現(xiàn)實(shí)世界各種信息及其內(nèi)在的聯(lián)系，以及各種具體應(yīng)用對數(shù)據(jù)處理的要求，而且還要考慮采用某種特定的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)后，所面臨的各種條件限制，這樣就大大增加了應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
下面我們就介紹一下Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型中的三個(gè)基本要素，即實(shí)體、聯(lián)系和屬性的有關(guān)基本知識。
【1】實(shí)體
數(shù)據(jù)是用來描述現(xiàn)實(shí)世界中各種事物的。而要描述的對象是形形色色的，有具體的，也有抽象的；有物理上存在的，也有是概念性的；如張三、汽車、運(yùn)動(dòng)、興趣、神靈等。這些對象的共同特征是可以相互有區(qū)別，否則就會被認(rèn)為是同一種對象。凡是可以相互區(qū)別開并可以被我們所識別的事、物、概念等對象均可認(rèn)為是實(shí)體。它是具有共同某些特征的一類具體實(shí)體，即可認(rèn)為是一實(shí)體集合，對這一集合中所有實(shí)體共同特征的描述，稱為實(shí)體型。實(shí)體集中的各具體實(shí)體，稱為該實(shí)體型的值或?qū)嶓w值。對于同一實(shí)體集中的不同實(shí)體其特征值不完全相同，并由此可加以區(qū)分。如學(xué)生實(shí)體集，其實(shí)體型可以通過學(xué)號、姓名、年齡等特征加以描述。學(xué)生實(shí)體集中的不同的學(xué)生實(shí)體，通過其不同的學(xué)號又可加以區(qū)分。例如學(xué)號為881001姓名為李平的學(xué)生是一個(gè)具體實(shí)體，顯然不同于學(xué)號為881002姓名為王明的學(xué)生這個(gè)具體實(shí)體。
【2】聯(lián)系
在現(xiàn)實(shí)世界中，任何事物都不是孤立存在的。實(shí)體之間存在著各種相互聯(lián)系，例如教師與學(xué)生之間至少存在一種聯(lián)系，即“教學(xué)”聯(lián)系，商店與商品之間存在一種‘供應(yīng)’聯(lián)系，這些都是不同類型的實(shí)體之間存在的聯(lián)系。還有一種聯(lián)系是存在于同一類型實(shí)體之間的，例如學(xué)生實(shí)體型里，某一學(xué)生是班長，顯然他和其他學(xué)生間也存在著一種“領(lǐng)導(dǎo)”聯(lián)系。在Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型中，通常將不同實(shí)體型之間存在的聯(lián)系歸納成三種不同類型，它們是：（１）一對一的聯(lián)系。其定義是：對于實(shí)體型Ａ中的一個(gè)實(shí)體，在實(shí)體型Ｂ中至多有一個(gè)實(shí)體與之對應(yīng)，反之對于實(shí)體型Ｂ中的一個(gè)實(shí)體，在實(shí)體型Ａ中至多有一個(gè)實(shí)體與之對應(yīng)。這樣的聯(lián)系被稱為是一對一的聯(lián)系。例如兩個(gè)實(shí)體型分別為國家和總統(tǒng)，顯然，一個(gè)國家只有一個(gè)總統(tǒng)，而一個(gè)總統(tǒng)只能對應(yīng)于一個(gè)國家；又如系和系主任兩個(gè)實(shí)體型，一個(gè)系只能有一名系主任，而一個(gè)系主任只能領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)系。這些顯然都是兩種實(shí)體型之間一對一聯(lián)系的情況。通常又將這種聯(lián)系記為１:１的聯(lián)系。（２）一對多的聯(lián)系。其定義是：對于實(shí)體型Ａ中的一個(gè)實(shí)體，實(shí)體型Ｂ中可以有若干個(gè)實(shí)體與之對應(yīng)；反之，對于實(shí)體Ｂ中的一個(gè)實(shí)體，則實(shí)體型Ａ中只能有一個(gè)實(shí)體與之對應(yīng)。這樣的聯(lián)系被稱為是一對多的聯(lián)系，例如兩個(gè)實(shí)體型分別為系和教師，一個(gè)系可以有若干教師，一個(gè)教師只能對應(yīng)一個(gè)系，顯然這是兩種實(shí)體型之間一對多的聯(lián)系。通常將這種聯(lián)系記為１:Ｎ的聯(lián)系。１:１的聯(lián)系有時(shí)可看成是１:Ｎ的聯(lián)系的一種特殊情況。（３）多對多的聯(lián)系。其定義是：對于實(shí)體型Ａ中的一個(gè)實(shí)體，實(shí)體型Ｂ中可以有若干個(gè)實(shí)體于之對應(yīng)；反之，對于實(shí)體型Ｂ中的一個(gè)實(shí)體，則實(shí)體型Ａ中也有若干個(gè)實(shí)體與之對應(yīng)，這樣的聯(lián)系被稱為是多對多的聯(lián)系。例如兩個(gè)實(shí)體型分別為教師和課程，一個(gè)教師可以教若干門課，一門課又可以有若干個(gè)教師講。通常將這種聯(lián)系記為Ｍ:Ｎ的聯(lián)系。以上介紹的三種類型的聯(lián)系不僅可以用于描述二個(gè)不同類型的實(shí)體，還可以用于描述多個(gè)不同類型的實(shí)體。如在現(xiàn)實(shí)世界中，存在著許多多個(gè)實(shí)體型相互之間都有聯(lián)系的情況。如教師、課程、學(xué)生三個(gè)實(shí)體型之間就存在一種聯(lián)系，一個(gè)教師可以教若干門課，一門課又可以有若干個(gè)教師教授；一個(gè)教師可以教若干學(xué)生，一學(xué)生又可以有若干個(gè)教師教；一門課可以有若干學(xué)生選，一學(xué)生又可以選若干門課。有時(shí)為了方便我們也可以將這三個(gè)實(shí)體型之間聯(lián)系，分解成每兩個(gè)實(shí)體型之間均存在一個(gè)多對多的聯(lián)系。
最后我們再介紹一種較為特殊的聯(lián)系，這就是同一實(shí)體型中的不同的具體實(shí)體之間也可以存在有某聯(lián)系，如職工實(shí)體型，在這一實(shí)體型中的實(shí)體有普遍職工，也有經(jīng)理，經(jīng)理與職工之間有一種領(lǐng)導(dǎo)與被領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)系。在Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型中，通常我們將這種特殊的聯(lián)系，稱為ＩＳＡ聯(lián)系。
【3】屬性
實(shí)體型是對實(shí)體集合中所有實(shí)體共同描述特征的集合，這些實(shí)體所共有的描述特征就稱為實(shí)體的屬性。如學(xué)生實(shí)體型，其共有的描述特征通常有學(xué)號、姓名、年齡、性別等，它們都是學(xué)生實(shí)體型的屬性。這些屬性的一組值就表示了一個(gè)具體的實(shí)體。在一個(gè)具體的實(shí)體型中，其中的每一個(gè)屬性都有其取值范圍，這一范圍稱為屬性的值域。一個(gè)屬性的值域可以是整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符串等。如學(xué)生實(shí)體型中的年齡屬性的值域就是一定區(qū)間中的整數(shù)，而姓名屬性的值域就是符合一定要求的字符串等。實(shí)體型中的某個(gè)（些）屬性的取值可以用來唯一區(qū)分實(shí)體型中具體實(shí)體，如學(xué)生實(shí)體型中的學(xué)號屬性的取值就可以用來區(qū)分每一個(gè)學(xué)生。這種屬性又可稱為該實(shí)體型的標(biāo)識碼。
不僅實(shí)體型有屬性，聯(lián)系也可以有屬性，如學(xué)生和課程這兩個(gè)實(shí)體型，“選課”是它們之間的一種聯(lián)系，學(xué)生選修某門課程取得了某個(gè)成績，顯然成績描述是的一個(gè)屬性，但它既不是學(xué)生實(shí)體型中的一個(gè)屬性，也不是課程實(shí)體型中的一個(gè)屬性。而成績屬性的具體取值，既依賴于某個(gè)具體的學(xué)生，又依賴于某個(gè)具體的課程，所以我們將成績屬性定義為是學(xué)生和課程這兩個(gè)實(shí)體型之間選課聯(lián)系的屬性。又如機(jī)器和零件這兩個(gè)實(shí)體型，“構(gòu)造”是它們之間的一種聯(lián)系，數(shù)量這一屬性，即需要多少數(shù)量的零件構(gòu)造某一個(gè)機(jī)器，則是構(gòu)造這一聯(lián)系的屬性。
充分認(rèn)識和理解聯(lián)系可以有屬性這一概念，對于正確地建立或理解Ｅ—Ｒ數(shù)據(jù)模型，以及建立或理解數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)邏輯組織結(jié)構(gòu)都具有十分重要的意義。
實(shí)體、屬性和聯(lián)系三個(gè)基本要素的概念是有明確區(qū)分的，但是對于某個(gè)具體數(shù)據(jù)對象，究竟它應(yīng)該被認(rèn)為是實(shí)體，還是屬性或聯(lián)系，常常需要根據(jù)具體應(yīng)用背景和用戶的觀點(diǎn)，方可確定。

