數據庫系統基礎理論

寫在前面

關于數據庫這個模塊，我決定仔細將數據庫的各個模塊，像數據庫基礎概念、關系模型、關系型型數據庫、關系數據庫標準語言SQL、數據庫的安全性、數據庫的完整性以及數據庫的設計、數據庫編程。最后還會介紹一些關系查詢處理和查詢優化、并發控制以及數據庫管理系統等。我會一一向大家介紹，這途中可能會花費大量的時間，更新可能不會像大家想想的那么快，接下帶領大家進入第一章節，數據庫理論基礎。聲明：這些文章中大多以知識點的形式給大家娓娓道來，可能解釋的沒那么詳細。

1 數據庫系統概述

1.1 數據庫的基本概念

數據：數據時數據庫中存儲的基本對象；描述事物的符號記錄被稱為數據；數據的含義稱為語義

數據庫：是長期存儲在計算機內、有組織的、可共享的大量數據的集合。數據庫中的數據按一定的數據模型組織、描述和存儲，具有較小的冗余度、較高的獨立性和易擴展性，并可為各種用戶共享。

數據庫系統：是由數據庫、數據庫管理系統、應用程序和數據庫管理員組成的存儲、管理、處理和維護數據的系統

數據庫管理系統：是位于用戶和操作系統之間的一層數據管理軟件。能科學的組織存儲數據，高效的獲取和維護數據；引入數據庫之后的系統結構：

1.2 數據庫管理系統的功能

數據定義功能

數據組織、存儲和管理

數據操縱

數據庫的事務管理與運行功能

數據庫建立和維護功能

實現不同數據庫間的通信

1.3 文件系統存儲數據的特點

數據可長期保存

由文件系統管理數據

數共享性高、冗余度大

數據獨立性差

1.4 數據庫系統存儲數據的特點

數據結構化：數據系統實現整體數據的結構化、這是數據庫的特征之一、也是數據庫系統與文件系統的本質區別

數據共享性高、冗余度低、易擴展：數據共性可以大大減少數據冗余、節約存儲空間、數據共享還可以避免數據之間的不形容性與不一致性。

數據獨立性高：由數據庫管理系統的二級映像來確定

物理獨立性：用戶的應用程序與數據庫中數據的物理存儲是相互獨立的。存儲改變、應用程序不改變

邏輯獨立性：用戶的應用程序與數據庫的邏輯結構是相互獨立的。數據邏輯結構改變時、用戶程序也可也不變

數據由數據庫管理系統統一管理和控制：數據庫的共享是并發的，多用戶同時訪問時，會帶來不同用戶間相互干擾，

數據庫安全性保護

數據庫的完整性檢查

并發控制

數據庫恢復

2 數據模型

數據模型也是一種模型，他是對現實世界數據特征的抽象。數據模型是用來描述數據、組織數據和對數據進行操作的。數據模型是數據庫系統的核心和基礎

2.1 兩類數據模型

概念模型：（conceptual model），也稱信息模型，他是按用戶的觀點來對數據和信息建模，主要用于數據庫設計。

邏輯模型和物理模型：邏輯模型主要包括：層次模型、網狀模型、關系模型、面向對象模型、對象關系數據模型、半結構化數據模型。他是按計算機系統觀點對數據建模，主要用于數據庫管理系統的實現。

