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数据库原理

数据库教材：《数据库系统概论（第5版）》的思维导图，包括并发控制、数据库恢复技术、数据库编程、数据库设计、关系数据库设计理论、数据库完整性等等。

编辑于2022-08-10 11:38:11 上海

数据库原理
数据库系统
关系型数…

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数据库原理

绪论

概念

数据库系统概述

数据库的4个基本概念

数据（Data）

数据库中存储的基本对象一条记录就是一个数据

数据库（DB：Database）

数据库是相互关联的数据的集合，以一定的组织方式（数据模型）将数据组织起来存储在磁盘上，与应用程序彼此独立，为多个用户共享

数据库管理系统（DBMS）

用于管理数据库的软件系统，完成对数据库的操作是用户与数据库交互的桥梁

数据定义功能

DDL（数据定义语言）

定义数据库中的数据对象

数据操纵功能

DML（数据操纵语言）

实现对数据库的增删改查

数据控制功能

安全性/完整性/并发/系统恢复

数据管理和维护功能

数据库初始数据装入/数据库转储/数据库的重组织及性能监视

数据库系统（DBS）

狭义：由数据库及数据库管理系统和相关应用程序组成广义：由DB、DBMS及其相关应用程序、DBA组成的存储、管理、处理和维护数据的系统，

DBMS及其开发工具、应用程序

应用程序

DBA

数据库系统的组成

数据库管理技术的生产和发展

动力：应用需求/硬件发展/软件发展

人工管理

20世纪40-50年代

批处理

文件系统

20世纪50-60年代

实时联机处理

批处理

数据库系统

1.数据结构化 2.数据的共享性高，冗余度低且易扩充 3.数据独立性高 4.数据由数据库管理系统统一管理和控制

处理方式

实时联机处理

分布处理

批处理

特点

数据结构化

数据的共享性高，冗余度低且易于扩展

节省空间，避免数据之间的不相容和不一致性

数据独立性高

由数据库管理系统的二级映像功能保证

物理独立性

逻辑独立性

数据由数据库管理系统统一管理和控制

数据库安全性

数据库完整性

并发控制

数据库恢复

模型

三类模型

对现实世界数据特征的抽象从现实世界到信息世界从信息世界到计算机世界

概念模型 /信息模型

按用户的观点对数据和信息建模，用于数据库设计由数据库设计者完成

实体（Entity）

事物

属性（Attributes）

信息，有型（Type）和值（Value）之分

域（Domain）

属性的取值范围

实体键/码（Entity Key）

唯一标识一个实体的属性或属性集合

实体型（Entity Type）

实体名及其属性名集合，用来抽象和刻画同类实体

实体集（Entity Set）

性质相同的同型实体的集合

联系（Relationship）

一对一一对多多对多

属性名之间的联系

实体型之间的联系

实体模型

逻辑模型

按计算机系统的观点对数据建模数据库设计人员在工具协助下完成从概念模型到逻辑模型

数据模型

狭义只指逻辑模型

物理模型

DBMS完成从逻辑模型到物理模型（基本的存取数据）

信息模型/概念模型的建模方法E-R图

E-R图（Entity-Relationship）方法

实体型用矩形表示

属性用椭圆形表示

联系用菱形表示，放在实体与属性的无向边上

联系：例如有/组成/选修......

