数据库原理1

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文章标签： 数据库 database
于 2022-05-07 11:00:06 首次发布
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第一章：绪论
数据库的四个基本概念

数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统

  • 数据：数据是数据库中存储的基本对象

  • 数据库：长期存储在计算机内，有组织，可共享的大量数据的集合

    具有较小的冗余度、较高的数据独立性、易扩展性

  • 数据库管理系统：是位于用户和操作系统之间的一层数据管理软件

  • 数据库系统：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组成的存储、管理、处理和维护数据的系统

数据库系统特点

1：数据结构化（文件系统和数据库系统的本质区别）

数据整体是结构化的，数据不再针对一个应用，而是面向全组织，具有整体的结构化

2：数据共享性高、冗余度低且易扩展

共享性高：不是面向某个应用，而是面向整个系统，因此可以被多个用户、多个应用共享使用

冗余度低：数据共享能够减少数据冗余，节约存储空间

易于扩展：存储结构化的数据，易于扩展

3：数据独立性高，包括数据物理独立性数据逻辑独立性

物理独立性：用户的应用程序和数据库中数据的物理存储是相互独立的，由模式/内模式映像保证

逻辑独立性：用户的应用程序和数据库的逻辑结构是相互独立的，由外模式/模式映像保证

4：数据由数据库管理系统统一管理和控制

数据模型

数据模型是对现实世界数据特征的抽象

第一类概念模型、第二类逻辑模型和物理模型

概念模型
  • 主要用于对于数据库的设计
  • 是现实世界到机器世界的一个中间层次
  • 实体-联系方法（E-R方法也称为E-R模型，用E-R图来描述现实世界的概念模型）
信息世界的概念
  • 实体：客观存在并相互区别的事物
  • 属性：实体所具有的某一特性
  • 码：唯一标识实体的属性集
  • 实体型：学生（学号、姓名、性别、出生年月、所在院系、入学时间）就是一个实体型
  • 实体集：全体学生就是一个实体集
  • 联系：
    • 实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系
    • 实体之间的联系有一对一、一对多、多对多等多种类型
数据模型的组成三要素
  • 数据结构
  • 数据操作
  • 数据完整性约束
常用的数据模型
层次模型

  • 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点

  • 根以外的其他结点有且仅有一个双亲结点

  • 适合一对多的关系，不适合多对多关系

在这里插入图片描述

在进行插入操作时，没有相应双亲结点值就不能插入它的子女结点值

在进行删除操作时，如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被删除

网状模型
  • 允许结点无双亲
  • 一个结点可以有多个双亲
  • 要为每个联系命名（在网状模型中联系不唯一）
关系模型

关系：一个关系对应一张表

元组：表中的一行

属性：表中的一列

码：表中的某个属性组

域：一组具有相同数据类型的值的集合

分量：元组中的一个属性值

关系模式：对关系的描述，如 学生（学号，姓名，年龄，性别，年级）

数据库系统结构

模式是数据库全体数据的逻辑结构和特征的描述，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

数据库系统三级模式：外模式、模式和内模式三级组成

在这里插入图片描述

模式

描述的是数据的全局逻辑结构，所有用户的公共数据视图；

  • 一个数据库只有一种模式

  • 作为数据库的中间层，既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，

  • 与具体应用程序、应用开发工具和高级程序设计语言无关

  • 数据库管理系统提供模式数据定义语言（模式DDL）来严格定义模式

外模式

外模式也称为子模式或者用户模式，是数据库用户的数据视图，描述的是数据的局部逻辑结构

  • 外模式通常是模式的子集

  • 一个数据库可以有多个外模式

  • 一个外模式可以被一个用户的多个应用系统所使用，但是一个应用程序智能使用一个外模式

  • 数据库管理系统提供外模式数据定义语言（外模式DDL）来严格定义外模式

内模式

内模式也称为存储模式，是数据物理结构和存储方式的描述，也称为存储模式

  • 一个数据库只有一个内模式
  • 是对数据物理结构和存储方式的描述：比如索引方式是B+树索引还是hash索引、存储方式是升序或者降序、数据是否压缩
外模式/模式映像

