Lecture 1：数据库绪论

描述：本节区分数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统和数据库管理员，整理数据模型的三要素及概念/逻辑/物理三个层次，并说明外模式、模式、内模式、两级映像与逻辑/物理数据独立性。

1.1 数据库系统基本概念

1.1.1 数据 Data

数据是描述现实世界事物的符号记录，可以是数字、文字、图像、音频、视频等。

数据本身需要结合语义才能成为有意义的信息。例如 2026-08-14 只有在说明它是日期、生日或提交时间后，含义才明确。

1.1.2 数据库 DB

数据库（Database，DB）是长期存储在计算机内、有组织、可共享的数据集合。

典型特征：

• 数据按一定模型组织。
• 冗余受到控制。
• 可供多个用户或应用共享。
• 数据与应用程序具有一定独立性。
• 由 DBMS 统一管理。

1.1.3 数据库管理系统 DBMS

数据库管理系统（Database Management System，DBMS）是位于用户/应用程序与数据库之间的系统软件。

主要功能包括：

• 数据定义：定义模式、表、约束等。
• 数据组织、存储和管理。
• 数据操纵：查询、插入、删除、修改。
• 事务管理与并发控制。
• 安全性、完整性控制。
• 数据备份与故障恢复。
• 数据字典和运行维护。

DBMS 不是数据库本身。前者是管理数据的软件，后者是被管理的数据集合。

1.1.4 数据库系统 DBS

数据库系统（Database System，DBS）是采用数据库技术保存和管理数据的完整系统。

课件结构图可整理为：

程序员 / 数据库终端用户
            ↓
         应用程序
            ↓
   数据库管理系统 DBMS ← 数据库管理员 DBA
            ↓
         数据库 DB
            ↓
          数据 Data

广义的数据库系统包括：

• 数据库 DB。
• 数据库管理系统 DBMS。
• 应用程序。
• 数据库管理员 DBA。
• 用户。
• 支撑运行的计算机系统与相关文档。

关系可以简记为：

$$ \text{DBS} \supset \text{DBMS}+ \text{DB}+ \text{应用}+ \text{人员}. $$

1.1.5 数据库管理员 DBA

数据库管理员（Database Administrator，DBA）负责数据库系统的规划、授权、运行和维护。

典型职责：

• 设计或审核数据库模式。
• 分配权限并制定安全策略。
• 定义完整性约束。
• 监控性能并进行调优。
• 制定备份和恢复策略。
• 处理容量、存储和版本维护。

