数据库概论绪论笔记

(一) 引言

当你登录你的QQ账号和别人吹水的时候，当你期末交作业去度娘复制的时候，当你在工作中登录一些网站的时候，再比如当你查看自己几乎没有什么余额的银行卡的时候（捂脸），或许自己也没注意，（非需要，大部分人也不想注意哈哈哈）我们一直都在以某种方式与数据库打交道，或许你是一个开发人员，也或许你只是一个普通的用户，这一篇是我去年就一直想写的文章，但是也没个合适的机会，这一段时间加班加点写出来，同时最近想要更新的一系列文章，主要针对数据库理论知识，后面我把去年写过的 MySQL 文章也会对应的重新整理一遍

注：这篇文章重点还是偏理论，比较适合数据库的新手，或者具有一定实操基础的小伙伴，

既然你都打开这篇文章了，那你就注定不是一个村民，这一局我们跳 Java 程序员！

开发学习中，想满足一些需求，与数据打交道这可太频繁了，如何存储这些数据就是你考虑的问题了，当然不考虑性能，管理、安全等等，你的选择可就多了，存个 txt，存个xml，甚至还可以存个excel等等，有位新手朋友曾经问过我这样一个问题 “他在学习IO的一些技术的时候，常常会简单的保存一些数据到 .txt 文件中，为什么还需要数据库呢？”，这样的一些小Demo，大家在Java基础的学习中应该都是做过的，那么我们下面就从这个问题讲起~

(二) 为什么使用数据库？

(1) 查询速度

假定我们将数据全部存储在一个普通文件中(data.txt)_(以逗号间隔)

......
"Eminem",male,1972,"USA"
"Rihanna",female,1988,"Barbados"
"Taylor Swift",1989,female,"USA"
"Aavril Lavigne",1984,female,"Canada"
......

如果在我们的数据极为庞大的情况下，我们需要查询其中的一些数据，例如，查询Eminem的国籍，我们一般会使用遍历，但是毫无疑问，这个响应时间会变得极其缓慢，但是使用数据库后，它所提供的一些索引技术等就可以解决这样的问题

(2) 数据完整有效

"Rihanna",female,1988,"Barbados"
"Rihanna",female,1995,"USA"

如果数据中出现了重名的情况，又如何判断是不是同一个人呢？

如果data.txt文件中的数据被错误的修改，例如出生年份被修改为其他类型字符串这种无效表达怎么办？

或许你可以在程序中写一些逻辑判断语句进而筛选处理这些问题，但是仍旧在数据较为庞大的情况下，会出现各种各样的问题，增加了开发者的开发难度，而数据库本身就制定了一些约束，从而保证了数据的完整且，有效，从而使开发者只需要更加注重于程序本身的设计，而不用花费过多的时间去处理数据上的一些细节问题

(3) 数据共享

常用来简单存储数据的 txt/excel 等均属于单一文件，并且都是无法共享的，只支持当前用户使用并且修改

而数据库则允许用户共享，不同的用户可以同时存取数据库中的数据，用户也可以用各种方式通过接口使用数据库，并提供数据共享

(4) 数据的安全性

在我们前者中，数据的修改是很随意的
但是在实际开发中，我们有时候需要面临，多个用户检索、修改同一文件中的数据，或者在并发情况下，写同一文件或者记录，而数据库基于锁等的一些技术便可以帮助我们解决这些问题

(5) 故障恢复

由于逻辑或者物理上的错误，导致了系统的错误操作，从而使得数据被破坏，如何快速恢复数据，我们上面的单一文件系统显然无法帮助我们解决问题，而数据库却有相关机制去弥补、处理相关问题

上面我们仅仅从几个常见的点分析了为什么使用数据库，当然远远不止这些，所以总的来说就是数据库其特殊的存储以及管理方式，既提高了效率，也极大的减少了开发人员的负担

总结一下：数据库 em... 是个好东西！

(三) 数据库系统概述

(1) 四个基本概念

A：数据（Data）

数据是信息的表现形式和载体，同样也是数据库中存储的基本对象

数据的定义：描述事物的符号记录

数据的种类：文本、图形、图像、音频、视频、学生的档案记录、货物的运输情况等

数据的语义：数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的，这同样呼应了前面所说：“ 数据是信息的表现形式和载体 ”

