01 第1章 数据库原理与应用(SQL Server版)绪论.pptx

第1页：第一章绪论

第一章绪论

第2页：主要参考教材

主要参考教材

• 数据库技术与应用，毛一梅，郭红主编，高等教育出版社
• 数据库概论，王瑄，萨师煊主编，高等教育出版社出版

第3页：资料下载

资料下载

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教学互动入口

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第7页：第一章绪论

第一章绪论

• 1.1数据库系统概述
• 1.2管理技术的产生和发展
• 1.3数据库模型
• 1.4数据库系统的组成

第8页：数据库系统概述

数据库系统概述

• 1.
• 1.1数据
• 1.
• 1.2数据库
• 1.
• 1.3数据库管理系统
• 1.
• 1.4数据库系统

第9页：数据

数据

• 数据(Data)是数据库中存储的基本对象
• 数据的定义
  • 描述事物的符号记录
• 数据的种类
  • 数字、文字、图形、图象、声音
• 数据的特点
  • 数据与其语义是不可分的

第10页：数据举例

数据举例

• 学生档案中的学生记录（李明，男，1972，江苏，计算机系，1990）
• 数据的解释
  • 语义：学生姓名、性别、出生年月、籍贯、所在系别、入学时间
  • 解释：李明是个学生，1972年出生，江苏人，1990年考入计算机系

第11页：数据与信息的关系

数据与信息的关系

信息

以数据的形式表示，即数据是信息的载体；

信息

抽象的，而数据是具体的，信息不随数据设备所决定的数据形式而改变，信息是对数据的解释。而数据的表示方式可以是不同的，数据是对客观事实的记录，也是对信息的一种描述。

第12页：数据库

数据库

1.1.2数据库人们收集并抽取出一个应用所需要的大量数据之后，应将其保存起来以供进一步加工处理，进一步抽取有用信息。

第13页：数据库的定义

数据库的定义

• 数据库(Database,简称DB)是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据集合

第14页：数据库的特征

数据库的特征

• 数据按一定的数据模型组织、描述和储存
• 可为各种用户共享
• 冗余度较小
• 数据独立性较高
• 易扩展

第15页：数据库技术要解决的主要问题

数据库技术要解决的主要问题

• 如何科学地组织和存储数据，如何高效地获取、更新和加工处理数据，并保证数据的安全性、可靠性和共享性。

第16页：数据库管理系统

数据库管理系统

• 什么是DBMS
  • 数据库管理系统（DatabaseManagementSystem，简称DBMS）是位于用户与操作系统之间的一层数据库管理软件。
• DBMS的用途
  • 科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据

第17页：DBMS的主要功能

DBMS的主要功能

• 数据定义功能提供数据定义语言(DDL)定义数据库中的数据对象
• 数据操纵功能:提供数据操纵语言(DML)操纵数据实现对数据库的基本操作(查询、插入、删除和修改)
• 数据组织、存储和管理分类组织、存储和管理各种数据。基本目标：提高存储空间利用率、方便存取。

第18页：DBMS的主要功能

DBMS的主要功能

• 数据库的事务管理和运行管理保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用发生故障后的系统恢复
• 数据库的建立和维护功能(实用程序)数据库数据批量装载数据库转储介质故障恢复数据库的重组织性能监视等

第19页：DBMS的其它功能

DBMS的其它功能

• DBMS与其它软件系统的通信。
• 一个DBMS与另一个DBMS或文件系统的数据转换
• 异构数据库之间的互访和互操作功能等。

第20页：数据库系统

数据库系统

• 什么是数据库系统
  • 数据库系统（DatabaseSystem，DBS）是实现有组织地、动态地存储大量关联数据，方便多用户访问的计算机软件、硬件和数据资源组成的系统，即采用了数据库技术的计算机系统。
  • 从狭义上来讲，数据库系统主要是指数据库、数据库管理系统和用户。从广义上来讲，它不仅包括数据库、数据库管理系统和用户，还包括计算机硬件、操作系统和维护人员。其中，数据库管理系统是数据库系统的核心和主体，它保证了数据库的独立性和共享性。
• 数据库系统的构成
  • 由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员（和用户）构成。

第21页：数据库系统的特点

数据库系统的特点

• 数据独立性
• 数据结构化
• 数据共享性高、冗余度低、易扩充
• 数据由DBMS统一管理和控制

第22页：数据独立性

数据独立性

• 物理独立性
  • 指用户的应用程序与存储在磁盘上的数据库中数据是相互独立的。当数据的物理存储改变了，应用程序不用改变。
• 逻辑独立性
  • 指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，用户程序也可以不变。

