【數據庫系統概論】

只記錄了個人覺得的重點和難點知識，大部分是摘抄ppt，部分會給出自己的解答和擴展。

持續更新中

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1. 緒論

1.1 數據庫系統概述

數據（Data） ：數據庫存儲的基本對象，即數據表的一行數據，如一個學生

數據庫（Database，DB） ：長期儲存在計算機內、有組織的、可共享的大量數據的集合。
基本特徵

• 數據按一定的數據模型組織、描述和儲存
• 可爲各種用戶共享、冗餘度較小、易擴展
• 數據獨立性較高

數據庫管理系統 （DataBase Management System，DBMS） ：位於用戶應用與操作系統之間的一層數據管理軟件，是基礎軟件，是一個大型複雜的軟件系統，能夠科學地組織和存儲數據、高效地獲取和維護數據。
主要功能：

• 數據定義功能
  • 提供數據定義語言（DDL）
  • 定義數據庫中的數據對象
• 數據組織、存儲和管理
  • 分類組織、存儲和管理各種數據
  • 確定數據在存儲級別上的結構和存取方式
  • 實現數據之間的聯繫
  • 提供多種存取方法提高存取效率
• 數據操縱功能
  • 提供數據操縱語言（DML）
  • 實現對數據庫的基本操作 （查詢、插入、刪除和修改）
• 數據庫的事務管理和運行管理
  • 數據的安全性、完整性、多用戶對數據的併發使用
  • 發生故障後的系統恢復數據庫
  • 由數據庫管理系統統一管理和控制，保證事務正確運行
• 數據庫的建立和維護功能
  • 提供實用程序/工具，完成數據庫數據批量裝載，數據庫轉 儲，介質故障恢復，數據庫的重組織和性能監視等
• 其它功能
  • 數據庫管理系統與網絡中其它軟件系統的通信
  • 數據庫管理系統系統之間的數據轉換
  • 異構數據庫之間的互訪和互操作

也就是說，數據庫管理系統就是我們平時說的數據庫，如mysql數據庫就是一個數據庫管理系統

八大常見數據庫管理系統

數據庫系統 （ DataBase System ，DBS ） ：是指在計算機系統中引入數據庫後的系統構成。
在不引起混淆的情況下常常把數據庫系統簡稱爲數據庫。
數據庫系統的構成

• 數據庫
• 數據庫管理系統（及其應用開發工具）
• 應用程序
• 數據庫管理員（DataBase Administrator，DBA
  

數據管理：對數據進行分類、組織、編碼、存儲、檢索和維護 ，數據處理和數據分析的中心問題 。

數據管理技術發展：人工管理階段、文件系統階段、數據庫系統階段。

數據庫系統的特點：

• 數據結構化
• 數據的共享性高，冗餘度低且易擴充
• 數據獨立性高
• 數據由數據庫管理系統統一管理和控制

數據獨立性:指應用程序和數據結構之間相互獨立, 互不影響

• 物理獨立性：應用程序與數據的物理存儲是相互獨立的，數據的物理存儲改變了，應用程序不變
• 邏輯獨立性：

數據獨立性由數據庫管理系統的二級映像功能來保證。

數據庫管理系統提供的數據控制功能

• （1）數據的安全性（Security）保護：保護數據以防止不合法的使用造成的數據的泄密和破壞。
• （2）數據的完整性（Integrity）檢查：保證數據的正確性、有效性和相容性。
• （3）併發控制（Concurrency Control） 對多用戶的併發操作加以控制和協調，防止相互干擾而得到錯誤的結果。
• （4）數據庫恢復（Recovery） 將數據庫從錯誤狀態恢復到某一已知的正確狀態。

1.2 數據模型

數據模型是對現實世界數據特徵的抽象。

數據模型分爲兩類（兩個不同的層次）

• （1） 概念模型，也稱信息模型。它是按用戶的觀點來對數據和信息建模，用於數據庫設計。
• （2） 邏輯模型和物理模型。
  • 邏輯模型主要包括網狀模型、層次模型、關係模型、面向對象數據模型、對象關係數據模型、半結構化數據模型等。
  • 按計算機系統的觀點對數據建模，用於DBMS實現。
  • 物理模型是對數據最底層的抽象，描述數據在系統內（磁盤上）的表示方式和存取方法

概念模型

術語：

• （1）實體（Entity） 客觀存在並可相互區別的事物稱爲實體。 可以是具體的人、事、物或抽象的概念。 （一張表）
• （2）屬性（Attribute） 實體所具有的某一特性稱爲屬性。一個實體可以由若干個屬性來刻畫。 （字段）
• （3）碼（Key） 唯一標識實體的屬性集稱爲碼。 （主鍵）
• （4）實體型（Entity Type） 用實體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實體稱爲實體型
• （5）實體集（Entity Set） 同一類型實體的集合稱爲實體集
• （6）聯繫（Relationship） 現實世界中事物內部以及事物之間的聯繫在信息世界中反映爲實體（型）內部的聯繫和實體（型）之間的聯繫。
  • 實體內部的聯繫: 是指組成實體的各屬性之間的聯繫
  • 實體之間的聯繫: 通常是指不同實體集之間的聯繫 實體之間的聯繫有一對一（1:1）、一對多（1:n）和多對多（m:n）等多種類型