1.3.2 模型的表示
前面，我們介紹Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型中的三個(gè)基本的要素，這里我們將介紹使用并描述Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型。使用Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型來分析描述現(xiàn)實(shí)信息世界中的各種信息對象的主要分析步驟如下：（1）首先根據(jù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用的整體要求，確定所涉及的現(xiàn)實(shí)信息世界中的所有信息對象的范圍。（2）根據(jù)第一步驟的結(jié)論，確定能夠描述所要求所有信息對象的各實(shí)體及屬性。（3）根據(jù)（1）、（2）二個(gè)步驟的結(jié)論，確定能夠描述所要求所有信息對象的各實(shí)體間的聯(lián)系。（4）根據(jù)（3）步驟的結(jié)論，確定能夠描述所要求所有信息對象的各實(shí)體間的聯(lián)系的屬性。在完成了上述的分析步驟，就可以獲得能夠描述現(xiàn)實(shí)信息世界的Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型。
為了能夠形象地描述出Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型，這里我們介紹一種Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型的表示方法，即用長方型來表示實(shí)體類型，聯(lián)系用菱型框及與實(shí)體型相連的線表示，將聯(lián)系的類型寫在線上或線的附近，在長方形框內(nèi)和菱形框內(nèi)分別寫上實(shí)體型名稱和聯(lián)系名稱，用橢圓表示實(shí)體類型和聯(lián)系的屬性，將其與所描述的相應(yīng)的實(shí)體類型或聯(lián)系用線相連，在橢圓框內(nèi)寫上屬性的名稱。這樣我們就可以得到一個(gè)能夠較好地描繪出實(shí)體、實(shí)體與實(shí)體之間相互聯(lián)系以及有關(guān)實(shí)體和聯(lián)系屬性的結(jié)構(gòu)圖，這個(gè)圖通常就被稱為Ｅ－Ｒ圖。獲得Ｅ－Ｒ圖的全部過程通常就被稱為Ｅ－Ｒ圖方法。
最后為了說明上面我們所介紹的有關(guān)Ｅ－Ｒ圖的建立和表示方法，這里我們介紹一個(gè)制造工廠數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)中所涉及的部分信息對象所構(gòu)成的Ｅ－Ｒ圖。如圖1.5所示。