第23页：数据结构化

数据结构化

整体数据的结构化

数据库的主要特征之一。

数据库中实现的

数据的真正结构化

第24页：数据共享性高、冗余度低、易扩充

数据共享性高、冗余度低、易扩充

• 数据可被多个用户、多个应用程序所共享。
• 可以方便地增加新的应用。

第25页：数据由DBMS统一管理和控制

数据由DBMS统一管理和控制

• 数据的安全性（Security）保护
  • 使每个用户只能按指定方式使用和处理指定数据，保护数据以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏。
• 数据的完整性（Integrity）检查
  • 将数据控制在有效的范围内，或保证数据之间满足一定的关系。

第26页：DBMS对数据的控制功能

DBMS对数据的控制功能

• 并发（Concurrency）控制
  • 对多用户的并发操作加以控制和协调，防止相互干扰而得到错误的结果。
• 数据库恢复（Recovery）
  • 将数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态。

第27页：小结：数据

小结：数据

数据

对客观事实的记录

数据库

长期存放的、有组织的、可共享的、大量数据的集合。

数据库管理系统

是实现有组织地、动态地存储大量关联数据，方便多用户访问的计算机软件、硬件和数据资源组成的系统。

数据库系统

由数据库、数据库管理系统（及开发工具）、应用系统、数据库管理员构成

第28页：数据管理技术的产生和发展

数据管理技术的产生和发展

• 什么是数据管理
  • 对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，是数据处理的中心问题
• 数据管理技术的发展过程
  • 人工管理阶段(40年代中--50年代中)
  • 文件系统阶段(50年代末--60年代中)
  • 数据库系统阶段(60年代末--现在)

第29页：人工管理阶段

人工管理阶段

时间

(40年代中--50年代中)

计算机的用途

当时计算机主要用于科学计算。

设备条件

当时的外存只有纸带、卡片、磁带，没有磁盘等直接存取的存储设备，

操作方法

数据只是在需要时输入，用完后撤走，且没有专门用于管理硬件设备的操作系统，没有管理数据的专门软件，数据开发人员在应用程序中自己设计、定义和管理数据。

第30页：文件系统阶段

文件系统阶段

时间

50年代末--60年代中

计算机的用途

计算机的应用范围不再局限于科学计算，可以对信息进行处理

条件

有了磁盘、磁鼓等直接存取的存储设备，操作系统中已经有了专门的数据管理软件，一般称为文件系统。

处理方式

在文件系统阶段，数据可以以文件的组织方式长期保存在外存上，供应用程序反复进行查询、修改、插入、删除等操作；程序和数据之间有了一定的独立性，操作系统提供了文件管理功能和访问文件的存取方法，程序和数据之间有了数据存取的接口，数据具有一定的共享性，

第31页：文件系统阶段的不足之处

文件系统阶段的不足之处

• 它的共享性是有一定局限的，当不同的应用程序使用具有部分相同的数据时，仍必须建立各自的文件，而不能共享相同的数据，造成数据的冗余度大，不能确保数据的一致性。文件系统阶段的数据与程序之间相互依赖性还是比较强的。

第32页：数据库系统阶段

数据库系统阶段

• 数据库是由逻辑上关联的数据组成的，它存储在一个数据“储藏室”中，数据库在最终用户数据的存储、访问和管理方面采用了不同的方式，通过数据库系统中的数据库管理系统软件，人们可以在很大程度上消除在文件系统中存在的数据不一致、数据异常、数据依赖和结构依赖等问题。

第33页：数据库系统与文件系统的主要区别

数据库系统与文件系统的主要区别

文件系统

操作系统的重要组成部分，而数据库管理系统是独立于操作系统、在操作系统之上实现的软件，数据库中数据的组织和存储是通过操作系统中的文件系统来实现的；

文件系统中的文件

为某一特定应用服务的，文件的逻辑结构对该应用程序来说是优化的，但要想对现有的数据再增加一些新的应用会很困难，系统不容易扩充；数据库系统面向现实世界，它共享性高、冗余度小、易扩充，具有较高的物理独立性和一定的逻辑独立性，整体数据结构化，用数据模型来描述，由数据库管理系统提供数据的安全性、完整性、并发控制能力和数据恢复能力。

第34页：使用数据库系统的优点

使用数据库系统的优点

• 使用数据库系统可以大大提高应用开发的效率。
• 使用数据库系统可以减少开发人员的工作量。
• 使用数据库系统可以减轻数据库系统管理人员维护系统的负担。总之，使用数据库系统的优点是很多的，既便于数据的集中管理，控制数据冗余，提高数据的利用率和一致性，又有利于应用程序的开发和维护。

第35页：数据模型

数据模型

• 1.
• 3.1数据模型的基本概念
• 1.
• 3.2数据库的结构模型

第36页：数据模型的基本概念

数据模型的基本概念

数据模型

现实世界数据特征的抽象，是现实世界的模拟。

数据模型

数据库系统的核心和基础。

数据库模型

数据库中用来表示数据结构和数据联系的逻辑概述的集合.

