FZU数据库系统原理复习笔记

AVICIIl

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分类专栏：数据库系统原理文章标签：数据库 database sql

于 2021-12-23 18:46:44 首次发布

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教材：数据库系统概论（第五版）
出版社：高等教育出版社

第一章绪论

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1.1 数据库系统概述

🔺1.1.1 四个基本概念

1. 数据

定义：

数据（Data）是数据库中存储的基本对象
数据是描述事物的符号记录
数据的含义称为数据的语义，数据与其语义是不可分的

2. 数据库(DB)

定义：是长期储存 在计算机内、有组织 的、可共享 的大量数据的集合

基本特点：永久储存、有组织、可共享

3. 数据库管理系统(DBMS)

定义：

位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件
是基础软件，是一个大型复杂的软件系统

🔺主要功能：

数据定义功能
数据的组织、存储和管理
数据操纵功能
数据库的事务管理和运行管理
数据库的建立和维护

4. 数据库系统(DBS)

定义：是由数据库、数据库管理系统(及其应用开发工具)、应用程序和数据库管理员(DBA)组成的存储、管理、处理和维护数据的系统

特点：

数据结构化：数据库主要特征之一，与文件系统的本质区别
数据共享性高、冗余度低且易拓展
数据独立性高：物理独立性和逻辑独立性

数据独立性是由DBMS提供的二级映像保证的
数据由DBMS统一管理和控制

🔺1.1.2数据管理技术的产生和发展

人工管理阶段
文件系统阶段
- 数据可以长期保存
- 由文件系统管理数据
- 数据共享性差，冗余度大
- 数据独立性差
数据库系统阶段
- 数据结构化（主要特征，与文件系统的本质区别）
- 数据共享性高、冗余度低且易扩充
- 数据独立性高
- 数据由DBMS统一管理和控制

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1.2 数据模型

定义：是对现实世界数据特征的抽象

数据模型是数据库的核心和基础

1.2.1 两大类数据模型

🔺数据建模的三大要求：

能比较真实地模拟现实世界
容易为人所理解
便于在计算机上实现

概念模型，也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计。
逻辑模型和物理模型

逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面向对象数据模型、对象关系数据模型、半结构化数据模型等。按计算机系统的观点对数据建模，用于DBMS实现。
物理模型是对数据最底层的抽象，描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法。

1.2.2 概念模型

实体(可以是具体的人事物，也可以是抽象的概念和联系)
属性(描述实体所具有的某一特征，如学生实体可以由学号等属性组成)
码（唯一标识实体的属性集）
实体型(比如学生)
实体集(同一类型实体的集合，比如全体学生)
联系(实体集之间的联系通常是指不同实体集之间的联系)

一对一（一个班级一个班长）、一对多（一个班级多位学生）、多对多（课程和学生之间的联系）
实体-联系方法(E-R方法/E-R模型)//第七章

🔺1.2.3 数据模型的组成要素

数据结构（静态特性）
数据操作（动态特性）
数据的完整性约束条件

1.2.4常用数据模型

在数据库的非关系模型中，基本层次联系是指两个记录以及它们之间的一对多（含一对一）的联系

1.2.7 关系模型

关系模型是最重要的一种数据模型

1. 数据结构

关系：表
元组：行
属性：列
码：表里的某个属性组，它可以唯一确定一个元组
域：一组具有相同数据类型的集合
分量：元组中的一个属性值
关系模式：对关系的描述

关系的每一个分量必须是一个不可拆分的数据项：不允许表中有表

2. 数据操控和完整性约束

数据操控：查询、插入、更新和删除数据

关系模型中的数据操作都是集合操作，操作对象和操作结果都是关系
完整性约束条件：实体完整性、参照完整性和用户定义完整性

3. 关系模型的优缺点

略.

🔺1.3 数据库系统的结构

数据库系统通常采用三级模式结构

数据库的二级映像功能

1.3.2 三级模式结构

模式(逻辑模式)：是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。

模式是相对稳定的，实例是相对变动的

一个数据库只有一个模式
外模式(子模式/用户模式)：用户能看到、使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是DB用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示

外模式是模式的子集

一个数据库可以有多个外模式
内模式(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组织方式
一个数据库只有一个内模式

模式：概念级抽象 外模式：视图级抽象 内模式：物理级抽象

1.3.3 二级映像功能和数据独立性

1. 外模式/模式映像

模式描述的是数据的全局逻辑结构
外模式描述的是数据的局部逻辑结构
同一个模式可以有任意多个外模式
每一个外模式，数据库系统都有一个外模式／模式映象，定义外模式与模式之间的对应关系
映象定义通常包含在各自外模式的描述中