圖1.5 制造工廠信息的Ｅ－Ｒ圖

在圖1.5中，我們共描述了五個(gè)實(shí)體類型，它們分別是部門、職工、工程、供應(yīng)商和零件實(shí)體型，這些實(shí)體型用長方形加以表示。并描述了這五個(gè)實(shí)體型間的相互聯(lián)系，這些聯(lián)系分別是部門與職工實(shí)體型間一對多的“所屬”聯(lián)系；職工與工程型實(shí)體間多對多的“工作”和一對一“管理”兩種聯(lián)系；工程與零件實(shí)體型間多對多的“所需”聯(lián)系；工程、供應(yīng)商和零件三個(gè)實(shí)體型間相互多對多的“供應(yīng)”聯(lián)系。這些聯(lián)系用菱形加以表示。最后作為示意，我們分別給出了零件實(shí)體型的三個(gè)屬性描述和職工與工程型實(shí)體間“工作”聯(lián)系的屬性描述，這些屬性用橢圓加以表示。
目前實(shí)體關(guān)系數(shù)據(jù)模型及其Ｅ－Ｒ圖方法已被廣泛地應(yīng)用于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。由于Ｅ－Ｒ圖直觀易懂，通過它，計(jì)算機(jī)專業(yè)人員與非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員可以進(jìn)行直接地交流和合作，同時(shí)使用Ｅ－Ｒ圖，可以很方便、真實(shí)和合理地描述出一個(gè)具體數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)，并以此作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此目前實(shí)體關(guān)系數(shù)據(jù)模型及其Ｅ－Ｒ圖方法還是很受歡迎的。


