1.2 數據庫發展史

數據庫的歷史可以追溯到50多年前的20世紀60年代，那時的數據管理非常簡單。通過大量分類、比較和表格繪制的機器運行數百萬穿孔卡片來進行數據的處理，其運行結果將在紙上打印出來或者制成新的穿孔卡片。而數據管理就是對所有這些穿孔卡片進行物理存儲和處理。1951年雷明頓蘭德公司（Remington Rand Inc.）的一種叫做Univac I的計算機推出了一種一秒可以輸入數百條記錄的磁帶驅動器，從而引發了數據管理的革命。1956年IBM生產出第一個磁盤驅動器the Model 305 RAMAC。此驅動器有50個盤片，每個盤片直徑為2英尺，可以儲存5MB的數據。使用磁盤最大的好處是可以隨機地存取數據，而穿孔卡片和磁帶只能順序存取數據。1951年Univac系統使用磁帶和穿孔卡片存儲數據。

數據庫發展階段大致可分為如下幾個階段：人工管理階段、文件系統階段、數據庫系統階段、高級數據庫階段。

1.2.1 人工管理階段

20世紀50年代中期之前，計算機的軟、硬件均不完善。硬件存儲設備只有磁帶、卡片和紙帶，軟件方面還沒有操作系統。當時的計算機主要用于科學計算。這個階段由于還沒有軟件系統對數據進行管理，程序員在程序中不僅要規定數據的邏輯結構，還要設計其物理結構，包括存儲結構、存取方法、輸入/輸出方式等。當數據的物理組織或存儲設備改變時，用戶程序就必須重新編制。由于數據的組織面向應用，不同計算程序之間不能共享數據，使得不同的應用之間存在大量重復數據，很難維護應用程序之間數據的一致性，如圖1-1所示。這一階段的主要特征可歸納如下：

①計算機中沒有支持數據管理的軟件；

②數據組織面向應用，數據不能共享，數據重復；

③在程序中要規定數據的邏輯結構和物理結構，數據與程序不獨立；

④數據處理方式為批處理。

例如，Acrobat生成的數據與Word的數據無法共享，如圖1-2所示。

1.2.2 文件系統階段

文件系統階段的主要標志是計算機中有了專門管理數據庫的軟件——操作系統。20世紀50年代中期到60年代中期，由于計算機大容量存儲設備（如硬盤）的出現，推動了軟件技術的發展，而操作系統的出現標志著數據管理步入一個新的階段。在文件系統階段，數據以文件為單位存儲在外存，且由操作系統統一管理。操作系統為用戶使用文件提供了友好的界面。文件的邏輯結構與物理結構脫鉤，程序與數據分離，使數據與程序有了一定的獨立性。用戶的程序與數據可分別存放在外存儲器上，各應用程序可以共享一組數據，實現了以文件為單位的數據共享，文件系統結構圖如圖1-3所示。

在文件系統中，一個txt文檔既可以由Word軟件打開，也可以由記事本軟件打開，兩種應用程序共享一個txt文檔，如圖1-4所示。由于文件系統中數據的組織仍然是面向程序的，存在大量數據冗余，數據的邏輯結構不能方便地修改和擴充，數據邏輯結構的每一點微小改變都會影響到應用程序。

另一方面，文件之間互相獨立，不能反映現實世界中事物之間的聯系，操作系統不維護文件之間的聯系信息。如果文件之間有內容上的聯系，也只能由應用程序處理。例如，在Windows操作系統中的一個Word文檔，其中的文字數據不能夠被另外一個Word文檔直接使用，如圖1-5所示。如果兩個Word文檔有相同的數據，則必須各自復制一份，這種重復就是冗余，不方便維護。當圖1-5中任何一個學生更換電話號碼時，必須同時修改兩個文檔。如果修改有遺漏，則號碼不一致，其中必然有一個號碼是錯誤的。

1.2.3 數據庫系統階段

20世紀60年代后，隨著計算機在數據管理領域的普遍應用，人們對數據管理技術提出了更高的要求：希望面向企業或部門，以數據為中心組織數據，減少數據的冗余，提供更高的數據共享能力，同時要求程序和數據具有較高的獨立性，當數據的邏輯結構改變時，不涉及數據的物理結構，也不影響應用程序，以降低應用程序研制與維護的費用。數據庫技術正是在這樣一個應用需求的基礎上發展起來的。

數據庫技術有如下特點：

①面向企業或部門，以數據為中心組織數據，形成綜合性的數據庫，為各應用共享。

②采用一定的數據模型。數據模型不僅要描述數據本身的特點，而且要描述數據之間的聯系。

③數據冗余小，易修改，易擴充。不同應用程序根據處理要求，從數據庫中獲取需要的數據，這樣就減少了數據的重復存儲，也便于增加新的數據結構，便于維護數據的一致性。

④程序和數據有較高的獨立性。

⑤具有良好的用戶接口，用戶可方便地開發和使用數據庫。

⑥對數據進行統一管理和控制，提供了數據的安全性、完整性及并發控制。

從文件系統發展到數據庫系統，這在信息領域中具有里程碑的意義。在文件系統階段，人們在信息處理中關注的中心問題是系統功能的設計，因此程序設計占主導地位；在數據庫方式下，數據開始占據了中心位置，數據的結構設計成為信息系統首先關心的問題，而應用程序則以既定的結構為基礎進行設計。本階段文件系統結構圖如1-6所示。例如，在某大學的網絡服務軟件中“教師管理系統”、“學生管理系統”、“教務管理系統”通過SQL Server管理系統共享教務數據庫中的“學生表”、“課程表”、“教師表”、“成績表”，如圖1-7所示。