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约定：
- 本文是一个对大学数据库知识的一个大概总结，主要用来本人应付考试。
- 分为三个板块：第一个板块是用来说明各个章节的关系以及都有什么用处；第二个板块是一些必会的概念；第三个板块是考试题型，也可以说是必会的知识点
- 基于的课本是 《数据库原理教程（第二版）》范明等著
课本结构
刚学完数据库的时候，一直不知道学这些东西有什么用。理工科凡事都要讲究为什么，既然不知道有什么用，所以在老师上课讲的时候对知识也都是一知半解。在复习的过程中，渐渐懂得了数据库这门课程学的什么东西，所以我列了到思维导图用来帮助大家更好地理解和学习数据库。
汉字数字指的是在第几章，小数字指的是在第几小节
- 数据库设计并不是说设计一个类似于MySQL的系统，而是类似于存储“学生信息数据库”，大部分工作由DBA来完成
- 在我看来，大学数据库学的就是如何设计好一个数据库，和DBA的关系比较大，而关于数据库本身如何实现的却并没有前者篇幅大。
- SQL可以用来实现完整性，安全性，以及关系的设计，所以放到了第五步
- PS：和数据库系统概念比起来，我们学的这本真的有点小问题。。。。
概念
第 1 章 数据库系统概述
- 应用对数据操作的要求：并发访问、一致性、故障处理、安全性、完整性
- 数据是数据库中的基本储存对象，数据库是数据的集合
- DBMS的功能：数据定义(DDL)、数据操作(DML)、事物管理和运行管理、数据存储和查询处理、数据库建立与维护、其他(通信，数据转换等)
- 数据库系统由数据库、DBMS(及其开发工具)、应用系统、DBA组成
- 使用DB管理信息的优点有
- 数据结构整体化，数据结构不仅描述显示世界的对象，还描述现实世界的联系
- 数据共享，节省空间，防止冗余
- 数据独立性，包括物理独立性和逻辑独立性（3级模式，2级映像）
- 数据由DBMS同一管理，使得系统可以为数据管理提供更多支持(提供事物支持，增强安全性，保持完整性，平衡相互冲突请求，面对故障的弹性)、
- 标准化
- 抽象程度：现实世界——概念模型（一级抽象）——数据模型（二级抽象）
- 数据模型的三要素是数据结构、数据操作、数据的完整性约束
- 数据结构是对象和对象间的联系，是对系统的静态描述
- 数据模型可分为关系模型，层次模型，网状模型。课本中主要要讲的是关系模型
- 数据模型用于数据建模，描述数据的语义、数据之间的联系、数据的操作和数据的完整性约束条件
- 三级模式：外模式、模式（逻辑模式）、内模式（存储模式）
- 二级映像：外模式-模式、模式-内模式
第 2 章 实体-联系模型
- 实体是客观存在且可以相互区分的任何事物，属性是实体代表的某种特性，属性的取值范围叫做值域
- 实体集是具有相同属性的实体集合，实体的属性就是实体集的属性
- 唯一能确定实体集中每个实体的属性称为超码，真子集不是超码的极小超码叫做候选码，被设计者选定的候选码叫做主码，候选码也叫做码
- 超码包括候选码，候选码包括超码
- 属性可以分为多值属性（单值属性）、复合属性（简单属性）、基本属性（派生属性），派生属性是由基本属性计算出来的，不存储于数据库中，但要在建E-R图时体现出来
- 联系是多个实体的相互关联，联系集是相同类型联系的集合
- 联系也可以具有属性
- 没有主码的实体集称为弱实体集，有主码的称为强实体集，通过强实体集（标识实体集）确定的弱实体集之间的联系称为标识性联系
- E-R图对应的绘制见第三模块考试题型
第 3 章 关系数据模型
- 域是相同类型值的集合，可以是有限集或者无限集，元素个数称为域的基数。域和值域不一样
- 关系，笛卡尔积，元组的关系：
- 关系是笛卡尔积的子集，是元组的集合
- 域：A = {a1, a2, a3, …, am}; 基数= m；
- 笛卡尔积：A X B X C X … X N = {(a1, b1, c1, …, n1), (a2, b2, c2, …, n2), …,(am, bm, cm, …, nm) };
- 关系：{(a1, b1, c1, …, n1), (a2, b2, c2, …, n2)} ; 4元关系（不止一个）
- 元组：(a1, b1, c1, …, n1) 4元组 （一共2个）
- 码中的属性称为主属性，否则称为非主属性
- 关系模式可表示为R(U(属性名), D(域), DOM(U-D映射), F(数据依赖集))，简单记为R(U)
- 关系分为**基本关系（实关系，实表）和视图（虚关系、虚表）**基本关系是真实存储在数据库中的，视图是查询定义的
- 关系是关系模式的一个实例
- 空值用null表示，是未知的值不能参与运算
第 4 章 SQL
约定：()代表必填项；[]代表选填项；/代表或者
-
DDL
# 创建模式 create schema (schemaName) [authorization (userName)] [创建模式对象] # 删除模式 drop schema (schemaName) cascade/ restrict # 创建模式对象 create table (tableName)( (columnsName) (数据类型) [default (defaultValue)] [列级约束] [表级约束]); # 列级约束分为 not null, primary key, unique, check (boolean) # 表约束分为 primary(columns...), unique(columns...), check(boolean), # 外键约束foreign key(columns...) references (tableName) (primary key) # 修改表 alter table (tableName) [add column (columnName) (数据类型) [列级约束]] [alter column (columnName) set/ drop default (defaultValue)] [drop column (columnName)] # 插入数据 insert into tableName values (...); -
DML
