1.1.2 数据库技术的产生与发展

随着计算机技术，特别是数据库技术的产生与发展，数据处理过程也发生了巨大的变化，其核心就是数据管理。数据管理指的是对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护等。数据处理和数据管理是相互联系的，数据管理技术的优劣将直接影响数据处理的效率。

数据管理技术的发展经历了人工管理、文件系统、数据库三个阶段。

1. 人工管理阶段

在这一阶段（20世纪50年代中期以前），计算机主要用于科学计算。外部存储器只有磁带、卡片和纸带，软件只有汇编语言，尚无数据管理方面的软件。数据处理的方式基本上是批处理。这个时期数据管理的特点如下。

① 数据不保存。因为当时计算机主要用于科学计算，对于数据保存的需求尚不迫切。需要时把数据输入内存，运算后将结果输出，数据不保存在计算机中。

② 没有专用的软件对数据进行管理。在应用程序中，不仅要管理数据的逻辑结构，还要设计其物理结构、存取方法、输入/输出方法等。当存储改变时，应用程序中存取数据的子程序就需随之改变。

③ 数据不具有独立性。数据的独立性是指逻辑独立性和物理独立性。当数据的类型、格式或输入/输出方式等逻辑结构或物理结构发生变化时，必须对应用程序做出相应的修改。

④ 数据是面向程序的。一组数据只对应一个应用程序。即使两个应用程序都涉及某些相同数据，也必须各自定义，无法相互利用。因此，在程序之间有大量的冗余数据。

在人工管理阶段，上述数据与程序关系的特点如图1.1所示。

2. 文件系统阶段

在这一阶段（20世纪50年代后期到60年代中期），计算机不仅用于科学计算，还用于信息管理。此时，外部存储器已有磁盘、磁鼓等直接存取的存储设备，软件领域出现了高级语言和操作系统。操作系统中的文件系统是专门的数据管理软件。这时可以把相关的数据组成一个文件存放在计算机中，在需要时只要提供文件名，计算机就能从文件系统中找出所要的文件，把文件中存储的数据提供给用户进行处理。

（1）特点

① 数据以文件形式可长期保存在外部存储器的磁盘上。应用程序可对文件进行大量的检索、修改、插入和删除等操作。

② 文件组织已多样化。其有索引文件、顺序存取文件和直接存取文件等。因而，对文件中的记录可顺序访问，也可随机访问，便于存储和查找数据。

③ 数据与程序间有一定的独立性。数据由专门的软件即文件系统进行管理，程序和数据间由软件提供的存取方法进行转换，数据存储发生变化不一定影响程序的运行。

④ 对数据的操作以记录为单位。这是由于文件中只存储数据，不存储文件记录的结构描述信息。文件的建立、存取、查询、插入、删除、修改等所有操作，都要用程序来实现。

（2）存在的问题

在文件系统阶段，虽然给用户提供了一定的方便，但仍存在一些问题，主要表现如下。

① 数据冗余度大。由于各数据文件之间缺乏有机的联系，造成每个应用程序都有对应的文件，有可能同样的数据在多个文件中大量地被重复存储，数据不能共享。

② 数据独立性低。数据和程序相互依赖，一旦改变数据的逻辑结构，必须修改相应的应用程序。而应用程序发生变化，如改用另一种程序设计语言来编写程序，也需修改数据结构。

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。

这样，文件系统仍然是一个不具有弹性的无结构的数据集合。文件之间是孤立的，不能反映现实世界中事物之间的内在联系。在文件系统阶段，数据与程序的关系如图1.2所示。

3. 数据库阶段

数据管理技术进入数据库阶段是在20世纪60年代末。由于计算机应用于管理的规模更加庞大，数据量急剧增加，硬件方面出现了大容量磁盘，使计算机联机存取海量数据成为可能；硬件价格下降，而软件价格上升，使开发和维护系统软件的成本增加。文件系统的数据管理方法已无法适应开发应用系统的需要。为解决多用户、多个应用程序共享数据的需求，出现了统一管理数据的专门软件系统，即数据库管理系统，这使利用数据库技术管理数据变成了现实。

数据库有以下几方面的特点。

（1）数据共享性高、冗余度低。这是数据库系统阶段的最大改进，数据不再面向某个应用程序，而是面向整个系统，当前所有用户可同时访问数据库中的数据。这样便减少了不必要的数据冗余，节约了存储空间，同时也避免了数据之间的不相容性与不一致性。

（2）数据结构化。即按照某种数据模型，将应用的各种数据组织到一个结构化的数据库中。在数据库中，数据的结构化不仅要考虑某个应用的数据结构，还要考虑整个系统的数据结构，并且还要能够表示出数据之间的有机关联。

（3）数据独立性高。数据的独立性是指逻辑独立性和物理独立性。

数据的逻辑独立性是指当数据的总体逻辑结构改变时，数据的局部逻辑结构不变。由于应用程序是依据数据的局部逻辑结构编写的，所以应用程序不必修改，从而保证了数据与程序间的逻辑独立性。

数据的物理独立性是指当数据的存储结构改变时，数据的逻辑结构不变，从而应用程序也不必改变。

（4）有统一的数据控制功能。数据库为多个用户和应用程序所共享，对数据的存取往往是并发的，即多个用户可以同时存取数据库中的数据，甚至可以同时存取数据库中的同一个数据。为确保数据库数据的正确有效和数据库系统的有效运行，数据库管理系统提供下述四方面的数据控制功能。

① 数据的安全性控制。防止不合法使用数据造成数据的泄露和破坏，保证数据的安全和机密。例如，系统提供口令检查或其他手段来验证用户身份，防止非法用户使用系统；也可以对数据的存取权限进行限制，只有通过检查后，才能执行相应的操作。

② 数据的完整性控制。系统通过设置一些完整性规则以确保数据的正确性、有效性和相容性。正确性是指数据的合法性，如年龄属于数值型数据，只能包含阿拉伯数字0,1,…,9，不能包含字母或特殊符号。有效性是指数据是否在其定义的有效范围内，如月份只能用1～12之间的正整数表示。相容性是指表示同一事实的两个数据应相同，否则就不相容，如一个人不能有两个性别。

③ 并发控制。防止多用户同时存取或修改数据库时，因相互干扰而提供给用户不正确的数据，并使数据库受到破坏。

④ 数据恢复。当数据库被破坏或数据不可靠时，系统有能力将数据库从错误状态恢复到最近某一时刻的正确状态。

在数据库系统阶段，程序与数据之间的关系可用图1.3表示。