WARNING · 易错点 DB 是数据集合，DBMS 是管理软件，DBS 是包含数据、软件、应用和人员的完整系统，DBA 是管理角色。

1.2 为什么建立数据模型

现实事物不能直接被计算机理解，必须先把实体、属性、联系和约束转换为可表示、可处理的数据。

数据模型（Data Model）是对现实世界数据特征的抽象，为数据库系统提供统一的信息表示与操作框架，是数据库系统的核心基础。

抽象过程通常是：

现实世界
   ↓ 抽象
信息世界：实体、属性、联系
   ↓ 转换
机器世界：表、记录、文件、索引等

1.3 数据模型三要素

一个完整的数据模型包含三部分。

1.3.1 数据结构

数据结构描述系统的静态特征，回答：

• 有哪些对象？
• 对象有哪些属性？
• 对象之间有什么联系？
• 数据以什么结构组织？

例如关系模型用关系、元组、属性来组织数据。

1.3.2 数据操作

数据操作描述系统的动态行为，包括对数据的查询和更新。

基本操作：

• 查询。
• 插入。
• 删除。
• 修改。

数据模型还应规定操作的含义及操作规则。

1.3.3 数据约束

数据约束规定数据及其变化必须满足的条件，用于保证正确性和一致性。

例如：

• 学号必须唯一。
• 年龄不能为负数。
• 选课记录中的学生必须已经存在。
• 事务执行前后必须保持数据库一致性。

三要素对应关系：

1.4 数据模型的三个层次

1.4.1 概念模型

概念模型位于数据抽象的最高层，从用户和设计者角度描述现实世界信息。

特点：

• 面向现实业务，不依赖具体 DBMS。
• 使用较直观、简单的符号。
• 主要用于数据库概念设计阶段。
• 常用工具是 E-R 图或 UML 类图。

典型元素包括实体、属性和实体之间的联系。

NOTE 课件说概念模型“没有严格规定”是强调它比逻辑模型更贴近用户、实现无关；实际使用 E-R/UML 时仍需遵守相应表示规则。

1.4.2 逻辑模型

逻辑模型位于中间层，描述数据的逻辑结构以及可执行的数据操作和约束。

常见逻辑模型：

• 层次模型：树形结构。
• 网状模型：图结构。
• 关系模型：二维表结构。
• 面向对象、对象关系等模型。

DBMS 总是基于某种逻辑数据模型实现其对外的数据组织和操作接口。

1.4.3 物理模型

物理模型位于最底层，描述逻辑数据在存储介质上的组织与存取方式，是逻辑模型的物理实现。

涉及内容：

• 文件组织。
• 记录布局。
• 数据页和块。
• 索引结构。
• 聚簇方式。
• 存储位置和访问路径。

1.4.4 三者对比

抽象方向：

概念模型：现实业务是什么
          ↓
逻辑模型：数据逻辑上怎样组织
          ↓
物理模型：数据实际上怎样存储

1.5 模式与实例

1.5.1 模式 Schema

模式是数据库全体数据的逻辑结构和特征的描述，相当于数据库的设计蓝图。

模式通常相对稳定，例如表名、属性、类型、联系和约束。

1.5.2 实例 Instance

实例是数据库在某一时刻实际存放的数据，是模式的具体取值。

例如：

• Student(Sno, Sname, Age) 是模式的一部分。
• 某时刻表中的所有学生记录构成一个实例。

WARNING 模式描述结构，实例描述当前数据；数据库实例会频繁变化，模式通常较稳定。

1.6 三级模式结构

数据库系统用外模式、模式、内模式形成三个抽象层次。

1.6.1 外模式

外模式（External Schema）也称子模式或用户模式，是数据库局部数据的逻辑结构和特征描述。

特点：

• 面向某个用户、用户组或应用。
• 只暴露所需的数据子集。
• 可以隐藏其他数据，提高安全性和简洁性。
• 一个数据库可以有多个外模式。
• 多个应用也可以共享同一外模式。

1.6.2 模式

模式（Conceptual Schema）也称概念模式，是数据库全体数据的逻辑结构和特征描述。

特点：

• 是所有用户公共数据视图的综合。
• 描述数据的逻辑结构、联系和约束。
• 不关心具体物理存储细节。
• 一个数据库通常只有一个模式。

1.6.3 内模式

内模式（Internal Schema）也称存储模式，是数据库物理结构和存储方式的描述。

包括：

• 记录如何存放。
• 数据页和文件如何组织。
• 使用哪些索引和访问路径。
• 是否压缩、聚簇或分区。

一个数据库通常只有一个内模式。

1.6.4 图中结构

课件第三页显示：

应用 A、B        应用 C        应用 D、E
    ↕               ↕              ↕
  外模式 1        外模式 2        外模式 3
       \            |            /
              模式
                ↕
              内模式
                ↕
              数据库

因此：

• 外模式可以有多个，并分别服务不同应用。
• 模式是全局逻辑视图。
• 内模式对应统一的物理存储视图。

1.7 两级映像

三级模式之间通过两级映像连接。

1.7.1 外模式/模式映像

外模式/模式映像定义每个外模式与全局模式之间的对应关系。

当模式发生一定范围的变化时，只要调整映像，就可尽量保持外模式和应用程序不变。

它保证逻辑数据独立性。

1.7.2 模式/内模式映像

模式/内模式映像定义全局逻辑结构与物理存储结构之间的对应关系。

当存储文件、索引或访问路径变化时，只要调整映像，就可尽量保持模式和应用程序不变。

它保证物理数据独立性。

1.8 数据独立性

1.8.1 逻辑独立性

逻辑独立性指模式改变时，应用程序和外模式可尽量不变。

例如给基本表增加一个应用不使用的属性，可通过外模式/模式映像使原应用继续运行。

1.8.2 物理独立性

物理独立性指内模式改变时，模式、外模式和应用程序可保持不变。

例如：

• 为表增加索引。
• 改变文件组织。
• 把数据迁移到另一存储设备。
• 调整分区和聚簇方式。

通常物理独立性比逻辑独立性更容易实现。

1.9 易错点

• 数据不是数据库；数据库是按模型组织、长期存储和共享的数据集合。
• DBMS 是软件，DB 是数据，DBS 是完整系统，DBA 是管理人员。
• 数据模型三要素是数据结构、数据操作和数据约束，不能只写数据结构。
• 概念模型面向现实业务，逻辑模型面向逻辑组织，物理模型面向存储实现。
• 概念模型与三级模式中的“模式”不是同一个层次术语，不要只凭“概念”二字混用。
• 外模式描述局部数据，模式描述全体数据的逻辑结构，内模式描述物理存储。
• 一个数据库可有多个外模式，但通常只有一个模式和一个内模式。
• 外模式/模式映像保证逻辑独立性；模式/内模式映像保证物理独立性。
• 模式是结构蓝图，实例是某时刻的具体数据。
• 数据独立性表示修改某一层时减少对更高层的影响，不表示各层完全没有映射关系。

相关知识

• 科目导航：复试常考科目导航
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1.10 本节复盘

• 数据库系统由 DB、DBMS、应用程序、用户、DBA 及运行环境共同构成。
• DBMS 位于应用与数据库之间，统一完成定义、操作、事务、安全、完整性和恢复管理。
• 数据模型是现实世界数据特征的抽象，包含数据结构、数据操作和数据约束三要素。
• 概念模型用于业务抽象，逻辑模型描述表/树/图等逻辑结构，物理模型描述存储组织。
• 外模式是局部用户视图，模式是全局逻辑视图，内模式是物理存储视图。
• 外模式/模式映像隔离逻辑结构变化，提供逻辑独立性。
• 模式/内模式映像隔离物理存储变化，提供物理独立性。
• 模式相对稳定，实例随数据库当前内容变化。