B：数据库（Database）

定义：数据库(Database,简称DB)是长期储存在计算机内、有组织的、统一管理的、可共享的大量相关数据的集合

简单点说：数据库就是一个以某种有组织的方式存储的数据集合（理解为数据的仓库也可以），并且能为各种用户共享

特别特别要注意一点：例如 MySQL 、Oracle 等数据库软件不能被称作数据库，他们确切的叫法是 DBMS（数据库管理系统），当然了我们口语一般都习惯了，叫XXX数据库，从理论上来说，是不准确的，自行有个区分的概念就好了，怎么叫就你哈

C：数据库管理系统（DBMS）

朋友们，这几个货理论上叫做，数据库管理系统，要和数据库的概念区别好了喔

定义：它是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，用于建立、使用和维护数据库，简称 DBMS（Database Management System）

看一下他的功能：

① 数据库定义功能

• DBMS提供数据定义语言（Data Definition Language，DDL)来对数据库中的数据对象进行定义，指定其结构和约束等。

② 数据操纵功能

• DBMS提供数据操纵语言（Data manipulation Language，DML）来实现对数据库的基本操作，包括查询数据库以获得所需数据、更新数据库以反映现实世界的变化等

③ 数据的组织存储管理

• 分类组织、存储和管理各种数据，包括数据字典（存放数据库的定义、数据库运行时的统计信息等）、 用户数据、数据的存取路径等
• 确定以何种文件结构和存取方式在磁盘上组织这些数据。
• 实现数据之间的联系。

④ 数据库事务管理和运行管理（控制）

• 对数据库的建立、运用和维护等进行统一管理、统一控制，保证数据的安全性、完整性、多用户的并发操作和发生故障后的系统恢复。

⑤ 数据库维护

• 数据库数据的载入、转换数据库的转储、恢复数据库的重组和性能监视、分析

总结一下：

• 它对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性
• 用户通过 DBMS 访问数据库中的数据，数据库管理员也通过 DBMS 进行数据库的维护工作
• 它可使多个应用程序和用户用不同的方法在同时或不同时刻去建立，修改和询问数据库

D：数据库系统（DBS）

在计算机系统中引入数据库后的系统构成

数据库系统包括：① 数据库 ② 数据库管理系统（及其开发工具）③ 应用系统 ④数据库管理员

(2) 数据管理技术的产生和发展

数据管理，就是对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护

数据管理技术的发展过程
① 人工管理阶段（20世纪40年代中--50年代中）

• 人工管理阶段，数据面向应用，且不能保存，不能共享，同时不具有数据独立性

  • 数据面向应用：数据需要由应用程序自己定义说明以及管理，也就是说，程序员需要自己规定数据的存储结构，方法，输入方式等等
  • 数据独立性：是指用户的应用程序与数据的逻辑结构和物理结构是相互独立的

② 文件系统阶段（20世纪50年代末--60年代中）

• 文件系统管理数据，数据可以长期保存，同时具有了一定的共享性，但是不具有数据独立性

③ 数据库系统阶段（20世纪60年代末--现在）

(3) 数据库系统的特点

前面简单介绍了 人工管理阶段，以及文件系统阶段的一些优缺点，而数据库系统作为他们的进化产物，自然对前者的不足做出了一定的完善，下面简单先将其特点列出来

• 数据结构化
• 数据的共享性高，冗余度低，易扩充

• 数据独立性高

  • 数据由DBMS统一管理和控制

A：数据结构化

数据结构化是数据库系统与文件系统的根本区别。在文件系统中，独立文件内部的数据一般是有结构的，但文件之间不存在联系，因此从数据的整体来说是没有结构的

数据库系统虽然也常常分成许多单独的数据文件，并且文件内部也具有完整的数据结构，但是它更注意同一数据库中各数据文件之间的相互联系

简单的认为就是：整体结构化+ 数据结构化（数据模型）

B：数据的共享性高，冗余度低，易扩充

数据库系统从整体角度看待和描述数据，数据面向整个系统，可以被多个用户、多个应用共享使用

减少了数据冗余，同时节约存储空间，避免数据之间的不相容性与不一致性，使系统易于扩充

这样的特点不仅，减少了数据冗余，同时节约存储空间，也避免数据之间的不相容性与不一致性，使系统易于扩充

C：数据独立性高

① 物理独立性

• 指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中数据是相互独立的，即：当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变

② 逻辑独立性

• 指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的 数据的逻辑结构改变了，用户程序也可以不变
• 数据独立性是由DBMS的二级映像功能来保证的

