数据库原理与应用_基本概念

数据库系统

一些概念

数据：描述事物的符号记录。

数据库：低冗余度（redundancy）、高数据独立性（data independency）、高可扩展性（scalability）。

数据库管理系统：DBMS

数据定义语言：DDL

数据操纵语言：DML

数据库系统：DBS

数据库管理员：DBA

系统分析员：SA

应用程序员：Programmer & Programmer leader

graph TD
    subgraph 数据库系统
    A[硬件]
    B[OS]
    C[DBMS]
    D[开发工具]
    E[数据库应用系统]
    end

对数据的需求

1. 数据结构化，方便储存、管理和共享。

2. 低冗余，易扩充。

3. 数据逻辑结构与程序之间相互独立，具有逻辑独立性。

4. 数据储存方式与程序之间相互独立，具有物理独立性。

5. 存取粒度小。

6. 安全、完整、支持并发、可以恢复。

7. ……

数据模型

概念模型 + 逻辑模型和物理模型

graph LR
    subgraph 三级模型
    D((概念模型)) --> E((逻辑模型)) --> F((物理模型))
    end
    subgraph 数据建模
    A[现实世界] -->|提取特征| B[信息世界] -->|数据建模| C[机器世界]
    end
    B --> D
    C --> E
    C --> F

概念模型

E-R图

表现实体与关系的图

概念

graph LR
    subgraph "实体集（同类实体）"
    A[实体 1]
    B[实体 2]
    C["……"]
    end
    subgraph 实体型
    G["实体型（共同特征）"] --> D[[属性 1]]
    G --> E[[属性 2]]
    G --> F["……"]
    end
    A --> G
    B --> G
    C --> G
    subgraph 主码
    I["主码（Primary Key）"]
    end
    D --> H[\能够唯一标识实体\] --> I
    E --> H
    subgraph 域
    K[域]
    end
    D --> J[\取值范围\] --> K
    E --> J

graph LR
    subgraph 联系
    L[实体] -->|"一对一、一对多、多对多"| L
    M[属性] -->|"一对一、一对多、多对多"| M
    end

逻辑模型

组成要素：数据结构、数据操作、完整性约束

分类：

• 层次模型
  • 结构清晰、查询效率高、完整性约束好
  • 只能处理一对多的联系，或者引入冗余；结构过于严密，层次命令趋于程序化。
• 网状模型
  • 更容易描述现实世界、存取效率高、性能好、具有一定的完整性约束
  • 结构复杂、其DDL和DML复杂、存取路径复杂。
• 关系模型
  • 关系 \(\to\) 元组 \(\to\) 属性 \(\to\) 域（属性值的范围） \(\to\) 码（主键） \(\to\) 分量（记录中的一个属性值）
  • e.g. 学生(学号, 姓名, 年龄, 专业)
  • 数据操作是集合操作、非过程化（操作对象和操作结果都是关系）
  • 数学基础严密、存取路径透明。但是需要内部优化模块。
• 面向对象模型
• NoSQL模型

DBS结构

一些概念

graph TD
    subgraph Instance
    Value_1k
    Value_2k
    Value_nk
    end
    subgraph Schema
    Type_1
    Type_2
    Type_n
    end

• 型（Type）：某一类数据的结构和属性的说明。e.g. (学号, 姓名, 年龄, 专业)
  • 实体型（entity type）：实体名 + 属性名集合。e.g. 学生(学号, 姓名, 年龄, 专业)
• 值（Value）：Type 的一个具体值。
  • e.g. (12302, 张三, 23, 计算机)
• 模式（Schema）：数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，仅涉及型，不涉及值。
• 实例（Instance）：Schema 的一个具体值

三级模式结构

graph LR
    A["逻辑模式（模式）"] -->|外模式/模式映像| C["外模式（用户模式）"] --> D[应用]
    A -->|内模式/模式映像| B["内模式（物理模式）"]
    A --> D

逻辑模式：唯一。描述数据库中所有数据的逻辑结构和特征，是用户公共数据视图。例如，数据项、取值范围、安全性和完整性要求。

内模式：唯一。描述数据的物理储存方式和结构。例如，是否压缩加密、是否升序。

外模式：不唯一，取决于应用。是用户能够看见和使用的 Schema 的子集。

graph BT
    A[[数据库]] --> B[内模式]
    B -->|内模式/模式映像| C[模式]
    C --> D[外模式1]
    C -->|外模式/模式映像| E[外模式2]
    C --> F[外模式3]
    D --> G[应用A]
    D --> H[应用B]
    E --> I[应用C]
    F --> J[应用D]
    F --> K[应用E]

二级映像

如果 Schema 改变，通过修改 外模式/模式映像，能够保持外模式不变，构成逻辑独立性。

如果 Stroge Schema 改变，通过修改 内模式/模式映像，能够保持模式不变，构成物理独立性。