系統架構設計師筆記第17期： 關系資料庫

資料庫的分類可以根據不同的标準進行劃分：

1. 根據資料結構分類：

1.1 關系資料庫（Relational Database）：關系資料庫是建立在關系模型基礎上的資料庫，借助于集合代數等數學概念和方法來處理資料，以表格形式存儲資料，并支援事務處理、多使用者通路、資料安全性和完整性控制等功能。

1.2 非關系型資料庫（NoSQL）：非關系型資料庫是一種資料存儲方案，它不使用關系模型來組織資料，而是使用其他方式，如鍵值對、文檔、圖形、哈希等。非關系型資料庫通常用于處理大規模、高并發的資料存儲需求，如社交網絡、電子商務等。

1. 根據存儲方式分類：

2.1 層次資料庫（Hierarchical Database）：層次資料庫是一種以樹形結構組織資料的方式，每個資料元素都有一個唯一的父節點，可以有多個子節點。層次資料庫通常用于管理具有層次關系的資料，如檔案系統和目錄。

2.2 網狀資料庫（Network Database）：網狀資料庫是一種以網狀結構組織資料的方式，允許一個節點有多個父節點和多個子節點。網狀資料庫通常用于管理具有複雜層次關系的資料。

2.3 關系資料庫（Relational Database）：關系資料庫是建立在關系模型基礎上的資料庫，借助于集合代數等數學概念和方法來處理資料，以表格形式存儲資料，并支援事務處理、多使用者通路、資料安全性和完整性控制等功能。

2.4 對象關系資料庫（Object-Relational Database）：對象關系資料庫是一種将面向對象程式設計和關系型資料庫相結合的方案，它支援在 SQL 中使用面向對象的概念，如封裝、繼承和多态等。對象關系資料庫通常用于大型應用程式的開發。

關系資料庫的概念

關系資料庫的原理是基于關系模型進行資料存儲和操作的。關系模型是一種使用數學中的集合理論來描述資料庫中表格和字段的模型。在關系模型中，資料被組織成表格，每個表格由行和列組成，行和列的交叉點表示資料值。表格與表格之間可以建立關系，實作資料的關聯和連接配接。

關系資料庫的基本原理包括以下幾個方面：

1. 關系模型：關系資料庫使用關系模型來描述資料，資料被組織成表格，表格由行和列組成，每個清單示表格中的一個屬性，每個行表示一個資料記錄。
2. SQL語言：關系資料庫使用SQL語言進行資料的查詢、修改和限制管理。SQL是一種标準化的語言，可以友善地進行資料操作和管理。
3. 事務處理：關系資料庫支援事務處理，通過ACID屬性保證資料的一緻性和完整性。事務是一組操作，這些操作要麼全部執行，要麼全部取消。
4. 資料安全性和完整性：關系資料庫支援資料安全性和完整性限制，包括主鍵、外鍵、唯一性限制、檢查限制等。這些限制可以保證資料的完整性和可靠性。
5. 資料獨立性：關系資料庫支援資料獨立性，即資料和應用程式之間的分離。資料獨立性可以使應用程式更容易進行開發和維護。

關系運算

關系資料庫的關系運算包括以下幾種：

1. 并運算：将兩個具有相同結構的關系表格合并成一個新的關系表格，其中包含原來兩個關系表格的所有元組。
2. 差運算：從一個關系表格中篩選出符合特定條件（一般為某個屬性值等于某個特定值）的元組，并形成一個新的關系表格。
3. 交運算：找出兩個關系表格中相同的元組，并形成一個新的關系表格。
4. 笛卡爾積：将一個隻有一個屬性的關系表格與另一個隻有一個屬性的關系表格相乘，生成一個新的關系表格，新表格中的屬性為原來兩個關系表格中屬性的組合。
5. 選擇運算：從關系表格中根據指定條件篩選出符合條件的元組，并形成一個新的關系表格。
6. 投影運算：從關系表格中選擇出指定屬性組成的新關系表格。
7. 連接配接運算：将兩個具有共同屬性之間的關系表格合并成一個新的關系表格，生成的新表格中包含原來兩個關系表格的所有屬性。

這些關系運算可以用來對關系資料庫中的資料進行操作和處理，例如資料查詢、資料分析和資料挖掘等。

關系資料庫設計

關系資料庫設計基本理論包括三個方面内容：資料依賴、範式和模式設計方法。其中，資料依賴是關系資料庫設計的核心内容，它是指資料之間的互相依賴關系，包括函數依賴、多值依賴和連接配接依賴等。範式是關系資料庫設計的一種規範，用于提高資料庫的結構合理性和性能。模式設計方法是關系資料庫設計的一種方法，用于從需求分析階段到實體設計階段進行資料庫模式的設計和優化。

其中，資料依賴是關系資料庫設計的核心内容。資料依賴指的是資料之間的互相依賴關系，例如一個屬性依賴于另一個屬性。函數依賴是一個屬性集依賴于一個鍵，是多值依賴和連接配接依賴的基礎。多值依賴是指在函數依賴中，關系可能有多個值與另一個屬性相等。連接配接依賴是指在關系中，存在兩個或多個屬性之間的依賴關系。

範式是關系資料庫設計的一種規範，用于提高資料庫的結構合理性和性能。範式包括三種類型：第一範式（1NF）、第二範式（2NF）和第三範式（3NF）。1NF是指每個屬性都必須是不可分割的。2NF是指每個非主屬性都完全依賴于整個主鍵。3NF是指每個非主屬性都不傳遞依賴于主鍵。

模式設計方法是關系資料庫設計的一種方法，用于從需求分析階段到實體設計階段進行資料庫模式的設計和優化。模式設計方法包括以下幾個步驟：需求分析、概念設計、邏輯設計和實體設計。在需求分析階段，需要了解使用者的需求，并确定系統的範圍和目标。在概念設計階段，将需求轉換為概念模型。在邏輯設計階段，将概念模型轉換為邏輯模型，并進行優化。在實體設計階段，确定資料庫的存儲結構、通路方法和存儲管理政策。

總的來說，關系資料庫設計基本理論包括資料依賴、範式和模式設計方法。這些理論是關系資料庫設計的基石，可以幫助資料庫設計師更好地設計出結構合理、性能優異的資料庫系統。