數據庫技術基礎知識的介紹
數據庫技術基礎知識的介紹：很多的數據庫初學者，對數據庫技術的了解可以說是少之又少，那我的這篇文章將帶領大家深入到數據庫的最基層，讓大家對數據庫技術基礎知識有一個更好了解，從而更好的掌握數據庫技術基礎知識，將數據庫技術應用到平時的工作生活中，將會大大的方便。下面就是數據庫技術基礎知識的介紹。
數據庫技術是一門綜合性的軟件技術，是使用計算機進行各種信息管理的必備知識。
數據庫技術是本世紀60年代開始興起的一門信息管理自動化的新興學科，是計算機科學中的一個重要分支。隨著計算機應用的不斷發展，在計算機應用領域中，數據處理越來越占主導地位，數據庫技術的應用也越來越廣泛。
一、數據庫的歷史發展
數據庫是數據管理的產物。數據管理是數據庫的核心任務，內容包括對數據的分類、組織、編碼、儲存、檢索和維護。隨著計算機硬件和軟件的發展，數據庫技術也不斷地發展。從數據管理的角度看，數據庫技術到目前共經歷了人工管理階段、文件系統階段和數據庫系統階段。
1. 人工管理階段
人工管理階段是指計算機誕生的初期(即20世紀50年代后期之前)，這個時期的計算機主要用于科學計算。從硬件看，沒有磁盤等直接存取的存儲設備;從軟件看，沒有操作系統和管理數據的軟件，數據處理方式是批處理。
這個時期數據管理的特點是：
1). 數據不保存
該時期的計算機主要應用于科學計算，一般不需要將數據長期保存，只是在計算某一課題時將數據輸入，用完后不保存原始數據，也不保存計算結果。
2). 沒有對數據進行管理的軟件系統
程序員不僅要規定數據的邏輯結構，而且還要在程序中設計物理結構，包括存儲結構、存取方法、輸入輸出方式等。因此程序中存取數據的子程序隨著存儲的改變而改變，數據與程序不具有一致性。
3). 沒有文件的概念
數據的組織方式必須由程序員自行設計。
4). 一組數據對應于一個程序，數據是面向應用的
即使兩個程序用到相同的數據，也必須各自定義、各自組織，數據無法共享、無法相互利用和互相參照，從而導致程序和程序之間有大量重復的數據。
2. 文件系統階段
文件系統階段是指計算機不僅用于科學計算，而且還大量用于管理數據的階段(從50年代后期到60年代中期)。在硬件方面，外存儲器有了磁盤、磁鼓等直接存取的存儲設備。在軟件方面，操作系統中已經有了專門用于管理數據的軟件，稱為文件系統。
這個時期數據管理的特點是：
1). 數據需要長期保存在外存上供反復使用
由于計算機大量用于數據處理，經常對文件進行查詢、修改、插入和刪除等操作，所以數據需要長期保留，以便于反復操作。
2). 程序之間有了一定的獨立性
操作系統提供了文件管理功能和訪問文件的存取方法，程序和數據之間有了數據存取的接口，程序可以通過文件名和數據打交道，不必再尋找數據的物理存放位置，至此，數據有了物理結構和邏輯結構的區別，但此時程序和數據之間的獨立性尚還不充分。
3). 文件的形式已經多樣化
由于已經有了直接存取的存儲設備，文件也就不再局限于順序文件，還有了索引文件、鏈表文件等，因而，對文件的訪問可以是順序訪問，也可以是直接訪問。
4). 數據的存取基本上以記錄為單位
可以看出，文件系統中的數據和程序雖然具有了一定的獨立性，但還很不充分，每個文件仍然對應于一個應用程序，數據還是面向應用的。要想對現有的數據再增加一些新的應用是很困難的，系統不易擴充，一旦數據的邏輯結構改變，必須修改應用程序。并且，各個文件之間是孤立的，不能反映現實世界事物之間的內在聯系，各個不同應用程序之間也不能共享相同的數據，從而造成數據冗余度大，并容易產生相同數據的不一致性。
3. 數據庫系統階段
數據庫系統階段是從60年代后期開始的。在這一階段中，數據庫中的數據不再是面向某個應用或某個程序，而是面向整個企業(組織)或整個應用的。
數據庫系統階段的特點是：
1). 采用復雜的結構化的數據模型
數據庫系統不僅要描述數據本身，還要描述數據之間的聯系。這種聯系是通過存取路徑來實現的。
2). 較高的數據獨立性
數據和程序彼此獨立，數據存儲結構的變化盡量不影響用戶程序的使用。
3). 最低的冗余度
數據庫系統中的重復數據被減少到最低程度，這樣，在有限的存儲空間內可以存放更多的數據并減少存取時間。
4). 數據控制功能