select [all/ distinct] (columnName) from (tableName) where (条件) group by (columnName) having (聚集函数) order by (columnName) [asc/ desc] #where 中包括比较，between，in，like，null，exist，unique 以及他们的反 # like 常用的正则表达有 %, _ like 'a\_%' escape '\ '# 定义转义字符 # 连接的表示方法 natural join tableName join using (columnName) # 并运算 union 自动去除重复 # 交运算 intersect [all] # 差运算 except [all] all为了保留重复 # 嵌套子查询 # in可以用在嵌套子查询和枚举中 # 运算符 (all/some/) -
断言
# 创建断言 create assertion (assertionName) check (not exists (sql) ) # 删除断言 drop assertion (assertionName) -
索引
create [cluster] index (indexName) on (tableName) (columnName...) drop index (indexName) -
触发器相关
# 创建触发器 create trigger (TriggerName) before/ after insert/ delete/ update [of 属性] on (table) [Reference old/new table/row as newName]# 用来创建过渡变量存放old/new [for each row]# 触发器对每一行都有效 [when (条件)]# 触发条件 是个Boolean值 begin atomic <SQL> end # 删除触发器 drop trigger (TriggerName) # eg CREATE TRIGGER InsertionTriggerONSC AFTER INSERT ON SC REFERENCING NEW ROW AS nrow FOR EACH ROW WHEN nrow.Sno IN (SELECT Sno FROM Students WHERE Dno=‘IE’) BEGIN ATOMIC INSERT INTO IEGrades SELECT S.Sno, Sname, Cname, Grade FROM Students S, SC, Courses C WHERE S.Sno=nrow.Sno AND C.Cno=nrow.Cno AND S.Sno = SC.Sno AND C.Cno = SC.Cno; END -
权限相关
# 授予权限 grant (权限) on (对象) to (用户) # 权限包括 select, allprivileges, delete, insert, update 对象是table # 收回权限 revoke (权限) on (对象) from (用户) restrict/ cascade # restrict限制性 cascade级联回收 -
视图相关
# 创建视图 create view view_1 as select schame1 from table1 -
角色
# 创建角色 create role roleName -
事物
# 提交并终止当前事物 commit [work]: # 终止当前事物 rollback [work]: # 设置事物 set transaction <事物存取模式/隔离级别> # 存取模式可以是read only 或者 read write默认后者 # 隔离级别可以是 read uncommited, read commited, repeatable read, seralizable默认后者
第 5 章 数据库完整性
-
数据库完整性是指数据正确性、一致性、相容性
-
关系的完整性约束分为实体完整性、参照完整性、用户定义的完整性
-
实体完整性要求主码的值必须唯一且不能取空值；参照完整性要求某些关系和关系之间的主码会约束，SQL中的外键即有这层思想；用户自定义完整性要求对某些属性取值范围的限制，包括数据类型，单位，缺省值，格式等
-
就约束对象来说，约束可以分为类型/域约束、属性约束、关系约束、数据库约束
类型/域约束 用户自定义完整性 属性约束 用户自定义完整性 关系约束 实体完整性/用户自定义完整性 数据库约束 参照完整性/用户自定义完整性 -
从约束状态来说，约束可以分为静态约束、动态约束
-
DBMS对违约检查需要满足说明和定义约束的方法、完整性检查、违约处理
