数据库系统(软件设计师备考笔记)

目录

 

第三章.数据库系统(重点)

第一节.数据库概述

第二节.数据库系统——三级模式—两级映射

第三节.数据库设计过程

第四节.ER模型

第五节.关系代数(必考)

第六节.规范化理论——函数依赖

第七节.规范化理论——价值与用途

第八节.规范化理论——键

第九节.规范化理论——范式

第十节.规范化理论——模式分解

第十一节.数据库的并发控制

第十二节.数据库完整性约束

第十三节.数据库安全

第十四节.数据库备份与恢复

第十五节.数据仓库与数据挖掘

第十六节.反规范化

第十七节.分布式数据库相关概念


第三章.数据库系统(重点)

该章内容在上午题和下午题中都有出现

重点:规范化理论(必考)、关系代数(必考)

第一节.数据库概述

内容包括:1.数据库模式

2.ER模型

3.关系代数与元组演算

4.规范化理论

5.并发控制

6.数据库完整性约束

7.分布式数据库

8.数据仓库与数据挖掘

第二节.数据库系统——三级模式—两级映射

数据库系统分为了三个级别的层次,即:内模式,概念模式,外模式

三级模式

1.内模式:(又称物理数据库模式);它是和物理层次数据库直接关联的,负责管理存储数据的方式,即数据应以什么格式存放在物理文件上面,以及如何优化这些存储方式;该模式的关注点在于数据如何存放上面

2.概念模式:即数据库中的”表“,在该模式中,根据业务以及应用,数据被分成了若干张”表“,表之间会有相应的关联

3.外模式:处于用户的应用层次,即数据库中的“视图”,使用户在对数据的控制上有了更多的手段,有了更为灵活的处置方式

两级映射

1.外模式—概念模式映射:外模式和概念模式具有映射关系,该关系即“视图”和“表”之间的映射关系

2.概念模式—内模式映射:即用户想要改变存储结构,我们只需要调整这种映射关系,而不需要去修改用户的应用程序

关系图示

数据库系统(软件设计师备考笔记)_第1张图片

 

第三节.数据库设计过程

数据库系统(软件设计师备考笔记)_第2张图片

 

图注:数据流图,数据字典以及需求说明书都是需求分析阶段的产物,ER模型则为概念结构设计层次的产物,关系模式即为逻辑结构设计层次的产物

第四节.ER模型

概述

数据库系统(软件设计师备考笔记)_第3张图片

 

图注:在ER模型中,矩形表示实体(如学生,课程),椭圆表示属性(如学号,姓名,性别,年龄),菱形表示联系(如选课);其中学生和课程之间具有多对多关系

ER模型由局部到全局的合成方式

我们在绘制数据库的ER图时,常常从局部开始绘制,然后将许多局部的ER图合成位全局的ER图,而局部的ER图合成全局的ER图时可以有两种方式:逐步集成和一次集成

1.集成的方法:即逐步集成或者一次集成,逐步集成即首先将两个局部图集成在一起,然后与第三个合并在一起.....;一次集成即将所有ER图一次集成;集成的优点:方式简单,不易出错;缺点:一次集成容易出错,出错后难以纠错,逐步集成步骤繁锁

注:集成产生的冲突,即局部ER模型在继承时的冲突,如属性冲突,命名冲突(如一名多意),结构冲突(不同抽象级别的冲突)

ER模型转换为关系模型

1.一个实体型转换为一个关系模式

·1:1联系:即一一对应的关系中,一个实体型转换为一个关系模式,再把这种联系放在任意一个其他实体中,因此在此种转换中需要两个实体的参与

·1:n联系:即一对多的关系中,如部门实体与和员工实体之间;仍然是一个实体型转换为一个关系模型,但这种联系只能记录在多这边,如员工

·m:n联系,即多对多的关系中,此种关系至少需要三个实体参与

第五节.关系代数(必考)