数据库模型可以分为两种类型

概念模型和结构模型。

第37页：数据模型的基本要求

数据模型的基本要求

• 能比较真实地模拟现实世界
• 容易为人所理解
• 便于在计算机上实现

第38页：两类数据模型

两类数据模型

概念模型

即信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计。

逻辑模型

逻辑模型包括层次模型、网状模型、关系模型等；

物理模型

物理模型是对数据最低层的抽象，是描述数据在系统内部的表示方式和存储方式，是面向计算机的。

第39页：数据模型的组成要素

数据模型的组成要素

• 数据结构
• 数据操作
• 数据的约束条件

第40页：数据结构

数据结构

什么

数据结构

数据结构

对系统静态特性的描述

第41页：数据操作

数据操作

• 数据操作
  • 对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作及有关的操作规则
• 数据操作的类型
  • 检索
  • 更新（包括插入、删除、修改）

第42页：数据模型对操作的定义

数据模型对操作的定义

• 操作的确切含义
• 操作符号
• 操作规则（如优先级）
• 实现操作的语言
• 数据操作是对系统动态特性的描述。

第43页：数据的约束条件

数据的约束条件

• 数据的约束条件
  • 一组完整性规则的集合。
  • 完整性规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和储存规则，用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。

第44页：数据模型对约束条件的定义

数据模型对约束条件的定义

• 反映和规定本数据模型必须遵守的基本的通用的完整性约束条件。
• 提供定义完整性约束条件的机制，以反映具体应用所涉及的数据必须遵守的特定的语义约束条件。

第45页：数据库结构模型

数据库结构模型

• 数据库模型的3个方面内容完整地描述了一个数据模型，其中的数据结构是描述模型性质的重要方面。
• 因此，在数据库系统中，通常按照数据结构来命名数据模型，常用的数据结构模型有层次模型、网状模型和关系模型。

第46页：层次模型

层次模型

• IBM公司在1968年开发的层次数据库系统IMS(Information Management System)是最典型的一种适合其主机的层次数据库。这是IBM公司首次研制成功的大型数据库系统软件产品。
• 层次模型采用树型结构表示数据之间的联系，树的节点称为记录，记录之间只有简单的层次关系。

第47页：层次数据模型的数据结构

层次数据模型的数据结构

• 层次模型满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型。1.有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点2.根以外的其它结点有且只有一个双亲结点
• 层次模型中的几个术语
  • 根结点，双亲结点，兄弟结点，叶结点

第48页：层次模型树型结构

层次模型树型结构

Ｒ1根结点Ｒ2兄弟结点Ｒ3叶结点Ｒ4兄弟结点Ｒ5叶结点叶结点

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第49页：层次模型记录型结构

层次模型记录型结构

记录型系的子女结点记录型教员的双亲结点字段根节点叶节点叶节点

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第50页：教师学生层次数据库实例

教师学生层次数据库实例

教师学生层次数据库的一个值

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第51页：层次数据模型的数据结构特点

层次数据模型的数据结构特点

• 结点的双亲是唯一的
• 只能直接处理一对多的实体联系
• 每个记录类型定义一个排序字段，也称为码字段
• 任何记录值只有按其路径查看时，才能显出它的全部意义
• 没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在

第52页：层次模型的一个基本特点

层次模型的一个基本特点

• 任何一个给定的记录值只有按其路径查看时，才能显出它的全部意义，没有一个子记录值能够脱离其父记录值而独立存在。

第53页：层次模型的数据操纵

层次模型的数据操纵

• 查询
• 插入
• 删除
• 更新

第54页：层次模型的完整性约束

层次模型的完整性约束

• 无相应的双亲结点值就不能插入子女结点值
• 如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除
• 更新操作时，应更新所有相应记录，以保证数据的一致性

第55页：层次模型的优缺点

层次模型的优缺点

• 优点
  • 层次数据模型简单，对具有一对多的层次关系的部门描述自然、直观，容易理解
  • 性能优于关系模型，不低于网状模型
  • 层次数据模型提供了良好的完整性支持
• 缺点
  • 多对多联系表示不自然
  • 对插入和删除操作的限制多
  • 查询子女结点必须通过双亲结点
  • 层次命令趋于程序化

