数据库系统：概念、优势与类型

# 数据库系统：概念、优势与类型 ## 1. 关系数据库的革命 在当今时代，我们习以为常地享受着关系数据库带来的便利，能够在低成本计算机上快速、轻松地存储、访问和更改数据。然而，直到 20 世纪 70 年代末，数据库以难以操作且缺乏灵活性的层次结构存储大量数据。程序员在设计数据库之前需要了解客户对数据的使用需求，添加或更改数据分析方式既耗时又昂贵。那时，人们需要在庞大的卡片目录中查找图书馆书籍，使用无法显示最新道路变化的地图，还得购买报纸来获取股票价格信息。 1970 年，IBM 的数学家埃德加·“泰德”·科德（Edgar “Ted” Codd）发表了一篇文章，彻底改变了这一局面。当时，没人意识到科德晦涩的理论会引发一场堪比个人计算机和互联网发展的技术革命。SQL（当今数据库系统最常用的计算机语言）的共同发明者唐·钱伯林（Don Chamberlin）解释说：“有个叫泰德·科德的人，他有一些奇怪的数学符号，但没人把它当回事。”后来，泰德·科德组织了一场研讨会，钱伯林听到科德将复杂的五页程序简化为一行代码时，不禁惊叹。 这场研讨会促使 IBM 资助了 System R 研究项目，该项目构建了关系数据库的原型，并最终促成了 SQL 和 DB2 的诞生。然而，IBM 在关键的几年里将 System R 搁置一旁。该公司对 1968 年推出的可靠高端数据库系统 IMS 有既得利益，且未意识到这项研究的市场潜力，还允许其员工公开这些研究论文。 阅读这些论文的人中有刚刚成立小公司的拉里·埃里森（Larry Ellison）。他从 System R 和加州大学招募程序员，于 1979 年成功推出了首个基于 SQL 的关系数据库，远远早于 IBM。到 1983 年，该公司发布了数据库的便携式版本，年销售额超过 500 万美元，并更名为甲骨文（Oracle）。在竞争的刺激下，IBM 终于在 1980 年推出了其首个关系数据库 SQL/DS。但截至 2007 年，全球关系数据库管理系统的销售额达到 188 亿美元，甲骨文占据了 48.6%的市场份额，超过了其两大最接近的竞争对手 IBM 和微软的总和。 ## 2. 为何需要数据库 想象一下，在不了解客户是谁、销售哪些产品、员工有哪些、谁欠你钱以及你欠谁钱的情况下经营一家企业，这几乎是不可能的。所有企业都必须保存这类数据，更重要的是，决策者在需要时必须能够获取这些数据。可以说，所有商业信息系统的最终目的都是帮助企业将信息作为一种组织资源加以利用。这些系统的核心在于数据的收集、存储、聚合、操作、传播和管理。 不同的信息系统和企业特点决定了数据量的差异，从仅涉及一两个主题的几兆字节到涵盖企业内外部环境数百个主题的数万亿字节不等。像斯普林特（Sprint）和美国电话电报公司（AT&T）这样的电信公司，其系统会记录数万亿次通话数据，且每秒新增数据可达 70000 次通话！谷歌作为互联网搜索巨头，虽然不愿透露其数据存储规格的许多细节，但据估计，该公司每天要处理超过 9100 万次搜索，涉及的数据量达数万亿字节，而且搜索结果几乎能瞬间呈现。 这些企业如何处理如此大量的数据？如何存储并快速检索决策者所需的信息呢？答案是使用数据库。数据库是一种专门的结构，能让基于计算机的系统快速存储、管理和检索数据。几乎所有现代商业系统都依赖数据库，因此，对于信息系统专业人员来说，了解数据库的创建和正确使用至关重要。即使你的职业道路不涉及数据库设计和开发，数据库也将是你所使用系统的关键组成部分。无论如何，在职业生涯中，你很可能会根据数据生成的信息做出决策，所以了解数据和信息的区别非常重要。 ## 3. 数据与信息的区别 要理解驱动数据库设计的因素，必须清楚数据和信息的差异。数据是原始事实，“原始”意味着这些事实尚未经过处理以揭示其含义。例如，你想了解计算机实验室用户对其服务的看法，通常会通过调查用户来评估实验室的性能。调查完成后，原始数据会保存到数据仓库中，但这种格式的原始数据用处不大，逐页阅读 0 和 1 很难获得有价值的见解。