資料庫的基礎概念

1 基本概念

1.1 資料庫與資料庫管理系統

資料庫系統（DataBase System, DBS）是一個采用了資料庫技術，有組織地、動态地存儲大量相關聯資料，友善多使用者通路的計算機系統。

廣義上講，DBS是由資料庫、硬體、軟體（作業系統、資料庫管理系統DBMS、應用程式）、人員（系統分析員和資料庫設計人員、應用程式員、最終使用者、資料庫管理者）組成。

使用者操作應用程式，應用程式依賴DBMS，DBMS依賴作業系統，作業系統操作具體的硬體；

1.2 DBMS的功能

（1）資料定義（Data Definition Lanaguage, DDL）：所有建立語句；

（2）資料操作（Data Manipulation Language, DML）：所有操作語句；

（3）資料庫運作管理：并發管理、安全性管理、存取控制、完整性檢查、日志管理、事務管理、自動恢複等；

（4）資料組織、存儲和管理：分類組織、存儲、管理；

（5）資料庫的建立和維護

（6）其他功能

1.3 DBMS的特征與分類

特征

（1）資料結構化且統一管理；

（2）有效高的資料獨立性；

（3）資料控制功能；

（4）故障恢複；

分類

通常分以下三類：

（1）關系資料庫系統（Relation DataBase System, RDBS）

（2）面向對象資料庫系統（Object-Oriented DataBase System, OODBS）

（3）對象關系資料庫系統（Object-Oriented Relation DataBase System, OORDBS）

1.4 資料庫系統的體系結構

從資料庫管理系統角度看，資料庫系統通常采用三級模式結構；

從最終使用者角度看，資料庫系統結構分為集中式結構、C/S結構、并行結構、分布式結構；

1.5 資料庫的三級模式結構

資料庫領域公認的标準結構是三級模式結構，它包括外模式、模式和内模式，有效地組織、管理資料，提高了資料庫的邏輯獨立性和實體獨立性。使用者級對應外模式，概念級對應模式，實體級對應内模式，使不同級别的使用者對資料庫形成不同的視圖。所謂視圖，就是指觀察、認識和了解資料的範圍、角度和方法，是資料庫在使用者“眼中"的反映，很顯然，不同層次（級别）使用者所“看到”的資料庫是不相同的。

三級模式

模式（邏輯模式）：又稱概念模式或者邏輯模式，對應于概念級，它是資料庫設計者綜合所有使用者的資料，按照統一的觀點構造的全局邏輯結構，是對資料庫中全部資料的邏輯結構和特征的總體描述，是所有使用者的公共資料視圖。它是由資料庫管理系統提供的資料模式描述語言（Data Description Language，DDL）來描述、定義的，展現、反應了資料庫系統的整體觀。一個資料庫隻有一個模式。

外模式（使用者模式）：又稱子模式或使用者模式，對應于使用者級。它是某個或某幾個使用者所看到的資料庫的資料視圖，是與某一應用有關的資料的邏輯表示。外模式是從模式導出的一個子集，包括模式中允許特定使用者使用的那部分資料。使用者可以通過外模式描述語言來描述、定義對應于使用者的資料記錄（外模式），也可以利用資料操縱語言（Data Manipulation Language，DML）。一個資料庫可以有多個外模式，同一個外模式可以被多個應用程式使用，但是一個應用程式隻能對應一個外模式。

内模式（實體結構）：又稱存儲模式，對應于實體級，它是資料庫中全體資料的内部表示或底層描述，是資料庫最低一級的邏輯描述，它描述了資料在存儲媒體上的存儲方式和實體結構，對應着實際存儲在外存儲媒體上的資料庫。内模式由内模式描述語言來描述、定義。一個資料庫隻有一個内模式。