当模式改变时，数据库管理员对外模式/模式映像做相应改变，

外模式保持不变，应用程序是根据数据的外模式编写的，应用程序不必修改，称为逻辑独立性

逻辑独立性：用户的应用程序和数据库的逻辑结构是相互独立的

模式/内模式映像

当存储方式发生改变时，只需要对模式/内模式映像做出改变，外部应用程序不必修改

物理独立性：用于的应用程序和数据库的数据物理存储是相互独立的

第二章：关系数据库

数据模型组成三要素：数据结构、数据操作和数据完整性约束

第二章内容按照 关系数据结构（2.1）、关系操作（2.2）、关系三类完整性约束（2.3）、关系代数（2.4，实现关系操作的语言）、关系演算来展开

关系数据结构

域

笛卡尔积

候选码：某一属性组的值能够唯一标识一个元组，而其子集不能

主码：从候选码中选择出一个

主属性：候选码中的诸属性称为主属性

非主属性（非码属性）：不包含在候选码中的诸属性

全码：关系模式下所有属性是这个关系模式的候选码

关系三种类型

基本关系：基本表或者基表，实际存在的表，是实际存储数据的逻辑表示

查询表：查询结果对应的表

视图表：由基本表或者其他视图表导出的表，是虚表，不对应实际存储的数据

关系表中不允许还由表，简言之就是不允许“表中有表”

关系操作

关系操作包含查询操作、插入操作、删除操作、修改操作

查询操作：选择、投影、连接、除、并、差、交、笛卡尔积

其中选择、投影、并、差、笛卡尔积是5种基本操作

关系操作的特点是集合操作方式，即操作的对象和结果都是集合

关系完整性

关系模型中有三类完整性约束：实体完整性、参照完整性和用户定义完整性

实体完整性

属性A是关系R的主属性，A不能取空值

参照完整性

属性F是关系R的外码，参考S中的主码K值

  • 取空值
  • 等于S中某个元组主码值
用户自定义的完整性

用户定义的完整性就是针对某一具体关系数据库的约束条件

关系代数

并、差、交、笛卡尔积

选择

在这里插入图片描述

投影

投影之后不仅取消了原关系中的某些列，而且还可能取消某些元组 （避免重复行）

在这里插入图片描述

连接

在这里插入图片描述

除

在这里插入图片描述

第三章：SQL

SQL的特点

  • 综合统一

  • 高度非过程化

    在进行SQL数据操作时，只需要提出做什么，无需指明怎么做

  • 面向集合的操作方式

  • 语法结构提供多种使用方式：是嵌入式语言，能够嵌入到高级语言程序中

  • 语言简洁、易学易用

在这里插入图片描述

一个关系数据库管理系统的实例中可以建立多个数据库，一个数据库中可以建立多个模式，一个模式下通常包含多个表、视图和索引等数据库对象

在这里插入图片描述

数据定义

模式定义和删除

定义模式：定义模式实际上定义了一个命名空间，在这个空间中可以进一步定义该模式的数据库对象，如基本表、视图、索引

create scheme "S-T" autherization wang;
create scheme autherization	wang; /*默认模式名为用户名*/
DROP SCHEME "S-T" cascade;/*级联方式删除，删除在这个模式下的所有数据库对象*/
DROP SCHEME wang RESTRICT;/*在该模式下已经定义了下属的数据库对象，如表和视图之类的，拒接执行该指令*/
基本表定义和删除
CREATE TABLE Course(
    Cno CHAR(4) PRIMARY KEY,
    Cname CHAR(10) NOT NULL,
    Cpno CHAR(4),
    FOREIGN KEY (Cpno) REFERENCES Course(Cno)
);
DROP TABLE Course RESTRICT;
DROP TABLE Course CASCADE;
索引定义、修改和删除

顺序文件索引：按照属性值升序或者降序存储关系，在该属性上建立一个顺序索引文件

顺序索引文件：属性值和相应元组指针

B+树索引：将索引属性组织成B+树形式，B+树叶节点为属性值和对应的元组指针

散列索引：建立若干桶，将索引属性按照散列函数映射到对应桶中，桶中存放索引属性值和对应元组指针

CREATE UNIQUE INDEX SCno ON SC(Sno ASC,Cno DESC);/*SC表按照学号升序和课程号降序建立唯一索引*/
ALTER INDEX SCno RENAME TO SCSno;
DROP INDEX SCSno;

