软件设计师考试——数据库基础部分

思维导图

概述

1. 首先是数据库相关的一些概念

   • 数据库（DB）、数据库管理员（DBA）、数据库管理系统（DBMS）

   • 三级模式

   外模式，也称为“用户模式”或“子模式”。可以理解为数据库系统对用户暴露出来的部分，用户对数据进行的基本操作，增删改查都是在这个层次进行；

   概念模式，也称为“模式”。可以理解为逻辑上的数据，更多的是反映人的思维和对显示数据的抽象；

   内模式，也称为“存储模式”。可以理解为物理上的数据，这部分就跟用户无关了，数据库系统对数据进行如何存储，用户都是不关心的

   • 两级映像

   外模式/模式映像，维护数据的逻辑独立性。数据的逻辑结构发生变化，对用户的操作还是不变的，变动的部分由外模式/模式映像去维护

   模式/内模式映像，维护数据的物理独立性。数据的物理存储发生变化，数据的逻辑结构不会发生变化，变动的部分由模式/内模式映像去维护

   简而言之，两级映像存在的目的是解耦数据库系统的三级模式

2. 其次是数据模型

   • 数据模型分为概念模型和基本数据模型
   • 概念模型主要用于数据库分析和设计，通过对现实世界进行抽象，形成逻辑关系，建立数据模型
   • 其代表为实体-关系模型，即E-R图
     • 除了基本的实体，联系（一对一，一对多，多对多），属性外，主要考虑扩充的E-R图，弱实体（依赖于其他实体的存在而存在），特殊化和普遍化这一对逆过程
   • 基本数据模型主要反映数据的逻辑结构，主要包括层状模型、网状模型、关系模型、面向对象模型，其中关系模型使用最为广泛。
   • 基于关系模型，存在关系代数
     • 关系代数包括四类运算符：集合运算符、比较运算符、逻辑运算符、专门的关系运算符
       • 集合运算符主要用于对数据集进行集合运算，对应到SQL中就是对结果集进行再处理
       • 比较运算则是数据属性之间的比较，对应到SQL中就是条件判断
       • 逻辑运算符是用于条件的组合，对用SQL中就是AND、OR、NOT
       • 专门的关系运算符就是对列进行筛选、对行进行筛选、表连接
       • 连接运算是比较复杂的，θ连接中的θ是比较运算符，当θ为“=”时则为等值连接，自然连接为特殊的等值连接，要求进行比较的属性组必须相同，而且在结果集中要删除多余的属性组
       • 因为θ连接会将没有“连接上”的记录去掉，导致信息缺失，因此又有了外连接，具体分为左外连接、右外连接、全外连接，不同的连接方式，保留的属性值不同，不存在的属性值置为null
   • 基于关系代数，我们有了SQL，包括：
     • 数据定义语言（DDL），用于创建/修改/删除 数据库、表、视图、索引
     • 数据操作语言（DML），用于对表进行增删改
     • 数据查询语言（DQL），用于对表的查询
     • 数据控制语言（DCL），用于控制数据权限

3. 最后是关系模式规范化

   • 要理解规范化，首先要明白什么是函数依赖：

     • 用数学的话来说就是两个变量之间存在函数关系。变量有域，自变量(X)有定义域，因变量(Y)有值域，存在函数关系就是说，x能算出y，即X→Y，Y函数依赖于X
     • 非平凡的函数依赖就是说，X和Y是两个不同的集合时，Y函数依赖于X
     • 平凡的函数依赖就是说，虽然Y函数依赖于X，但是Y是X的子集，这种依赖是显然的，没有特殊意义，因此一般而言都是考虑非平凡的函数依赖
     • 完全函数依赖就是说，对于每个x都能算出y，而X的真子集，不能完全算出Y(因为有部分y，需要真子集以外的x来计算出来)。对应到关系模式中，可能X包含多个属性列，比如3个属性，能推导出Y，但是其中任何2个属性组合在一起都不能推导出Y，那么就说Y完全函数依赖于X
     • 部分函数依赖与完全函数依赖相反，X的真子集也能推导出Y
     • 传递依赖就是三个属性列(组)之间的关系，Y非平凡依赖于X，Z函数依赖于Y，那么Z就函数依赖与X

   • 如果关系模式存在过多的函数依赖，那么就会存在异常：

     • 冗余，这个好理解，关系模式中会存储很多份同样的数据
     • 插入异常，若一个关系模式中既存储了教师信息，也存储了教师的课程信息，那么新来的教师如果没有开始教课的话那就无法插入了
     • 更新异常，更新一个教师信息就需要把所有该教师相关的信息都要更新一次
     • 删除异常，删除一个教师信息就会把该教师相关的课程信息都会删除掉

   • 范式

     • 1NF，所有的数据项都是原子项，不可再分。

       这是关系模式最基本的要求

     • 2NF，在1NF的基础上，非主属性完全依赖于码。

       比如关系模式R（A，B，C，D）码中有2个属性（A、B），另有一个非主属性（C）依赖于这两个主属性中的其中一个（A）（部分依赖于码），那就应该拆出来，作为另一个关系模式R1（A，C）

     • 3NF，在2NF的基础上，非主属性不能传递依赖于码。

       比如关系模式R（A，B，C），A是码，B、C完全依赖于A，同时C也依赖于B，那么C就传递依赖于A，那么应该把C拆出来，作为另外一个关系模式R2（B，C）

     • BCNF，3NF消除了非主属性与主属性之间的部分依赖和传递依赖，但是若主属性存在多个，那么也要消除主属性之间的部分依赖于传递依赖，这就是BCNF。

       比如存在关系模式R（A，B，C，D），（A，B）和（A，C）都是候选码，则（A，B，C）都是主属性，D完全依赖于码，B依赖于A，A依赖于B，这样的R是符合3NF的，但是依旧存在异常。因此可以把AB单独抽出来，最后形成两个关系模式R1（A，B），R2（A，C，D）/R2（B，C，D）