数据库原理与应用

全书主要论述了数据库相关基本概念、基本理论和基本技术，共计9章，内容包括数据库系统的产生与发展、数据库系统特点、数据库系统的数据模型、数据库系统体系结构、关系数据库方法、关系数据库标准语言SQL、关系规范化理论、数据库设计、数据库保护、数据库设计实例和数据库技术新发展等。
本书既介绍了经典的数据库理论及设计方法，又展示了目前广泛应用的开源数据库管理系统MySQL的实际操作步骤，同时还给出了一个侧重数据库设计过程的应用系统开发实例，打通了从理论到具体DBMS应用再到实例开发三个重要环节。为初学者打牢理论基础的同时，又梳理了数据库应用程序开发的重要环节，做到学以致用。
本书可以作为高等院校计算机专业数据库原理与应用课程的教学用书、计算机相关专业的教学用书，也可以作为从事计算机、管理科学工作的读者，以及科技人员和对数据库技术感兴趣的初学者等的学习用书或参考书。

目录


第1章绪论

1.1数据库、数据库管理系统、数据库系统和数据库应用系统

1.1.1数据库

1.1.2数据库管理系统

1.1.3数据库系统

1.1.4数据库应用系统

1.2数据库系统的产生与发展

1.2.1数据、信息、数据管理与数据处理

1.2.2数据管理技术的产生与发展

1.2.3数据库系统的特点

1.3数据模型

1.3.1数据模型的几个重要问题

1.3.2实体联系数据模型

1.3.3常用(结构)数据模型

1.4数据库系统结构

1.4.1数据库系统的三级模式结构

1.4.2数据库的两级映像与数据独立性

1.4.3用户通过DBMS访问数据库的过程

1.5数据库管理系统

1.5.1数据库管理系统的组成

1.5.2数据库管理系统的主要功能

1.5.3数据库管理系统应该满足的要求

1.5.4数据库管理系统程序模块的组成

1.5.5数据库管理系统的层次结构

1.5.6常见的数据库管理系统

1.6数据库应用系统开发概述

1.6.1单用户结构

1.6.2集中式结构

1.6.3分布式结构

1.6.4客户机/服务器结构

1.6.5浏览器/服务器结构

*1.7数据库技术的新发展

小结

习题1

第2章关系数据库

2.1关系模型

2.1.1关系数据结构

2.1.2关系操作

2.1.3关系完整性约束

2.2关系代数

2.2.1传统的集合运算

2.2.2专门的关系运算

2.2.3关系代数举例

*2.3关系演算

2.3.1元组关系演算

2.3.2域关系演算

2.4查询优化

2.4.1查询优化的必要性

2.4.2查询优化的策略和算法

2.5关系系统

2.5.1关系系统定义

2.5.2关系系统分类

*2.5.3全关系系统的12条基本准则

小结

习题2

第3章关系数据库标准语言SQL

3.1SQL概述

3.1.1SQL的发展

3.1.2SQL的特点

3.1.3SQL体系结构

3.2SQL的定义功能

3.2.1基本表的定义

3.2.2基本表的修改和删除

3.2.3索引的建立与删除

3.3数据查询

3.3.1单表查询

3.3.2连接查询

3.3.3嵌套查询

3.4数据更新

3.4.1插入数据

3.4.2删除数据

3.4.3修改数据

3.5视图

3.5.1建立视图

3.5.2删除视图

3.5.3查询视图

3.5.4更新视图

3.6数据控制

3.6.1授权

3.6.2收回权限

小结

习题3

第4章关系规范化理论

4.1问题的提出

4.1.1一个泛关系模式的实例

4.1.2改造泛关系模式S_D_P

4.1.3存在问题的原因

4.1.4规范化理论的提出

4.2函数依赖和范式

4.2.1函数依赖的概念

4.2.2码的函数依赖定义

4.2.3范式

4.3数据依赖的公理系统

4.3.1函数依赖集的闭包

4.3.2函数依赖的推理规则

4.3.3属性集闭包与F逻辑蕴涵的充要条件

4.3.4Armstrong公理的正确性和完备性

4.3.5函数依赖集的等价和最小函数依赖集

4.4关系模式的分解方法

4.4.1模式分解的概念

4.4.2分解的无损连接性判定

4.4.3分解的函数依赖保持性判定

4.4.4关系模式的分解算法

小结

习题4

第5章数据库设计

5.1数据库设计概述

5.1.1数据库设计的定义和知识要求

5.1.2数据库设计的内容

5.1.3数据库设计方法

5.1.4数据库设计的基本步骤

5.2需求分析

5.2.1需求分析的任务

5.2.2需求分析的方法和过程

5.2.3需求分析常用工具

5.2.4需求分析实例

5.3概念结构设计

5.3.1概念结构设计的定义

5.3.2概念结构设计方法

5.3.3局部视图设计

5.3.4集成全局视图

5.4逻辑结构设计

5.4.1逻辑结构设计的任务和步骤

5.4.2ER图向关系模型的转换原则

5.4.3逻辑结构的优化

5.4.4设计用户外模式

5.5物理结构设计

5.5.1确定数据库的物理结构

5.5.2评价物理结构