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实体完整性是关系内的约束，参照完整性是不同关系或者同一关系不同元组的约束
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违反参照完整性的更新需要：拒绝（参照关系改动）、级联（被参照关系改动）、置空值（被参照关系改动）、置缺省值（被参照关系改动）
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数据库完整性约束可以看做一系列断言的集合，如支行的贷款金额必须小于存款金额
-
事件-条件-动作模型：当某种事件满足某种条件时要进行某种处理办法，这种动作就是触发器
第 6 章 数据库安全性
- 数据库安全性是为了保护数据库，防止未经授权的访问，恶意破坏和修改
- 数据库系统的主要安全措施包括用户标识与鉴别、存取控制、视图、审计和数据加密
- 用户身份认证可通过使用动态产生的新口令，利用用户唯一性物品，利用用户个人特征
- 存取控制是数据库主要的安全措施，可以实现授权和权限检查，分为自主存取控制和强制存取控制
- 自主存取控制(DAC)
- 通过授权实现的
- DBA对整个数据库存在绝对控制权
- 角色是一个命名权限的集合，当一组用户具有相同的存取权限的时候，使用角色定义存取权限
- 被授权者可以复制并传播副本，不安全
- 强制存取控制(MAC)
- 实体分为主体和客体，前者是系统中的活动实体，后者受主体操控
- MAC机制通过对比客体和主体的敏感度标记来确定主体是否能存取客体
- 仅当主体的许可证级别大于等于客体密级时，主体才能读取相应客体
- 仅当主体的许可证级别等于客体密级时，主体才能写相应客体
- 创建视图的用户在视图上所获得的权限不能超过他在定义视图基本表示所拥有的权限
- 审计技术是一种监视技术，会启用一种专门的审计日志
第 7 章 关系数据库设计理论
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数据依赖和冗余是不可分割的
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数据依赖分为函数依赖和多值依赖
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如果Y属于X，且存在Y函数依赖于X，则称此依赖为平凡函数依赖
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Y完全函数依赖X是指不存在X的真子集函数决定Y
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在函数依赖中不存在的属性一定是候选码
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如果X->Y能通过Armstrong公理由关系模式R的函数依赖集F导出，则称F逻辑蕴涵X->Y，X->Y的集合称为依赖集F的闭包，Y的集合称为属性集X关于F的闭包
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Armstrong公理有自反律、增广率、传递率
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如果两个函数依赖集相等，则称他们等价，且互相覆盖
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如果F和G等价，且F是极小的，则称F是G的极小覆盖，合并F中相同左部函数依赖的右部，得到的函数依赖集称为G的正则覆盖
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极小覆盖的右部都是单值属性
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关系模型的范式：
1 NF 2 NF 3 NF BCNF 关系的所有属性值都是原子的，即不存在复合属性和多值属性 非主属性完全函数依赖于候选键，即消除了非主属性对候选键的部分依赖 消除了非主属性对候选键传递依赖 非主属性只依赖于候选键 对多值属性进行拆分 将关系拆分进而使原来候选键的子集成为候选键 将关系中同一候选码的划分到一个关系，其余的随便放 将关系中同一候选码的划分到一个关系 -
平凡的函数依赖和任意属性对超码的依赖一定成立
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好的分解应当具有无损连接性和依赖保持性，其中，无损连接性最为重要
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关系模式R的函数依赖集F在R的属性集U上的投影是一个覆盖，投影又称为F在U上的限制
第 8 章 数据库设计
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数据库设计就是根据选择的数据库的支撑环境（包括DBMS、操作系统和硬件）和用户信息需求、处理需求，设计出数据模式（包括外模式、概念模式和内模式）以及典型的应用程序，使之能够有效地存储数据
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数据库设计具有反复性、试探性、多阶段性和多技术性的特点