以选择题的形式出现;有如下运算:并;交;差;笛卡尔积;投影;选择;联接

差运算

概念:即得到A集合中B所没有的元素,如A-B即得到B在A中所没有的元素

笛卡尔积

概念:该运算的符号为“X”;若A与B进行“X”运算,则:

 

数据库系统(软件设计师备考笔记)_第4张图片

 

数据库系统(软件设计师备考笔记)_第5张图片

图注:笛卡尔积中若AXB,则将A第一行记录写下,然后将其重复记录三次,然后将B的三行记录与A重写的记录一一对应的写下,然后对A的第二行记录进行同样的重写,以及将B对应的记录重写......

投影

概念:该操作即将所选的“列”记录下来

选择

概念:该操作将所选的“行”记录下来

自然联接

概念:自然连接的结果以左侧关系为主,右侧关系去除重复列,如R(A,B,C,D,E)和E(C,D,E,F)进行自然连接的结果为:(A,B,R.C,R.D,R.E,F)

如图:

 

图注:Π型对应的是映射,也就是选择属性列,Π1,4表示选择第一列到第四列,“2=5”表示选择,即当等号左边的属性列满足等号右边的属性列是=时则被选中,要求2=5也就是属性2等于属性5,而RxxS则表示R集合与S集合进行联接操作

各个运算的表示符号

并(∪)、差(-)、笛卡尔积(×)、投影(σ)、选择(π)

第六节.规范化理论——函数依赖

概念

函数依赖:即函数关系,如学号对应姓名,姓名可以重复,但学号是唯一的,且唯一的学号对应相应了可重复的姓名

部分函数依赖(部分依赖):主键是两个属性的组合键,若主键中的一部分可以确定某个属性,则为部分函数依赖

传递函数依赖(传递依赖):即:若A可以确定B,B可以确定C,则A可以确定C(注意:B不能确定A,因为此时二者即为等价)

第七节.规范化理论——价值与用途

在非规范化的关系模式中,可能存在的问题包括:数据冗余,更新异常,插入异常,删除异常

价值

1.价值包括:解决数据冗余,如在记录大学生所属系别时,记录为计算机系就比计算机科学系更为简便,在大量数据的处理中,这一点的改进极为重要

第八节.规范化理论——键

数据库系统中的键包括:超键,候选键,主键,外键

元组:在关系中,记录称为元组。元组对应表中的一行;表示一个实体。

1.概念:属性的集合

超键

1.概念:唯一能够标识元组(实体,即数据库的一行)的键,可以是单个的属性,也可以是属性的组合

候选键

1.概念:是一种特殊的超键,它是在超键的基础上消除多余属性后的键,可以有多个

2.求解候选键步骤:(1)将关系模式的函数依赖关系用“有向图”的方式表示

(2)找入度为0的属性,并以该属性集合为起点,尝试遍历有向图,若能遍历图中所有结点,则该属性集即为关系模式的候选键。注:入度即为第一个只有指向箭头,没有被指箭头的属性

(3)若入度为0的属性集不能遍历图中所有结点(或没有入度为0的属性),则需要尝试性的将一些中间结点(既有入度,也有出度的结点)并入入度为0的属性集中,直至该集合能遍历所有结点,该集合即为候选键

主键

概念:只能有一个,如学号和身份证号都能标识一个学生,而主键则是在两个属性集合之中则其一

外键

概念:外键是其他关系的主键,因为许多时候我们需要对表做关联

第九节.规范化理论——范式

范式的概念

1.范式概念:范式符号为NF;范式分为一级范式。二级范式,三级范式.......;随着范式等级的提高,规范程度就会越高,数据表的拆分也将越来越细,而数据表拆分过细会造成性能方面的问题,因此,我们通常对范式的等级采取折中的方式,即做到三级范式

2.第一范式的概念:在关系模式R中,当且仅当所有域(列的取值范围,如性别的取值范围就是男和女)列的取值范围只包含原子值,即每个分量都是不可再分的数据项,则称R是第一范式