③ 数据由DBMS统一管理控制

• 数据的安全性（Security）保护
• 数据的完整性（Integrity）检查
• 并发（Concurrency）控制
• 数据库恢复（Recovery）

(四) 数据库系统结构

从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构

从数据库最终用户角度看（数据库系统外部的体系结构），数据库系统的结构分为:

• 单用户结构
• 主从式结构
• 分布式结构
• 客户／服务器
• 浏览器／应用服务器／数据库服务器多层结构等

(1) 几个基本概念

A：“型” 和“值” 的概念

型(Type)：对某一类数据的结构和属性的说明

值(Value)：是型的一个具体赋值

例如，员工记录定义为（编号，姓名，性别，部门，年龄，籍贯）这样的记录型

而（20200417，汤姆，男，技术部，40，北京）则是该记录型的一个记录值

B：模式（Schema）

模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述（数据的结构和联系），它仅仅涉及到型的描述，不涉及到具体的值，并且模式是相对稳定的

C：实例（Instance）

模式的一个具体值，反映数据库某一时刻的状态同一个模式，可以有很多实例，实例随数据库中的数据的更新而变动

模式是相对稳定的，而实例是相对变动的，因为数据库中的数据是在不断更新。模式反映的是数据的结构及其联系，而实例反映的是数据库某一时刻的状态。

分别看完模式和实例的配图，这两者的概念就很好区分了，就比如上例中，就是一个学生选课的数据库模式，其中包含学生的记录，还有课程的记录，以及学生选课的记录，而下面我随便举了一些例子，例如他是 2020年的学生选课数据库实例，当然前面还有2019年的 2018年的 等等，每个实例就是不同的了，虽然都是学生选课数据库模式

(五) 数据库系统的三级模式结构

数据库系统分为三级模式，简单做了一个图，让大家看起来直观一点，当然啦，大家最好先去简单看一下下面概念的介绍再回过头食用 ~

先讲模式，再讲上下两个

(1) 模式（逻辑模式）

定义：数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求，同时一个数据库只有一个模式

举个例子：我的数据库中，存在很多关系模式，例如用户关系模式中（用户编号，用户名称），权限关系（权限编号，权限名称）等，数据库中所有关系模式的集合就组成了逻辑模式

模式所处位置（三层模式中）：是数据库系统模式结构的中间层

与数据的物理存储细节和硬件环境无关

与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关

(2) 外模式（子模式/用户模式）

定义：数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是与某一应用有关的数据的逻辑表示

外模式所处位置（三层模式中）：介于模式与应用之间

模式与外模式的关系：一对多，外模式通常是模式的子集 （看图记忆就行了 - - ），不同的外模式反映了不同的用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求

外模式与应用的关系：一对多，同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用，但一个应用程序只能使用一个外模式

(3) 内模式 (存储模式)

是数据物理结构和存储方式的描述，它定义了数据库内部记录类型、记录寻址技术、索引和文件的组织方式、以及数据控制方面的内容

数据在数据库内部的表现方式：

• 记录的存储方式（顺序存储，按照B树结构存储，按hash方法存储）
• 索引的组织方式
• 数据是否压缩存储
• 数据是否加密
• 数据存储记录结构的规定
• 一个数据库只有一个内模式

网图，侵删

(六) 数据库的二级映像

这二级映像分为：

• 外模式与模式之间的映像
• 模式和内模式的映像

(1) 外模式与模式之间的映像

保证了数据的逻辑独立性

当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式／模式映像，使外模式保持不变

应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。

(2) 模式和内模式的映像

保证了数据的物理独立性
当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），数据库管理员修改模式／内模式映像，使模式保持不变，应用程序不受影响，保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。

(3) 二级映像总结

• 保证了数据库外模式的稳定性
• 从底层保证了应用程序的稳定性，除非应用需求本身发生变化，否则应用程序一般不需要修改
• 数据与程序之间的独立性，使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去
• 数据的存取由DBMS管理，用户不必考虑存取路径等细节，简化了应用程序的编制，大大减少了应用程序的维护和修改

(七) 数据库系统的组成

数据库，数据库管理系统（及其开发工具），应用系统，数据库管理员，硬件平台及数据库 ，软件 ，人员

这一块，不是很重点，也比较好理解，就不细细展开说了 知道这几个点就好了

(八) 结尾

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