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两种设计方法：面向数据和面向过程的设计方法
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数据库设计步骤：需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库运行、数据库实施
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数据字典是对元数据的描述，通常包括数据项、数据结构、数据流、数据存储和数据处理过程五部分
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数据字典和数据流图一起完整地描述了系统的需求信息
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概念数据库设计的方法通常有四种：自顶向下、自底向上、逐步扩展和混合策略
第 9 章 查询优化与处理
- 查询处理包括语法分析与翻译、查询优化和查询执行
- 查询代价包括CPU代价、I/O代价和内存代价，主要是IO开销
- 查询优化分为物理优化和代数优化，优化可以是基于规则，也可以是基于代价的
- 对于简单条件选择的实现，可以使用线性搜索、二分法搜索和索引（分为主索引和辅助索引）来处理；对于复杂选择的实现，通过简单选择的交和并来实现
- 连接的基本算法是嵌套循环和块嵌套循环，对于自然连接和等值连接，可以使用索引嵌套循环，排序-归并连接和散列连接等方法
- 语法树查询优化的启发式算法
- 分解合取选择
- 选择下移
- 将笛卡尔积转换为自然连接或者连接
- 投影下移
- 合并
第 10 章 事物与并发控制
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事物特性分为原子性，一致性，隔离性，持久性，即ACID
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事物并行或者在运行过程中被强行终止都会破坏ACID
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事物开始运行就进入活跃状态，在最后一条语句执行之后但未被提交处于部分提交状态，成功完成后处于提交状态，提交之前不能正常执行称为失败状态，处于失败状态之后，数据库会消除该事物操作的影响，然后使事物进入终止状态，终止状态之后有两种选择，一种是重启事物，一种是杀死事物
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隔离级别依次是read uncommitted, read committed, repeatable read, serializable
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出现的问题 解决问题的协议 协议相当于的隔离级别 协议内容 丢失更新 一级封锁协议 read uncommitted 更新之前加X锁，事物结束释放 读脏数据 二级封锁协议 read committed 1级+读取之前加S锁，读完释放 不可重复读 三级封锁协议 repeatable read 1级+读取之前加S锁，事物结束释放 -
事物并发执行的理由：提高吞吐量和资源利用率、减少等待时间
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事物并发执行的两种方式：交叉并发执行、同时并发执行
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幻影现象出现在不可重复读的删除和插入中
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活锁是指事物因为等待锁而处于无限期等待的状态
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死锁是指两个或以上的事物之间循环等待的现象
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死锁有三种处理方法：预防，检测和解除
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预防死锁方法 缺点1 缺点2 一次性封锁法 降低事物并发度 提前确定要封锁的数据对象困难 顺序封锁法 封锁对象不断变化 维护封锁顺序困难 -
死锁通过超时法和等待图法检测
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如果一组事物的一个并发调度和一个串行调度执行结果一样，那么称该并发调度是可串行化的
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当一个事物的两种调度结果一样，我们称这两种调度等价
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如果两个在相同数据上的操作中至少有一个是write指令，则称这两个指令是冲突的