3.第二范式的概念:当且仅当R是1NF,且每一个非主属性完全依赖(即:主键中的所有属性共同作用才能决定该属性)主键(且不存在部分依赖)时,则称R是第二范式

4.第三范式的概念:当且仅当R是2NF,且E中没有非主属性传递依赖于码时,则称R是第三范式

5.BC范式的概念:设R是一个关系模式,F是它的依赖集,R属于BCNF当且仅当其F中每一个依赖的决定因素必定包含R的某个候选码

6.主属性的概念:

数据库系统(软件设计师备考笔记)_第6张图片

 

图解:主属性即为构成候选键的属性,在该关系图中,ST和SJ都是候选键,因此,S,J,T三个属性都属于主属性

7.关系模式的概念:关系模式实际上就是记录类型。它的定义包括:模式名,属性名,值域名以及模式的主键。 关系模式不涉及到物理存储方面的描述,仅仅是对数据特性的描述。

8.图示

数据库系统(软件设计师备考笔记)_第7张图片

 

图注:1NF即一级范式,2NF即为二级范式;一级范式消除非主属性(即该属性不属于候选键的一部分)对候选键的部分依赖后就得到了二级范式,二级范式消除了非主属性对候选键的传递依赖后就得到了第三范式,第三范式在消除了主属性对候选键的传递依赖后就得到了BC范式。

第十节.规范化理论——模式分解

范式级别不够时我们采取模式的拆分

模式拆分时要保持的原则

1.保持函数依赖分解(不需要保持冗余的函数依赖)

2.无损分解:有损即不能还原;无损即可以还原

注:无损联接分解:指将一个关系模式分解成若干个关系模式后,通过自然联接和投影等运算仍能还原到原来的模式

判断是否满足无损分解的方法

1.表格法:

 

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图注:当有任意一行全为a时,该关系模式的分解即为无损分解

2.计算法

数据库系统(软件设计师备考笔记)_第10张图片

 

图注:第一个p1是无损分解,第二个p2是有损分解

第十一节.数据库的并发控制

事务的概念

1.概念:把多个操作封装起来,将其看成一个整体来进行操作,可以便于并行并发的处理一些事情;具有的特性:

(1) 原子性:即事务的内容操作要么全部做,要么全不做;

(2) 一致性:在事务执行之前,数据保持一致的状态,执行之后数据也是一致的状态

(3) 隔离性:事务之间的执行是独立进行的

(4) 持续性:事务执行之后,其结果造成的影响是持续的,即使数据库崩溃,其对数据库的更新操作也永久有效

并发并行带来的问题

1.丢失更新:

数据库系统(软件设计师备考笔记)_第11张图片

 

图注:在这两个事务中,T1执行的结果为5,T2执行的结果为2,我们想要得到的是A减去5再减去8的结果,但最终结果为2,因为下一个执行的事务结果会覆盖上一个事务执行的结果

2.不可重复读:

数据库系统(软件设计师备考笔记)_第12张图片

 

图注:在T1运算中,求A与B的和时,为了提高准确率,程序会再次进行验算,但在第一次运算和第二次运算的间隙,将进行T2运算,T2运算的结果会将A与B的值进行覆盖,这将会产生死锁问题

3.读“脏”数据:

脏数据不是真正的数据,不是我们执行过程中真的产生的数据,只是一个临时值

数据库系统(软件设计师备考笔记)_第13张图片

 

图注:值70是计算过程产生的数据,属于临时数据,该数据被恢复为了20,使得T2操作将会出错

解决并发并行带来的问题的方法——封锁协议

1.一级封锁协议:事务T在修改数据R之前必须先对其加X(写锁或排他锁)锁,直到事务结束才释放。可防止丢失修改,该锁可以使得除了T以外的所有事务将不能访问R,而事务T则可以阅读或者修改R