保证了数据的逻辑独立性

当模式改变时，由数据库管理员对映像做相应改变，可使外模式保持不变，而应用程序是根据外模式编写的，从而应用模式不用更改，保证了数据和程序的逻辑独立性。

2. 模式/内模式映像

数据库中只有一个模式，也只有一个内模式，所以模式/内模式映像是唯一的
定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系

保证了数据的物理独立性

当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），数据库管理员修改模式／内模式映象，使模式保持不变，从而应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。

1.4 数据库系统的组成

数据库系统由DB、DBMS、应用软件和DBA构成。

🔺数据库管理员的工作职责：

决定数据库中的信息内容和结构。
决定数据库的存储结构和存取策略。
定义数据的安全性要求和完整性约束条件。
监控数据库的使用和运行。
数据库的改进和重组、重构。

第二章关系数据库

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关系数据库系统：是支持关系模型的数据库系统

关系模型：由关系数据结构、关系操作集合和关系完整性约束三部分组成

关系模型的基础：集合代数

2.1 关系数据结构及形式化定义

关系模型的数据结构(单一)：关系

2.1.1 关系

1. 域

一组具有相同数据类型的值的集合
定义了列的取值范围

2. 笛卡尔积

是域上的一种集合运算
- 笛卡尔积可表示为一张二维表
- 表中的每行对应一个元组，表中的每列对应一个域

给定一组域D1,D2,D3…Dn的笛卡尔积为D1×D2×D3…×Dn = {（ d 1 ， d 2 ， … ， d n ）|di 属于Di }

元组
- 笛卡尔积中每一个元素（ d 1 ， d 2 ， … ， d n ）叫作一个n元组（n-tuple）或简称元组
- 笛卡尔积元素中的每一个值 d i叫作一个分量
基数

一个域允许的不同取值个数称为这个域的基数

3. 关系

是笛卡尔积的一个有实际意义的有限子集
是元组的集合
D 1 × D 2 × … × D n的有实际意义子集叫作在域D 1 ， D 2 ， … ， D n 上的关系，常常表示为R （ D 1 ， D 2 ， … ， D n
- R：关系名
- n：关系的目或度（Degree）

（1）单元关系与二元关系

当n=1时，称该关系为单元关系或一元关系
当n=2时，称该关系为二元关系

（2）候选码(Candidate Key)/候选键

关系中的某一组属性集能*唯一的标识*一个元组，而它的子集不能

候选码可以有多个

（3）主码

若一个关系中有多个候选码，则选定其中一个作为主码（人为指定）

主码只有一个，唯一标识一个元组

（4）主属性

组成候选码的属性

（5）非主属性/非码属性

不包含在任何侯选码中的属性

（6）关系的三种类型

基本关系(基本表/基表)
查询表（临时表）
视图表(是虚表，不对应实际存储的数据)

🔺（7）基本关系的性质

列是同质的：列中的分量是同类型数据，来自同一个域
不同的列可出自同一个域，其中的每一列称为一个属性，不同的属性要给予不同的属性名
列的顺序无所谓，列的次序可以任意交换
任意两个元组的候选码不能相同
行的顺序无所谓，行的次序可以任意交换
*（最基本的规范化条件）*分量必须取原子值。即每个分量都是不可分的数据项 （属性是不可分割的数据项）

2.1.2 关系模式

是对关系的描述（有哪些属性，各个属性之间的依赖关系如何）

1. 关系模式的表示

关系模式可以形式化地表示为：R（U，D，DOM，F）

R：关系名
U：组成该关系的属性名集合
D：U中属性所来自的域
DOM：属性向域的映象集合
F：属性间数据的依赖关系的集合

可以简记为R (U)或R ( A 1 ， A 2 ， … ， A n ) R (A_1，A_2，…，A_n)R(A1，A2，…，A**n)
- A 1 ， A 2 ， … ， A n A_1，A_2，…，A_nA1，A2，…，A**n : 属性名
  
  如：学生（学号，姓名，年龄，性别，系名，年级）

2. 关系模式与关系的区别

关系模式是型；关系是值
关系模式是静态的、稳定的；关系是动态的，随时间不断变化的。
关系模式是对关系的描述；关系是关系模式在某一时刻的状态或内容

2.1.3 关系数据库

在一个给定的应用领域中，所有关系的集合构成一个关系数据库

关系数据库的型: 关系数据库模式，是对关系数据库的描述

关系数据库的值: 关系模式在某一时刻对应的关系的集合，通常称为关系数据库

2.1.4 关系模型的存储结构

有的关系数据库管理系统中一个表对应一个操作系统文件，将物理数据组织交给操作系统完成
有的关系数据库管理系统从操作系统那里申请若干个大的文件，自己划分文件空间，组织表、索引等存储结构，并进行存储管理；