1.4 數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

本節(jié)主要介紹常用的三種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所支持的數(shù)據(jù)模型有關(guān)基本知識，以及與數(shù)據(jù)模型相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫的基本情況。

1.4.1 層次數(shù)據(jù)模型
層次數(shù)據(jù)模型是定義在Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)之上一種數(shù)據(jù)模型，它與層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)邏輯組織結(jié)構(gòu)是一致的。其具體定義如下：（1）對Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型中的聯(lián)系類型加以限制，只容許是一對多的聯(lián)系（包括一對一聯(lián)系），在此基礎(chǔ)上，用實(shí)體、屬性和聯(lián)系這三個(gè)基本要素描述客觀信息世界中的信息結(jié)構(gòu)。（2）若將實(shí)體抽象表示為一結(jié)點(diǎn)，聯(lián)系抽象表示為一有向線段，忽視屬性，所得到的Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型的抽象拓?fù)鋱D，滿足有向樹的定義，即：Ｍ＝Ｎ－１；其中：Ｍ為有向線段總數(shù)；Ｎ為結(jié)點(diǎn)總數(shù)。該拓?fù)鋱D有以下特點(diǎn)：（Ａ）有且僅有一個(gè)結(jié)點(diǎn)無雙親結(jié)點(diǎn)，此結(jié)點(diǎn)稱為樹的根。（Ｂ）除根結(jié)點(diǎn)外，其它結(jié)點(diǎn)有且僅有一個(gè)雙親結(jié)點(diǎn)。滿足以上兩條約束的Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型，就可稱為是層次數(shù)據(jù)模型，在層次數(shù)據(jù)模型中，用長方形表示實(shí)體型；將長方形分為若干方塊，表示實(shí)體型的各屬性；用有向線段表示各實(shí)體型之間的聯(lián)系。這描述所得到的圖形稱為層次數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)圖。


圖1.6 學(xué)校行政管理機(jī)構(gòu)的Ｅ－Ｒ圖和層次數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)圖

在現(xiàn)實(shí)世界中，有許多層次結(jié)構(gòu)的例子，如在行政管理部門中，部下設(shè)許多局，局下設(shè)許多處，處下設(shè)許多科等。這里我們給出一學(xué)校的行政管理機(jī)構(gòu)的Ｅ－Ｒ圖和層次數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)圖，作為示例，如圖1.6所示。
在如圖1.6所示的例子中，其數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)圖如圖1.6的右半部所示，顯然它滿足樹的定義，而其中各實(shí)體型之間的相互聯(lián)系均為一對多的聯(lián)系，所以說這是個(gè)典型的層次數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)。

