1. 引言
本章围绕“数据库系统是什么、为何需要它们以及它们如何演化”展开，帮助建立后续章节的认知框架。
1.1 数据库与数据库管理系统
- 数据库（Database）：为刻画现实世界的实体与关系而组织的数据集合，规模大、类型多且长期存在。
- 数据库管理系统（DBMS）：用于存储、管理和保护数据库的软件，向上提供统一接口，向下屏蔽存储细节。
- 数据库系统（DBS）：由应用程序、DBMS、数据库以及数据库管理员（DBA）共同构成。
| 概念 | 关键作用 |
|---|---|
| 数据库 | 模拟现实世界，记录实体属性及相互关系 |
| DBMS | 负责数据定义、存取、并发、恢复、安全等 |
| DBA | 规划、维护并保障数据库服务质量 |
1.2 从文件到数据库
传统文件处理存在以下痛点：
- 需要应用自行管理缓冲、分页、地址等繁琐细节。
- 每种查询都要编写专用代码，难以统一优化。
- 多用户并发导致数据不一致，缺乏锁与恢复机制。
- 缺少权限、审计等安全能力。
DBMS 的优势体现在：
- 数据独立性与高效访问：通过模式-实例分离，降低应用耦合度。
- 集中管理：强制完整性约束、实现统一安全策略。
- 开发效率：标准化的 DDL、DML、视图等语言特性。
- 并发与恢复：内建锁管理、日志、崩溃恢复。
1.3 为什么学习数据库
- 社会从“计算”走向“信息”，数据规模与多样性急剧增长（数字图书馆、基因组、遥感等）。
- 数据库技术贯穿操作系统、编译、理论、AI、多媒体等计算机科学核心领域。
- 学习数据库有助于理解信息系统的建模、存储、访问与治理全流程。
1.4 数据、数据模型与模式
- 数据（Data）：描述客观事物的符号，是信息的载体。
- 数据模型（Data Model）：刻画数据结构、约束与操作的一组概念（如关系模型）。
- 模式（Schema）：在某个数据模型下对特定数据集合的描述。
关系模型是当今主流：
- 每个关系对应一张“表”，由行（元组）与列（属性）组成。
- 模式描述列名、数据类型及约束。
1.5 ANSI-SPARC 三层架构
ANSI-SPARC 体系将数据库抽象为三层：
- 外部模式（View）：面向具体用户或应用的视图。
- 概念模式（Logical Schema）：全局逻辑结构，定义所有实体及关系。
- 内部/物理模式（Physical Schema）：描述存储文件、索引等实现细节。
模式通过 DDL 定义，实例数据通过 DML 操作。三层分离保障逻辑与物理数据独立性，是使用 DBMS 的核心收益之一。
1.6 数据库技术发展与分类
按数据模型
- 1960 年前：无统一管理，面向科学计算。
- 1960s：文件系统出现，IDS（网络型）与 IMS（层次型）。
- 1970 年：Codd 提出关系数据模型，逐渐成为主流。
- 此后：对象、演绎、ER、面向对象-关系、XML 等模型不断出现。
按系统架构
集中式 → 并行 → 分布式 → 客户端/服务器 → 多层与 Web → 移动、云与网格。
按应用领域
OLTP、工程、时空、多媒体、数据仓库/OLAP、数据挖掘、知识管理等，各自带动 DBMS 能力扩展。
1.7 DBMS 核心能力
- 高级接口：图形工具、API、查询语言。
- 查询处理与优化：解析、重写、执行计划选择。
- 目录/元数据管理：记录模式、统计信息。
- 并发控制与恢复：事务、锁、日志、检查点。
- 完整性与安全：约束、视图、权限、审计。
1.8 数据库系统生命周期
- 规划：评估信息需求、业务流程、技术条件。
- 设计：概念、逻辑、物理设计及规范化。
- 建库与加载：搭建环境、导入初始数据。
- 运行与维护：备份恢复、性能优化、权限管理。
- 扩展与重构：适配新需求、新平台。
1.9 课程与参考
- 第 2 章：数据模型（关系、层次、网络、ER、面向对象等）。
- 第 3 章：SQL 语言与用户接口。
- 第 4 章：DBMS 架构、查询优化、事务、并发与恢复。
- 第 5 章：安全性与完整性约束。
- 第 6 章：数据库设计方法与规范化。
- 拓展：新型数据库与研究方向。
参考教材：Ramakrishnan & Gehrke《Database Management Systems》第三版；王珑《数据库系统教程》等。
1.10 小结与思考
- 数据库、DBMS 与数据库系统的区别是什么？
- 文件处理模式为何无法满足现代数据管理需求？
- 数据模型、模式与实例之间的关系如何？
- ANSI-SPARC 三层架构如何具体支撑数据独立性？
带着这些问题继续学习，可逐步构建对数据库系统的整体理解。