2.2 关系操作

查询

选择、投影、连接、除、并、交、差
数据更新

插入、删除、修改

集合操作方式：操作的对象和结果都是集合，也称为一次一集合的方式

2.3 关系的完整性

实体完整性和参照完整性

是关系模型必须满足的完整性约束条件称为关系的两个不变性，应该由关系系统自动支持
用户定义的完整性

应用领域需要遵循的约束条件，体现了具体领域中的语义约束

1. 实体完整性

若属性A是基本关系R的主属性，则属性A不能取空值 (主属性不能取空值)

2. 参照完整性

若属性（或属性组）F是基本关系R的外码，它与基本关系S的主码Ks相对应（基本关系R和S不一定是不同的关系），则对于R中每个元组在F上的值必须为：

或者取空值（F的每个属性值均为空值）
或者等于S中某个元组的主码值

例子

学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄，班长）

“班长”是外码
学生关系既是参照关系也是被参照关系

“班长”属性值(外码)可以取两类值：

空值，表示该学生所在班级尚未选出班长
非空值，该值必须是本关系中某个元组的学号值

（1）外码

设F是基本关系R的一个或一组属性，但不是关系R的码。如果F与基本关系S的主码Ks相对应，则称F是R的外码。（F是R中一个或一组属性，但不是R的码，是S的主码，则F是R的外码）

基本关系R称为参照关系
基本关系S称为被参照关系或目标关系

注意：

关系R和S不一定是不同的关系(如班长与学号的例子)
目标关系S的主码Ks 和参照关系的外码F必须定义在同一个（或一组）域上
外码并不一定要与相应的主码同名(当外码与相应的主码属于不同关系时，往往取相同的名字，以便于识别)

例子

学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄）

专业（专业号，专业名）

“专业号”属性是学生关系的外码
专业关系是被参照关系，学生关系为参照关系

3. 用户定义的完整性

关系模型应提供定义和检验这类完整性的机制，以便用统一的系统的方法处理它们，而不需由应用程序承担这一功能

2.4 关系代数

是一种抽象的查询语言，它用对关系的运算来表达查询

运算三大要素：

运算对象(关系)
运算符(集合运算符和专门的关系运算符)
运算结果(关系)

2.4.1 传统的集合运算

1. 并

R ∪ S = { t ∣ t ∈ R ∨ t ∈ S } R∪S = { t|t∈R∨t ∈S }R∪S={ t∣t∈R∨t∈S}

仍为n目关系，由属于R或属于S的元组组成

2. 差

R − S = { t ∣ t ∈ R ∧ t ∉ S } R -S = { t|t∈R∧t∉S }R−S={ t∣t∈R∧t∈/S}

仍为n目关系，由属于R而不属于S的所有元组组成

3. 交

R ∩ S = { t ∣ t ∈ R ∧ t ∈ S } R∩S = { t|t∈R∧t∈S }R∩S={ t∣t∈R∧t∈S}

仍为n目关系，由既属于R又属于S的元组组成

4. 笛卡尔积

无条件的头尾连接

R : n 目关系， k 1 个元组、R: n目关系，k_1个元组、R:n目关系，k1个元组
S : m 目关系， k 2 个元组、S: m目关系，k_2个元组、S:m目关系，k2个元组

R×S ：

列：（ n + m ）（n+m）（n+m）列元组的集合

元组的前n列是关系R的一个元组

元组的后m列是关系S的一个元组

行：k 1 × k 2、 k_1 × k_2、k1×k2个元组

2.4.2 专门的关系运算

1. 引入记号

(2)分量：t [ A i ] t[A_i]t[*A**i*]

设关系模式为R ( A 1 ， A 2 ， … ， A n ) R(A_1，A_2，…，A_n)R(A1，A2，…，A**n)

它的一个关系设为R

t ∈ R t∈Rt∈R表示t是R的一个元组

t [ A i ] t[A_i]t[A**i]则表示元组t中相应于属性A i A_iA**i的一个分量

(2)剩余属性组

(3)元组的连接

(4)象集

本质上是一次选择行的运算和一次选择列的运算

给定一个关系R （ X ， Z ） R（X，Z）R（X，Z），X和Z为属性组
当t [ X ] = x t[X]=xt[X]=x时，x在R中的象集（Images Set）为：

Z x = { t [ Z ] ∣ t ∈ R ， t [ X ] = x } Z_x={t[Z]|t∈R，t[X]=x}Z**x={ t[Z]∣t∈R，t[X]=x}
- 它表示R中属性组X上值为x的诸元组在Z上分量的集合
本质上