数据模型的组成三要素

数据模型是用来结构化组织数据的反应数据库中数据及数据之间联系的结构形式

数据结构

描述数据库的组成对象以及对象之间的联系

静态特性

字段（Field）

对应于属性的数据，也称为数据项

记录（Record）

对应于每个实体的记录

文件（File）

对应于实体集的数据

数据操作

对数据库各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作及相关操作规则

动态特性

数据的完整性约束

一组完整性规则的集合

完整性规则

给定的数据模型中数据及其联系应满足的制约和储存规则保证数据的正确、有效、相容

常用的逻辑数据模型

层次模型

任何记录值只有按其路径查看时，才能显出它的全部意义实际上是网状模型的一个特例

树结构

网状模型

图结构

关系模型

每个二维表都是关系，所以关系模型是“关系框架”的集合

二维表结构

关系模型的数据结构

关系必须是规范化的，最基本的规范条件是关系中的分量不可再分

关系

表

元组

行

属性

列

主码

可以唯一确定一个元组的属性组

域

属性值的取值范围

分量

元组中的一个属性值，不可再分

关系模式

对关系的描述

关系名

表名

关系模型的操作

增删改查

关系模型的完整性约束

实体完整性

参照完整性

用户定义的完整性

面向对象模型

以对象为单位存储数据

数据库系统的结构

数据库系统模式的概念

型与值

模式与实例

数据库系统的三级模式结构

外模式

也称子模式/用户模式用户使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述介于模式与应用之间模式通常对应多个外模式一个外模式可以对应多个应用保证了数据库安全性

模式

也称逻辑模式数据的逻辑结构+联系+安全性完整性要求

内模式

也称存储模式是数据在数据库内部的表示方式一个数据库只有一个内模式

在一个数据库中唯一

数据库的二级映像和数据独立性

外模式/模式映像

保证数据的逻辑独立性模式改变时，对外模式/模式映像做相应改变，使外模式不变应用程序根据外模式编写，因此不必修改程序

逻辑独立性

应用程序与数据库的逻辑结构相互独立

模式/内模式映像

定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系保证了数据的物理独立性数据库存储结构改变时，修改模式/内模式映像，使模式不变从而应用程序也不受影响