数据查询

单表查询
  • 查询指定列
SELECT Sname FROM Student;
  • 查询全部列
SELECT * FROM STUDENT;
  • 查询经过计算的值
SELECT SNAME,2014-SAGE FROM STUDENT;
  • 消除取值重复的行，若无DISTINCT关键词，则默认为ALL
SELECT DISTINCT SNO FROM SC;/*消除结果表中重复行*/
  • 查询满足条件的元组
    • %表示任意长度字符串，如a%b表示以a开头，以b结尾的任意长度字符串
    • _任意单个字符，a_b表示以a开头，以b结尾的长度为3的任意字符串
SELECT DISTINCT FROM SC WHERE GRADE<60;/*比较大小*/
SELECT SNAME FROM SC WHERE SAGE BETWEEN 20 AND 30;/*确定范围*/
SELECT Sname FROM SC WHERE Sdept IN('CS','MA','IS');/*确定集合*/

WHERE Sname NOT LIKE '刘%'; /*% 代表任意长度（长度可以为0）的字符串*/
WHERE Sname LIKE '欧阳__'; /*_代表单个字符*/
WHERE Cname LIKE 'DB\_Design' ESCAPE '\';
  • 设计空值的查询，注意 Grade IS NULL 中 IS 不能用等号代替
WHERE Grade IS NULL;
# WHERE Grade IS NOT NULL;
  • 多重条件查询
WHERE Sdept= 'CS' AND Sage<20;

ORDER BY

对查询结果按照一个属性或者多个属性列的升序ASC或者DESC降序排序，默认为__升序__

对于空值，排序时显示的次序是由具体系统来决定的

  • 按升序排序，含空值的元组在最后显示
  • 按降序排序，空值的元组最先显示
SELECT Sno, Grade
FROM SC
WHERE Cno= ' 3 '
ORDER BY Grade DESC;

聚集函数

聚集函数遇到空值时，除了COUNT(*)，其他都直接跳过。

聚集函数只能用于SELECT子句和GROUP BY中的HAVING子句。（不能用于WHERE子句）

SELECT COUNT(*) FROM Student;
SELECT COUNT(DISTINCT Sno) FROM SC;
SELECT AVG(Grade) FROM SC WHERE Cno= ' 1 ';
SELECT SUM(Ccredit) FROM SC,Course;
SELECT MAX(Grade) FROM SC WHERE Cno='1';

GROUP BY

GROUIP BY子句将查询结果按照某一列或者多列的值分组，值相等的为一组

SELECT Cno,COUNT(Sno) FROM SC GROUP BY Cno

查询选修相同Cno课程的同学总人数

SELECT FROM SC GROUP BY Sno HAVING COUNT(*)>3;

查询出元组个数>3，既学生选修的课程超过3门组选出来

连接查询

等值连接与非等值连接

SELECT Student.*,SC.* FROM Student,SC 
WHERE Student.Sno=SC.Sno;

自然连接

SELECT Student.Sno,Sname,Ssex,Sage,Sdept,Cno,Grade
FROM Student,SC
WHERE Student.Sno = SC.Sno;

复合条件

WHERE Student.Sno=SC.Sno AND SC.Cno=' 2 ' AND SC.Grade>90;

自身连接

连接操作对于自己和自己进行拼接，称为表的自身连接，取别名

SELECT FIRST.Cno, SECOND.Cpno
FROM Course FIRST, Course SECOND
WHERE FIRST.Cpno = SECOND.Cno;

外连接

仍将悬浮元组保存在结果关系中（会赋空值NULL）

# 左外连接
SELECT Student.Sno,Sname,Ssex,Sage,Sdept,Cno,Grade
FROM Student LEFT OUT JOIN SC ON (Student.Sno=SC.Sno);

多表连接

两个以上的表进行连接

嵌套查询

ORDER BY子句只能对最终查询结果排序

相关子查询和非相关子查询

SELECT Sno,Cno
FROM SC x
WHERE Grade>=(SELECT AVG(Grade)
              FROM SC y
              WHERE y.sno=x.sno
             );

ANY、EXISTS相关子查询

SELECT Sname,Sage FROM Student
WHERE Sage<ANY(
    SELECT Sage FROM Student WHERE Sdept='CS'
)
AND Sdept<>'CS'

SELECT Sname FROM Student
WHERE EXISTS(
    SELECT * FROM Student WHERE Sno=Student.Sno AND Cno='1'
);
集合查询

集合操作主要包括并UNION、交INTERSECT、差EXCEPT

UNION：合并后会自动去除重复的元组

SELECT * FROM Student WHERE Sdept='CS' UNION SELECT * FROM Student WHERE Sage<=19;
SELECT * FROM Student WHERE Sdept='CS' INTERSECT SELECT * FROM Student WHERE Sage<=19;
SELECT * FROM Student WHERE Sdept='CS' EXCEPT SELECT * FROM Student WHERE Sage<=19;

