数据库的基础概念

1 基本概念

1.1 数据库与数据库管理系统

数据库系统（DataBase System, DBS）是一个采用了数据库技术，有组织地、动态地存储大量相关联数据，方便多用户访问的计算机系统。

广义上讲，DBS是由数据库、硬件、软件（操作系统、数据库管理系统DBMS、应用程序）、人员（系统分析员和数据库设计人员、应用程序员、最终用户、数据库管理员）组成。

用户操作应用程序，应用程序依赖DBMS，DBMS依赖操作系统，操作系统操作具体的硬件；

1.2 DBMS的功能

（1）数据定义（Data Definition Lanaguage, DDL）：所有创建语句；

（2）数据操作（Data Manipulation Language, DML）：所有操作语句；

（3）数据库运行管理：并发管理、安全性管理、存取控制、完整性检查、日志管理、事务管理、自动恢复等；

（4）数据组织、存储和管理：分类组织、存储、管理；

（5）数据库的建立和维护

（6）其他功能

1.3 DBMS的特征与分类

特征

（1）数据结构化且统一管理；

（2）有效高的数据独立性；

（3）数据控制功能；

（4）故障恢复；

分类

通常分以下三类：

（1）关系数据库系统（Relation DataBase System, RDBS）

（2）面向对象数据库系统（Object-Oriented DataBase System, OODBS）

（3）对象关系数据库系统（Object-Oriented Relation DataBase System, OORDBS）

1.4 数据库系统的体系结构

从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采用三级模式结构；

从最终用户角度看，数据库系统结构分为集中式结构、C/S结构、并行结构、分布式结构；

1.5 数据库的三级模式结构

数据库领域公认的标准结构是三级模式结构，它包括外模式、模式和内模式，有效地组织、管理数据，提高了数据库的逻辑独立性和物理独立性。用户级对应外模式，概念级对应模式，物理级对应内模式，使不同级别的用户对数据库形成不同的视图。所谓视图，就是指观察、认识和理解数据的范围、角度和方法，是数据库在用户“眼中"的反映，很显然，不同层次（级别）用户所“看到”的数据库是不相同的。

三级模式

模式（逻辑模式）：又称概念模式或者逻辑模式，对应于概念级，它是数据库设计者综合所有用户的数据，按照统一的观点构造的全局逻辑结构，是对数据库中全部数据的逻辑结构和特征的总体描述，是所有用户的公共数据视图。它是由数据库管理系统提供的数据模式描述语言（Data Description Language，DDL）来描述、定义的，体现、反应了数据库系统的整体观。一个数据库只有一个模式。

外模式（用户模式）：又称子模式或用户模式，对应于用户级。它是某个或某几个用户所看到的数据库的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。外模式是从模式导出的一个子集，包括模式中允许特定用户使用的那部分数据。用户可以通过外模式描述语言来描述、定义对应于用户的数据记录（外模式），也可以利用数据操纵语言（Data Manipulation Language，DML）。一个数据库可以有多个外模式，同一个外模式可以被多个应用程序使用，但是一个应用程序只能对应一个外模式。

内模式（物理结构）：又称存储模式，对应于物理级，它是数据库中全体数据的内部表示或底层描述，是数据库最低一级的逻辑描述，它描述了数据在存储介质上的存储方式和物理结构，对应着实际存储在外存储介质上的数据库。内模式由内模式描述语言来描述、定义。一个数据库只有一个内模式。

在一个数据系统中，只有唯一的数据库，因而作为定义、描述数据库存储结构的内模式和定义、描述数据库逻辑结构的模式，也是唯一的，但是建立在该数据库系统之上的应用则是非常广泛、多样的，所以对应的外模式不是唯一的，也不可能是唯一的。

二级映像

外模式/模式：用户界面映射到逻辑模式；

模式/内模式：逻辑模式转化为物理结构；

外模式与内模式是逻辑上独立的，所以外模式发生改变不会影响内模式，内模式发生改变不会影响外模式；

2 数据模型

2.1 数据模型的基本概念

模型就是对现实世界特征的模拟和抽象，数据模型是对现实世界数据特征的抽象。最常用的数据模型分为概念数据模型、基本数据模型；

（1）概念数据模型。也称信息模型，是按用户的观点对数据和信息建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，强调其语义表达功能，易于用户理解，是用户和数据库设计人员交流的语言，

主要用于数据库设计。这类模型中最著名的是实体联系模型，简称E-R模型。

（2）基本数据模型。它是按计算机系统的观点对数据建模，是现实世界数据特征的抽象，用于DBMS的实现。基本的数据模型有层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型。

2.2 数据模型的三要素

数据模型三要素：

数据结构：是所研究的对象类型的集合，是对系统静态特征的描述；

数据操作：对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合；

数据的约束条件：是一组完整性规则的集合；

最常用的数据模型有：层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型；

2.3 E-R模型

概念模型是对现实世界建模，所以概念模型能够方便、准确地表示信息世界中的常用概念。概念模型有很多种表示方法，其中最常用的是P.P.S.Chen于1976年提出的实体-联系方法（Entity Relationship Approach）。该方法用E-R图来描述现实世界的概念模型，称为实体-联系模型（Entity-Relationship Model, E-R模型）。