數據庫系統具有數據的安全性，以防止數據的丟失和被非法使用;具有數據的完整性，以保護數據的正確、有效和相容;具有數據的并發控制，避免并發程序之間的相互干擾;具有數據的恢復功能，在數據庫被破壞或數據不可靠時，系統有能力把數據庫恢復到最近某個時刻的正確狀態。
綜上所述，數據庫可以被定義為：一個存儲起來互相關聯的數據集合，它提供給多種用戶共享并且有最小的冗余度和較高的數據獨立性。
4. 三代數據庫系統的發展
數據模型是數據庫系統的核心。按照數據模型發展的主線，數據庫技術的形成過程和發展可從以下三個方面反映：
1). 第一代數據庫系統--層次和網狀數據庫管理系統
層次和網狀數據庫的代表產品是IBM公司在1969年研制出的層次模型數據庫管理系統。層次數據庫是數據庫系統的先驅，而網狀數據庫則是數據庫概念、方法、技術的奠基。
2). 第二代數據庫系統--關系數據庫管理系統(RDBMS)
1970年，IBM公司的研究員E.F.Codd在題為《大型共享數據庫數據的關系模型》的論文中提出了數據庫的關系模型，為關系數據庫技術奠定了理論基礎。到了80年代，幾乎所有新開發的數據庫系統都是關系型的。
真正使得關系數據庫技術實用化的關鍵人物是James Gray。Gray在解決如何保障數據的完整性、安全性、并發性以及數據庫的故障恢復能力等重大技術問題方面發揮了關鍵作用。
關系數據庫系統的出現，促進了數據庫的小型化和普及化，使得在微型機上配置數據庫系統成為可能。
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3). 新一代數據庫技術的研究和發展
目前已從多方面發展了現行的數據庫系統技術。我們可以從數據模型、新技術內容、應用領域三個方面概括新一代數據庫系統的發展。
(1) 面向對象的方法和技術對數據庫發展的影響最為深遠
80年代，面向對象的方法和技術的出現，對計算機各個領域，包括程序設計語言、軟件工程、信息系統設計以及計算機硬件設備等都產生了深遠的影響，也給面臨新挑戰的數據庫技術帶來了新的機遇和希望。數據庫研究人員借鑒和吸收了面向對象的方法和技術，提出了面向對象的數據庫模型(簡稱對象模型)。當前有許多研究是建立在數據庫已有的成果和技術上的，針對不同的應用，對傳統的DBMS，主要是RDBMS進行不同層次上的擴充，例如建立對象關系(OR)模型和建立對象關系數據庫(ORDB)。
(2) 數據庫技術與多學科技術的有機結合
數據庫技術與多學科技術的有機結合是當前數據庫發展的重要特征。計算機領域中其他新興技術的發展對數據庫技術產生了重大影響。傳統的數據庫技術和其他計算機技術的結合、互相滲透，使數據庫中新的技術內容層出不窮。數據庫的許多概念、技術內容、應用領域，甚至某些原理都有了重大的發展和變化。建立和實現了一系列新型的數據庫，如分布式數據庫、并行數據庫、演繹數據庫、知識庫、多媒體庫、移動數據庫等，它們共同構成了數據庫大家族。
(3) 面向專門應用領域的數據庫技術的研究
為了適應數據庫應用多元化的要求，在傳統數據庫基礎上，結合各個專門應用領域的特點，研究適合該應用領域的數據庫技術，如工程數據庫、統計數據庫、科學數據庫、空間數據庫、地理數據庫、Web數據庫等，這是當前數據庫技術發展的又一重要特征。
同時，數據庫系統結構也由主機/終端的集中式結構發展到網絡環境的分布式結構，隨后又發展成兩層、三層或多層客戶/服務器結構以及Internet環境下的瀏覽器/服務器和移動環境下的動態結構。多種數據庫結構滿足了不同應用的需求，適應了不同的應用環境。
二、數據模型
1. 數據處理的抽象描述
不同的領域，數據的描述也有所不同。實際生活中，有對現實世界的描述;理論研究中，有對符號化數據的描述;而在計算機內部，數據又有其特定的表示方法。人們研究和處理數據的過程中，常常把數據的轉換分為三個領域――現實世界，信息世界，機器世界，這三個世界間的轉換過程，就是將客觀現實的信息反映到計算機數據庫中的過程。
1). 現實世界(Real World)
客觀存在的世界就是現實世界，它獨立于人們的思想之外。現實世界存在無數事物，每一個客觀存在的事物可以看做是一個個體，個體有多項特征和屬性。比如，電視機就有價格，品牌，可視面積大小，是否彩色等特征。而不同的人，只會關心其中的一部分屬性，一定領域內的個體有著相同的特征。
2). 信息世界(Information World)