数据更新

插入
  • 插入元组
INSERT INTO SC(Sno,Cno) VALUES ('201908010808','1');
  • 插入子查询结果
CREATE TABLE Dept_age(
    Sdept CHAR(15),
    Avg_age SMALLINT
);
INSERT INTO Dept_age(Sdept,Avf_age)
SELECT Sdept,AVG(Sage) FROM Student GROUP BY Sdept;
修改
  • 修改某一元组
UPDATE Student SET Sage=22 WHERE Sno='201215121';
  • 修改多个元组
UPDATE Student SET Sage=Sage+1;
  • 带子查询的修改
UPDATE SC SET Grade=0 WHERE Sno IN(SELECT Sno FROM Student WHERE Sdept='CS')
删除
  • 删除某一个元组值
DELETE FROM Student WHERE Sno='1';
  • 删除多个元组值
DELETE FROM SC;
  • 带子查询的删除
DELETE FROM SC WHERE Sno IN(SELECT Sno FROM Student WHERE Sdept='CS');

空值

不能取空值的约束条件

  • NOT NULL约束条件的
  • UNIQUE限制的属性
  • 码属性

视图

视图是从一个或者几个基表中导出的表，与基表不同，这是一个虚表

数据库中只存放视图的定义，而不存放视图对应的数据

视图类似于一个窗口，如果基表发生改变，视图也会跟着发生变化

创建视图
CREATE VIEW IS_student
AS 
SELECT Sno,Sname,Sage
FROM Student
WHERE Sdept='IS'
WITH CHECK OPTION;

WITH CHECK OPTION加上后，对于视图进行修改、插入和删除操作时，关系数据库会自动加上Sdept='IS'的条件

行列子集视图：从单个基表中导出，并且只是去掉了基表中的某些行和某些列，但是保留了主码

分组视图：带有聚集函数和GROUP BY子句的查询来定义视图

删除视图
DROP VIEW IS_S1 CASCADE;
查询视图

视图消解

1：进行有效性检查，检查视图是否存在

2：从数据字典中取出视图定义，把定义的子查询和用户查询结合，转换成等价的对基本表的查询

3：执行修正了的查询

更新视图

更新视图：通过视图来插入、删除和修改数据

也是通过视图消解来转换为对基表的数据更新操作

视图作用

  • 视图能简化用户操作

  • 视图能使用户多种角度看待数据

  • 视图对重构数据库提供了一定程度的逻辑独立性

  • 视图能够对机密数据提供安全保护

  • 视图可以更清晰表达查询

==数据物理独立性：==用户的应用程序不依赖于数据库的物理结构

==数据逻辑独立性：==当数据库重构时，增加新的关系或者对原先关系增加新的字段等，用户的应用程序不会受影响

比如新建视图是两个基表的自然连接的结果（这两个基表是由于重构而改变的），用户应用程序仍然能够用视图查找到数据

第四章：数据库安全性

数据库管理系统提供的安全技术为：强制存取控制、数据加密存储、加密传输等

在这里插入图片描述

身份鉴别机制

用户在进入系统中，系统对用户标识进行识别

存取控制

包括定义用户权限和合法权限检查

定义用户权限

用户对某一数据对象的操作权力称为权限，数据库管理系统提供了适合的语言来定义用户权限，这些定义经过编译后存储在数据字典中，被称为是安全规则或授权规则

合法权限检查

当用户发出存取数据库操作的请求后，数据库管理系统在系统内查找数据字典，根据安全规则进行合法权限检查

自主存取控制（DAC）

  • 用户对不同的数据库对象有不同的存取权限

  • 不同用户对同一对象也有不同的权限

  • 用户可以将拥有的权限转给其他用户

用户自主地决定将数据存取权限授予何人，是否决定将“授权”权限赋予他人，这样地存取控制称为自主存取控制

强制存取控制（MAC）

每个数据库对象被标注一定的密级，每一个用户也被授予某一个级别的许可证，只有合法的用户才可以存取

分为主体和客体，为每个主体和客体分配一个敏感度标记（TS>=S>=C>=P）

  • 当主体许可证级别大于等于客体密级时，主体才能够读取相应客体

  • 当主体许可证级别小于等于客体密级时，主体才能够写相应客体

授权

GRANT：授予用户权限

REVOKE：回收用户权限

CASCADE或者RESTRICT，级联回收或者约束回收

WITH GRANT OPTION：被授权的用户能够传播该权限

GRANT ALL PRIVILEGES ON TABLE Student TO U2,U3;
GRANT INSERT ON TABLE SC TO U5 WITH GRANT OPTIONS;

