数据库原理及应用相关整理

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数据库(DB; Database)

数据库是长期存储于计算机内，有组织且统一管理的相关数据的集合，在数据库中存储的是数据及数据间的联系．

数据模型(Data Model)可分为如下三类．

  • 概念模型(Conceptual Data Model)：面向客观世界，独立于计算机系统；
  • 逻辑模型(Logical Data Model)：面向数据库，主要用于数据库管理系统的实现；
  • 物理模型(Physical Data Model)：描述数据存储的物理方式．

数据模型的基本组成如下．

  • 数据结构(Data Structure)；
  • 操作(Manipulation)；
  • 完整性(Integrity)：一组规则，用于管理对数据结构的约束．

常见的数据模型如下．

  • 键-值存储(KVS; Key-Value Store)：多见于缓存，具体实现有Redis和Memcached等；
  • MapReduce；
  • 宽表存储(Wide Column Store)：又称列式数据库(CDB; Column Database)，具体实现有Apache Cassandra等；
  • 图数据库(GDB; Graph Database)：具体实现有Neo4j等；
  • 关系数据库；
  • 面向文档数据库(Document-Oriented Database)：支持.xml、.json等文件，具体实现有MongoDB等；
  • 向量数据库(VDB; Vector Database)：用户可以使用查询向量以检索最匹配的数据库记录．

数据定义语言(DDL; Data Definition Language)

数据定义语言用于定义结构，如SQL中的CREATE、DROP等语句．

数据操控语言(DML; Data Manipulation Language)

数据操控语言用于操控记录，如SQL中的INSERT、DELETE等语句．

数据控制语言(DCL; Data Control Language)

数据控制语言用于权限控制，如SQL中的GRANT、REVOKE等语句．

数据库系统(DBS; Database System)

数据库系统包括数据库管理系统、数据库管理员、相关的硬件与应用程序和用户等．

数据库管理系统(DBMS; Database Management System)

数据库管理系统应用和操作系统间的一层管理软件，是应用与数据库的接口．

非关系数据库的数据库管理系统被称为NoSQL．

数据描述的形式称为模式(Schema)，数据库管理系统的三级模式如下．

  • 外部模式(External Schema)：又称用户模式(User Schema)或子模式(Subschema)，是从用户和应用的角度来观察的数据库，其设计是通过设计应用程序所必要的数据来实现的；
  • 概念模式(Conceptual Schema)：又称逻辑模式(Logical Schema)，是确定数据库理论结构的阶段，一般情况下，模式指的就是概念模式，在关系模型中，其设计是通过E-R模型把握现实世界，进而规范化表格来实现的；
  • 内部模式(Internal Schema)：又称存储模式(Storage Schema)，是从计算机内部看到的数据库，是确定数据库物理构造的阶段，其设计通过设计数据库高速检索方法来实现．

映像(Mapping)指出模式的双方是如何进行转换的．

  • 外部/概念模式映像(External/Conceptual Schema Mapping)：体现逻辑数据独立性；
  • 概念/内部模式映像(Conceptual/Internal Schema Mapping)：体现物理数据独立性．

数据库管理员(DBA; Database Administrator)

数据库管理员负责控制数据整体结构．

关系数据库(RDB; Relational Database)

关系数据库建立在如实体-关系模型的关系模型上，借助关系代数对数据库进行操作．

关系数据库的键(Key)概念如下，键可以由多个属性复合而成，此时称为复合键(Composite Key)．

  • 超键(Superkey)：唯一标识元组的任何属性集；
  • 候选键(Candidate Key)：唯一标识元组的最小属性集；
  • 主键(Primary Key)：用户从候选键选定的属性；
  • 备用键(Alternate Key)：候选键中未被选作主键的其他键；
  • 外键(Foreign Key)：指向其他关系表主键或候选键的属性；
  • 代理键(Surrogate Key)：当关系表的候选键都不适合作为主键时，使用无意义但唯一的字段代为主键，通常是自动递增的数字．

实体-关系模型(ERM; Entity-Relationship Model)

又称实体-关系图(Entity-Relationship Diagram)，要素如下．

  • 实体(Entity)：可被人们识别、客观存在且可用作区别的事物，用矩形表示；
  • 关系(Relationship)：实体间的关系抽象，用菱形表示；
  • 属性(Attribute)：实体或关系所具有的特征，用椭圆表示，属性的值称为分量(Component)，其可取的范围称为域(Domain)．