在一個資料系統中，隻有唯一的資料庫，因而作為定義、描述資料庫存儲結構的内模式和定義、描述資料庫邏輯結構的模式，也是唯一的，但是建立在該資料庫系統之上的應用則是非常廣泛、多樣的，是以對應的外模式不是唯一的，也不可能是唯一的。

二級映像

外模式/模式：使用者界面映射到邏輯模式；

模式/内模式：邏輯模式轉化為實體結構；

外模式與内模式是邏輯上獨立的，是以外模式發生改變不會影響内模式，内模式發生改變不會影響外模式；

2 資料模型

2.1 資料模型的基本概念

模型就是對現實世界特征的模拟和抽象，資料模型是對現實世界資料特征的抽象。最常用的資料模型分為概念資料模型、基本資料模型；

（1）概念資料模型。也稱資訊模型，是按使用者的觀點對資料和資訊模組化，是現實世界到資訊世界的第一層抽象，強調其語義表達功能，易于使用者了解，是使用者和資料庫設計人員交流的語言，

主要用于資料庫設計。這類模型中最著名的是實體聯系模型，簡稱E-R模型。

（2）基本資料模型。它是按計算機系統的觀點對資料模組化，是現實世界資料特征的抽象，用于DBMS的實作。基本的資料模型有層次模型、網狀模型、關系模型、面向對象模型。

2.2 資料模型的三要素

資料模型三要素：

資料結構：是所研究的對象類型的集合，是對系統靜态特征的描述；

資料操作：對資料庫中各種對象的執行個體允許執行的操作的集合；

資料的限制條件：是一組完整性規則的集合；

最常用的資料模型有：層次模型、網狀模型、關系模型、面向對象模型；

2.3 E-R模型

概念模型是對現實世界模組化，是以概念模型能夠友善、準确地表示資訊世界中的常用概念。概念模型有很多種表示方法，其中最常用的是P.P.S.Chen于1976年提出的實體-聯系方法（Entity Relationship Approach）。該方法用E-R圖來描述現實世界的概念模型，稱為實體-聯系模型（Entity-Relationship Model, E-R模型）。