新创建的用户只有三种权限：CONNECT、RESOURCE、DBA

在这里插入图片描述

角色

数据库角色是被命名的一组与数据操作相关的权限，角色是权限的集合

可以对一组具有相同权限的用户创建一个角色，使用角色来管理数据库权限可以简化授权过程

作用：数据库角色是权限的集合，使用角色管理数据库权限可以简化授权过程，使自主授权执行的更加灵活和方便

一个角色的权限

  • 直接授予这个角色的全部权限
  • 其他角色授予这个角色的权限
视图机制
  • 创建视图
  • 赋予视图权限给相应用户（将保密的数据对无权存取的用户隐藏起来）
审计

审计功能是将用户对数据库的操作自动记录下来存放到审计日志中，利用审计日志来监控数据库中的各种行为，重现导致数据库现有状况的一系列事件，找出非法存取数据的人、事件和内容等

AUDIT 设计审计功能，NOAUDIT语句取消审计功能

AUDIT ALTER,UPDATE ON SC;
NOAUDIT ALTER,UPDATE ON SC;

第五章：数据库完整性

实体完整性
  • 检查主码是否唯一（通过B+树进行索引能大大提高效率）
  • 检查主码各个属性是否为空

单属性码可以设置为列级约束条件和表级约束条件

CREATE TABLE SC(
    Sno CHAR(9) PRIMARY KEY, /*列级主码*/
    Ssex CHAR(2)
);

多属性码定义只能为表级约束条件

CREATE TABLE SC(
    Sno CHAR(9) NOT NULL,
    Cno CHAR(9) NOT NULL,
    Ssex CHAR(2)
    PRIMARY KEY(Sno,Cno) /*表级约束*/
);
参照完整性

对于参照完整性，除了定义外码，还应该定义外码是否允许空值

CREATE TABLE SC(
    Sno CHAR(4) NOT NULL,
    Cno CHAR(4) NOT NULL,
    PRIMARY KEY(Sno,Cno),
    FOREIGN KEY(Sno)REFERENCES Student(Sno) ON DELETE NO ACRION ON UPDATE CASCADE，
    FOREIGN KEY(Cno)REFERENCES Course(Cno)
);
用户定义完整性
  • 列值非空 (NOT NULL)
  • 列值唯一（UNIQUE）
  • 检查列值是否满足一个条件表达式（CHECK）
CREATE TABLE Student(
    Sname CHAR(8) NOT NULL,
    Sno CHAR(9) UNIQUE PRIMARY KEY,
    SEX CHAR(2) CHECK (Ssex IN('男','女'))
);
完整性约束命名子句

CONSTRAINT : 用来对完整性约束条件命名​

CREATE TABLE Student(
    Sno NUMERIC(6) CONSTRAINT C1 CHECK (Sno BETWEEN 90 AND 900),
    Sname CHAR(20) CONSTRAINT C2 NOT NULL,
    CONSTRAINT StudentKey PRIMARY KEY(Sno)
);
断言

任何涉及断言的操作都会触发对断言的检查，如果不为真值操作就会被拒绝执行

CREATE ASSERTION C1 CHECK(
    60>=ALL(SELECT COUNT(*)
           	FROM SC
            GROUP by cno
           )
);
DROP ASSERTION C1;
触发器

  • 触发器规则：事件-条件-动作

    事件发生，检查规则，执行动作

  • 触发器只能定义在基本表上，不能定义在视图上

  • 触发器类型

    • 行级触发器 FOR EACH ROW（执行一次语句，按照行数触发器执行N次）
    • 语句级触发器 FOR EACH STATEMENT（执行一次语句触发器执行一次）

在这里插入图片描述

第六章：关系数据理论

函数依赖

对于任意一个Y，在两个元组中不可能有两个相应的X属性相等

X函数确定Y、Y函数依赖于X ： X → Y X\to Y X→Y

  • 1NF：如果一个关系模式R的所有属性都是不可分的基本数据项，则R∈1NF

  • 2NF：消除非主属性对码的部分函数依赖

    若R∈1NF，且每一个非主属性完全函数依赖于任何一个候选码，则R∈2NF，

  • 3NF：消除非主属性对码传递依赖

  • BCNF：在3NF基础上一个关系依赖里面每一个决定因素都包含码

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