数据库系统概论学习笔记

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前言

参考教学视频：bilibili 张旭
由于排版问题，建议大家到我的个人网站，慢慢食用 传送门

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数据库系统概论复习

一、绪论

概念模型

• 实体：客观存在并可相互区别的事物，人
• 属性：实体所具有的性质和特性
• 码：唯一标识实体的属性。学号id等
• 实体型：用实体名和其属性集合来刻画同类实体。如分数为100的学生
• 实体集： 同一类型的集合

实体之间有一对一、一对多和多对多等多种联系

概念模型的一种表示方法：实体-联系方法，用E-R图来描述现实世界的概念模型，也叫E-R模型

逻辑模型

• 层次模型
  • 有且只有一个节点没有双亲节点，这个节点成为根节点
  • 根节点以外其他节点有且只有一个双亲节点
• 网状模型
  • 允许一个以上的节点无双亲
  • 一个节点可以有多个双亲
• 关系模型
  • 一张表包含字段属性等

关系：一个关系对应通常说的一张表

元组：表的一行

属性：表的一列

码：也称码键，表中某个属性组

域：是一组具有相同数据类型的值得集合

分量：元组的一个属性

三层模式结构 外模式+模式+内模式

• 外模式：用户能够看到的局部数据逻辑结构
• 模式：也称为逻辑模式，数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图
• 内模式：也称存储模式，一个数据库只能够有一个内模式，它是数据物理结构和存储方式的描述，数据在内部的组织方式

二、关系数据库

关系数据结构

•域

•笛卡尔积

•关系

​ – 关系，属性，元组

​ – 候选码，主码，主属性

​ – 基本关系的性质

关系的操作

• 查询
  选择、投影、连接、除、并、交、差

• 数据更新
  插入、删除、修改

• 基本运算
  并、差、笛卡尔积、投影、选择

关系代数运算符

交并差这里不再赘述。

笛卡尔积

笛卡尔积即是两个表的元组之间排列组合

选择

比如 在student表中选择sdept=‘2s’的全部信息
$${\sigma }_{sdept}{=}^{\prime }2s^{\prime }(student)$$

投影

查询指定属性，如查询sname，sex在student表中
$${\pi }_{sname,sex}(student)$$
比如在表SC中查询学号(sno)为95001的学生选修的课程号(cno)
$${\pi }_{cno}({\sigma }_{sno}{=}^{\prime }95001^{\prime }(SC))$$

连接

自然连接

自然连接：把共同属性进行等值连接

悬浮元组：在连接时，R中某些元组可能不存在与公共属性相等的值，从而造成关系R中的这些元组被舍弃，这些被舍弃的元组称为悬浮元组。如下面例子当中的第二三五行就是悬浮元组

例如表R连接表S表示为
$$R\bowtie S$$

外连接

• 外连接
  外连接：把悬浮元组也包括在结果当中，其他属性为null。

• 左外连接
  左外连接：只保存左边关系的悬浮元组

• 右外连接
  右外连接：只保存右边关系的悬浮元组

除

除：保留R中满足S的(R和S的共同属性)，而且R中列要去掉S的列

关系的完整性

• tab 实体完整性
  主码唯一且非空

• 参照完整性
  外码要么为空，要么对应另一表的主码

• 用户定义完整性
  实体的属性要完整，比如学号多少，姓名，班级，专业之类

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三、SQL语言

查询

查 询 条 件	谓 词
比 较	=，>，<，>=，<=，!=，<>，!>，!<；NOT+上述比较运算符
确定范围	BETWEEN AND，NOT BETWEEN AND
确定集合	IN，NOT IN
字符匹配	LIKE，NOT LIKE
空 值	IS NULL，IS NOT NULL
多重条件（逻辑运算）	AND，OR，NOT

案例

查询&起别名

• 查询所有

​ select * from edu_student;

• 查询id(别名标志)，title(别名课程名称)，从edu_course表（别名ec）中

​ select id 标志,title 课程名称 from edu_course ec;

结果去重 distinct

• 去掉重复的课程名称

​ select distinct title 课程名称 from edu_course;

条件查询

• where 查询价格大于等于88的课程名称

​ select title 课程名称 from edu_course where price>=88

• in 查询结果是否在集合中

​ select 3 in (1,2);

• like 模糊匹配

​ select * from edu_course where title like ‘_速成’;

'-'代表一个不确定字符

'%'代表多个不确定字符

isnull 和is not null不再赘述

多重条件查询

and 和or不再赘述

• 查询选修了3号课程的学生的学号及其成绩，查询结果按分数降序排列

​ select sno,grade from sc where cno=‘3’ orderby grade desc;

• 查询学生总人数

​ select count(*) from student;

• 查询1号课程的学生平均成绩

​ select avg(grade) from sc where cno =‘1’;

嵌套查询

如：

​ select sno,sname,sdept from student where sdept in

​ (select sdept from student where sname = ‘刘晨’);

• 查询其他系中比cs系某一学生 年龄小的学生姓名和年龄

​ select sname,sage from student where sage ‘cs’;