2.二级封锁协议:一级封锁协议加上事务T在读取数据R之前先对其加S(读锁或共享锁)锁,读完后即可释放S锁。可防止丢失修改,还可防止读"脏"数据,该锁的作用是,所有的事务都可以访问R,但包括T在内的所有事务都不能修改R

3.三级封锁协议:一级封锁协议加上事务T在读取数据R之前先对其加S锁,直到事务结束才释放。可防止丢失修改,防止读"脏"数据与防止数据重复读

4.两段锁协议:可串行化(通过加锁解锁两个阶段使并发事务排队进行)的。可能发生死锁

注:

··如果事物T对数据加上X锁后,就只允许事务T读取和修改数据,其他事务对数据A不能再加任何锁,从而也不能读取和修改数据,直到事务T释放数据上的锁

··如果事务T对数据加上了S锁后,事务T就只能读数据但不可以修改,其他事务可以再对数据A加S锁来读取,只要数据上有S锁,任何事务都只能再对其加S锁,而不能加X锁

第十二节.数据库完整性约束

主要有三种约束:实体完整性约束,参照完整性约束,用户自定义完整性约束;约束的作用是提高数据的可靠性

实体完整性约束

概念:即我们在使用数据库时,给数据表定义主键

参照完整性约束

概念:即外键中的约束,如:我们设置了一个员工表,其中含有部门号,若部门号设置了参照完整性约束,则在设置部门号时,其内容必须是主键中的内容,若不是,则会报错

用户自定义完整性约束

概念:即用户可以设置属性的值的要求,如属性“年龄”;用户可以自行设置“不能输入负数”限定

触发器

概念:即:写脚本来约束数据库,用来设置更为复杂的约束

第十三节.数据库安全

数据库系统(软件设计师备考笔记)_第14张图片

 

第十四节.数据库备份与恢复

数据备份按备份方式可分为热备份和冷备份;按备份的量可分为:完全备份,差量备份,增量备份;

冷备份

1.概念:冷备份也称静态备份,是将数据库正常关闭,在停止状态下,将数据库的文件全部备份(复制)下来

2.优点:非常快速的备份方法(只需要复制文件);容易归档(简单复制即可);容易恢复到某个时间点上(只需将文件再复制回去);能与归档方法结合,做数据库“最佳状态”的恢复;低度维护,高度安全

3.缺点:单独使用时,只能提供到某一时间点上的恢复;在实施备份的全过程中,数据库必须要作备份而不能做其他工作;若磁盘空间有限,只能复制到磁带等其他外部存储设备上,速度会很慢;不能按表或按用户恢复

热备份

1.概念:热备份也称动态备份,是利用备份软件,在数据库正常运行的状态下,将数据库中的数据文件备份出来

2.优点:可在表空间或数据库文件级备份,备份的时间短;备份时数据库仍然可以使用;可达到秒级恢复(恢复到某一时间节点上);可对几乎所有数据库实体做恢复;恢复是快速的

3.缺点:不能出错,否则后果严重;若热备份不成功所得结果不可用于时间点的恢复;因难于维护,所以要特别小心,不允许“以失败告终”

完全备份,差量备份,增量备份

1.完全备份:备份整个数据库的内容

2.差量备份:仅备份上一次完全备份之后变化的数据(可以解决增量备份可能出现的错误)