物理独立性

应用程序与存储在磁盘上的数据库中的数据是相互独立的

数据库系统的组成

关系数据库

RDBMS：关系数据库管理系统

重点

关系数据结构及形式化定义

关系及相关概念

关系的逻辑结构：二维表

域

笛卡儿积

可表示为一张二维表表的每列对应一个域

元组（t）

分量

基数

一个域允许的不同取值的个数

关系（R）

可看作是笛卡儿积的子集 R（D1,D2,...,Dn） R：关系名 n：关系的目或度（即属性的个数）

单元关系与二元关系

单元/一元关系：n=1

二元关系：n=2

关系的表示

二维表

属性

n目关系必有n个属性

码

能唯一标识元组的属性组

候选码

能唯一标识一个元组的最少的属性组

少其中任何一个属性都不能唯一标识

全码

当候选码包含所有属性组时称为全码

主码

关系中有多个候选码，选定其中一个为全码

主属性

候选码中的属性，否则称非主属性

三类关系

基本表/关系

实际存在的表

查询表

查询结果对应的表

视图表

由基本表或其他视图表导出的表，虚表

基本关系的性质

列是同质的

不同列可以出自同一个域

列的顺序无所谓

行的顺序无所谓

任意两个元组的候选码不能相同

分量必须取原子值/即不可再分

关系模式

关系模式是型关系是值关系模式=逻辑结构+联系+完整性约束条件

定义：R（U，D，DOM，F）

R 关系名 U 属性名集合 D U中属性来自的域 DOM 属性向域的映像集合 F 属性间数据的依赖关系的集合

关系模式与关系

关系数据库

所有关系的集合

型：关系模式

值：关系模式在某一时刻对应的关系的集合，通常称为关系数据库

关系模型的存储结构

物理组织

一个表对应一个操作系统

从操作系统一次性申请若干个大文件，自己划分

关系操作

基本的关系操作

常用的关系操作

查询操作

选择

投影

并

差

笛卡儿积

数据更新

插入

删除

更改

关系操作的特点

操作的对象和结果都是集合，一次一集合的方式

关系数据语言的分类

关系代数语言

对关系的运算来表达查询要求

关系演算语言

用谓词来表达查询要求

具有关系代数和关系演算双重特点的语言如SQL

SQL：Structured Query Language 集合操作，语言具有完备的表达能力非过程化的、描述性的语言不需要用户选择存取路径

关系的完整性约束

为了维护数据库中数据与现实世界的一致性

实体完整性

主码不空

全部或部分属性都不能为空（现实世界中的事物是可区分的）

参照完整性

外码存在或全取空值

关系间的引用

参照关系与被参照关系

外码：引用来自其他关系的码，可能不是本关系的码

foreign key

由关系系统自动支持

用户定义的完整性

具体领域的约束条件

关系代数

运算对象是关系运算结果亦是关系

运算对象

关系

运算符

集合运算符

行角度进行计算

并

实现记录的添加和删除

差

R-S：属于R但不属于S的所有元组

实现记录的删除

交

属性数不变，且要求是同类关系

笛卡儿积

用于关系的连接

属性数为两关系之和，不要求是同类关系

专门的关系运算符

铺垫知识

元组的连接

象集

Zxi表示R中X属性组上值为xi的诸元组在Z属性组上分量的集合特定的xi值对应的所有的z的值本质是一次选择运算+一次投影运算

用于辅助的其他运算符

比较运算符

大于、大于等于、小于、小于等于、等于、不等于

逻辑运算符

与、或、非

选择

此处的等号可以换做任意比较运算符

行的角度进行计算

投影（去重）

将互异的属性值投影出来（列的形式）

列的角度进行计算

连接

等值连接

从广义笛卡儿积中选取从行的角度进行计算如：在笛卡儿积中选择R中A=S中B的元组，RA和SB被看做不同的属性列

自然连接（去重）

是特殊的等值连接两个关系中有相同的属性组时，将以这个相同属性组作为等值连接的条件并在结果中去掉多余的重复属性列，只保留一个

外连接

保留悬浮元组，在其他没有对应上的属性值填空值

左外连接

只保留运算符左侧关系R中的悬浮元组

右外连接

只保留运算符左侧关系S中的悬浮元组

除运算

R÷S：在R关系中找出包含S关系中全部Y（R、S的公共属性组）属性值的那些元组对应的X（在R中不在S中的属性组）属性值

先求象集

同时从行列的角度进行计算

运算结果

关系

MySQL

重点、难点

SQL概述

SQL的产生和发展

数据定义

数据操纵

增删改

数据查询

数据控制

包括对数据的安全性控制、完整性规则的描述以及对事务的控制语句

SQL的特点

综合统一

DDL（数据定义语言）

DML（数据操纵语言）

DCL（数据控制语言）

DQL（数据查询语言）

高度非过程化

存取路径的选择以及SQL的操作过程由系统自动完成

不像其他DML必须指定存取路径

面向集合的操作方式

操作的对象是集合

以同一种语法结构提供两种使用方式

独立的语言

也可以嵌入其他高级语言中

SQL功能极强，易学易用

SQL的基本概念

外模式

视图

从一个或几个基本表导出的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是一个虚表用户可以在视图上再定义视图

模式

基本表

本身独立存在的表 SQL中一个关系对应一个基本表一个（或多个）基本表对应一个存储文件一个表可以带若干索引

内模式

存储文件/基本表的索引

存储文件的逻辑结构组成了关系数据库的内模式存储文件的物理结构对用户是隐蔽的索引也是存放在存储文件中

数据定义（DDL）

表空间（数据库）

create database|schema if not exists xxx alter database xxx default character set='utf8';

UTF-8、UTF-16、UTF-32是Unicode码的不同实现形式，都属于Unicode编码

基本表

数据类型

字符类型数据

CHAR(n)

定长字符串，不足补空白字符

VARCHAR(n)

变长字符串，占用大小以实际输入为主

TEXT

MEDIUMTEXT

LONGTEXT

文本

数值类型数据

int

4byte

bigint

8byte

smallint

2byte

tinyint

1byte

decimal(p,s)

p：整数位和小数位位数和 s：小数位位数

日期时间型数据

date

YYYY-MM-DD

datetime

YYYY-MM-DD HH:MM:SS

TimeStamp

从1970-01-01 00:00:00到当前的时间差

Time

YEAR

1901-2155

null

索引

DBA或建表者可以建立索引对于查询多的表应该建索引优点：加快数据的检索速度创建唯一性索引，保证数据记录的唯一性实现表与表之间的参照完整性加速表与表之间的连接使用分组和排序子句进行数据检索时，可以显著减少查询中分组和排序的时间缺点：占用磁盘空间减缓数据修改速度

