软考程序员教程-第三章数据库基础知识

第三章数据库基础知识

3.1 基本概念

数据库系统（DataBase System，DBS）由数据库（DataBase，DB）、硬件、软件和人员4大部分组成。

软件包括操作系统、数据库管理系统（Database Management System，DBMS）及应用程序。

大数据（Big Data）产生的背景主要包括如下4个方面：

（1）数据来源和承载方式的变革。

（2）全球数据量出现爆炸式增长。

（3）大数据已经成为一种自然资源。

（4）大数据日益重要，不被利用就是成本。

大数据的特征：

大数据是指“无法用现有的软件工具提取、存储、搜索、共享、分析和处理的海量的、复杂的数据集合”。业界同常用“4V”来概括大数据的特征：

大量化（Volume）指数据体量巨大。

多样化（Variety）指数据种类繁多。

价值密度低（Value）指大量的不相关信息导致价值密度的高低与数据总量的大小成反比。

快速化（Velocity）指处理速度快。

大数据时代主要面临的三大挑战：软件和数据处理能力、资源和共享管理以及数据处理的可信力

大数据产生的安全风险：

（1）大数据成为网络攻击的显著目标。

（2）大数据加大了隐私泄露风险。

（3）大数据威胁现有的存储和安防措施。

（4）大数据技术成为黑客的攻击手段。

（5）大数据成为高级可持续攻击的载体。

（6）大数据技术为信息安全提供新支撑。

3.2 数据模型

3.2.1、基本概念

最常用的数据模型分为概念数据模型和基本数据模型。

（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。他强调语义表达功能，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（E-R模型）。

（2）基本数据模型。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、关系模型和面向对象模型（Object Oriented Model）。

3.2.2、数据模型的三要素

（1）数据结构。数据结构是所研究的对象类型的集合，是对系统静态特性的描述。

（2）数据操作。数据操作是指对数据库中的各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作的集合，包括操作及操作规则。数据操作是对系统动态特征的描述。

（3）数据的约束条件。是一组完整性规则的集合。

3.2.3、E-R模型

在数据库设计中，常用实体联系模型（E-R模型）来描述现实世界到信息世界的问题，它是软件设计中的一个重要工具。E-R模型易于用户理解，是用户和数据库设计人员交流的语言。

1、E-R图

2、实体

实体是现实世界中可以区别于其他对象的“事件”或“物体”。

3、联系

实体的联系分为实体内部的联系和实体与实体之间的联系。实体内部的联系反映数据在同一记录内部各字段间的联系。

在此主要讨论实体集之间的联系：

（1）两个不同实体之间的联系

两个不同实体集之间存在一对一、一对多和多对多的联系类型。

· 一对一：指实体集E1中的一个实体最多只与实体集E2中的一个实体相联系，记为1:1。

· 一对多：表示实体机E1中的一个实体可与实体机E2中的多个实体相联系，记为1：n。

· 多对多：表示实体集E1中的多个实体可与实体集E2中的多个实体相联系，记为m：n.

（2）两个以上不同实体集之间的联系

两个以上不同实体集之间存在1：1：1、1：1：n、1：m：n和r：m：n的联系。

（3）同一实体集内的二元联系

同一实体集内的各实体之间也存在1:1、1：n和m:n的联系。

4、属性

属性是实体某方面的特征。

在同一实体集中，每个实体的属性及值域是相同的，但可能取不同的值。

E-R模型中的属性有如下分类：

（1）简单属性和复合属性。

（2）单值属性和多值属性。

（3）NULL属性。

（4）派生属性。

3.2.4、基本的数据模型

1、层次模型（Hierarchical Model）

层次模型采用树型结构表示数据与数据间的联系。在层次模型中，每一个结点表示一个记录类型（实体），记录之间的联系用结点之间的连线表示，并且根节点以外的其他结点有且仅有一个双亲结点。上一层和下一层类型的联系是1：n联系（包括1：1联系）。

2、网状模型（Network Model）

采用网络结构表示实体类型及实体间联系的数据模型称为网状模型。在网状模型中，允许一个以上的结点无双亲，每个结点可以有多于一个的双亲。网状模型是一个比层次模型更普遍的数据结构，层次模型是网状模型的一个特例。网状模型可以直接地描述现实世界。

网状模型中的每个结点表示一个记录类型（实体），每个记录类型可以包含若干个字段（实体的属性），节点间的连线表示记录类型之间一对多的联系。

与层次模型的主要区别如下：网状模型中子女结点与双亲结点的联系不唯一，因此需要为每个联系命名；网状模型允许复合链，即两个结点之间有两种以上的联系；网状模型不能表示记录之间多对多联系，需要引入联结记录来表示多对多的联系。

网状模型的主要优点是能更为直接的描述现实世界，具有良好的性能，存取效率高。缺点是结构复杂。

3、关系模型（Relation Model）

关系模型是目前最常用的数据模型之一。关系数据模型采用关系模型作为数据的组织方式，在关系模型中用表格结构表达实体集，以及实体集之间的联系，其最大特点是描述的一致性。关系模型是由若干个关系模式组成的集合。关系模式可记为R（A1，A2，A3，···，An），其中，R表示关系名，A1、A2、A3、···、An表示属性名。