5.6数据库实施

5.7数据库的运行和维护

5.8数据库设计实例

小结

习题5

第6章数据库保护

6.1事务

6.1.1事务的概念

6.1.2事务的特性

6.2数据库恢复

6.2.1数据库系统的故障

6.2.2数据库恢复的实现技术

6.3并发控制

6.3.1并发操作引发的问题

6.3.2调度及其可串行化

6.3.3事务的隔离性级别

6.3.4封锁技术

6.3.5死锁与活锁问题

6.3.6封锁的粒度

6.4数据库安全性

6.4.1用户标识与鉴别

6.4.2存取控制

6.4.3视图机制

6.4.4数据加密

6.4.5审计

6.5数据库完整性

6.5.1完整性约束条件的类型

6.5.2完整性控制机制的功能

6.5.3完整性约束的表达方式

小结

习题6

第7章MySQL数据库操作

7.1MySQL简介

7.2MySQL的体系结构

7.3MySQL的查询语言

7.3.1表、列和数据类型

7.3.2函数

7.3.3SQL语句

7.4MySQL数据库的安装

7.5MySQL数据库的基本操作

7.5.1数据库操作

7.5.2数据库表的操作

7.5.3数据库视图操作

7.5.4数据操作语言

7.6常用开发平台与MySQL数据的连接

7.7MySQL数据库的备份与恢复

7.8MySQL数据库的安全

第8章数据库应用实例

8.1引言

8.2楼盘销售系统

8.2.1开发背景

8.2.2需求分析

8.2.3系统设计

8.2.4系统实现

8.3数据库精品课程学习系统

8.3.1开发背景

8.3.2需求分析

8.3.3系统设计

8.3.4系统实现

8.4煤矿采掘衔接计划管理系统

8.4.1需求概要

8.4.2数据流图

8.4.3系统设计

8.4.4系统实现

小结

第9章数据库新技术

9.1面向对象数据模型

9.1.1面向对象数据模型的定义

9.1.2面向对象数据库管理系统

9.1.3面向对象数据库系统的概念与特征

9.1.4面向对象数据库系统的查询

9.1.5面向对象数据库系统的并发控制

9.2XML数据库

9.2.1XML技术

9.2.2XML数据库

9.2.3XML数据库分类

9.2.4XML数据库管理系统

9.3分布式数据库系统

9.3.1分布式数据库及其分类

9.3.2分布式数据库的特点

9.3.3分布式数据库的分级结构

9.3.4分布式数据库的数据分布

9.4工程数据库

9.4.1工程数据库基本概念

9.4.2工程数据库体系结构

9.4.3长事务管理

9.5其他数据库

9.5.1模糊数据库

9.5.2空间数据库

9.5.3统计与科学数据库

9.5.4实时数据库

9.5.5内存数据库

9.6大数据管理技术

9.6.1什么是大数据

9.6.2大数据的特点

9.6.3传统关系型数据库面临的问题

9.6.4NoSQL数据库

9.7数据仓库

9.7.1什么是数据仓库

9.7.2数据仓库的体系结构

9.7.3数据仓库的作用

9.8知识发现

9.8.1KDD的相关概念

9.8.2KDD的基本任务

9.8.3KDD的处理过程

9.8.4KDD的方法

小结

参考文献

第5章数据库设计


5.1数据库设计概述5.1.1数据库设计的定义和知识要求数据库设计是指对于一个给定的应用环境，根据用户的需求，在某一具体的数据库管理系统上，构造一个性能良好的数据模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储数据，满足各种用户的信息需求和处理需求。
(1) 信息需求。信息需求表示一个单位所需要的数据及其结构，表达了对数据库的内容及结构的要求，也就是静态要求。信息需求定义所设计的数据库将要用到的所有信息，描述实体、属性、联系的性质，描述数据之间的联系。
(2) 处理需求。处理需求表示一个单位需要经常进行的数据处理，表达了基于数据库的数据处理要求，也就是动态要求。处理需求定义所设计的数据库将要进行的数据处理，描述操作的优先次序、操作执行的频率和场合，描述操作与数据之间的联系。
因此，数据库设计就是把现实世界中的数据，根据各种应用处理的要求，加以合理地组织，使其满足硬件和操作系统的特性； 同时，利用已有的DBMS建立数据库，使其能够实现应用系统的目标。
数据库设计是一个庞大而且复杂的工程，数据库设计人员应该具备以下知识。
(1) 计算机科学的基础知识和程序设计的方法与技巧。
作为一个数据库的设计人员，首先必须是一个懂得计算机专业的人员，而作为计算机专业的人员，最基本的就是计算机科学的基础知识，其次应该掌握关于程序设计的知识和程序设计的方法与技巧。
(2) 数据库的基本知识和数据库设计技术。
除了具有计算机的基础知识以外，作为数据库的设计人员必须具有数据库的基本知识和数据库设计技巧。
(3) 软件工程的原理和方法。
在数据库领域内，常常把使用数据库的各类系统称为数据库应用系统。数据库应用系统的开发应该遵循软件工程的方法和原理。尤其是大型数据库设计，其开发周期长、耗资大，失败的风险也大，必须把软件工程的原理和方法应用到数据库建设中来。