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反复交换不同事物中的非冲突指令所得到的调度等价，称为冲突等价
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如果一个调度和串行调度冲突等价，则称该调度冲突可串行化
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冲突可串行化一定是可串行化调度，其逆不真
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两阶段封锁协议
- 扩展阶段：可以申请锁，不能释放
- 收缩阶段：可以释放，不能申请
- 意味着申请完后就不能释放锁
- 扩展阶段申请最后一个锁的位置称为封锁点
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两阶段锁协议仍然可能发生死锁
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严格两阶段封锁协议：两阶段封锁协议 + 一级封锁协议
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强两阶段封锁协议：两阶段封锁协议 + 三级封锁协议
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多粒度封锁粒度越大，数据库能封锁的数据单元就越少，并发度越低，系统开销越小；多粒度封锁粒度越小，数据库能封锁的数据单元就越多，并发度越高，系统开销越大
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意向共享锁，意向排他锁，共享意向排他锁，参考
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多粒度封锁可以保证串行化
第 11 章 数据库恢复技术
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故障分为事物故障、系统故障、介质故障
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事物故障和系统故障主要通过日志来解决，介质故障通过冗余来解决
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日志的内容包括：事务标识符、操作类型、操作对象、旧值和新值；
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日志记录格式
<Ti, Xj, V1, V2> -
redo和undo全是幂等的
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日志必须严格按照并发执行的次序登记，必须先记日志，后写数据库
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基于日志的恢复技术 描述 事物故障恢复 系统故障恢复 延时更新技术 事物提交之后再对数据库更新，不需要记录V1 清除日志记录，重新启动事物 未完成事物清除日志记录，完成事物redo 及时更新技术 事物更新之后就写入数据库，需要记录V2 undo 未完成事物undo，完成事物redo -
系统故障时难以确定某些在日志中commit的事物未完成数据库中的更新，恢复效率很慢，所以引进了基于检查点的恢复技术
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检查点定期：
- 将所有留在主存中的日志记录强制输出到稳定存储器中
- 将所有修改的缓冲块输出到磁盘上
- 将一个日志记录<checkpoint, L>强制输出到稳定存储器中，此时停止事物执行的任何动作
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海量转储：整个数据库副本；增量转储：部分数据库副本
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静态转储：不允许事物运行；动态转储：和事物并行执行
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影子分页技术的优点和缺点
- 影子分页技术节省了基本日志的读写操作开销，并且不需要undo和redo操作，加快了数据库恢复速度，比基于日志的恢复技术所需要的磁盘操作少。
- 影子分页技术推广到多个事务并发执行的情况有困难、需要复杂的物理存储管理机制、当页表很大时，建立和存取页表的开销将会很大。基于日志的恢复机制不存在这些问题。
考试题型
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选择，填空，判断，简答，
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画E-R图，将E-R图转换为关系模式并给出主码和函数依赖关系
- 属性用椭圆表示，多值属性用双椭圆表示，派生属性用虚表椭圆表示，主属性下要有下划线
- 强实体集用实线矩形表示，弱实体集用虚线矩形表示，他们之间的标示性联系用双边菱形表示
- 联系集用菱形表示
- 多对一时，多的一方不带箭头，一的一方带箭头，多的一方完全对应一则多的一方用双实线；多对多时，两边都有箭头