因此，需要将原始数据转换为数据摘要，这样就能快速回答诸如“实验室客户群体的构成是怎样的”等问题。通过数据摘要可以快速得知，大多数客户是大三学生（24.59%）和大四学生（53.01%）。为了更直观地呈现数据，还可以使用柱状图展示数据摘要。 信息是处理原始数据以揭示其含义的结果。数据处理可以简单到组织数据以显示模式，也可以复杂到使用统计模型进行预测或推断。信息需要上下文才能揭示其意义，例如，平均温度读数为 105 度，如果不知道是华氏度还是摄氏度，是机器温度、体温还是室外空气温度，这个读数就没有太大意义。信息可作为决策的基础，例如，调查表单中每个问题的数据摘要可以指出实验室的优势和劣势，帮助你做出更明智的决策，以更好地满足实验室客户的需求。 需要注意的是，原始数据必须以易于访问和处理的格式正确生成和存储。例如，在数据摘要中，学生分类需要按照大一、大二、大三、大四和研究生的分类方式进行格式化；受访者的“是/否”回答可能需要转换为“Y/N”格式进行数据存储。处理声音、视频或图像等复杂数据类型时，需要更复杂的格式化。 在这个“信息时代”，生成准确、相关且及时的信息是做出良好决策的关键，而良好的决策是企业在全球市场中生存的关键。现在我们正进入“知识时代”，数据是信息的基础，信息是知识的基石，知识意味着对特定环境中信息的熟悉、意识和理解。知识的一个关键特征是可以从“旧”知识中推导出“新”知识。 以下是一些关键要点总结： - 数据是信息的构建块。 - 信息是通过处理数据产生的。 - 信息用于揭示数据的含义。 - 准确、相关且及时的信息是做出良好决策的关键。 - 良好的决策是企业在全球环境中生存的关键。 及时有用的信息需要准确的数据，这些数据必须正确生成并以易于访问和处理的格式存储。与任何基本资源一样，数据环境必须得到精心管理。数据管理是一门专注于数据的正确生成、存储和检索的学科。鉴于数据的关键作用，数据管理成为任何企业、政府机构、服务组织或慈善机构的核心活动也就不足为奇了。 ## 4. 数据库简介 高效的数据管理通常需要使用计算机数据库。数据库是一种共享的、集成的计算机结构，用于存储以下两类数据： - 最终用户数据，即最终用户感兴趣的原始事实。 - 元数据，即关于数据的数据，用于集成和管理最终用户数据。 元数据提供了数据特征的描述以及数据库中数据之间的关系。例如，元数据组件存储每个数据元素的名称、存储在每个数据元素中的值的类型（数字、日期或文本）、数据元素是否可以为空等信息。元数据补充并扩展了数据的价值和用途，简而言之，元数据能更全面地呈现数据库中的数据。基于元数据的这些特点，数据库也可被描述为“自描述数据的集合”。 数据库管理系统（DBMS）是一组用于管理数据库结构并控制对数据库中数据访问的程序。从某种意义上说，数据库就像一个组织良好的电子文件柜，而强大的数据库管理系统软件则帮助管理文件柜中的内容。 ### 4.1 DBMS 的作用和优势 DBMS 充当用户与数据库之间的中介。数据库结构本身以文件集合的形式存储，访问这些文件中数据的唯一途径是通过 DBMS。DBMS 接收所有应用程序请求，并将其转换为满足这些请求所需的复杂操作，同时向应用程序和用户隐藏了数据库的大部分内部复杂性。应用程序可以由程序员使用 Visual Basic.NET、Java 或 C# 等编程语言编写，也可以通过 DBMS 实用程序创建。 在最终用户应用程序和数据库之间使用 DBMS 具有以下重要优势： - **改进的数据共享**：DBMS 有助于创建一个环境，使最终用户能够更好地访问更多且管理更完善的数据，从而快速响应环境变化。 - **提高的数据安全性**：随着更多用户访问数据，数据安全漏洞的风险也会增加。企业会投入大量时间、精力和资金来确保企业数据的正确使用，DBMS 为更好地执行数据隐私和安全政策提供了框架。 - **更好的数据集成**：更广泛地访问管理良好的数据有助于促进对组织运营的整体了解，更清晰地看到大局，更容易了解公司某一部门的行动如何影响其他部门。 - **减少数据不一致性**：当同一数据的不同版本出现在不同位置时，就会出现数据不一致性。例如，公司销售部门将销售代表的姓名存储为“比尔·布朗（Bill Brown）”，而人事部门将其存储为“威廉·G·布朗（William G. Brown）”；或者公司地区销售办公室显示某产品价格为 45.95 美元，而全国销售办公室显示为 43.95 美元。在设计良好的数据库中，数据不一致的可能性会大大降低。 - **改进的数据访问**：DBMS 能够快速回答临时查询。从数据库的角度来看，查询是向 DBMS 发出的特定数据操作请求，例如读取或更新数据。简单来说，查询就是一个问题，临时查询则是即兴提出的问题，DBMS 会将答案（称为查询结果集）返回给应用程序。例如，处理大量销售数据的最终用户可能希望快速回答以下问题： - 过去六个月内各产品的销售金额是多少？ - 过去三个月内每位销售人员的销售奖金是多少？ - 有多少客户的信用余额达到或超过 3000 美元？ - **改进的决策制定**：更好地管理数据和改进的数据访问使生成更高质量的信息成为可能，而更好的决策正是基于这些高质量信息。生成的信息质量取决于底层数据的质量，数据质量是一种全面的方法，旨在提高数据的准确性、有效性和及时性。虽然 DBMS 不能保证数据质量，但它为促进数据质量提升提供了框架。 - **提高最终用户的生产力**：数据的可用性以及将数据转换为可用信息的工具，使最终用户能够快速做出明智的决策，这在全球经济中可能是成功与失败的关键。 使用 DBMS 的优势不止以上这些，随着对数据库技术细节和正确设计的深入了解，你会发现更多的优势。 ### 4.2 数据库的类型 DBMS 可以支持多种不同类型的数据库，数据库可以根据用户数量、数据库位置以及预期的使用类型和程度进行分类。 #### 4.2.1 根据用户数量分类 - **单用户数据库**：一次仅支持一个用户。如果用户 A 正在使用数据库，用户 B 和 C 必须等待用户 A 使用完毕。运行在个人计算机上的单用户数据库称为桌面数据库。 - **多用户数据库**：支持多个用户同时使用。当多用户数据库支持相对较少的用户（通常少于 50 个）或组织内的特定部门时，称为工作组数据库；当数据库供整个组织使用，支持许多用户（通常超过 50 个，甚至数百个）跨多个部门使用时，称为企业数据库。 #### 4.2.2 根据数据库位置分类 - **集中式数据库**：支持位于单个站点的数据。 - **分布式数据库**：支持分布在多个不同站点的数据。关于数据库的分布式程度以及如何管理这种分布将在后续详细讨论。 #### 4.2.3 根据使用方式和信息的时间敏感性分类 - **运营数据库**：主要设计用于支持公司的日常运营，也称为事务性或生产数据库。例如，产品或服务销售、付款和采购供应等交易反映了关键的日常运营，这些交易必须准确及时地记录。 - **数据仓库**：主要用于存储用于生成战术或战略决策所需信息的数据。这些决策通常需要大量的数据处理（数据操作）来提取信息，以制定定价决策、销售预测、市场定位等。大多数决策支持数据基于从运营数据库随时间收集并存储在数据仓库中的数据，此外，数据仓库还可以存储来自多个来源的数据。为了便于检索这些数据，数据仓库的结构与运营或事务性数据库有很大不同。 #### 4.2.4 根据数据的结构化程度分类 - **非结构化数据**：以原始状态存在的数据，即收集时的格式，这种格式不利于处理以生成信息。 - **结构化数据**：是对原始数据进行处理和组织后的结果，便于进一步分析和使用。 