带有exists谓词的子查询

主要是解决“至少选择了”、“只选择了”和“选择了全部”类似的问题

例如：

关于exists和not exists的一些理解

这里的exists和not exists有些绕，我加入了一些自己的理解：

比如上面的例子，可以理解为一条一条数据来判断，从最外层开始，首先查询所有的学号sno，传入下一层的是第一个sno，接下来对这个sno进行判断，

下一层select中查询出来的是学号为‘20021522’学生所选全部课程，传入下一层的是第一个sno+第一个课程cno

最后一层进行判断，sno是否选修了cno，接下来判断sno是否选修了cno2，依次类推，如果都选修了，那么最后一层传出的是false(因为是not exists)，再往上一层传的是ture(又是not exits)，所以这条数据就被保留了，接下来就是第二个学生sno2传入下一层，

以此类推，就可以找出所有“至少选修了所有学号为‘200215122’学生选修课程的学生”

插入

insert into 表名[(字段列表)] values (值列表)

修改

update 表名 set 字段1=值，字段2=值…where 条件

删除

delete from 表名 [where 条件]

五、数据库的完整性

三大完整性

1. 实体完整性

   主码唯一且非空

2. 参照完整性

   外码要么为空，要么对应另一表的主码

3. 用户定义完整性

   实体的属性要完整，比如学号多少，姓名，班级，专业之类

   • 非空
   • 列表唯一
   • 满足某一个条件表达式 如性别只有男女之分

断言

断言assertion

格式： create assertion <断言名>

触发器

触发器即 事件->条件->动作

当对一个表中增删改时，对触发器里面的条件进行检查，如果成立就执行触发器里面的动作，否则不执行

格式：

create trigger <触发器名>    /*每当触发事件发生时，该触发器被激活*/

{before|after} <触发事件> on <表名> /*指明触发器激活时间是在执行触发器前或后*/

referencing {new|old} row as <变量>/*referencing 指出引用的变量*/

for each{row|statement} /*定义触发器的类型，指明动作体执行的频率*/

[where<触发条件>] <触发动作体>/*仅当触发条件为真时才会触发动作体*/

六、关系数据理论

依赖

• 非平凡的函数依赖

  X->Y，但Y不属于X，则称X->Y是一个非平凡的函数依赖

• 平凡的函数依赖

  X->Y，且Y属于X，X->Y是一个平凡的函数依赖

完全函数依赖和部分函数依赖

传递函数依赖

候选码

选候选码

1. 只出现在左边的一定是候选码(包括未出现的)
2. 只出现在右边的一定不是候选码
3. 左右都出现的不一定
4. 左右都不出现的一定是候选码
5. 再求确定的候选码的闭包，如果可以推出全部，那么当前确定的就是候选码；否则，要把每一个可能的值放进当前确定的候选码中进行求闭包。

(1)L类：仅仅出现在F中的函数依赖左部的属性

(2) R类：仅仅出现在F中的函数依赖右部的属性

(3) N类：不出现在F中的函数中的属性

(4) LR类：出现在F中的函数依赖左部又出现在右部的属性

结论：
(1) 若X是L类属性：则X必然属于任一候选键的成员
(5) 若X是L类属性：且X包含了R的所有属性，则X必然属于唯一候选键
(2) 若X是R类属性：则X不属于任何候选键
(3) 若X是N类属性：则X必然属于任一候选键的成员
(4) 若X是LR类属性：且X包含了R的所有属性，则X必然属于唯一候选键

案例

• 超码：包含候选码的集合,也就是能够表示出所有属性的集合，候选码是最小的超码
• 主码：候选码中的任意一个都是主码
• 主属性：包含所有候选码的属性
• 非主属性：除去所有候选码的属性
• 全码：所有属性都是主码

三大范式

范式是符合某一种级别 的关系模式的集合

关系数据库中的关系必须满足一定的要求 。满足不同程度要求的为不同范式

范式的种类

第一范式(1NF)

第二范式(2NF)

第三范式(3NF)

BC范式(BCNF)

第四范式(4NF)

第五范式(5NF)

只需知道BC范式以上即可

1NF

所有字段值都是不可再分的原子值

如地址和省份城市详细地址的关系

第一范式是对关系模式的最起码的要求。不满足第一范式的数据库模式不能称为关系数据库

2NF

一个表只能包含一种数据，不可以把多种数据保存在同一张表中,即每一个非主属性完全函数依赖 于码

3NF

确保数据表中的每一列数据都和主键直接相关，而不能间接相关

比如在设计一个订单数据表的时候，可以将客户编号作为一个外键和订单表建立联系，而不可以在订单表中添加客户的其他信息

BCNF

消除每一属性对候选码的传递依赖，BCNF是修正的第三范式

最小依赖集

1. 拆右边为多个元素 如A->BC 拆为A->B A->C
2. 除去当前左边元素，求它的闭包，依次求完
3. 左边最小化，如BCD，遮住B看CD能推出B吗，如果能就把B去掉

