Lec 1: Introduction

Database Systems:
- Database system concepts
- Database Applications
- Purpose of Database Systems
Data Modeling:
- Data Models
- Data abstraction
- Database Design
Database Languages
DBMS System Structure:
- Storage manager
- Query processing
- Transaction manager
Database and Application Architectures
Database Users
History of Database Systems

Database system concepts

数据库系统：包含关于特定组织的信息
- 数据：一组相互关联的数据。例如，一个公司的员工信息数据库。
- 程序：用于访问数据的一套程序。比如，一个用于查询员工工资信息的程序。
- 环境：一个方便且高效的使用环境。比如，一个可以轻松查询和更新数据的用户界面。
数据库
- 一组相互关联的数据（关于特定原因）。例如，一家医院的病人病历数据库。
- 极具价值。例如，一个银行的客户交易记录数据库。
- 相对较大 -- 需要良好的组织。例如，一个电商平台的产品信息数据库。
- 同时被多个用户和应用程序访问。例如，一个在线社交网络的用户信息数据库。
- 信息的安全性，即使系统崩溃或未经授权的访问也能得到保障。例如，一个政府机构的公民个人资料数据库。
DBMS（数据库管理系统）：
- 一种软件：一套用于访问数据的程序。例如，一个用于管理学生课程成绩的学校管理系统。
- 能够管理数据库。
- 提供了一个既方便又高效的使用环境。例如，一个用于管理图书馆藏书的图书馆管理软件。

Database Applications

总体来说，DBMS 目前主要用于两个方面：

逻辑复杂、性能要求不高的，如用于银行
逻辑相对简单、性能要求高，如用于电子商务

University Database Example

Data consists of information about:
- Students
- Instructors
- Classes
Application program examples:
- Add new students, instructors, and courses
- Register students for courses, and generate class rosters
- Assign grades to students, compute grade point averages (GPA), and generate transcripts

View of Data

Data Model

关系模型 (Relational Model):

在关系模型中，数据以表格的形式组织，其中每个表格称为一个关系或表，每行代表一个记录，每列代表一个属性。关系之间通过共同的属性建立连接。

实例：

假设我们有一个学校数据库，其中有两个关系：学生（Students）和课程（Courses）。

Students Table:
| StudentID | Name    | Age | Major   |
| --------- | ------- | --- | ------- |
| 001       | Alice   | 20  | Biology |
| 002       | Bob     | 22  | Physics |
| 003       | Charlie | 21  | History |

Courses Table:
| CourseID | CourseName | Instructor  |
| -------- | ---------- | ----------- |
| 101      | Biology    | Dr. Smith   |
| 102      | Physics    | Dr. Johnson |
| 103      | History    | Prof. Lee   |

OO 模型 (Object-Oriented Model):

在面向对象模型中，数据以对象的形式组织，每个对象包含数据以及操作数据的方法。对象之间通过消息传递进行通信。

实例：

考虑一个汽车租赁系统，其中有一个对象是Car，另一个对象是Customer。

               +---------------------+
               |       Car           |
               +---------------------+
               | - make: string      |
               | - model: string     |
               | - year: int         |
               | - pricePerDay: int |
               +---------------------+

               +---------------------+
               |      Customer       |
               +---------------------+
               | - name: string      |
               | - age: int          |
               | - email: string     |
               +---------------------+

OR 模型 (Object-Relational Model):

对象关系模型是关系模型和面向对象模型的结合，允许在关系数据库中存储对象数据，并支持面向对象编程的概念，如继承和多态性。

实例：

考虑一个图书馆系统，其中书籍（Books）是对象，但它们也可以根据不同的类型进行分类。

               +-------------------------+
               |          Book           |
               +-------------------------+
               | - title: string         |
               | - author: string        |
               | - publicationYear: int  |
               +-------------------------+

               +-------------------------+
               |        TextBook         |
               +-------------------------+
               | - subject: string       |
               | - edition: int          |
               +-------------------------+

               +-------------------------+
               |       Novel             |
               +-------------------------+
               | - genre: string         |
               | - pages: int            |
               +-------------------------+

ER 模型 (Entity-Relationship Model):

实体-关系模型是一种数据模型，用于描述现实世界中的实体以及它们之间的关系。实体通常表示为矩形，关系表示为菱形，而属性表示为椭圆。

实例：

考虑一个在线商店，其中有顾客（Customers）、产品（Products）和订单（Orders）之间的关系。

           +---------------+      has        +--------------+
           |   Customer    | -------------- |    Order     |
           +---------------+                +--------------+
           | - ID: int     |      has        | - OrderID    |
           | - Name: string| -------------- | - CustomerID |
           | - Email: string                | - TotalPrice |
           +---------------+                +--------------+
                                contains
                                     |
                                     v
                            +-------------------+
                            |     Product       |
                            +-------------------+
                            | - ProductID: int  |
                            | - Name: string    |
                            | - Price: float    |
                            +-------------------+

趋势：

关系模型
- 应用最广的模型
- 我们这一节课要实现的模型
OO 模型
OR 模型
- 两个对象模型可能是今后的方向
ER 模型
- 非常重要的模型

Data Abstraction

我们采用 schema and instance model

Logical Schema
- The logical structure of the database
- Analogous to the type of a variable
Physical Schema
- The overall physical structure of the database
Instance
- The actual content of the DB at a particular point of time
- Analogous to the value of a variable