(4) 应用领域的知识。
应用领域的知识随着应用系统所属的领域不同而不同，如财务管理、仓库管理、人事管理、教务管理等。而且同样是教务管理，大学、中学、小学等不同类型的学校，各不相同，即使都是高等学府各个学校的管理方式也不相同。因此，数据库设计人员必须深入实际与用户密切结合，对应用环境、专业业务流程进行详细的调查研究，才能设计出符合具体应用领域和用户要求的数据库应用系统。
5.1.2数据库设计的内容
数据库设计包括结构设计和行为设计两方面的内容。
1. 数据库的结构设计
数据库的结构设计是指根据给定的应用环境，进行数据库的模式或子模式的设计。它包括数据库的概念设计、逻辑设计和物理设计。数据库模式是各应用程序共享的结构，是静态的、稳定的，一经形成后通常情况下是不容易改变的，所以结构设计又称为静态模型设计。
2. 数据库的行为设计
数据库的行为设计是指确定数据库用户的行为和动作。而在数据库系统中，用户的行为和动作指用户对数据库的操作，这些要通过应用程序来实现，所以数据库的行为设计就是应用程序的设计。用户的行为总是使数据库的内容发生变化，所以行为设计是动态的，行为设计又称为动态模型设计。
数据库的结构设计和行为设计是不能分离的，分离会导致数据与程序不易结合，增加数据库设计的复杂性。本章重点介绍数据库的结构设计，对于数据库的行为设计请参考“软件工程”相关书籍。
由于数据库的设计和开发是一个庞大而且复杂的工程，涉及多学科的综合性技术，所以，数据库设计是涉及硬件、软件和管理的综合技术，这也是数据库设计的另外一个特点。有人讲“三分技术，七分管理，十二分基础数据”是数据库建设的基本规律，这是有一定道理的。
5.1.3数据库设计方法
数据库设计方法目前可分为4类： 直观设计法、规范设计法、计算机辅助设计法和自动化设计法。
1. 直观设计法
直观设计法也叫手工试凑法，它是最早使用的数据库设计方法。这种方法依赖于设计者的经验和技巧，缺乏科学理论和工程原则的支持，设计的质量很难保证，常常是数据库运行一段时间后又发现了各种问题，这样就不得不修改原有设计，增加了系统维护的代价。因此这种方法越来越不适应信息管理发展的需要。
对于一个简单的程序设计过程来说，这样的方法具有周期短、效率高、操作简便、易于实现等优点。但是对于数据库设计，尤其是大型数据库系统的设计，由于其信息结构复杂、应用环境多样、应用需求全面等系统化综合性的要求，通常需要若干个人的共同努力、相互协调，综合多种知识才能完成，所以，在具有丰富经验和设计技巧的前提下，还应该以严格的科学理论和软件工程设计原则为依托，完成数据库设计的全过程。
2. 规范设计法
规范设计法是将数据库设计分为若干阶段，明确规定各阶段的任务，采用自顶向下、分层实现、逐步求精的设计原则，结合数据库理论和软件工程设计方法，实现设计过程的每一细节，最终完成整个设计任务。
1978年10月，来自三十多个国家的数据库专家在美国新奥尔良市专门讨论了数据库设计问题，他们运用软件工程的思想和方法，提出了数据库设计的规范，这就是著名的新奥尔良法，它是目前公认的比较完整和权威的一种规范设计法。新奥尔良法将数据库设计分成需求分析(分析用户需求)、概念设计(信息分析和定义)、逻辑设计(设计实现)和物理设计(物理数据库设计)。此后，S. B. Yao等人提出了数据库设计的6个步骤： 需求分析、模式构成、模式汇总、模式重构、模式分析和物理数据库设计，从而逐渐形成了数据库规范化设计方法。
目前，常用的各种数据库设计方法都属于规范设计法，即都是运用软件工程的思想和方法，根据数据库设计的特点，提出了各种设计原则与设计规程。常用的规范化设计方法主要有： 基于ER模型的数据库设计方法，基于3NF的数据库设计方法，基于视图概念的数据库设计方法等。
1) 基于ER模型的数据库设计方法
基于ER模型的数据库设计方法是由P.P.S.chen于1976年提出的数据库设计方法，其基本思想是在需求分析的基础上，用ER图构造一个反映现实世界实体之间联系的企业模式，然后再将此企业模式转换成基于某一特定的DBMS的概念模式。
2) 基于3NF的数据库设计方法
基于3NF的数据库设计方法是一种结构化设计方法，其基本思想是在需求分析的基础上，确定数据库模式中的全部属性和属性间的依赖关系，将它们组织在一个单一的关系模式中，然后再分析模式中不符合3NF的约束条件，将其进行投影分解，规范成若干个3NF关系模式的集合。
其具体设计步骤分为以下5个阶段。
(1) 设计企业模式，利用规范化得到的3NF关系模式画出企业模式；
(2) 设计数据库的概念模式，把企业模式转换成DBMS所能接受的概念模式，并根据概念模式导出各个应用的外模式；
(3) 设计数据库的物理模式(存储模式)；
(4) 对物理模式进行评价；
(5) 实现数据库。
3) 基于视图的数据库设计方法
此方法先从分析各个应用的数据着手，其基本思想是为每个应用建立自己的视图，然后再把这些视图汇总起来合并成整个数据库的概念模式。合并过程中要解决以下问题。