3.增量备份:备份上一次备份之后变化的数据

四种转储方式

1.静态海量转储:在系统中无事务运行时进行,每次转储全部数据库

2.静态增量转储:在系统无运行事务时进行,每次只转储上一次转储后更新过的数据

3.动态海量转储:转储期间允许对数据库进行存取或修改,每次转储全部数据库

4.动态增量转储:转储期间允许对数据库进行存取或修改,每次只转储上一次转储后更新的内容

日志文件

1.概念:事务日志是针对数据库改变所做的记录,它可以针对数据库的任何操作(如插入,更新),并将记录结果保存在独立的文件中

数据库可能的故障与解决办法

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第十五节.数据仓库与数据挖掘

数据仓库

1.概念:数据仓库是一种特殊的数据库;数据库系统在刚刚建立时运行速度很快,但随着时间的推移,其存储的数据量越来越大,速度也将逐步下降,而为了提高速度,人们会优化存储,通常采用删除较久远历史数据来进行优化,而这些数据仍然具有部分价值,因此我们会专门用一个数据库来对其进行存放,而用来存放这种数据的数据库并不需要插入,添加,修改等操作,更多的操作是查询,因此我们将这种特殊用途的数据库称之为数据仓库

2.数据仓库的特点——面向主题:不同与一般数据库的面向业务,数据仓库的数据是面向主题的

3.数据仓库的特点——集成性:数据仓库会存储诸如月报表,周报表等集成式的数据,而普通数据库并不会这么干

4.数据仓库的特点——相对稳定性:进去的数据将不会进行修改,删除等操作

5.数据仓库的特点——反映历史变化(随着时间变化):隔一段时间会将数据导入进来

6.数据仓库的建立过程:

数据库系统(软件设计师备考笔记)_第16张图片

 

图注:首先是从数据源中抽取,清理(使数据格式一致),装载(放到数据仓库中),刷新(定期向仓库中添加数据);数据集市即部门级的数据仓库,因为数据仓库的建立从企业全局的战略上讲具有非常大的风险,因此只建立部分数据库最后再将其整合则会降低风险,而其中部门级的数据库则称为数据集市

7.OLAP服务器的概念:即联机分析处理服务器,专门做分析处理工作的,最表层是数据的前端工具,前端工具最普通的如查询工具,报表工具,分析工具以及比较独特的数据挖掘工具

数据挖掘

1.数据挖掘方法分类——关联分析:挖掘出隐藏在数据间的相互关系

2.数据挖掘方法分类——序列模式分析:侧重点是分析数据间的前后关系(因果关系)

3.数据挖掘方法分类——分类分析:为每一个记录赋予一个标记再按标记分类

4.数据挖掘方法分类——聚类分析:分类分析法的逆过程

5.数据挖掘方法:(1)决策树

(2)神经网络

(3)关联规则挖掘算法

第十六节.反规范化

1.反规范化的提出:数据库规范化程度不高会有过多的数据冗余,插入异常,删除异常但规范化程度过高会造成数据表过多,查询时的效率会极大的降低,因此提出了反规范化

2.反规范化的技术:(1)增加派生性冗余:增加冗余

(2)增加冗余列

(3)重新组表

(4)分割表:包括垂直分割和水平分割

第十七节.分布式数据库相关概念

透明

1.分片透明:是指用户不必知道数据是如何分片的,它们对数据的操作在全局关系上进行,即关系如何分片对用户是透明的,因此,当分片改变时,应用程序可以不变。分片透明性是最高层次的透明性,如果用户能在全局关系一级操作,则数据如何分布,如何存储等细节不必关心,其应用程序的编写与集中式数据库相同

2.复制透明:用户不用关心数据库在网络中各个结点的复制情况,被复制的数据的更新都由系统自动完成。在分布式数据库系统中,可以把一个场地的数据复制到其他场地存放,应用程序可以使用复制到本地的数据在本地完成分布式操作,避免通过网络传输数据,提高了系统的运行和查询效率,但是对于复制数据的更新操作,就要涉及到对所有复制数据的更新

3.位置透明:是指用户不必知道所操作的数据放在何处,即数据分配到哪个或哪些站点存储对用户是透明的

4.逻辑透明:是最低层次的透明性,该透明性提供数据到局部数据库的映像,即用户不必关心局部DBMS支持哪种数据模型、使用哪种数据操纵语言,数据模型和操纵语言的转换是由系统完成的。因此,逻辑透明对异构型和同构异构的分布式数据库是非常重要的

 

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