以下是数据库类型的总结表格： | 分类方式 | 类型 | 描述 | | ---- | ---- | ---- | | 用户数量 | 单用户数据库 | 一次仅支持一个用户，运行在个人计算机上的称为桌面数据库 | | 用户数量 | 多用户数据库 | 支持多个用户同时使用，分为工作组数据库和企业数据库 | | 数据库位置 | 集中式数据库 | 支持位于单个站点的数据 | | 数据库位置 | 分布式数据库 | 支持分布在多个不同站点的数据 | | 使用方式和信息时间敏感性 | 运营数据库 | 主要支持公司日常运营，记录关键交易 | | 使用方式和信息时间敏感性 | 数据仓库 | 存储用于决策的数据，需大量数据处理 | | 数据结构化程度 | 非结构化数据 | 以原始状态存在，不利于处理生成信息 | | 数据结构化程度 | 结构化数据 | 处理和组织后的结果，便于分析使用 | 下面是一个 mermaid 格式的流程图，展示数据库类型的分类： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A([数据库类型]):::startend --> B(按用户数量):::process A --> C(按数据库位置):::process A --> D(按使用方式和信息时间敏感性):::process A --> E(按数据结构化程度):::process B --> B1(单用户数据库):::process B --> B2(多用户数据库):::process B1 --> B11(桌面数据库):::process B2 --> B21(工作组数据库):::process B2 --> B22(企业数据库):::process C --> C1(集中式数据库):::process C --> C2(分布式数据库):::process D --> D1(运营数据库):::process D --> D2(数据仓库):::process E --> E1(非结构化数据):::process E --> E2(结构化数据):::process ``` 通过以上对数据库系统的介绍，我们了解了关系数据库的发展历程、数据库的重要性、数据与信息的区别、数据库的定义和组成，以及不同类型的数据库。这些知识为我们进一步深入学习和应用数据库系统奠定了基础。在实际应用中，我们可以根据具体需求选择合适的数据库类型，并利用 DBMS 的优势来实现高效的数据管理和决策支持。 ## 5. 数据库系统的发展历程与演变 数据库系统并非一蹴而就，而是经历了漫长的发展历程。早期，计算机使用文件系统来管理数据。文件系统将数据存储在多个独立的文件中，每个文件有其特定的格式和用途。然而，这种数据管理方式存在诸多严重的局限性。 ### 5.1 文件系统数据管理的缺陷 - **数据冗余**：在文件系统中，相同的数据可能会在多个文件中重复存储。例如，在一个企业中，员工的基本信息可能会同时出现在人事部门的文件、财务部门的文件和考勤部门的文件中。这不仅浪费了大量的存储空间，还增加了数据维护的难度。 - **数据不一致性**：由于数据的重复存储，当需要更新某一数据时，可能会出现部分文件更新而其他文件未更新的情况，导致数据不一致。比如，员工的电话号码发生了变更，如果只在人事部门的文件中更新，而财务部门和考勤部门的文件未更新，就会造成数据不一致。 - **数据独立性差**：文件系统中的数据与应用程序紧密耦合，数据的存储结构和访问方式与应用程序相互依赖。当数据的存储结构发生变化时，应用程序也需要相应地进行修改，这增加了系统的维护成本和开发难度。 - **数据缺乏统一管理**：文件系统中没有统一的数据管理机制，不同的应用程序可能会以不同的方式访问和处理数据，导致数据的安全性和完整性难以保证。 ### 5.2 从文件系统到数据库系统的演变 为了解决文件系统数据管理的问题，数据库系统应运而生。数据库系统通过将数据集中存储和管理，实现了数据的共享和一致性。以下是数据库系统相对于文件系统的主要改进： - **数据集成**：数据库系统将所有相关的数据集成到一个统一的数据库中，避免了数据的冗余和不一致性。 - **数据独立性**：数据库系统采用了数据模型和数据库管理系统，实现了数据的逻辑独立性和物理独立性。数据的存储结构和访问方式与应用程序分离，当数据的存储结构发生变化时，应用程序不需要进行修改。 - **数据安全性和完整性**：数据库系统提供了完善的安全机制和完整性约束，确保数据的安全性和完整性。