幾個概念&開篇一張圖

• Database system (DBS)
  由一個相互關聯的（interrelated）資料集合（collection） 和一組用于訪問（access）這些資料的程式組成

• database 也就是Interrelated data collection，

• DMBS主要目標:提供一種高效、便利的途徑，存取資料庫資料，
  

• Evaluation Engine :評估引擎

1.DBS應用（Applications）

在早期，很少有人直接與資料庫系統互動(Interact)，
人們常常，間接地與資料庫互動

• 在線書店并瀏覽書籍或音樂，存盤在資料庫中，
• 淘寶訂單，存盤在資料庫中，
• 查詢銀行余額和交易資訊，在資料庫系統檢索，
• …

2.DBS的目標（Purpose）

先來康康 Typical 檔案處理系統：
（70年代，資料庫實質上是檔案系統）

• 由傳統（conventional）作業系統支持，
• 將永久記錄（permanent records）存盤在不同的檔案中，
• 它需要不同的應用程式從相應的檔案中提取記錄，并向其添加記錄，

它有幾個主要的弊端disadvantages：

• 所謂資料孤立：
  由于資料分散在不同的檔案中，并且檔案的格式可能不同，因此撰寫新的應用程式來檢索適當的資料是很困難的，

• 所謂原子性：
  當計算機down機時，要將資料庫系統恢復到故障前的一致狀態，
  有些事件（比如轉賬，出賬和到賬的一致性），它必須完全發生，否則就根本不發生，在傳統的檔案處理系統中，很難保證原子性，

• 然而，這些困難，也不是一無是處，
  At least，促進(prompt)資料庫系統的發展，

3.資料視圖（View of data）

• 回顧一下 資料庫系統 :
  是相互關聯的資料
  和一組允許用戶訪問和修改這些資料的程式的 集合，

• 而DBS主要目的，
  是為用戶提供資料的抽象視圖，
  也就是說，系統隱藏了資料存盤和維護的某些細節，

3.1 資料抽象

首先提問：w&h？（why&how）
why is data abstract needed？

• 為了使系統可用、有效地檢索資料，
• 為了提高效率，
• 簡化（沒有接受過計算機培訓的）用戶與系統的互動
• 為了用戶不可訪問某些details，安全性

And How to make it ？

• 設計人員使用復雜的資料結構來表示資料庫中的資料，
• 開發人員通過幾個抽象層次向用戶隱藏復雜性

具體有這3個Levels的Abstractions

三種抽象的關系可以如圖描述

View Level在一些教材中也稱外模式

下面用（C++描述）結構體再說明這三級抽象，

struct Address {
	char live_addr[100];  	//住址
	char home_addr[100];	//家鄉
	int postal_code;		//郵編
};
struct student {
	char name[20];
	bool gender;
	Address stu_addr;
};

在物理層，這個結構體資料（記錄）可以描述為一個連續存盤位置塊
而編譯器隱藏了這種級別的細節（對programmer隱藏），
類似地，資料庫系統隱藏了許多最低級的存盤細節，


在邏輯層，這些記錄型別的相互關系也被定義了，
而使用編程語言的程式員，在這個抽象層次上作業，
類似地，資料庫管理員通常在這個抽象級別上作業，

最后在視圖層，用戶看到一組隱藏資料型別細節（邏輯級別的）的應用程式，
此外，視圖層提供了一種安全機制，以防止用戶訪問資料庫的某些部分，

3.2 實體和模式（Instances & Schemas）

Instances:
在特定時刻(at a particular moment) 存盤在資料庫中的資訊集合稱為資料庫實體

Schemas :
資料庫的總體設計(overall design) 稱為資料庫模式

• 三個層次的抽象&&三個層次的模式
  根據抽象級別 → 模式劃分，
  物理模式在物理層描述資料庫設計，
  邏輯模式在邏輯層描述資料庫設計，
  在視圖級還可能有幾個模式(有時稱為子模式)，它們描述資料庫的不同視圖，
• 物理資料獨立性&&物理模式
  如果應用程式不依賴于物理模式，就具有物理資料獨立性，
  因此，如果物理模式發生變化，就不需要重寫應用程式，
  物理模式隱藏在邏輯模式之下，通常很容易更改，且不影回應用程式，
• 從對應用程式的影響的角度看，
  邏輯模式最重要，因為程式員用邏輯模式構造應用程式

3.3 資料模型(Data Models).

