任务1.1.1 了解数据库的发展阶段

微课1-1

了解数据库的发展阶段

最早的计算机主要应用于军事和科学研究领域，随着计算机理论研究的深入和计算机技术的发展，从20世纪50年代开始，计算机的主要应用逐渐变为一般的数据及事务处理。伴随着这种转变的逐渐深入，以数据处理为核心的数据库技术随之发展并成熟起来，成为计算机科学技术中应用最为广泛和最为重要的技术之一。

所谓数据处理，就是从已有数据出发，经过适当加工、处理得到新的所需数据的过程。数据处理一般分为数据计算和数据管理两部分。数据计算相对简单，数据管理却比较复杂，是数据处理过程的主要内容与核心部分。一般认为，数据管理主要是指数据的收集、整理、组织、存储、维护、检索和传送等操作。从数据管理的角度来看，计算机数据处理技术经历了以下3个阶段：人工管理阶段、文件系统阶段、数据库系统阶段。

1.人工管理阶段

20世纪50年代中期以前为人工管理阶段，是计算机数据管理的初级阶段。

在这一阶段，计算机被当成一种计算工具，主要用于科学计算。硬件中的外存只有卡片、纸带、磁带，没有磁盘等直接存储设备；软件只有汇编语言，没有操作系统，更无统一的管理数据的软件；数据的管理完全在程序中进行，数据处理的方式基本上是批处理。人工管理阶段的特征如下。

（1）数据不保存

由于主要用于科学计算，所以一般不需要将数据长期保存。计算某一课题时将数据输入，计算完毕就将数据撤走，用户提供的数据是如此处理的，系统软件运行过程中产生的数据也是这样处理的。

（2）应用程序管理数据

由于没有相应软件系统完成数据的管理工作，所以应用程序不仅要规定好数据的逻辑结构，还要规定数据的存储结构、存取方法、输入方式、地址分配等。

（3）数据无共享

数据是面向程序的，数据由应用程序自行携带，一组数据只能对应一个应用程序，很难实现多个应用程序共享数据资源，这就使应用程序严重依赖数据。一个应用程序携带的数据，在应用程序运行结束后就连同该应用程序一起退出计算机系统。如果别的应用程序想使用该应用程序的数据，则只能重新组织携带，因此应用程序之间有大量的冗余数据。

（4）数据不独立

由于应用程序只负责管理数据，所以数据与应用程序不具有独立性。如果数据的类型、格式、存取方法或输入/输出方式等逻辑结构或物理结构发生变化，就必须对应用程序做出相应的修改，程序员负担相当重。

人工管理阶段应用程序与数据集之间的对应关系如图1-2所示。

2.文件系统阶段

20世纪50年代后期至20世纪60年代中期，随着计算机软硬件的发展，出现了文件系统，其负责对数据进行管理。

在这一阶段，计算机已大量用于信息管理。硬件有了磁盘、磁鼓等直接存储设备。在软件方面，出现了高级语言和操作系统。操作系统中有了专门管理数据的软件，称为文件系统。用户可以把相关数据组织成一个文件存放在计算机中，由文件系统对数据的存取进行管理，处理方式有批处理和联机处理。

（1）文件系统阶段的特点

① 数据可以长期保存。

数据以文件的形式存储在计算机的直接存储设备中，可长期保存并反复使用。用户可随时对文件进行查询、修改、插入和删除等操作。

② 由文件系统管理数据。

由专门的软件（即文件系统）进行数据管理，文件系统把数据组织成相互独立的数据文件，利用“按文件名访问，按记录进行存取”的管理技术，提供了对文件进行打开与关闭、对记录进行读取和写入的操作。程序员只需与文件名打交道，不必明确数据的物理存储，大大减轻了程序员的负担。

（2）文件系统阶段存在的问题

文件系统阶段对数据的管理有了巨大进步，但一些根本问题仍没有彻底解决，具体如下。

① 数据共享性差，冗余度大。

在文件系统中，一个（或一组）文件基本上对应一个应用程序，即文件仍然是面向应用程序的。当不同的应用程序具有部分相同的数据时，也必须建立各自的文件，而不能共享相同的数据，因此数据冗余度大，浪费存储空间。

② 数据独立性差。

文件系统中的文件是为某一特定的应用程序服务的，文件的逻辑结构是针对具体的应用程序来设计和优化的，因此文件中的数据要再被一些新的应用程序使用会很困难。

③ 数据一致性差。

由于相同数据的重复存储、各自管理，在进行更新操作时，容易造成数据的不一致，给数据的修改和维护带来困难。

文件系统阶段应用程序与文件之间的对应关系如图1-3所示。

3.数据库系统阶段

自20世纪60年代后期以来，计算机管理的对象规模越来越大，应用范围越来越广泛，数据量急剧增加，同时，多种应用、多种语言互相覆盖的共享集合的需求越来越强烈。

在这种背景下，将文件系统作为数据管理手段已经不能满足需求，为了解决多用户、多应用程序共享数据的要求，出现了统一管理数据的专门软件系统—数据库管理系统（Database Management System, DBMS）。