1.4.2 層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應(yīng)用流行于七十年代，目前已較少使用，但它在數(shù)據(jù)庫的發(fā)展過程中，扮演過重要的角色。在這一小節(jié)，我們將介紹層次數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)描述，數(shù)據(jù)操縱的定義和基本過程。重點(diǎn)介紹層次數(shù)據(jù)模型中的實(shí)體、屬性和聯(lián)系在層次數(shù)據(jù)庫中是如何定義和操縱的。這里以ＩＢＭ公司的ＩＭＳ層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為例，來說明有關(guān)的情況。
【1】層次數(shù)據(jù)庫概念層數(shù)據(jù)邏輯組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與描述
在將現(xiàn)實(shí)世界的信息結(jié)構(gòu)用Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型（Ｅ－Ｒ圖）描述出來后，再將所獲得的Ｅ－Ｒ數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成層次數(shù)據(jù)模型，這時(shí)就可以進(jìn)行層次數(shù)據(jù)庫概念層數(shù)據(jù)邏輯組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)了。在設(shè)計(jì)概念層數(shù)據(jù)邏輯組織結(jié)構(gòu)時(shí)，通常將實(shí)體型定義為片斷型，實(shí)體型的屬性定義為片斷型的字?jǐn)?，并通過指定片斷的雙親片斷，定義片斷型之間的聯(lián)系，由此將層次數(shù)據(jù)模型的定義描述轉(zhuǎn)換為層次數(shù)據(jù)庫概念層數(shù)據(jù)邏輯組織結(jié)構(gòu)。并將這一數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)，稱為是ＩＭＳ中的物理數(shù)據(jù)庫記錄型。需要說明的是，這里講的物理數(shù)據(jù)庫并不是指存儲在物理設(shè)備上的數(shù)據(jù)庫，即與數(shù)據(jù)庫的物理存儲結(jié)構(gòu)無關(guān)。


圖1.7 學(xué)校行政管理機(jī)構(gòu)的邏輯組織結(jié)構(gòu)