解题过程

模式分解

准则： 无损连接 和 保持函数依赖

无损： 就是分解后再次连接，和分解之前一样

依赖：依赖不变

例题部分

设关系模式为 R， U＝{A，B，C，D，E，P }，
F＝{A→D，E→D，D→B，BC→D，DC→A }
（1）求(AD)+；
（2）求R的候选码，指出哪些属性是主属性，哪些是非主属性。
（3）判断是第几NF

例题二

2. 设有关系模式R，其中U={A,B,C,D,E}，F={A→C, B→AC, D→AC, E→B}，试求:
   (1)求出候选码；（3分）
   (2)判断关系R是第几NF。（3分）

七、数据库设计

数据库设计的基本步骤

1. 需求分析
2. 概念结构设计 ：ER图或者是设计数据字典
3. 逻辑结构设计 ：把ER图转为逻辑模型
4. 物理结构设计 ：把逻辑模型转为物理模型
5. 数据库实施 ：写SQL代码
6. 数据库运行维护

ER图

• 实体是长方形
• 属性是椭圆形
• 关系式菱形

ER图转关系模型

• 1对1：要把关系合并到任意一个表，并且把另外的表里面的主键放到另外一个里面
• 1对n：把1的主码放到n里面，然后把关系的属性放到n里面
• m对n：需要两边的实体主键和自身的属性单独作为一个关系模式

例题部分

设在需求分析阶段，经初步分析，有如下实体及其属性：

学生：学号、学院、姓名、性别、年龄、选修课程名
课程：编号、课程名、开课学院、任课教师号
教师：教师号、姓名、性别、职称、讲授课程编号
学院：学院名称、电话、教师号、教师名
调研后确定系统中存在如下联系：
（1）一个学生可选修多门课程，一门课程可为多个学生选修；
（2）一个教师可讲授多门课程，一门课程可为多个教师讲授；
（3）一个学院可有多个教师，一个教师只能属于一个学院。
试完成如下设计：
（1）设计包括各实体及其联系的全局E-R图（为避免E-R图图形复杂，可省去实体属性，注意：需求分析的实体属性仅为初步分析，存在重复和多余属性） （12分）
（2）将该全局E-R图转换为等价的关系模型表示的数据库逻辑结构。(6分)

解答

(2) 关系模式
学院（学院名，电话）
教师（教师号，姓名，性别，职称，学院名）
课程（课程编号，课程名，学院名）
学生（学号，姓名，性别，年龄，学院名）
讲授（教师号，课程编号）
选修（学号，课程编号）

例题二

销售部门管理系统数据库设计：（共15分）
假定一个部门的数据库包括以下信息：
a. 职工的信息：职工号、姓名、地址。
b. 部门的信息：部门号、部门名、经理。
c. 产品的信息：产品名、产品内部编号。
d. 制造商的信息：制造商名称、地址。
需求分析：一个部门有多个职工，每个职工只属于一个部门； 每种产品可以由不同部门销售，一个部门可以销售多种产品；每种产品可以由不同制造商生产，每个制造商可以生产多种产品，每个制造商生产的每种产品对应不同价格。
要求：（1）根据上述语义画出E-R图；（9分）
（2）将E-R图转换成对应的关系模式并标注每个关系的主码。(6分)

解答

关系模式：
职工（职工号，姓名，地址，所在部门） -----1分
部门（部门号，部门名称、经理） -----1分
产品（产品内部编号，产品名称） -----1分
制造商（制造商名称，地址） -----1分
销售（部门号，产品内部编号） -----1分
生产（制造商名称，产品内部编号，价格） -----1分

例题三

九、关系查询处理和查询优化

查询过程

优化原则

1. 选择运算尽量先做
2. 把投影和连接同时执行
3. 把投影同它前后的双目运算符连接起来

案例

优化后：

十、数据库恢复技术

事务

定义：

• 一个数据库操作序列（顺序的SQL语句集合）
• 一个不可分割的工作单位
• 恢复和并发控制的基本单位

事务的ACID特性

• 原子性（Atomicity） 逻辑工作单位
• 一致性（Consistency）执行结果的一致性
• 隔离性（Isolation） 事务之间不能互相干扰
• 持续性（Durability ）改变是永久的

恢复策略

{% folding,恢复策略 %}

事务故障的恢复：事务异常终止，那么撤销之前所有的操作

系统故障的恢复：还没执行完的事务UNDO，丢失的事务REDO

介质故障的恢复：重装数据库，重做已经做完的事务

十一、并发控制

并发带来的问题

1、丢失修改：修改的东西没生效

2、读脏数据：数据正在更新时被读取，数据就是脏数据

3、不可重复读：在一个事务中两次读取数据不一致

解决办法

1. 排它锁(Exclusive Locks)，也叫写锁，X锁
2. 共享锁(Share Locks)，也叫读锁，S锁

封锁协议

一级封锁协议
修改时必须加X锁，直到结束

解决丢失修改问题

二级封锁协议
读的时候，加S锁，用完就放

解决读脏数据问题

三级封锁协议
读的时候，加S锁，知道结束

解决不可重复读问题