第56页：典型的层次数据库系统IMS数据库管理系统

典型的层次数据库系统IMS数据库管理系统

• 第一个大型商用DBMS
• 1968年推出
• IBM公司研制

第57页：网状模型1961年通用电气公司

网状模型1961年通用电气公司

2、网状模型1961年通用电气公司(GeneralElectricCo.)的CharlesBachman成功地开发出世界上第一个网状数据库管理系统——集成数据存储(IntegratedDataStore，IDS)，奠定了网状数据库的基础，并在当时得到了广泛的发行和应用。IDS具有数据模式和日志的特征，但它只能在GE主机上运行，并且数据库只有一个文件，数据库中所有的表必须通过手工编码来生成。通用电气公司的一个客户——BFGoodrichChemical公司最终不得不重写了整个系统，并将重写后的系统命名为集成数据管理系统(IntegratedDataManagementSystem,IDMS)。

第58页：网状数据模型的数据结构

网状数据模型的数据结构

• 满足下面两个条件的基本层次联系的集合为网状模型。1.允许一个以上的结点无双亲；2.一个结点可以有多于一个的双亲。

第59页：Ｒ1Ｒ2R3L1

Ｒ1Ｒ2R3L1

• 网状模型中子女结点与双亲结点的联系可以不唯一
• 要为每个联系命名，并指出与该联系有关的双亲记录和子女记录

第60页：两结点间多种联系

两结点间多种联系

Ｒ1L1 L2R2二个节点之间的多种联系

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第61页：网状模型与层次模型的区别

网状模型与层次模型的区别

• 网状模型允许多个结点没有双亲结点
• 网状模型允许结点有多个双亲结点
• 网状模型允许两个结点之间有多种联系（复合联系）
• 网状模型可以更直接地去描述现实世界
• 层次模型实际上是网状模型的一个特例

第62页：学生宿舍网状模型实例

学生宿舍网状模型实例

学生宿舍学生教研室系教师

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第63页：网状模型多种联系举例

网状模型多种联系举例

网状数据模型中的多种联系父母人子女树种植砍伐养育赡养

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第64页：网状模型的数据操纵

网状模型的数据操纵

• 查询
• 插入
• 删除
• 更新

第65页：网状数据模型的完整性约束

网状数据模型的完整性约束

• 网状数据模型一般来说没有层次模型那样严格
• 网状数据库系统（如DBTG）对数据操纵加了一些限制，提供了一定的完整性约束
• 码：唯一标识记录的数据项的集合
• 一个联系中双亲记录与子女记录之间是一对多联系
• 支持双亲记录和子女记录之间某些约束条件

第66页：网状模型的优缺点

网状模型的优缺点

• 优点
  • 能够更为直接地描述现实世界
  • 具有良好的性能，存取效率较高
• 缺点
  • 结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握
  • DDL、DML语言复杂，用户不容易使用

第67页：典型的网状数据库系统

典型的网状数据库系统

• DBTG系统，亦称CODASYL系统
  • 由DBTG提出的一个系统方案
  • 奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术
  • 70年代推出
• 实际系统
  • CullinetSoftwareInc.公司的IDMS
  • Univac公司的DMS1100
  • Honeywell公司的IDS/2
  • HP公司的IMAGE

第68页：关系模型

关系模型

• 1970年，IBM的研究员E.F.Codd博士在刊物Communication of the ACM上发表了一篇名为ARelational Model of Data for Large Shared DataBanks的论文，提出了关系模型的概念，它对用户和设计者来说都是一个重大的突破，确立了关系模型的理论基础。
• 关系模型用二维表格表示数据之间的联系，是目前最重要的数据模型。
• 关系模型建立在严格的数学概念的基础上，从用户角度来看，关系模型由一组关系组成，每个关系的数据结构是一张规范化的二维表。

第69页：关系模型的基本概念

关系模型的基本概念

• 关系（Relation）一个关系对应通常说的一张表。
• 元组（Tuple）表中的一行即为一个元组。
• 属性（Attribute）表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名。

第70页：主码、域、分量元组中的一个属性

主码、域、分量元组中的一个属性

• 主码（Key）表中的某个属性或属性组，它可以唯一确定一个元组。
• 域（Domain）属性的取值范围。
• 分量元组中的一个属性值。
• 关系模式对关系的描述关系名（属性1，属性2，…，属性n）学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级）