一个关系模式相当于一个记录型，对应程序设计语言中类型定义的概念。关系是一个实例，也是一张表，对应于程序设计语言中变量的概念。变量的值随程序运行可能发生变化，类似的，当关系被更新时，关系实例的内容也随时间发生了变化。

3.3 DBMS的功能和特征

DBMS主要实现共享数据有效的组织、管理和存取，因此DBMS应具有如下几个方面的功能：

（1）数据定义

DBMS提供数据定义语言（Data Definition Language,DDL），用户可以对数据库的结构进行描述，包括外模式、模式、和内模式的定义；数据库的完整性定义；安全保密定义，如口令、级别和存取权限等。这些定义存取在数据字典中，是DBMS运行的基本依据。

（2）数据库操作

DBMS向用户提供数据操纵语言（Data Manipulate Language，DML），实现对数据库中数据的基本操作，如检索、插入、修改、和删除。DML分为两类：宿主型（嵌入C、Java等语言中使用）、自含型（单独使用DML语句，供用户交互使用）。

（3）数据库运行管理

（4）数据组织、存储和管理

（5）数据库的建立和维护

（6）其他功能

DBMS的特征：

（1）数据结构化且统一管理。

（2）有较高的数据独立性。

（3）数据控制功能。(数据库的安全性保护、数据的完整性、并发控制、故障恢复)。

DBMS分类：

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

（2）面向对象的数据库系统（Object-Oriented Database System，OODBMS）。

（3）对象关系数据库系统（Object-Oriented Relation Database System，ORDBS）。

3.4 数据库模式

3.4.1、模式

数据库系统采用三级模式结构，这是数据库管理系统内部的系统结构。

数据库系统设计员可在视图层、逻辑层和物理层对数据抽象，通过外模式、概念模式和内模式来描述不同层次上的数据特性。

数据按外模式的描述提供给用户；按内模式的描述存储在磁盘上；而概念模式提供了连接这两级模式的相对稳定的中间层，并使得两级中任意一级的改变都不受另一级的牵制。

3.4.2、三级模式两级映像

3.5 关系数据库与关系运算

（个人感觉此处较为重要，建议认真学习一下）

3.5.1、关系数据库的基本概念

在现实世界中，一个事物常常取若干特征来描述，这些特征称为属性（attribute）。

每个属性的取值范围对应一个值的集合，称为该属性的域（domain）。

一般在关系数据模型中，限制所有的域都是原子数据（atomic data）。例如，整数、字符串是原子数据，而集合、记录、数组是非原子数据。关系数据模型的这种限制称为第一范式条件。

5、关系的三种类型

（1）基本关系（通常又称为基本表或基表）。是实际存在的表，它是实际存储数据的逻辑表示。

（2）查询表。查询结果对应的表。

（3）视图表。是由基本表或其他视图表导出的表。由于它本身不独立存储在数据库中，数据库中只存放它的定义，所以常称为虚表。

3.5.2、关系数据库模式

3.5.3、完整性约束

（关系代数运算符若难以理解，请参见第四版教程P110）

3.6 关系数据库SQL语言简介

SQL（Structure Query Language）是一种通用的、功能强大的标准查询语言，已在众多商用DBMS（如DB2、Oracle、Ingress、Sysbase和SQL Server等）实现。SQL不仅包含数据查询功能，还包括插入、删除、更新、和数据定义功能。SQL用户可以是应用程序，也可以是终端用户。

3.6.1、SQL概述

1、SQL的特点：（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。

2、SQL支持三级模式结构

SQL支持关系数据库的三级模式结构。其中，视图对应外模式、基本表对应模式、存储文件对应内模式。

3、SQL的基本组成

数据定义语言、交互式数据操纵语言、事务控制、嵌入式SQL和动态SQL、完整性控制和权限管理。

3.6.2、SQL数据定义（本小节为基础SQL语句的使用，计算机及相关专业基础必修课，不再总结。可参考第四版教程P115）

3.6.3、SQL数据查询（本小节为基础SQL语句的使用，计算机及相关专业基础必修课，不再总结。可参考第四版教程P119）

3.6.4、SQL数据更新（本小节为基础SQL语句的使用，计算机及相关专业基础必修课，不再总结。可参考第四版教程P127）

3.6.5、SQL的访问控制（了解即可，具体参考第四版教程P129）

3.6.6、嵌入式SQL（了解即可，具体参考第四版教程P130）

3.7 数据库设计

数据库设计过程参照软件系统生命周期的划分方式，把数据库应用系统的生命周期分为数据库规划、需求描述与分析、数据库设计与应用程序设计、实现、测试、运行维护6个阶段。（具体参考第四版教程P131）

这几天有些事情没能及时更新，在此表示抱歉啦！

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