数据库是长期存储在计算机内、有组织、可共享的大量数据的集合。它可以供不同用户共享，具有最小冗余度和较高的数据独立性。DBMS在数据库建立、运用和维护时对数据库进行统一控制，以保证数据的安全性和完整性，并且在多用户同时使用数据库时可以进行并发控制，以及在发生故障后对数据库进行恢复。

（1）数据库管理技术的突破

数据库管理技术进入新时代离不开里程碑式的技术突破，以下3件大事为数据库技术的突破奠定了基础。

① 1968年，美国IBM公司推出了世界上第一个基于层次模型的大型商用DBMS——信息管理系统（Information Management System,IMS）。

② 1969年，美国数据系统语言协会（Conference on Data System Language, CODASYL）下属的数据库任务组（Database Task Group, DBTG）提出了基于网状模型的数据库任务组系统。

③ 1970年，美国IBM公司的高级研究员科德（E.F.Codd）发表论文提出关系模型，此模型奠定了关系数据库的理论基础。

（2）数据库系统阶段的特点

与人工管理阶段和文件系统阶段相比，数据库系统阶段主要有如下特点。

① 数据高度结构化。

数据结构化是数据库系统与文件管理系统的根本区别。数据库系统不仅会考虑数据项之间的联系，还会考虑数据类型之间的联系。在数据库系统中，不仅数据内部具有结构化特征，数据整体也是结构化的，即数据之间是有联系的。例如，某学校的信息管理系统除了会考虑教务处的学生成绩管理、选课管理，还会考虑学籍管理处的学生基本信息管理，人事处的教职工基本信息管理、薪酬管理等。因此，该学校的信息管理系统中的数据就要面向学校所有部门的应用，而不仅是教务处的学生选课应用。

② 数据的共享性高、冗余度小，易于扩充。

数据库中的数据是高度共享的，数据不再只是面向某个单独的应用，是面向整个系统。也就是说，同一个用户可以因不同的应用目的访问同一数据；不同用户可以同时访问同一数据，即“并发访问”。

③ 数据独立性高。

用户只需关注数据库名、数据文件名和文件中的属性名等逻辑概念，不用过多考虑数据的实际物理存储，也就是不需要关心实际数据究竟存储在磁盘的什么位置。更准确地说，数据库系统同时具有物理独立性与逻辑独立性。

物理独立性是指改变数据库物理结构时不必修改现有的应用程序。数据在磁盘上的存储方式由DBMS管理，应用程序无须了解，即当数据的物理存储方式改变时，应用程序不用改变。

逻辑独立性是指逻辑数据独立性，是指改变数据库逻辑结构时不用改变应用程序。用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的，即当数据的逻辑结构改变时，应用程序可以不变。

DBMS提供的二级映像功能保证了数据独立性，相关内容将在后面的项目中进行讨论。

④ 数据安全性和正确性高。

数据库的共享会为数据库带来安全隐患，并且数据库的共享具有并发的特征，即多个用户能够同时对数据库中的数据进行存取，甚至可以同时存取数据库中的同一个数据，这可能会存在用户操作相互干扰的隐患。因此，需要一组软件提供相应的工具对数据进行管理和控制，使用 DBMS 可以达到保证数据的安全性和正确性的基本要求。

● 保证数据的安全性。

保证数据的安全性是指对数据进行保护，以防止不正当使用造成的数据泄露及破坏。用户只能用合法的方式对数据进行使用和处理。

● 数据的完整性检查。

数据的完整性是指数据的正确性、有效性和相容性。完整性检查将数据控制在有效的范围内，并保证数据间所具有的关系完整。

● 并发控制。

当多个用户并发操作，同时存取或修改数据时，其相互间可能会产生干扰，从而得到错误的结果，或破坏数据库的完整性，因此多用户的并发进程必须受到DBMS的控制和协调。

● 数据库恢复。

在日常的数据库管理中可能会遇到机器损坏或者人为失误的问题。例如，计算机系统的软硬件故障、数据库管理员的失误甚至故意破坏，这些都会破坏数据库中数据的正确性，甚至造成数据库中部分甚至全部数据丢失。因此，DBMS需具备使数据库从错误状态恢复到某一已知的正确状态（也可称为一致状态）的功能，即数据库恢复功能。

数据库系统阶段应用程序与数据库之间的对应关系如图1-4所示。