實體-聯繫方法（Entity-Relationship Approach）
ER圖

數據模型的組成要素：

• 數據結構–描述系統的靜態特性
• 數據操作–描述系統的動態特性
• 完整性約束

數據模型
常用數據模型：

• 層次模型：一棵樹，有且只有一個根節點；除根以外，其他節點有且只有一個父節點
  • 完整性約束條件：無父則無子；強外關聯；
• 網狀模型：更傾向於連接方式
• 關係模型：更傾向於表達一張表的結構；（就是我們常用的關係數據表，如同excel表）
  • 術語：
    • 關係（Relation）—— 一個關係對應通常說的一張表
    • 元組（Tuple）—— 表中的一行即爲一個元組
    • 屬性（Attribute）——表中的一列即爲一個屬性，給每一個屬性起一個名稱即屬 性名
    • 主碼（Key）——也稱碼鍵。表中的某個屬性組，它可以唯一確定一個元組
    • 域（Domain）——是一組具有相同數據類型的值的集合。 屬性的取值範圍來自某個域。 例：學生年齡屬性的域（15～45歲）， 性別的域是（男，女）， 系名的域是一個學校所有系名的集合；
    • 分量——元組中的一個屬性值。
    • 關係模式——對關係的描述 關係名（屬性1，屬性2，…，屬性n） 學生（學號，姓名，年齡，性別，系名，年級）
      
• 最基本的規範條件：關係的每一個分量必須是一個不可分的數據項，不允許表中還有表。
• 關係的完整性約束：

1.3 數據庫系統的結構

從數據庫應用開發人員角度看：
數據庫系統採用三級模式結構，是數據庫系統內部的系統結構
從數據庫最終用戶角度看，數據庫系統的結構有：

• 單用戶結構
• 主從式結構
• 分佈式結構
• 客戶-服務器
• 瀏覽器-應用服務器／數據庫服務器 等

數據庫系統模式
模式（Schema）

• 是對數據庫邏輯結構和特徵的描述
• 是型的描述，不涉及具體值
• 模式是相對穩定的

實例（Instance）

• 數據庫某一時刻的狀態——模式的一個具體值
• 同一個模式可以有很多實例
• 實例隨數據庫中的數據的更新而變動

數據庫系統的三級模式結構

理解三層模式：
內模式：記錄數據的物理結構和存儲方式，如使用堆存儲、壓縮存儲、加密等
模式： 數據庫中全體數據的邏輯結構和特徵的描述
外模式：數據庫用戶使用的局部數據的邏輯結構和特徵的描述

假設現在有一堆學生數據，存放在數據庫中，模式理解如下圖：

顯然，內模式和模式只有一種，外模式根據用戶需求，有多種。

三級模式是對數據的三個抽象級別。

數據庫管理系統內部提供二級映像

• Map：{外模式：模式映像 }
• Map：{模式：內模式映像 }

先舉個例子：
假設A和C認識，經常聯繫，他們直接聯繫，即A–>C。
有一天，C整容失敗了，A就不認識C了，AC就斷了。

現在加入映射。
A–>B–>C
A現在跟C聯繫，它需要通過B，這個B就是一個映射關係。
如果C現在整容了，管理員只需要讓B在認識一下C就行了（修改B），A繼續通過B找C，依舊能找到。
（爲什麼不修改A呢？因爲實際開發中，A作爲“用戶”，如果會因爲底層變動而改變，是非常不好的做法，這裏不多贅述，可以百度面向接口編程）

外模式/模式映像：

• 當模式改變時（例如增加新的關係、新的屬性、改變屬性的數據類型等），由數據庫管理員對各個外模式/模式的映像作相應改變，可以使外模式保持不變。應用程序是根據數據的外模式編寫的，從而應用程序不用修改，保證了數據與程序的邏輯獨立性，簡稱數據的邏輯獨立性。

（假設用戶想要的外模式視圖是(學號，姓名)，當數據本身的模式變了，管理員就讓映射關係變一下，用戶依舊能得到（學號，姓名））

模式/內模式映像：

• 數據庫只有一個模式，也只有一個內模式，所以模式/內模式映像是唯一的，它定義了數據全局邏輯結構與存儲結構之間的對應關係。例如，說明邏輯記錄和字段在內部是如何表示的。該映像定義通常包含在模式描述中。當數據庫的存儲結構改變時（例如選用了另一種存儲結構，即內模式變了），由數據庫管理員對模式/內模式映像作相應改變，可以使模式保持不變，從而應用程序也不必改變。保證了數據與程序之間的物理獨立性，簡稱數據的物理獨立性。

1.4 數據庫系統的組成

問題記錄

1. 如何理解數據獨立性中的邏輯獨立性

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