第71页：关系数据模型的数据结构

关系数据模型的数据结构

• 在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。

第72页：关系模型中、关系必须是规范化

关系模型中、关系必须是规范化

• 在关系模型中，实体以及实体间的联系都是用关系来表示的。
• 关系必须是规范化的，满足一定的规范条件。最基本的规范条件：关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项。

第73页：关系术语与表格术语对照

关系术语与表格术语对照

关系术语与一般表格术语的对应关系

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第74页：关系模型的数据操纵

关系模型的数据操纵

• 查询、插入、删除、更新
• 数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合
• 存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”，不必详细说明“怎么干”

第75页：关系模型的完整性约束

关系模型的完整性约束

• 实体完整性
• 参照完整性
• 用户定义的完整性

第76页：关系模型的优点

关系模型的优点

• 优点
  • 建立在严格的数学概念的基础上
  • 概念单一。数据结构简单、清晰，用户易懂易用
• 实体和各类联系都用关系来表示。
• 对数据的检索结果也是关系。
  • 关系模型的存取路径对用户透明
• 具有更高的数据独立性，更好的安全保密性
• 简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作

第77页：关系模型的缺点

关系模型的缺点

• 存取路径对用户透明导致查询效率往往不如非关系数据模型
• 为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化，增加了开发数据库管理系统的难度

第78页：典型的关系数据库系统

典型的关系数据库系统

• ORACLE
• SYBASE
• MS SQL Server
• INFORMIX
• DB/2
• COBASE
• PBASE
• EasyBase
• OpenBase

第79页：数据库系统结构

数据库系统结构

• 从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构
• 从数据库最终用户角度看（数据库系统外部的体系结构），数据库系统的结构分为:
  • 单用户结构
  • 主从式结构
  • 分布式结构
  • 客户／服务器
  • 浏览器／应用服务器／数据库服务器多层结构等

第80页：数据库系统模式的概念

数据库系统模式的概念

• “型”和“值”的概念
  • 型（Type）对某一类数据的结构和属性的说明
  • 值（Value）是型的一个具体赋值例如：学生记录记录型：（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）该记录型的一个记录值：（900201，李明，男，计算机，22，江苏）

第81页：模式、模式的一个实例

模式、模式的一个实例

• 模式（Schema）
  • 数据库逻辑结构和特征的描述
  • 是型的描述
  • 反映的是数据的结构及其联系
  • 模式是相对稳定的
• 模式的一个实例（Instance）
  • 模式的一个具体值
  • 反映数据库某一时刻的状态
  • 同一个模式可以有很多实例
  • 实例随数据库中的数据的更新而变动

第82页：数据库系统的三级模式结构

数据库系统的三级模式结构

• 模式（Schema）
• 外模式（External Schema）
• 内模式（Internal Schema）

第83页：数据库

数据库

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第84页：模式（Schema）

模式（Schema）

• 模式（也称逻辑模式）
  • 数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述
  • 所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求
• 一个数据库只有一个模式
• 模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层
  • 与数据的物理存储细节和硬件环境无关
  • 与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关
• 模式的定义
  • 数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）
  • 数据之间的联系
  • 数据有关的安全性、完整性要求

第85页：外模式（External Schema）

外模式（External Schema）

• 外模式（也称子模式或用户模式）
  • 数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述
  • 数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示

第86页：外模式（续）

外模式（续）

• 外模式的地位：介于模式与应用之间
  • 模式与外模式的关系：一对多
• 外模式通常是模式的子集
• 一个数据库可以有多个外模式。反映了不同的用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求
• 对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同
  • 外模式与应用的关系：一对多
• 同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用，
• 但一个应用程序只能使用一个外模式。

第87页：外模式（续）

外模式（续）

• 外模式的用途保证数据库安全性的一个有力措施。每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据

第88页：．内模式

．内模式

• 内模式（也称存储模式）
  • 是数据物理结构和存储方式的描述
  • 是数据在数据库内部的表示方式
• 记录的存储方式（顺序存储，按照B树结构存储，按hash方法存储）
• 索引的组织方式
• 数据是否压缩存储
• 数据是否加密
• 数据存储记录结构的规定
• 一个数据库只有一个内模式

第89页：-1.4小结

-1.4小结

• 数据模型
  • 网状模型、关系模型的数据结构、数据操作、数据完整性约束和数据模型的存储结构。要求重点掌握关系模型的相关知识。
• 数据库系统模式
  • 数据库系统模式的概念、数据库系统的三级模式结构。要求熟悉数据库系统模式的概念，掌握外模式、内模式、模式等术语。

第90页：作业：教材中习题一

作业：教材中习题一

• 教材中习题一
  • 其中辨析题要求对不正确的命题进行更正。