分类

按数据的存储结构分

聚集索引

一个表只能有一个聚集索引（一般为主键）指索引项的顺序与表中记录的实际顺序一致检索到索引项的位置即是记录的位置

非聚集索引

二级索引建立一个由指针构成的索引文件通过非聚集索引可以查到记录对应的主键值再由主键值查到对应的记录

按数据的唯一性分

唯一索引

与主键的特性类似区别在于

非唯一索引

按键列的个数分

单列索引

多列索引/复合索引/多重索引

从左到右有序

索引的建立修改删除

create [unique|fulltext|spatial] index IndexName on TableName (Coulmn1 ASC|DESC,Column2,...); alter table TableName drop|add index xxx(column_name); drop index IndexName on TableName;

视图

虚表，是从一个或几个基本表（或视图）导出的表数据库中只放视图的定义，因此不会出现数据冗余

视图的使用

定义视图

查询视图

操作和基本表一样

视图消解法

更新视图

删除视图

可一次删除多个，逗号隔开 drop view viewName;

视图的种类

单表视图

AS后的子查询来自一张表

多表视图

AS后的子查询来自多表连接

视图的视图

AS后的子查询来自视图

虚拟列视图：带表达式/计算式的视图

产生计算列的select

分组视图：含GROUP子句及聚集函数

使用GROUP/聚集函数的select

视图的作用

简化用户操作以多种角度看待同一数据，适应共享的需要体现逻辑独立性保护机密数据更清晰的表达查询

数据查询（DQL）

常见语句

一般步骤

select（投影）

查询指定列

查询全部列

产生计算列

year()

YEAR(<日期型表达式>)：从日期表达式中求出年份类似的有MONTH()、Day()

Now()

返回系统日期时间

产生常量列

增加属性标记

过滤重复元组

distinct

where（选择）

比较大小

字符类型也用= 不要与字符匹配混淆

确定范围

确定集合

字符匹配

特指涉及通配符时一般判断相等用=即可使用 like / not like 进行比较

% 代表任意长度（包括零）字符串的通配符

_ 代表任意单个字符的通配符

查询的字符串中有通配符时，用 \ 转义

查询空值

不可使用等号比较

is null / is not null

多重条件查询

括号优先级最高

order by

缺省为升序

聚集函数

group by

having 聚集函数+条件

having必须和group子句连用

查询方式

单表查询

连接查询

等值连接查询

用where子句建立连接关系

自身连接查询

把自身当做两张表，然后进行等值连接

内/外连接查询

在from子句中使用连接关键字建立连接条件将连接条件和查询条件分开等值连接等价于在on子句中写上where中的某条件

inner join

内连接（默认）

left outer join

保留左表所有记录

生成临时表时使用的条件，无论on中条件是否为真，都会返回左表中所有记录

where

在临时表生成好后，再对临时表进行过滤。所以条件不为真的就全部过滤

right outer join

保留右表所有记录

full outer join

完全外连接

嵌套查询（子查询）

将一个查询块嵌套在另一个查询块的WHERE子句、HAVING条件或其他位置的查询好处：效率高、不涉及多表连接、将复杂问题简单化层层嵌套体现了SQL结构化的含义所在

使用IN谓词的子查询

将select子查询放入in()中从里向外执行子查询通常返回一个集合

使用比较运算符的子查询

适用于子查询返回单值时

使用SOME|ALL谓词的子查询

适用于子查询返回多值时的比较查询事实上，聚集函数的效率更高

some

all

不相关查询

使用EXISTS谓词的子查询

从外向里查询，子查询依赖父查询带入的相关属性值子查询的结果又作为父查询的查询条件