資料庫結構的底層是資料模型，
是 一組概念工具:用于描述

• 資料、
• 資料關系(relationships)、
• 資料語意(semantics)
• 約束的一致性(consistency constraints)，

也就提供了：
在物理、邏輯和視圖level描述資料庫設計的方法，

接著，資料模型可分為四類:

• Relational Model關系模型
• Entity-Relationship Model物體關系模型
• Object-Based Data Model基于物件的資料模型
• Semistructured Data Model半結構化資料模型
• Older models: network model and hierarchical model Older models:
  其他模型，網狀，層次模型

關系模型使用一組表(表也稱為關系)來表示資料以及這些資料間的關系，
絕大多數資料庫系統都是基于關系模型的,是應用最廣泛的資料模型

物體關系(E-R)模型使用一組稱為物體的基本物件以及這些物件之間的關系，，物體-關系模型在資料庫設計中被廣泛使用

基于物件的資料模型可以看作是使用封裝、方法(函式)和物件標識等概念來擴展的E-R模型
物件-關系資料模型結合了面向物件資料模型和關系資料模型的特性，

半結構化資料模型允許指定資料，相同型別的單個資料項可具有不同的屬性集，與前面的資料模型相反，(特定型別的每個資料項,都必有相同屬性集)，可擴展標記語言(XML)被廣泛用于表示半結構化資料

小結：模型的分類

4.DB語言

先上兩個定義：

• 資料定義(definition)語言 (DDL) 來指定(specify)資料庫模式.
• 資料操作(manipulation)語言(DML) 來表示(express)資料庫查詢和更新，

在實踐中，二者不是兩個獨立的語言;
相反，它們只是單一資料庫語言的一部分，

4.1 Data-Manipulation Language(DML)

• 允許用戶訪問或操作, 用合適的Data Model組織的的資料，
• 而訪問（access）的型別是:

• 基本上有兩種型別: （咋又分了兩種型別，還不清楚）

查詢(query) 是請求檢索資訊的陳述句(Statement)，
DML中涉及 資訊檢索的(retrieval) 部分稱為 查詢語言，
術語(term)查詢語言 = 資料操作語言(盡管技術上是不正確的)，

• SQL，是使用最廣泛的查詢語言，

4.2 Data-Definition Language(DDL)

這DDL，不是deadline 不用慌

DDL is used for~:

• 指定(specify)資料庫模式(DB models)
• 指定資料的其他屬性/特征(additional properties)

DDL中特殊的 data storage and definition language
is used for~:

• 指定DBS存盤結構(storage structure)和訪問方法(access methods)
• 這些陳述句定義了資料庫模式的實作細節，
  這些細節通常對用戶是隱藏的

此外，存入資料庫的資料值 必須滿足一定的 一致性約束 consistency constraints，

• 比如：賬戶余額絕不能是負數
• DDL提供了指定此類約束的工具，
• 資料庫系統每次更新資料庫時都會檢查這些約束，

通常，約束可以是與資料庫相關的 任意謂詞(arbitrary predicate)，
然而，測驗任意謂詞的 代價costly 可能很高，
因此，資料庫系統實作的完整性約束(integrity constraints)
可以，用最小的開銷進行測驗:

上表暫不做Statement

5.關系型DB（Relational DB）

關系資料庫基于 Relational Model ，
使用一組 表table 來表示資料以及這些資料之間的關系，
包括DML和DDL，

5.1 表（Tables）

先看一個table
看圖說話：

• 每個表包含特定型別的記錄，

• 每個表有多個列(Columns)，每個列有一個唯一的名稱

• 表的列對應于記錄型別的屬性（attributes），

---

同時這里看到的是Logical Level 的Abstract：
不難看出表也許存盤在檔案中，
例如，可以使用一個特殊字符 (如逗號) 來分隔記錄的不同屬性.
所以：
關系模型對資料庫開發人員和用戶隱藏了底層實作細節，

基于記錄的模型：

• 資料庫的結構是多種型別的固定格式的記錄，定義了固定數量的欄位(fields)或屬性(attributes)，
• 關系模型是基于記錄的模型的一個例子（example），

5.2 Data-Manipulation Language

這里是兩個表： The instructor table、The department table

下面的SQL陳述句例子，查詢的是這兩個表

SQL查詢語言是非程序性的，

查詢接受(takes)多個表(也可能一個)作為輸入
并且總是回傳一個表

這是一個SQL查詢的例子（1個表的輸入）：

看圖說話：

• 查詢指定部門名稱（History）教員所在的表中的,那些行
• 檢索歷史記錄，顯示這些行的name屬性值，

這是一個SQL查詢的例子（2個表的輸入）：

看圖說話：

…

5.3 Data-Definition Language

SQL提供了豐富的DDL，允許定義表、完整性約束、斷言等，

---

例子：SQL DDL陳述句定義部門表

And then, a table is generated which is like the The department table above.

5.4 Database Access from Application Programs

應用程式訪問資料庫

• 因為：
  SQL不支持用戶輸入、顯示輸出或網路通信等操作，
  有一些計算可以使用通用編程語言進行，但使用SQL則不可能

• 所以：
  計算和操作必須用宿主（host）語言撰寫，如C、c++或Java，
  并嵌入訪問資料庫中的資料的SQL，查詢，

應用程式訪問資料庫，兩種方法：

(1)呼叫API

(2)擴展宿主語言語法，在宿主語言程式中嵌入DML呼叫

上篇結束