元数(Arity)即模型中属性的个数，元组(Tuple)即数据表的行．

实体-关系模型的完整性规则(Integrity Rule)如下，其中实体完整性和参照完整性是必须满足的．．

  • 实体完整性(Entity Integrity)：主键值唯一且不可空；
  • 参照完整性(Referential Integrity)：不允许关系中有不存在的实体引用，即外键须有效或空；
  • 领完整性(Domain Integrity)：属性值遵循的某种信息规范，通常由用户自定义．

关系代数(Relational Algebra)

关系代数的特点为基于集合操作．

令表示某种关系，选择(Selection)记为，是调取表中某行的运算；投影(Projection)记为，是调取表中某列的运算，常用于去重．

关系代数的完备操作集即．

假定有三个属性，下例检索至少含两个属性2的元组的属性1．

关系代数的组合操作

由基本操作衍生的组合操作如下表．

组合操作 语法 替换 说明
交运算
(Intersection)
-
条件连接
(-Join)
(其中，为的元数)		 从中，
挑选第分量和第分量
满足运算的元组；
等值连接(Equi Join)即为的连接．
自然连接
(Natural Join)		 须有值域相同的公共属性；
经由操作使得连接后
每个公共属性只保留一列．
半连接
(Semi Join)		 -
除法
(Division)		 - 由在中不出现于的属性
和中所有元组在中对应相同的元组构成．

表格规范化(Normalization)

即对关系模式不断分解，直到达到如下的某一范式(Normal Form)的过程．其中，分解必须遵循规范化原则即保持原有依赖关系和无损连接．依赖关系有如下几种．

  • 完全函数依赖(Full Functional Dependency)：通过某(些)列的值才能确定其他列的数值；
  • 部分函数依赖(Partial Functional Dependency)：通过某(些)列的一部分就足以确定其他列的数值；
  • 传递依赖(Transitive Dependency)：通过某(些)列的值能间接地确定其他列的数值．

常见的范式如下．

  • 非范式(0NF; Zero Normal Form)：没有去除重复数据的表格，关系型数据库不能使用非范式；
  • 第一范式(1NF; First Normal Form)：分割、去重使一栏只有一个项目；
  • 第二范式(2NF; Second Normal Form)：满足第一范式，且通过主键而非其部分的值确定其他列的数值，即消除主键的部分函数依赖；
  • 第三范式(3NF; Third Normal Form)：满足第二范式，且只能通过主键直接确定其他列的数值，即消除主键传递依赖；
  • BC范式(BCNF; Boyce-Codd Normal Form)：消除候选键的部分和传递函数依赖．

结构化查询语言(SQL; Structured Query Language)

结构化查询语言用于在关系数据库中处理数据，其语句对大小写不敏感．

可以通过下例创建新表．

其中，表只能有一个自动列，且该列必须为主键或唯一索引．

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CREATE TABLE Tbl(
    id INT NOT NULL AUTO_INCREMENT,
    name VARCHAR(100) NOT NULL,
    PRIMARY KEY(id)
);

可以通过下例删除表．

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DROP TABLE Tbl;

可以通过下例补充定义主键．

其中，name为键的标识符．

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ALTER TABLE Tbl ADD [CONSTRAINT name] PRIMARY KEY(Attr1, ...);

在SQL Server中，主键默认标识符为PK__Tbl，外键默认标识符为FK__Tbl__Attr；通过右击菜单的索引/键查看主键，而关系可查看外键．

可以通过下例撤销主键定义．

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ALTER TABLE Tbl DROP CONSTRAINT name;
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ALTER TABLE Tbl DROP PRIMARY KEY;

可以通过下例补充定义外键．

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ALTER TABLE Tbl ADD [CONSTRAINT name] FOREIGN KEY(Attr1, ...)
REFERENCES RefTbl(Attr1, ...)
[ON DELETE Rule] [ON UPDATE Rule];

更新/删除的规则

更新/删除的规则如下表．

更新/删除规则 说明
CASCADE 级联，即子表同步更新/删除．
SET NULL 置空，即设置为空值．
RESTRICT / NO ACTION 不操作，若子表有匹配记录，则不允许操作．
SET DEFAULT 设置为默认值．

可以通过下例撤销外键定义．

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ALTER TABLE Tbl DROP CONSTRAINT name;
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ALTER TABLE Tbl DROP FOREIGN KEY name;

子查询(Subquery)又称嵌套查询(Nested Query)，返回的记录有且仅有一条时，可使用=进行筛选；返回记录不只有一条时，必须用IN操作符进行筛选．