信息世界是現實世界在人們頭腦中的反映，人的思維將現實世界的數據抽象化和概念化，并用文字符號表示出來，就形成了信息世界。下面是人們在研究現實世界過程中常常用到的術語：
(1) 實體 (Entity)
客觀存在且可以互相區別的事物。如一名學生，一臺電腦，一本書，一場聚會。實體是信息世界的基本單位。
(2) 屬性 (Attribute)
個體的某一特征稱為屬性，一個實體可以有多個屬性，每一個屬性都有其取值范圍和取值類型。
(3) 鍵 (Key)
能在一個實體集中唯一標識一個實體的屬性稱為鍵，鍵可以只包含一個屬性，也可以同時包含多個屬性。有多個鍵時，選擇一個作為主鍵。鍵中的屬性稱為主屬性。
(4) 聯系 (Relation)
實體之間互相作用，互相制約的關系稱為實體集的聯系。實體之間的聯系有三種：一對一聯系，一對多聯系，多對多聯系。
3). 機器世界
機器世界又稱數據世界，信息世界中的信息經過抽象和組織，以數據形式存貯在計算機中，就稱為機器世界。與信息世界一樣，機器世界也有其常用的、用來描述數據的術語，這些術語與信息世界中的術語有著對應的關系。
(1) 字段 (Field)
字段，也稱為數據項(Item)，標記實體的一個屬性叫做字段，它是可以命名的最小信息單位。例如學生有學號、姓名、性別、出生日期等字段。字段與信息世界的屬性相對應。
(2) 記錄 (Record)
記錄是有一定邏輯關系的字段的組合。它與信息世界中的實體相對應，一個記錄可以描述一個實體。例如一個學生的記錄由“學號、姓名、性別、出生日期”等字段組成。
(3) 文件 (File)
文件是同一類記錄的集合。文件的存儲形式有很多種，比如順序文件、索引文件、直接文件、倒排文件等等。
4). 三個世界的轉換
由以上對三個世界的描述可以看到，從現實世界到信息世界再到機器世界，事務被一層層抽象，加工，符號化，邏輯化，而這個過程都是有一定聯系的。
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2. 數據模型
1). 信息模型(概念模型)與E-R方法
為了把現實世界中的具體事物進行抽象，人們常常首先把現實世界抽象為信息世界，然后再將信息世界轉化為機器世界。在把現實世界抽象為信息世界的過程中，實際上是抽象出現實系統中有應用價值的元素及其關聯。這時所形成的信息結構是概念模型。在抽象出概念模型后，再把概念模型轉換為計算機上某一DBMS支持的數據模型。需要一種方法能夠對現實世界的信息進行描述。
實體-聯系方法(即E-R方法)是P.P.S.Chen于1976年提出的，這種方法由于簡單、實用，所以得到了非常普遍的應用，也是目前描述概念模型最常用的方法。它使用的工具稱作E-R圖，它所描述的現實世界的信息結構稱為企業模式，也把這種描述結果稱為E-R模型。下面概述一下E-R方法的要點。
(1) 用矩形框表示實體，實體名(例如學生)寫在框內。
(2) 用橢圓框表示實體的屬性，框內寫上屬性名，并用線段連到相應的實體。例如學生的屬性有姓名、學號和年齡等。
(3) 用菱形框表示實體間的聯系，在框內寫上聯系名，用線段連接菱形框與矩形框，在線段旁注上聯系的類型(一對一、一對多、多對多)。如聯系也具有屬性，則把屬性和菱形框用線段連上。
E-R圖是抽象描述現實世界的有力工具，它與計算機所支持的數據模型相獨立，它更接近于現實世界。雖然現實世界豐富多彩，各種信息十分繁雜，但用E-R圖可以很清晰地表示出其中的錯綜復雜關系。下面我們用E-R圖來表示某個學校的教務管理的概念模型。
教務管理涉及的實體有：
.班級 屬性有班級編號，班級名稱，專業，班主任;
.教師 屬性有教師號，姓名，性別，年齡，職稱，專業;
.學生 屬性有學生號，姓名，性別，班級編號;
.課程 屬性有課程號，課程名，課時，學分，教材。
這些實體之間的聯系如下：
.一個班有多個教師授課，一個教師可以教多個班級，班級和教師具有多對多的聯系;
.一個班有多名學生，但一個學生只能在一個班注冊，因此班級與學生是一對多聯系;
.在某個時間某個地點一位教師可指導多個學生，但某個學生在某一時間和地點只能被一位教師所指導，因此教師與學生是一對多聯系;一位教師可講授多門課程，一門課程可由多位教師講授，每位教師講授某門課程都有一個評價，教師與課程之間是多對多聯系;
.一個學生可選修多門課程，一門課程允許多個學生選修，每個學生選修某門課程都有一個分數(成績)，因此學生與課程之間是多對多聯系。