前言


数据库技术是目前计算机科学技术领域发展最快、应用最广泛的技术之一，体现了数据管理及信息处理的最高发展水平。在大数据技术蓬勃发展的今天，更需要对经典数据库理论的理解和学习，为日新月异的数据管理技术奠定扎实的理论基础。
数据库技术从诞生开始到现在一直倍受人们关注，目前无论在计算机系统中的位置，还是在计算机应用中的地位，以及在计算机专业课程中的地位都是非常重要的，已经成为计算机信息系统和计算机应用系统的重要技术基础和支柱。因此，数据库技术是一个十分活跃的研究领域，也是一个日新月异的研究领域。
本书是在第一版教材《数据库原理与应用》的基础上进行编写的，教材自2010年出版至2018年1月共进行了5次印刷。为了满足教学需要和广大读者的需求，作者重新改编了本教材。
本书以关系数据库为核心，重点介绍了数据库相关的基本概念、基本原理和实用的数据库设计技术，着力打通数据库技术从理论到DBMS应用再到实例开发的三个重要环节，帮助初学者建立扎实的理论基础，同时建立清晰的知识脉络，为后续的深入学习开辟良好的开端。希望本书能够使读者对数据库系统有一个全面、深入、系统的了解，为进一步从事数据库系统的研究、开发和应用奠定坚实的基础。

本书主要特点如下。
（1） 针对高等学校教学大纲对本课程的要求，重点讲述数据库基本概念、基本原理和基本技术，同时充分考虑教学的需要，在内容选取、难易程度等因素上都有所考虑。根据教学实际情况，本书的内容适用于48~64学时教学。
（2） 本书选择轻量级开源数据库管理系统MySQL，详细地讲述了安装过程和具体的SQL语句，为读者提供一个练习SQL语句的DBMS环境。
（3） 为了帮助读者能够更加容易地将理论知识和DBMS中练习的SQL语句，应用到程序的开发过程中，本书给出开发实例，重点介绍数据库设计的各个步骤及相应内容，以及与应用程序建立连接的方法，真正实现“从原理到应用”。
（4） 力求反映当前数据库领域的新水平、新技术。在多种类型数据库技术基础上，增加了大数据存储及管理NoSQL技术，帮助读者初步了解传统数据库到大数据技术的演变过程，同时体会大数据存储及管理技术的特殊之处。
本书由孟凡荣主编，其中，孟凡荣编写第1章和第9章中的部分内容，并负责全书的统稿，闫秋艳编写第5章和第9章，并协助全书的统稿，袁冠编写第7章和第8章，葛欣编写第3章，雷小锋编写第6章，谢红侠编写第4章，徐慧编写第2章，王志晓编写第9章的部分内容。
本书标*章节为非重点章节，感兴趣的读者可自主学习。
由于编者水平有限，书中疏漏之处在所难免，殷切希望得到广大读者的批评指正。
编者
2018年12月