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数据库基本概念

数据库系统​

数据是数据库中存储的基本对象，是描述事物的符号记录。

数据的种类分为文本、图形、图像、音频、视频、学生的档案记录、货物的运输情况等。

数据库 DB​

数据库 DB 是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。

数据库的基本特征：

  • 数据按一定的数据模型组织、描述和存储
  • 可为各种用户共享
  • 冗余度较小
  • 数据独立性较高
  • 易扩展

数据库系统 DBS​

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数据，方便多用户访问的计算机系统。其由下面四个部分组成：

  • 数据库（统一管理、长期存储在计算机内的，有组织的相关数据的集合）
  • 硬件（构成计算机系统包括存储数据所需的外部设备）
  • 软件（操作系统、数据库管理系统及应用程序）
  • 人员（系统分析及数据库设计人员、应用程序员、最终用户、数据库管理员 DBA）

数据库管理系统 DBMS​

实现对共享数据的组织、管理和存取。

包括数据定义、数据库操作、数据库运行管理、数据的存储管理、数据库的建立和维护等。

三级模式-两级映像​

内模式：管理如何存储物理的数据，对应物理存储文件，优化、存放等。

模式：又称为概念模式，就是我们通常使用的基本表，根据应用、需求将物理表划分成一张张表。

外模式：对应数据库中的视图这个级别，将表进行一定的处理后再提供给用户使用。例如，将用户表中的用户名和密码组成视图提供给登录模块使用，而用户名中的其它列则不对该模块开放，增加了安全性。

提示

表是一个完整的模型，视图是表里面的一部分，正好是应用程序需要的那一部分，是一张假表，对视图进行修改，是不会影响真正的表的。

外模式-模式映像：是表和视图之间的映射，存在于概念级和外部级之间，若表中的数据发生了修改，只需要修改此映射，而无需修改应用程序。

模式-内模式映像：是表和数据的物理存储之间的映射，存在于概念级和内部级之间，若修改了数据存储方式，只需要修改此映射，而不需要去修改应用程序。

以上的数据库系统实际上是一个分层次的设计，从底至上称为物理级数据库（实际上为一个数据库文件）、概念级数据库、用户级数据库。

数据库设计​

需要记住四个流程，每个流程要做什么以及产出物。

  1. 需求分析：即分析数据存储的要求，产出物有数据流图、数据字典、需求说明书。

  2. 概念结构设计：就是设计 E-R 图，也即实体-联系图，与物理实现无关，说明有哪些实体，实体有那些属性。

  3. 逻辑结构设计：将 E-R 图，转换成关系模式，也即转换成实际的表和表中的列属性，这里要考虑很多规范化的东西。

  4. 物理设计：根据生成的表等概念，生成物理数据库。

数据模型​

关系模型是二维表的形式表示的实体-联系模型，是由实体-联系模型转换而来的，经过开发人员设计的；

概念模型是从用户的角度进行建模的，是现实世界到信息世界的第一抽象，是真正的实体-联系模型。

网状模型表示实体类型及其实体之间的联系，一个事物和另外几个都有联系，形成一张网。

面型对象模型是采用面向对象的方法设计数据库，以对象为单位，每个对象包括属性和方法，具有类和继承等特点。

数据模型的三要素：数据结构（所研究的对象类型的集合）、数据操作（对数据库中的各种对象允许执行的操作的集合）、数据的约束条件（一组完整性规则的集合）

E-R 模型​

用 E-R 图来描述概念数据模型，世界是由一组称为实体的基本对象和这些对象之间的联系构成的。

在 E-R 模型中，使用椭圆表示属性（一般没有）、矩形表示实体、双边矩形表示弱实体、菱形表示联系，联系的两端要填写联系类型，示例如下图：

超市管理系统 E-R 图示例

  • 实体：客观存在并可相互区别的事物。可以是具体的人、事、物或抽象概念。如 人、汽车、图书、账户、贷款。

  • 弱实体和强实体：弱实体依赖于强实体的存在而存在，用双边矩形表示。上图中的经理、部门经理、业务员都是弱实体，依赖于员工这个强实体。

  • 实体集： 具有相同类型和共享相同属性的实体的集合，如学生、课程。

  • 属性：实体所具有的特性。

  • 属性分类：简单属性和复合属性（多个简单属性组成，比如家庭住址）；单值属性和多值属性（可以取多个值的属性，比如电话号码）；NULL 属性（无意义）；派生属性（由其它的属性计算生成）。