例如，通过用户认证和授权机制，只有授权用户才能访问和修改数据库中的数据；通过数据完整性约束，确保数据的合法性和一致性。 下面是一个 mermaid 格式的流程图，展示从文件系统到数据库系统的演变过程： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A([文件系统]):::startend --> B(数据冗余):::process A --> C(数据不一致性):::process A --> D(数据独立性差):::process A --> E(缺乏统一管理):::process B --> F(数据库系统):::process C --> F D --> F E --> F F --> G(数据集成):::process F --> H(数据独立性):::process F --> I(数据安全性和完整性):::process ``` ## 6. 数据库系统的主要组件 数据库系统由多个组件组成，这些组件协同工作，实现了数据的存储、管理和访问。以下是数据库系统的主要组件： - **数据库**：数据库是数据的集合，它按照一定的数据模型组织和存储数据。数据库可以是关系型数据库、非关系型数据库等不同类型。 - **数据库管理系统（DBMS）**：DBMS 是数据库系统的核心组件，它负责管理数据库的结构和控制对数据库中数据的访问。DBMS 提供了数据定义语言（DDL）用于定义数据库的结构，数据操作语言（DML）用于对数据库中的数据进行增、删、改、查操作，以及数据控制语言（DCL）用于控制用户对数据库的访问权限。 - **应用程序**：应用程序是用户与数据库系统交互的接口，它通过调用 DBMS 提供的接口来实现对数据库中数据的访问和处理。应用程序可以是桌面应用程序、Web 应用程序、移动应用程序等不同类型。 - **用户**：用户是使用数据库系统的人员，包括数据库管理员、应用程序开发人员和普通用户。不同类型的用户对数据库系统有不同的需求和操作权限。 以下是数据库系统主要组件的关系表格： | 组件 | 描述 | 与其他组件的关系 | | ---- | ---- | ---- | | 数据库 | 存储数据的集合 | 由 DBMS 管理，供应用程序访问 | | 数据库管理系统（DBMS） | 管理数据库结构和控制数据访问 | 与数据库交互，为应用程序提供接口 | | 应用程序 | 用户与数据库系统交互的接口 | 通过 DBMS 访问数据库 | | 用户 | 使用数据库系统的人员 | 通过应用程序或直接操作 DBMS 与数据库交互 | ## 7. 数据库管理系统的主要功能 数据库管理系统（DBMS）具有多种重要功能，这些功能确保了数据库系统的高效运行和数据的安全可靠。以下是 DBMS 的主要功能： ### 7.1 数据定义功能 DBMS 提供了数据定义语言（DDL），用于定义数据库的结构，包括创建数据库、表、视图、索引等数据库对象。例如，在关系型数据库中，可以使用 SQL 语言的 CREATE TABLE 语句来创建一个新的表： ```sql CREATE TABLE employees ( employee_id INT PRIMARY KEY, first_name VARCHAR(50), last_name VARCHAR(50), department VARCHAR(50), salary DECIMAL(10, 2) ); ``` ### 7.2 数据操作功能 DBMS 提供了数据操作语言（DML），用于对数据库中的数据进行增、删、改、查操作。以下是一些常见的 DML 操作示例： - **插入数据**：使用 INSERT INTO 语句向表中插入新的数据。 ```sql INSERT INTO employees (employee_id, first_name, last_name, department, salary) VALUES (1, 'John', 'Doe', 'Sales', 5000.00); ``` - **查询数据**：使用 SELECT 语句从表中查询数据。 ```sql SELECT * FROM employees WHERE department = 'Sales'; ``` - **更新数据**：使用 UPDATE 语句更新表中的数据。 ```sql UPDATE employees SET salary = 5500.00 WHERE employee_id = 1; ``` - **删除数据**：使用 DELETE FROM 语句从表中删除数据。 ```sql DELETE FROM employees WHERE employee_id = 1; ``` ### 7.3 数据控制功能 DBMS 提供了数据控制语言（DCL），用于控制用户对数据库的访问权限，确保数据的安全性和完整性。例如，可以使用 GRANT 语句授予用户特定的权限，使用 REVOKE 语句撤销用户的权限： ```sql -- 授予用户 SELECT 权限 GRANT SELECT ON employees TO user1; -- 撤销用户的 SELECT 权限 REVOKE SELECT ON employees FROM user1; ``` ### 7.4 数据库维护功能 DBMS 还提供了数据库维护功能，包括数据库备份、恢复、性能优化等。例如，可以定期对数据库进行备份，以防止数据丢失；当数据库出现故障时，可以使用备份文件进行恢复。 ## 8. 数据库设计的重要性 数据库设计是数据库系统开发的关键环节，它直接影响到数据库系统的性能、可用性和可维护性。一个良好的数据库设计可以提高数据的存储效率、减少数据冗余、保证数据的一致性和完整性，从而为企业的决策提供有力支持。 ### 8.1 数据库设计的目标 - **数据完整性**：确保数据库中的数据符合业务规则和约束条件，保证数据的准确性和一致性。 - **数据安全性**：保护数据库中的数据不被非法访问和修改，确保数据的保密性和完整性。 - **性能优化**：设计合理的数据库结构和索引，提高数据库的查询和操作性能。 - **可扩展性**：考虑到企业的未来发展，设计具有良好扩展性的数据库，以便在需要时能够方便地添加新的数据和功能。 ### 8.2 数据库设计的步骤 数据库设计通常包括以下几个步骤： 1. **需求分析**：与用户进行沟通，了解用户的业务需求和数据处理要求，确定数据库的功能和性能要求。 2. **概念设计**：根据需求分析的结果，设计数据库的概念模型，通常使用实体 - 关系（E - R）图来表示。 3. **逻辑设计**：将概念模型转换为逻辑模型，通常使用关系模型来表示。确定数据库的表结构、字段类型、主键、外键等。 4. **物理设计**：根据逻辑设计的结果，设计数据库的物理存储结构，包括选择合适的数据库管理系统、确定数据的存储方式和索引策略等。 5. **数据库实施**：根据物理设计的结果，创建数据库和表，导入初始数据，并进行系统测试。 6. **数据库运行和维护**：在数据库投入使用后，对数据库进行日常维护和管理，包括数据备份、恢复、性能优化等。 下面是一个表格，总结数据库设计的步骤和目标： | 步骤 | 目标 | | ---- | ---- | | 需求分析 | 了解用户需求，确定数据库功能和性能要求 | | 概念设计 | 设计数据库的概念模型 | | 逻辑设计 | 将概念模型转换为逻辑模型 | | 物理设计 | 设计数据库的物理存储结构 | | 数据库实施 | 创建数据库和表，导入初始数据，进行系统测试 | | 数据库运行和维护 | 保证数据库的正常运行，进行数据备份、恢复和性能优化 | 综上所述，数据库系统在现代企业和信息技术领域中扮演着至关重要的角色。了解数据库系统的概念、优势、类型、发展历程、主要组件、功能以及数据库设计的重要性，对于信息系统专业人员和企业决策者来说都是必不可少的。通过合理选择和使用数据库系统，企业可以提高数据管理的效率和质量，为决策提供有力支持，从而在激烈的市场竞争中取得优势。