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数据库系统基础知识

基本概念 数据库三级模式两级映像 数据库的分析与设计过程 数据模型 关系代数 数据库完整性约束

关系型数据库SQL简介 关系数据库的规范化 数据库的控制功能 数据仓库与数据挖掘基础 大数据基本概念

6.1 基本概念

1. 数据库
   • 数据库（Database，缩写为DB）是指长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和存储，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。
2. 数据库管理系统
   • 数据库管理系统（Database Management System，DBMS）是数据库系统的核心软件，要在操作系统支持下工作，解决如何科学地组织和存储数据、如何高效地获取和维护数据的系统软件问题。其主要功能包括数据定义功能、数据操纵功能、数据库的运行管理、数据组织、存储、管理和数据库的建立与维护。

6.1.1 DBMS的特征与分类

1. 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. 提供数据控制功能。
2. DBMS的分类
   1. 关系数据库系统：是支持关系模型的数据库系统。
   2. 面向对象的数据库系统：是支持以对象形式对数据建模的数据库系统。
   3. 对象关系数据库系统：在传统的关系数据模型基础上，提供元组、数组、集合等更丰富的数据类型以及处理新的数据类型操作的能力，这样形成的数据模型称为对象关系数据模型。基于对象关系数据模型的DBS称为对象关系数据库系统。

6.2 数据库三级模式两级映像

1. 用户级数据库
   外模式A 和 外模式B：用户视图，表示不同用户看到的数据视图。
2. 概念级数据库
   概念模式：概念模式是数据库的整体逻辑结构，包含了所有数据的定义和关系。
   外模式-概念模式映射：将用户视图（外模式）映射到概念模式。
3. 物理级数据库
   内模式：物理存储结构，包括存储设备、文件组织方式等。
   概念模式-内模式映射：将概念模式映射到物理存储结构（内模式）。
4. 映射关系
   外模式-概念模式映射：确保用户视图与整体逻辑结构的一致性。
   概念模式-内模式映射：确保逻辑结构与物理存储结构的一致性。
5. 操作系统
   操作系统：管理物理数据库的底层操作。

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。

• 外模式：也称用户模式或子模式，是用户与数据库系统的接口，是用户用到的那部分数据的描述，由若干个外部记录类型组成。描述外模式的数据定义语言称为外模式DDL。
• 概念模式：也称模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它由若干个概念记录类型组成，只涉及行的描述，不涉及具体的值。概念模式的一个具体值称为模式的一个实例，同一个模式可以有很多实例。
• 内模式：也称存储模式，是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式，定义所有的内部记录类型、索引和文件的组织方式，以及数据控制方面的细节。描述内模式的数据定义语言称为内模式DDL。

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外模式/模式映像：该映像存在于外部级和概念级之间，实现了外模式到概念模式之间的相互转换。

模式/内模式映像：该映像存在于概念级和内部级之间，实现了概念模式到内模式之间的相互转换。

DBMS的两级映像功能保证了数据的独立性。

6.3 数据库的分析与设计过程

1. 当前和未来应用的数据要求
   需求分析：根据当前和未来应用的数据要求进行需求分析。
   数据流图
   数据字典
   需求说明书
2. 概念结构设计
   概念结构设计：基于需求分析的结果，设计概念结构。
   用户的逻辑模型（即与DBMS无关的概念模型）
   ER模型：实体关系模型
3. 逻辑结构设计
   逻辑结构设计：将概念结构转换为逻辑结构。
   转换规则、规范化理论
   关系模式
4. 物理设计
   物理设计：基于逻辑结构设计和DBMS特性进行物理设计。
   视图、完整性约束及应用处理说明书
   硬件、OS特性

6.4 数据模型

• 模型：是对现实世界特征的模拟和抽象。
• 数学模型：是对现实世界数据特征的抽象。
• 数据模型：是用来描述数据的一组概念和定义。

数据模型的三要素

• 数据结构：是所研究的对象类型的集合，是对系统静态特性的描述。
• 数据操作：是对数据库中各种对象的实例（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性的描述。
• 数据的约束条件：是一组完整性规则的集合。对于具体的应用数据必须遵循特定的语义约束条件，以保证数据的正确、有效、相容。

实体-联系模型简称E-R模型，所采用的3个主要概念是实体、联系和属性。

6.4.1 ER模型

ER 图例说明 ER 模型的三个主要概念 实体 联系 属性

实体：表示现实世界中的对象或事物。

示例：学生、课程

属性：描述实体的特征。

示例：姓名、性别、年龄

联系：表示实体之间的关系。

示例：选课

E-R图示例

学生实体
属性：学号、姓名、性别、年龄

课程实体
属性：课程号、课程名
联系：选课
属性：成绩
关系：M:N（多对多）

6.4.2 关系模型

关系数据库系统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，其最大特色是描述的一致性。

• 关系模型是由若干个关系模式组成的集合。一个关系模式相当于一个记录型，对应于程序设计语言中类型定义的概念。
• 关系模型的优点是：
  • 概念单一
  • 存储路径对用户是透明的
  • 所以具有更好的数据独立性和安全保密性
  • 简化了程序的开发和数据库的建立工作

教学数据库的4个关系模式如下：

S (Sno, Sname, SD, Sage, Sex)

学生S关系模式，属性为学号、姓名、系、年龄和性别

T (Tno, Tname, Age, Sex)

教师T关系模式，属性为教师号、姓名、年龄和性别

C (Cno, Cname, Pcno)

课程C关系模式，属性为课程号、课程名和先修课程号

SC (Sno, Cno, Grade)

学生选课SC关系模式，属性为学号、课程号和成绩

一个实体型转换为一个关系模式

• 1:1联系
• 1:n联系
• m:n联系

三个以上实体间的一个多元联系 n + 1

• 在数据库逻辑结构的设计中，将E-R模型转换为关系模型应遵循相关原则。对于三个不同实体集和它们之间的多对多联系m:n:p，最可转换为 __C__个关系模式。

A. 2 B. 3 C. 4 D. 5

当处理涉及三个或更多实体的多对多联系时，通常需要为每一个实体以及它们之间的联系各创建一个关系模式。这样可以确保联系能够被准确地表示，并维持数据的一致性和完整性。