深刻解析数据库技术的要点以及应对策略 (软件设计师笔记)

前言
在信息化的时代背景下，数据已经成为了推动各行各业发展的核心要素之一。数据的储存、管理、维护、和获取变得尤为关键，确保信息的高效流通和决策的科学性。数据库技术，正是在这一背景下发挥着举足轻重的作用，它不仅保证了数据的安全性和完整性，也提供了数据的快速访问和管理能力。随着云计算、大数据、物联网等技术的不断进步，数据库技术也在不断地演进中，展现出更多的可能性和潜力。本书旨在探讨数据库技术的核心理论基础及其在不同场景下的应用实践，帮助读者建立系统的数据库技术知识体系，理解并掌握数据库设计与实现的全过程，并在实际应用中灵活运用。

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第九章 数据库技术基础

数据库的三级模式结构

数据库为保证数据的逻辑独立性和物理独立性，构建了一个三级模式结构，包括：

• 概念模式（模式）：描述了基本数据表的结构和关系，及其间的逻辑关系和数据操作等。
• 外模式：通过视图（View）为不同用户或用户组提供不同的数据表示。
• 内模式：关于物理存储结构和存储文件如何与概念模式中的数据相映射的细节。

两级映像

1. 模式/内模式映像：将概念模式和内模式相互转换，是数据物理存储与逻辑表现的桥梁。
2. 外模式/模式映像：将外模式和概念模式相互转换，为不同用户提供定制化的数据视图。

规范化

为减少数据冗余和防止数据操作异常，引入了规范化的概念

候选码中包含的属性称为主属性、不包含在候选码中的属性称为非主属性。若候选码多于一个，可以选定其中的一个为主码。

1NF（第一范式）

定义：若关系模式 R 每一个分量是不可再分的数据项，则关系模式 R 属于第一范式。
1NF 不能排除数据冗余和更新异常等问题，因为其中可能存在部分函数依赖。

2NF（第二范式）

定义：若关系模式 R∈1NF，且每一个非主属性完全依赖于码，则关系模式 R∈2NF。
当 1NF 消除了非主属性对码的部分函数依赖，则称为 2NF。
可能存在数据冗余和更新异常等问题。

3NF（第三范式）

2NF 消除了非主属性对码的传递函数依赖，则称为 3NF。
属于 3NF 的关系模式 R 可能存在主属性对码的部分依赖和传递依赖。

关于规范化，已经解释了1NF、2NF和3NF。这些范式基本上是关于消除数据冗余和更新异常的。

例如，3NF要求一个数据表中的每一个列只依赖于主键，以减少数据冗余和更新异常的可能性。

另外，还有其他范式，比如BCNF(博伊斯-科德范式)，4NF和5NF，这些在处理更复杂的冗余和依赖关系时也是非常重要的。

分布式数据库

分布式数据库系统在逻辑上看似一个统一的数据库系统，物理上它的数据却分布在网络的不同节点上。这样做主要是为了提高可靠性、可用性、和性能。

特性包括：

• 透明性
  • 分片透明：用户无感知数据的分布情况。
  • 复制透明：用户无感知数据的复制情况。
  • 位置透明：用户无需知道数据的物理存储位置。
  • 逻辑透明：用户无需知道数据的逻辑构造。
• 共享性：允许数据在不同节点之间共享。
• 自治性：每个节点可以独立管理其数据。
• 可用性：在部分节点故障时，可以利用其他节点上的数据副本。
• 分布性：数据分布在不同的物理节点上。

在分布式数据库中，为了让用户感知不到数据的分布，实现了所提到的各种透明性（位置透明性、复制透明性、分片透明性等）。同时也需要关注数据一致性的问题，特别是在面对网络分区或其他失败的情况下。

分布式数据库的几个关键问题：

• 分布式事务管理：如何在分布式环境中保证事务的ACID属性。
• 数据分布策略：如何决定将数据分布到哪些节点上。
• 数据副本管理：如何保证数据副本的一致性和如何在多个副本之间进行数据同步。

总结

在第九章中，我们深入探讨了数据库技术的各个重要方面。首先，我们剖析了数据库的三级模式结构，通过对概念模式、外模式和内模式的详细解读，我们理解了其如何保证数据的逻辑独立性和物理独立性。在此基础上，我们探讨了数据规范化的理论，并通过1NF、2NF和3NF三个层次的定义，理解了其在减少数据冗余和防止更新异常方面的作用和价值。最后，我们将视线转向了分布式数据库，探讨了其关键特性和实现的基本原理。

通过本章的学习，我们理解了数据库结构设计的重要性，学习了数据规范化的方法论，并对分布式数据库有了初步的了解。我们理解了在实际的数据库设计和实现过程中，不仅要注重数据的物理存储和管理，还需要关注数据的逻辑结构和存取效率，更需要在分布式环境下保证数据的一致性和可用性。

在未来的学习和工作中，我们可以将这些理论知识应用到实际的数据库设计和优化中去，不断地在实践中检验和丰富这些理论，使其更加符合实际的业务需求和技术发展。

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