E-R模型组成：

（1）实体，用矩形表示；

（2）属性，用椭圆表示，并用无向边与实体联系；

（3）联系，用棱形表示，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标注上联系的类型（1:1、1:n、m:n）；

2.4 层次模型

采用树型结构表示数据与数据间的联系。

2.5 网状模型

采用网络结构表示数据与数据间的联系。

2.6 关系模型

由若干个关系模式组成的集合，是最常用的数据库模型之一。

2.7 面向对象模型

用面向对象程序设计的思想设计数据库，将实体抽象为类。

3 关系代数

3.1 关系数据库的基本概念

属性和域

属性：用属性来表示实体的特征；

关系数据库模型中，对域（属性的取值范围）有一个限制，所有的域都是原子数据（确定的数据）；

笛卡尔积

实体间最全的关联结果集合；

元数：属性的个数；

元组：记录的条数；

基数：元组的个数；

相关名词

（1）目或度：关系R包含的集合个数；

（2）候选码：能唯一标识一个元组的属性或属性组；

（3）主码：从候选码里面选择一个作为主码；

（4）主属性：包含在候选码中的属性；

（5）非码属性：不包含在候选码中的属性；

（6）外码：外键；

（7）全码：关系模型的主码是所有属性组，称为全码；

完整性约束

实体完整性：主属性不能为空；

参照完整性：外码要么正确要么为空；不允许出现找不到关系的外码；

用户定义完整性：用户自己定义的完整性约束条件；

关系运算

关系数据语言分：关系代数语言、关系演算语言（元组关系演算语言、域关系演算语言）、具有关系代数和关系演算双重特点的语言（SQL）；

关系代数运算符有4类：

集合运算符：并、交、差、广义笛卡尔积；

专门的关系远算符：选择、投影、连接、除法；

算术比较符：>、>=、<、<=、=、<>；

逻辑运算符：not、and、or；

3.2 五种基本的关系代数运算

并：集合相加（对应union语句）；

差：集合相减（可以用exists语句实现）；

广义笛卡尔积：集合相乘（对应只写from不加where语句）；

投影：对实体的属性做选择（对应select语句）；

选择：对实体的元组做选择（对应where语句）；

3.3 扩展的关系代数运算

扩展到关系代数运算可以从基本的关系运算中导出，主要包括选择、投影、连接、除法、广义笛卡尔积、外连接；

交：集合相交；可用集合相减实现；

连接：分条件连接、等值连接（特殊的条件连接）、自然连接（特殊的等值连接，去掉了重复的属性列）；

除：会从水平方向和垂直方向进行运算；

广义投影：允许在投影列表中加入表达式；

外连接：左外连接、右外连接、全连接；

4 SQL语言

4.1 SQL数据库体系结构

SQL主要有三个标准：ANSI（美国国家标准机构）SQL；对ANSI SQL进行修改后在1992年采用的标准SQL-92或SQL2；最近的SQL-99标准，也称为SQL3标准；SQL-99从SQL2扩充而来，并增加了对象关系特征和许多其他新的功能。

SQL特点

（1）综合统一。

（2）高度非过程化。

（3）面向集合的操作方式。

（4）两种使用方式。自含式，直接使用SQL语句查询数据库；嵌入式，将SQL语言嵌入到高级语言程序中；

（5）语言简洁、易学易用。SQL语言功能极强，完成核心功能只用了9个动词，包括如下：

数据查询：SELECT；

数据定义：CREATE、DROP、ALTER；

数据操纵：INSERT、UPDATE、DELETE；

数据控制：GRANT、REVORK；

SQL支持三级模式结构：视图对应外模式、基本表对应模式、存储文件对应内模式；

4.2 SQL的基本组成

（1）数据定义语言；SQL DDL提供定义关系模式和视图、删除关系和视图、修改关系模式的命令；

（2）交互式数据操纵语言；SQL DML提供查询、插入、删除、修改的命令；

（3）事务控制；SQL提供定义事务开始和结束的命令；

（4）嵌入式SQL和动态SQL；用于嵌入到某种通用的高级语言（C、C++、Java、PL/I、COBOL、VB等）中混合编程；

（5）完整性；SQL DDL包括定义数据库中的数据必须满足的完整性约束条件的命令，对于破坏完整性约束条件的更新将被禁止；

（6）权限管理；SQL DDL中包括说明对关系和视图的访问权限；

4.3 SQL数据定义

create table ...

alter table ...

drop table ...

create [unique][cluster] index ...

drop index ...

create view ...

drop view ...

6 数据库的控制功能

6.1 事务管理

SQL语言中，事务定义语句有如下三条：

BEGIN TRANSACTION：开启事务；

COMMIT：提交事务；

ROLLBACK：回滚事务；

四大特性

ACID：原子性（atormicity）、一致性（consistency）、隔离性（isolation）、持久性（durability）；

6.2 数据库的备份与恢复

故障类型：事务内部故障、系统故障、介质故障、计算机病毒；

备份

静态转储和动态转储、海量转储和增量转储、日志文件；

恢复

事务恢复步骤：

（1）反向扫描文件日志，查找该事务的更新操作；

（2）对事务的更新操作执行逆操作；

（3）继续反向扫描日志文件，查找该事务的其他更新操作，并做同样的处理，直到事务的开始标志；

镜像

实际应用中往往对关键的数据和日志文件做镜像；