DB-01 绪论

一、数据库系统的基本概念

学习数据库系统首先要理清四个容易混淆的概念：数据、数据库、数据库管理系统和数据库系统。

数据是数据库中存储的基本对象。数据不仅仅是数字，文字、图形、图像、音频、视频等都是数据的不同表现形式。数据的含义称为"语义"，数据本身需要结合语义才有意义。例如，数字"35"本身没有意义，但如果知道它的语义是"某个学生的年龄"，它就变成了有价值的信息。

数据库是长期存储在计算机内、有组织、可共享的大量数据集合。数据库具有三个特征：永久存储（数据不会因为程序结束而消失）、有组织（数据按照一定的结构存放）、可共享（多个用户可以同时访问同一份数据）。这与文件系统中的数据文件有本质区别。

数据库管理系统是位于用户与操作系统之间的数据管理软件。DBMS的核心功能包括数据定义（提供DDL语言让用户定义数据结构）、数据操纵（提供DML语言让用户增删改查数据）、数据组织（决定数据如何存储在磁盘上）、事务管理（保证并发访问的正确性和故障恢复能力）等。

数据库系统是一个更大的概念，它包含了数据库、DBMS、应用程序、数据库管理员和用户。当我们在说"我们使用了Oracle数据库"时，通常指的是数据库系统。

数据管理经历了三个重要的阶段：

人工管理阶段（20世纪50年代以前）：计算机主要用于科学计算，没有专门的软件管理数据。程序员不仅要编写程序逻辑，还要自己管理数据的存储位置和格式。一组数据只对应一个程序，数据不能共享。

文件系统阶段（20世纪50-60年代）：出现了磁带、磁盘等存储设备，也有了专门的文件管理系统。程序通过文件系统来读写数据，但数据文件之间缺乏联系，数据冗余度高，且数据独立性差。

数据库系统阶段（20世纪60年代末至今）：数据库技术的发展解决了文件系统的种种弊端。在这个阶段，数据实现了结构化存储，不同应用程序可以共享同一份数据，数据的逻辑结构和物理存储相互独立，DBMS提供了并发控制、安全控制、完整性检查等高级功能。

数据库系统阶段的核心特点可以概括为"三高一低"：高结构化（数据有统一的组织方式）、高共享低冗余（同一份数据可以被多个应用使用，重复存储减少）、高数据独立性（应用程序不依赖数据的物理存储方式）。

数据独立性是数据库系统区别于文件系统的重要特征。它分为两个层面。

物理独立性是指，当数据的物理存储结构改变时（例如更换了硬盘、改变了文件的存放位置、调整了存储块的大小），应用程序不需要修改。这是因为DBMS的"模式/内模式映象"负责将逻辑结构映射到物理存储，只要修改这个映射关系，就能保证模式层不变，从而应用程序无需变化。

逻辑独立性是指，当数据库的逻辑结构改变时（例如增加了一个新字段、修改了某个表的结构），应用程序不需要修改。这是因为"外模式/模式映象"机制将用户视图与全局逻辑结构分开。DBA只需要修改外模式与模式之间的映射，就能保证用户程序看到的仍然是原来的结构。

从实现的角度来看，数据独立性是通过数据库系统的三级模式（外模式、模式、内模式）和两级映像（外模式/模式映像、模式/内模式映像）来实现的。

数据模型是对现实世界数据特征的抽象。它通常由三部分组成：数据结构（描述数据的类型和联系）、数据操作（允许执行的操作类型）和完整性约束（数据必须满足的条件）。

按照抽象层次的不同，数据模型分为：

当前最主流的逻辑模型是关系模型，它将数据组织为一张张二维表。

E-R模型（实体-联系模型）是概念设计阶段最常用的工具。它的三个基本元素是：

实体型用矩形表示，如"学生"、"课程"。实体是客观存在并可相互区分的事物。

属性用椭圆形表示，描述实体的特征。如学生的"学号"、"姓名"、"年龄"等。

联系用菱形表示，描述实体之间的关联。联系有三种类型：一对一（1:1）、一对多（1:n）和多对多（m:n）。例如，一个班级有一名班主任（1:1），一个班级有多名学生（1:n），一门课程有多名学生选修、一个学生选修多门课程（m:n）。

例题1：判断对错：数据库管理系统的核心功能是数据查询。

错误。数据查询只是数据操纵功能的一部分。DBMS的核心功能包括数据定义、数据组织存储、数据操纵（含查询）、运行管理和数据库维护五大方面，缺一不可。

例题2：企业的数据库进行了两项操作：①将数据从机械硬盘迁移到SSD；②为核心表增加了两个新字段。两项操作均未影响前端业务程序运行。请分析这两个现象对应数据库的什么特性。

解答：
① 硬盘更换属于物理存储的改变——对应物理独立性。DBMS通过修改模式/内模式映像来保证模式层不变，应用程序不受影响。
② 增加字段属于表结构的改变（逻辑结构变化）——对应逻辑独立性。DBMS通过修改外模式/模式映像来保证用户视图不变，应用程序无须修改。