物理模型是對數據最底層的抽象，它描述數據在系統內部的表示方式和存取方法，或在磁盤上的存儲方式和存取方法，是面向計算機系統的。

2.2 概念模型中的術語

實體：客觀存在并可相互區別的事務

屬性：實體具有的某一特性

碼：唯一表示實體的屬性，

域：（domain）屬性的取值范圍

實體型：用實體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實體，例如，學生（姓名，學號...）

實體集：同一類型實體的集合。例如，全體學生就是一個實體集

聯系：實體內部聯系，指組成實體的各屬性之間的聯系；實體間的聯系指不同實體集之間的聯系。

2.3 數據模型組成要素

數據結構：描述數據庫的組成對向以及對象之間的聯系

數據操作：數據操作數值數據中個對象（型）與實例（值）允許執行的操作的集合，包括操作以及有關的操作規則

數據完整性約束：數據的完整性約束條件是一組完整的規則

2.4 數據庫模型之--關系模型

    關系模型示例圖，一個關系就對應一張二維表，關系模型中常見的術語，

關系（relation）：一個關系對應一張表

元組（tupe）：表中的一行就是一個元組

屬性（attribute）：表中的一列

碼（key）：也稱碼鍵，表中的某屬性組，它可以唯一確定一個元祖

域（domain）：域是相同數據類型的值的集合

分量：元組中的一個屬性值

關系模式：對應關系的描述；關系模型要求關系必須是規范化的；關系的每個分量必須是一個不可分割的數據項

關系模型的優點：關系模型是嚴格建立在數學概念上的

        關系模型概念單一

        關系模型的存取路勁對用戶透明，具有更高的數據獨立性、更好的安全保密性

關系模型的缺點：查詢效率不如格式化數據模型

3 數據庫系統的結構

3.1 數據庫系統的三級模式

模式（schema）：模式也稱邏輯模式，是數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述，是所有用戶的公共數據視圖。

外模式（external schema）：外模式也稱子模式（subschema）或用戶模式，他是數據庫用戶能夠看見和使用的局部數據的邏輯結構和特征的描述，是數據庫用戶的數據視圖，是和某一應用相關的邏輯表示。

內模式（internal schema）：也稱存儲模式（storage schema），一個數據庫只有一個內模式，他是數據物理結構和存儲方式的描述，是數據庫內部的組織方式。三種模式結構如下圖：

3.2 數據庫的二級映像

數據庫的二級映像是基于數據庫系統的三級模式來說的，這三級模式提供了兩層映像，如上圖。

外模式/模式映像：對應數據的邏輯獨立性。當模式改變時（增加新的關系...）DBA對外模式/模式映像進行調整，可以使外模式保持不變，應用程序時依據數據得外模式編寫的，從而應用程序不變。

模式/內模式映像：數據庫中只有一個模式，也只有一個模式。當數據庫的存儲結構改變時，DBA對模式/內模式映像做想用的調整，可以使模式不變，從而應用程序也不必改變。保證了數據與程序的物理獨立性，簡稱數據的物理獨立性。

4 數據庫系統的組成

在本節開始介紹了數據庫系統一般由數據庫、數據庫管理系統、應用程序和數據庫管理員組成，下面分別介紹這幾個部分的組成。

硬件平臺及數據庫：由于數據庫數據量很大，加之數據庫管理系統豐富的功能使得其自身規模也很大，因此對數據庫的要求也更高。

1）要有足夠大的內存，存放操作系統、數據庫管理系統的核心模塊、數據緩沖區和應用程序

2）有足夠大的磁盤或磁盤陣列等設備存放數據庫

3）要求系統有較高的通道能力，以提高數據傳送速率

軟件：

1）數據庫管理系統。數據庫管理系統是為數據庫的建立、使用和維護配置的系統軟件

2）具有數據庫接口的高級語言及其編譯系統

3）以數據庫管理系統為核心的應用程序開發工具。應用開發工具是系統為應用開發人員和最終用戶提供高效率、多功能的應用生成器。

人員：開發、管理和使用數據庫系統的人員主要包括數據庫管理員、系統分析員和數據庫設計人員、應用程序和最終用戶。不同的人員涉及不同的數據抽象級別，具有不同的數據視圖。各為人員的數據視圖如下圖：

 DBA的職責  

決定數據庫中的信息內容和結構

決定數據庫的存儲結構和存取策略

定義數據的安全性要求和完整性約束條件

監控數據庫的使用和運行

數據庫的改進和重組、重構