我們以一個(gè)簡單例子來說明有關(guān)情況，如圖1.7所示，這是一學(xué)校行政管理機(jī)構(gòu)的邏輯組織結(jié)構(gòu)，若學(xué)校有若干系（DEPT），每個(gè)系有若干班級（CLASS），每個(gè)班有若干學(xué)生（STUDENT），每個(gè)系還有若干教師（TEACHER）。其中：數(shù)據(jù)模型中的片斷型有DEPT、CLASS、STUDENT、TEACHER，各片斷型中的字?jǐn)喾謩e是DEPT（DNO-系編號，DNA-系名，DMA-系主任），CLASS（CNO-班級編號，CSK-專業(yè)），STUDENT（SNO-學(xué)生編號，SNA-姓名，SAG-年齡），TEACHER（TNO-教師編號，TNA-教師姓名，TAG-教師年齡）。整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)命名為DTCS。這里TEACHER和CLASS片斷型稱為是DEPT片斷型的下屬片斷，同樣STUDENR稱為是CLASS的下屬片斷。DEPT又可稱為是TEACHER和CLASS的雙親片斷（在這里它又是根片斷），TEACHER和CLASS又可互稱為兄弟片斷。整個(gè)數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)DTCS稱為是一物理數(shù)據(jù)庫記錄型，其每一個(gè)記錄值是由根片斷的一個(gè)值及其所有相應(yīng)的下屬片斷的值所組成。一個(gè)物理數(shù)據(jù)庫有多少個(gè)根片斷值，則它就有多少個(gè)物理數(shù)據(jù)庫記錄。如學(xué)校有20個(gè)系，它的物理數(shù)據(jù)庫就有20個(gè)記錄。每一條記錄包含了某個(gè)系及其該系所有教師、班級和學(xué)生的全部信息。通常一個(gè)ＩＭＳ數(shù)據(jù)庫是由若干這樣的物理數(shù)據(jù)庫記錄所構(gòu)成。
最后我們給出上述實(shí)例的物理數(shù)據(jù)庫的定義描述。該描述主要包括以下內(nèi)容：（1）命名物理數(shù)據(jù)庫，規(guī)定存儲組織方法和存取方法，指定物理設(shè)備及塊的大小。（2）命名各片斷，指出使用的指針類型及其片斷的雙親片斷。（3）命名各片斷中的字段名、數(shù)據(jù)類型和長度。圖2.5的物理數(shù)據(jù)庫的具體描述內(nèi)容如下：
DBD NAME=DTCS,ACCESS=HDAM
DATASET DD1=DTCSHDAM,DEVICE=3330,BLOCK=1024
SEGM NAME=DEPT,BYTES=20,FREQ=20,PTR=T
FIELD NAME=(DNO,SEQ,U),BYTES=4,START=1,TYPE=C
FIELD NAME=DNA,BYTES=8,START=5,TYPE=C
FIELD NAME=DMA,BYTES=8,START=13,TYPE=C
SEGM NAME=TEACHER,BYTES=14,FREQ=50,PTR=T,PARENT=DEPT
FIELD NAME=(TNO,SEQ,U),BYTES=4,START=1,TYPE=C
FIELD NAME=TNA,BYTES=8,START=5,TYPE=C
FIELD NAME=TAG,BYTES=2,START=13,TYPE=C
SEGM NAME=CLASS,BYTES=14,FREQ=60,PTR=T,PARENT=DEPT
FIELD NAME=(CNO,SEQ,U),BYTES=4,START=1,TYPE=C
FIELD NAME=CSK,BYTES=10,START=5,TYPE=C
SEGM NAME=STUDENT,BYTES=15,FREQ=300,PTR=T,PARENT=DEPT
FIELD NAME=(SNO,SEQ,U),BYTES=5,START=1,TYPE=C
FIELD NAME=SNA,BYTES=8,START=6,TYPE=C
FIELD NAME=SAG,BYTES=2,START=14,TYPE=C
DBDGEN
FINISH
END
現(xiàn)將上述描述中的部分語句的含義說明如下：
①DBD語句：給所要描述的物理數(shù)據(jù)庫取名，規(guī)定其數(shù)據(jù)庫的存取方法，在ＩＭＳ中有四種存取方法，它們是：（A）層次順序存取方法（HSAM），即將數(shù)據(jù)庫中的所有片斷值，按照其層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從上而下、從左而右的順序存放。（B）層次索引存取方法（HISAM），即將數(shù)據(jù)庫中的所有根片斷值，用指針連接起來或單獨(dú)存放，并建立其索引；其它下屬片斷值，按照其層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從上而下、從左而右的順序存放。（C）層次直接存取方法（HDAM），即將數(shù)據(jù)庫中的所有片斷值，按照其層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從上而下、從左而右的順序用指針連接起來存放。（D）層次索引直接存取方法（HIDAM），即將數(shù)據(jù)庫中的所有片斷值，按照其層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從上而下、從左而右的順序用指針（PTR=H）連接起來存放，或用兄弟、子女指針（PTR=T）連接起來存放，并建立根片斷值的索引。
②DATASET語句：命名數(shù)據(jù)庫所對應(yīng)的數(shù)據(jù)集合，指定物理設(shè)備及其物理存儲塊的大小。
③SEGM語句：定義片斷名、一個(gè)片斷值的長度、片斷值可能的個(gè)數(shù)、采用連接指針的類型和雙親片斷名。
④FIELD語句：定義片斷中的各字段，如字段名、字段數(shù)據(jù)類型、字段長度及排序碼。
⑤DBDGEN語句：指示模式編譯器開始產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫模式定義。
⑥FINISH語句：指示模式編譯器結(jié)束產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫模式定義，檢驗(yàn)生成結(jié)果。
⑦END語句：指示說明模式描述結(jié)束。
這里需要注意的是片斷描述的順序必須是按照其層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從上而下、從左而右的順序逐個(gè)進(jìn)行。
【2】層次數(shù)據(jù)庫用戶層數(shù)據(jù)邏輯組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與描述
在ＩＭＳ數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，用戶層數(shù)據(jù)邏輯組織結(jié)構(gòu)所定義的子模式，稱為ＩＭＳ邏輯數(shù)據(jù)庫，它是從物理數(shù)據(jù)庫中派生出來的，數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序只能使用邏輯數(shù)據(jù)庫。邏輯數(shù)據(jù)庫有兩種類型，一種是邏輯數(shù)據(jù)庫僅僅從一個(gè)物理數(shù)據(jù)庫中的部分片斷所構(gòu)成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；另一種是邏輯數(shù)據(jù)庫從一個(gè)以上的物理數(shù)據(jù)庫中的部分片斷所構(gòu)成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這里我們只介紹第一種情況下的邏輯數(shù)據(jù)庫的定義和描述。設(shè)計(jì)邏輯數(shù)據(jù)庫時(shí)，必須遵守以下兩條規(guī)則：（1）一個(gè)邏輯數(shù)據(jù)庫中的根片斷必須是某個(gè)物理數(shù)據(jù)庫中的根片斷。（2）一個(gè)邏輯子女片斷必須有一個(gè)物理雙親片斷和一個(gè)邏輯雙親片斷。即任何物理數(shù)據(jù)庫中
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論