E-R模型組成：

（1）實體，用矩形表示；

（2）屬性，用橢圓表示，并用無向邊與實體聯系；

（3）聯系，用棱形表示，并用無向邊分别與有關實體連接配接起來，同時在無向邊旁标注上聯系的類型（1:1、1:n、m:n）；

2.4 層次模型

采用樹型結構表示資料與資料間的聯系。

2.5 網狀模型

采用網絡結構表示資料與資料間的聯系。

2.6 關系模型

由若幹個關系模式組成的集合，是最常用的資料庫模型之一。

2.7 面向對象模型

用面向對象程式設計的思想設計資料庫，将實體抽象為類。

3 關系代數

3.1 關系資料庫的基本概念

屬性和域

屬性：用屬性來表示實體的特征；

關系資料庫模型中，對域（屬性的取值範圍）有一個限制，所有的域都是原子資料（确定的資料）；

笛卡爾積

實體間最全的關聯結果集合；

元數：屬性的個數；

元組：記錄的條數；

基數：元組的個數；

相關名詞

（1）目或度：關系R包含的集合個數；

（2）候選碼：能唯一辨別一個元組的屬性或屬性組；

（3）主碼：從候選碼裡面選擇一個作為主碼；

（4）主屬性：包含在候選碼中的屬性；

（5）非碼屬性：不包含在候選碼中的屬性；

（6）外碼：外鍵；

（7）全碼：關系模型的主碼是所有屬性組，稱為全碼；

完整性限制

實體完整性：主屬性不能為空；

參照完整性：外碼要麼正确要麼為空；不允許出現找不到關系的外碼；

使用者定義完整性：使用者自己定義的完整性限制條件；

關系運算

關系資料語言分：關系代數語言、關系演算語言（元組關系演算語言、域關系演算語言）、具有關系代數和關系演算雙重特點的語言（SQL）；

關系代數運算符有4類：

集合運算符：并、交、差、廣義笛卡爾積；

專門的關系遠算符：選擇、投影、連接配接、除法；

算術比較符：>、>=、<、<=、=、<>；

邏輯運算符：not、and、or；

3.2 五種基本的關系代數運算

并：集合相加（對應union語句）；

差：集合相減（可以用exists語句實作）；

廣義笛卡爾積：集合相乘（對應隻寫from不加where語句）；

投影：對實體的屬性做選擇（對應select語句）；

選擇：對實體的元組做選擇（對應where語句）；

3.3 擴充的關系代數運算

擴充到關系代數運算可以從基本的關系運算中導出，主要包括選擇、投影、連接配接、除法、廣義笛卡爾積、外連接配接；

交：集合相交；可用集合相減實作；

連接配接：分條件連接配接、等值連接配接（特殊的條件連接配接）、自然連接配接（特殊的等值連接配接，去掉了重複的屬性列）；

除：會從水準方向和垂直方向進行運算；

廣義投影：允許在投影清單中加入表達式；

外連接配接：左外連接配接、右外連接配接、全連接配接；

4 SQL語言

4.1 SQL資料庫體系結構

SQL主要有三個标準：ANSI（美國國家标準機構）SQL；對ANSI SQL進行修改後在1992年采用的标準SQL-92或SQL2；最近的SQL-99标準，也稱為SQL3标準；SQL-99從SQL2擴充而來，并增加了對象關系特征和許多其他新的功能。

SQL特點

（1）綜合統一。

（2）高度非過程化。

（3）面向集合的操作方式。

（4）兩種使用方式。自含式，直接使用SQL語句查詢資料庫；嵌入式，将SQL語言嵌入到進階語言程式中；

（5）語言簡潔、易學易用。SQL語言功能極強，完成核心功能隻用了9個動詞，包括如下：

資料查詢：SELECT；

資料定義：CREATE、DROP、ALTER；

資料操縱：INSERT、UPDATE、DELETE；

資料控制：GRANT、REVORK；

SQL支援三級模式結構：視圖對應外模式、基本表對應模式、存儲檔案對應内模式；

4.2 SQL的基本組成

（1）資料定義語言；SQL DDL提供定義關系模式和視圖、删除關系和視圖、修改關系模式的指令；

（2）互動式資料操縱語言；SQL DML提供查詢、插入、删除、修改的指令；

（3）事務控制；SQL提供定義事務開始和結束的指令；

（4）嵌入式SQL和動态SQL；用于嵌入到某種通用的進階語言（C、C++、Java、PL/I、COBOL、VB等）中混合程式設計；

（5）完整性；SQL DDL包括定義資料庫中的資料必須滿足的完整性限制條件的指令，對于破壞完整性限制條件的更新将被禁止；

（6）權限管理；SQL DDL中包括說明對關系和視圖的通路權限；

4.3 SQL資料定義

create table ...

alter table ...

drop table ...

create [unique][cluster] index ...

drop index ...

create view ...

drop view ...

6 資料庫的控制功能

6.1 事務管理

SQL語言中，事務定義語句有如下三條：

BEGIN TRANSACTION：開啟事務；

COMMIT：送出事務；

ROLLBACK：復原事務；

四大特性

ACID：原子性（atormicity）、一緻性（consistency）、隔離性（isolation）、持久性（durability）；

6.2 資料庫的備份與恢複

故障類型：事務内部故障、系統故障、媒體故障、計算機病毒；

備份

靜态轉儲和動态轉儲、海量轉儲和增量轉儲、日志檔案；

恢複

事務恢複步驟：

（1）反向掃描檔案日志，查找該事務的更新操作；

（2）對事務的更新操作執行逆操作；

（3）繼續反向掃描日志檔案，查找該事務的其他更新操作，并做同樣的處理，直到事務的開始标志；

鏡像

實際應用中往往對關鍵的資料和日志檔案做鏡像；