  • 域：属性的取值范围称为该属性的域。

  • 码（Key）：唯一标识实体的属性集。

  • 联系：现实世界中事物内部以及事物之间的联系，在 E-R 图中反映为实体内部的联系和实体之间的联系。

  • 联系类型：一对一 1:1,一对多 1:N、多对多 N:N。

两个以上实体型的联系​

两个以上实体型的联系

关系模型​

关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，由行列组成。用表格结构表达实体集，用外键标识实体间的联系。如下图。

行叫做元组或水平记录，列叫做属性。

  • 优点：建立在严格的数学概念基础上；概念单一、结构简单、清晰，用户易懂易用；存取路径对用户透明，从而数据独立性好、安全性好，简化数据库开发工作。
  • 缺点：由于存取路径透明，查询效率往往不如非关系数据模型。

E-R 模型转换为关系模型​

提示

需求分析之后就是概念结构设计，概念结构设计就是设计出 E-R 图，然后就是逻辑结构设计，即将 E-R 图转换成关系模型（是我们真正需要的），物理设计就是根据关系模型创建出物理的表结构。

每个实体都对应一个关系模式,不包含弱实体(比如员工和经理，可以用一个属性标识)；联系分为三类：

  • 1:1 联系中，联系可以放到任意的两端实体中，作为一个属性，（要保证1:1两端的关联），也可以转换为一个单独的关系模式。
  • 1:N 联系中，联系可以单独作为一个关系模式，也可以在 N 端加入 1 端实体的主键。
  • M:N 联系中，联系必须作为一个单独的关系模式，其主键是 M 和 N 端的联合主键。

关系代数​

关系代数就是指表（关系模型）之间的逻辑运算。

基础运算​

  • 并：结果是两张表中所有记录数合并，相同记录只显示一次。
  • 交：结果是两张表中相同的记录。
  • 差：S1−S2S_1-S_2 ,结果是 S1S_1 表中有而 S2S_2 表中没有的那些记录。

笛卡尔积​

S1×S2S_1 \times S_2，产生的结果包括 S1S_1 和 S2S_2 的所有的属性列，并且 S1S_1 中每条记录依次和 S2S_2 中所有记录组合成一条记录，最终属性列为 S1+S2S_1+S_2 属性列，记录数为 S1×S2S_1 \times S_2 记录数。

提示

并关系重复的记录只会显示一次，而笛卡尔积重复的也会重复显示。

笛卡尔积的列是两张表的列。

  • 投影（Π\Pi）：实际是按条件选择某关系模式中的某列，列也可以用数字表示。
  • 选择（σ\sigma）：实际是按条件选择某关系模式中的某条记录。

自然连接​

自然连接的符号是 ⋈\Join, 自然连接的结果 显示全部的属性列，但是相同属性列只显示一次，显示两个关系模式中属性相同且值相同的记录。

设有关系 R、S 如下左图所示，自然连接结果如下右图所示：

提示

笛卡尔积转自然连接，使用投影运算从笛卡尔积中挑选出不重复的列，然后使用选择运算把行相同的也筛选出来。

效率问题：关系代数运算的效率，归根结底是看参数运算的两张表格的属性列数和记录数，属性列和和记录数越少，参与运算的次数自然越少，效率就越高。因此，效率高的运算一般都是在两张表格参与运算之前就将条件判断完。