Programming Language

DDL (Data Definition Language)

DDL compiler 会生成一个 data dictionary
Data dictionary contains metadata
- database schema
  - 列名+数据类型
- integrity constraints
  - 主键：uniqueness
  - 外键：referential integrity
- i.e. 保证课程安排的课程号、教师号永远会出现在课程的课程号和教师的教师号当中
  - 因此，如果不在其中，那么插入错误
  - 如果课程安排仍有 entry 的课程号在课程的课程号里，那么就不能删除课程的课程号对应的 entry
  - 其他约束：如非空等等
- authorization
  - 这里没有给出，不过不难理解

DML (Data Manipulation Language)

Language for accessing and manipulating the data organized by the appropriate data model
- DML also known as query language
SQL is the most widely used query language

数据库设计示例：大学课程管理系统

数据字典

代码段

| 表名     | 列名   | 数据类型 | 主键 | 外键        | 约束 |
| -------- | ------ | -------- | ---- | ----------- | ---- |
| 课程     | 课程号 | 字符(10) | 是   |             | 非空 |
| 课程     | 课程名 | 字符(50) |      |             | 非空 |
| 课程     | 学分   | 整数     |      |             | 非空 |
| 教师     | 教师号 | 字符(10) | 是   |             | 非空 |
| 教师     | 教师名 | 字符(50) |      |             | 非空 |
| 教师     | 所属系 | 字符(10) |      |             | 非空 |
| 课程安排 | 课程号 | 字符(10) |      | 课程.课程号 | 非空 |
| 课程安排 | 教师号 | 字符(10) |      | 教师.教师号 | 非空 |
| 课程安排 | 学期   | 字符(10) |      |             | 非空 |

SQL 代码

SQL

-- 创建课程表
CREATE TABLE 课程 (
  课程号 CHAR(10) PRIMARY KEY NOT NULL,
  课程名 CHAR(50) NOT NULL,
  学分 INT NOT NULL
);

-- 创建教师表
CREATE TABLE 教师 (
  教师号 CHAR(10) PRIMARY KEY NOT NULL,
  教师名 CHAR(50) NOT NULL,
  所属系 CHAR(10) NOT NULL
);

-- 创建课程安排表
CREATE TABLE 课程安排 (
  课程号 CHAR(10) NOT NULL,
  教师号 CHAR(10) NOT NULL,
  学期 CHAR(10) NOT NULL,
  FOREIGN KEY (课程号) REFERENCES 课程(课程号),
  FOREIGN KEY (教师号) REFERENCES 教师(教师号)
);

-- 插入数据
INSERT INTO 课程 VALUES ('CS101', '计算机科学概论', 3);
INSERT INTO 课程 VALUES ('MA201', '高等数学', 4);
INSERT INTO 教师 VALUES ('T001', '张三', '计算机系');
INSERT INTO 教师 VALUES ('T002', '李四', '数学系');
INSERT INTO 课程安排 VALUES ('CS101', 'T001', '2023-2024秋季');
INSERT INTO 课程安排 VALUES ('MA201', 'T002', '2023-2024秋季');

-- 查询所有课程
SELECT * FROM 课程;

-- 查询所有教师
SELECT * FROM 教师;

-- 查询所有课程安排
SELECT * FROM 课程安排;

-- 查询由张三教授的课程
SELECT 课程.*
FROM 课程安排
INNER JOIN 教师 ON 课程安排.教师号 = 教师.教师号
WHERE 教师.教师名 = '张三';

完整性约束示例

主键约束：确保每个课程号和教师号都是唯一的。
外键约束：确保课程安排表中的课程号和教师号都存在于相应的表中。
非空约束：确保课程名、教师名、所属系、学分和学期等字段不能为空。

DBMS System Structure

Storage manager

The storage manager is responsible for

Interaction with the OS file manager
Efficient storing, retrieving and updating of data

Query processer

分为 DDL

Interpreter: Interpret DDL statements to relational-algebra expression
Compiler: Translate the expressions to evaluation plans
Evaluation Engine: Execute the low-level evaluation plan (, and return the query output)

Transaction manager

用于保证

原子性
一致性（注意不是 DDL 的一致性）
- 事务执行前后，数据库的状态都必须满足一定的约束条件，保证数据的逻辑完整性
  - e.g. A 向 B 转 100 元，那么，A 如果转出成功，那么 B 必须转入成功
隔离性
- 不干扰其他 txs 的执行
持久性（Durability）
- 一旦事务提交，其对数据库所做的更改将永久保存，即使系统发生故障也不会丢失

Lec 1: Introduction

ToC

Database system concepts

Database Applications

University Database Example

View of Data

Data Model

关系模型 (Relational Model):

OO 模型 (Object-Oriented Model):

OR 模型 (Object-Relational Model):

ER 模型 (Entity-Relationship Model):

Data Abstraction

Programming Language

DDL (Data Definition Language)

DML (Data Manipulation Language)

数据库设计示例：大学课程管理系统

DBMS System Structure

Storage manager

Query processer

Transaction manager

Database Users