- 转换时，派生属性忽略、复合属性展平、为多值属性重新创建关系，主码为自身的属性和所在的实体或者关系的主码
- 弱实体集的属性包括标识实体集的码，弱实体集的分辨属性和实体集的码构成新建关系的码
- 联系用关系表示，依赖联系忽略。该关系中的属性包含了两边实体的主码。如果一对一，则每个实体集的码都是关系的码；如果一对多，多的实体集的码组成关系的码；如果多对多，则所有实体集均为关系的码；如果关系具有相同的码，则合并
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用关系代数进行查询
- 基本运算：选择、投影、并、差、笛卡尔积
- 附加运算：交、除、连接、自然连接
- 扩展运算：广义投影运算、聚集函数与分组聚集、外连接
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用SQL进行DDL和DML
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用SQL来完成授权，写一个触发器
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求候选码
- 不在FD出现的属性，必须包含在候选码中
- 不在FD右部出现的属性，必须包含在候选码中
- 只在FD左边出现，必须包含在候选码中
- 能唯一标识元组的属性或属性组，就是候选码
- 外部属性一定存在于任何候选码当中
- 只在FD右部出现的属性，不属于候选码
- 只有左部或者左部＋不出现部一定是唯一候选码
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求属性集或者是依赖集的闭包
- 将属性集通过Armstrong公理求一遍即可得到闭包
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求函数依赖集的极小覆盖和正则覆盖
- 先将右部不是单个属性的分解
- 先去掉左边的冗余关系：去掉左边的假设冗余属性，如果仍然可以推出其闭包（闭包中包含该冗余属性），则删除
- 再去掉F中冗余的函数依赖：删除一个假设冗余的函数依赖，如果仍然可以推出其闭包，则删除
- 再将能通过Armstrong公理推导的删除即为极小覆盖
- 将相同左部函数依赖的右部合并，即为正则覆盖
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判定关系模式属于哪个范式
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检测无损连接分解
- 行为分解后的关系模式，列为属性
- 如果属性属于关系，则把属性与关系的交界的值设为a，下标为属性的列，否则设为b，下标的属性的行和列
- 再看依赖关系，如A->C，那么C列的值的相等个数设成和A的相等个数一样并一一对应，C中如果有a则设为a，没有随意设
- 如果出现一行全是a的，则为无损连接分解
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检测函数依赖分解
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分解出具有无损连接性的BCNF
- 设U=ABCDE, F={ A→B,B→C,CD→B},求R(U,F)的无损连接的BCNF分解。
- F已是最小函数依赖集Fmin。
- ADE不在右边出现，(ADE)+=ADEBC=U，所以ADE是R的唯一的码，A→B不合BCNF要求，分解R：R1(AB, A→B), R2(ACDE, A→C))。
- R1是BCNF，但R2中A→C不合BCNF要求，分解R2：R3 (AC, A→C), R4(ADE, ф))，R3、R4都是BCNF。
- 得到R的无损连接的BCNF分解ρ={R1(AB, A→B), R3(AC, A→C),R4(ADE, ф)}
- 设U=ABCDE, F={ A→B,B→C,CD→B},求R(U,F)的无损连接的BCNF分解。
-
分解出具有无损连接性和函数依赖性的3NF
- 先求出候选码
- 再求出函数依赖集F的正则覆盖
- 设U=ABCDE, F={AB→C,A→B,D→BC,C→B},求R(U,F)的保持函数依赖且无损连接的3NF分解
- 求出唯以候选码为ADE
- 求出正则覆盖为(A→C, D→C, C→B)
- 将A→C赋给re，因为DC不在re中，把DC也赋该re，因为CB不在re中，把CB也赋给re
- 又因为re中不包含候选码ADE，所以把ADE也放进去
- 答案为ρ={R1(AC, A→C),R2(DC,D→C),R3(CB,C→B), R4(ADE,ф)}、
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求正确并行调度的可能执行结果
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求n个事物的可串行化/不可串行化的调度
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语法树查询优化的启发式算法
- 分解合取选择
- 选择下移
- 将笛卡尔积转换为自然连接或者连接
- 投影下移
- 合并
备注
- 考试之前持续补充
- 上传到Github上，大家一起修改，可以上传例题之类的福泽整个备考学子hhhh