如果某個部門的概念模型中涉及的實體和實體的屬性較多，可以把實體及其屬性在另一幅圖上畫出，使E-R圖更清晰地表明實體以及實體之間的聯系，這樣圖ER可以分為圖ER1
2). 結構數據模型
結構數據模型是機器世界的數據模型。實際數據庫系統中所支持的數據模型主要有層次模型、網狀模型和關系模型。
(1) 層次模型
用樹型結構來表示實體之間聯系的模型稱為層次模型。層次模型是滿足有且僅有一個根結點，非根結點有且僅有一個父結點的基本層次聯系的集合。
構成層次模型的樹是由結點和連線組成的，結點表示實體集，連線表示相連兩個實體之間的聯系，這種聯系只能是一對多的。通常把表示“一”的實體放在上方，稱為父結點;而把表示“多”的實體放在下方，稱為子結點。
(2) 網狀模型
用網狀結構來表示實體之間聯系的數據模型稱為網狀模型。網狀模型可以有一個以上結點無父結點;至少有一個結點具有多于一個的父結點。
(3) 關系模型
用一個二維表格表示實體和實體之間聯系的模型，稱為關系模型。我們將在第三節中較詳細地介紹。
3. 數據模型的三要素
數據模型通常由數據結構、數據操作和完整性約束三部分組成。
1). 數據結構
數據結構是所研究的對象類型的集合，在數據庫系統中通常按照數據結構的類型來命名數據模型，如層次結構、網狀結構和關系結構的模型分別命名為層次模型、網狀模型和關系模型。
2). 數據操作
數據操作是指對數據庫中各種對象(型)的實例(值)允許執行的操作的集合，包括操作及有關的操作規則。數據操作是用來描述系統的信息變化的，是對系統動態特性的描述。
數據操作的種類有以下兩種：檢索(如查詢)和更新(增、刪、改)。
3). 數據的約束條件
數據的約束條件是完整性規則的集合，完整性規則是給定的數據模型中數據及其聯系所具有的制約和依存規則，用以限定符合數據模型的數據庫狀態以及狀態的變化，以保證數據的正確、有效和相容。
4. 數據庫技術的應用
數據庫技術的應用領域非常廣，從目前接觸到的一些應用的發展來看，尤其是Internet的發展以及多種信息技術交叉與發展，還對數據庫技術提出了更多的需求，從而促進了數據庫技術的不斷發展。
1). 多媒體數據庫
多媒體是80年代發展起來的計算機新技術，它是在傳統計算機應用技術，即對數據處理、字符處理、文字處理、圖形處理、聲音處理等技術綜合繼承的基礎上，引進了新鮮的技術內容和設備，例如影視處理技術、CD-ROM、各種專用芯片和功能卡等，以及爾后形成的計算機集成新技術。多媒體技術為擴展計算機的應用范圍、應用深度和表現能力提供了極好的支持。基于多媒體技術的應用系統開發，其技術內容又包括了多媒體處理技術和多媒體管理技術，更準確地說是對多媒體對象或多媒體數據的處理技術和管理技術。
2). 因特網上的web數據庫
因特網(Internet)是一個全球性的計算機網絡系統，它可將分布在世界各地的各種計算機系統及各種網絡用戶連接在一起，通過采用共同的網絡通信協議在不同的網絡和操作系統間交換數據。
隨著WWW的迅速擴展，WWW上可用數據源的數量也在迅速增長。因此人們正在試圖把WWW上的數據源集成為一個完整的Web數據庫，從而使這些數據源得到充分的利用。
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三、數據庫的形勢及其發展
進入二十世紀八十年代之后，計算機硬件技術有了飛速的提高。計算機技術的提高促使計算機應用不斷深入，產生了許多新的應用領域，例如計算機輔助設計、計算機輔助制造、計算機輔助教學、辦公自動化、智能信息處理、決策支持等。這些新的領域對數據庫系統提出了新的要求。但是由于應用的多元化，不能設計出一個統一的數據模型來表示這些新型的數據及其相互關系，因而出現了百家爭鳴的局面，產生了演繹數據庫、面向對象數據庫、分布式數據庫、工程數據庫、時態數據庫、模糊數據庫等新型數據庫的研究和應用。
不過到目前為止，在世界范圍內得到主流應用的還是經典的關系數據庫系統，比較知名的如Sybase，Oracle，Informix，SQL Server，DB2等。
時代在飛速發展，數據庫也不甘后退，它的一步步更新都會造福于人類，但只有學會了最基礎的數據庫技術知識才能去學習更深一層。
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