软考系统架构设计师（5）-数据库设计基础知识

数据库基本概念

1.数据模型
3要素

• 数据结构：对象类型的集合，是对系统静态特性的描述
• 数据操作：对数据库中各种对象的实例允许执行的操作集合
• 数据的约束条件：一组完整性规则的集合，数据需遵循特定的语义约束条件，以保证数据的正确、有效

2.数据库管理系统(DBMS)
功能：数据定义、数据库操作、数据库运行管理、数据组织、存储和管理、数据库的建立和维护
特点：

• 数据结构化且统一管理
• 有较高的数据独立性
• 数据控制功能
  • 数据库的安全性
  • 数据的完整性
  • 并发控制
  • 故障恢复

3.数据库三级模式

• 视图层：最高层次的抽象，描述整个数据库的某个部分的数据
• 逻辑层：描述数据库中存储的数据以及这些数据间存在的关系
• 物理层：描述数据在存储器中是如何存储的

三级模式

• 外模式：用户与数据库系统的接口，是用户需要使用的部分数据的描述
• 概念模式（模式）：数据库中全部数据的逻辑结构和特征的描述，由若干个概念记录类型组成
• 内模式：存储模式，是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的标识方式

关系型数据库

基本术语：
属性：在现实世界中，要描述事物常常取若干特征来表示，这些特征称为属性
域：每个属性的取值范围对应一个值的集合，称为属性的域
目或度：指一个关系中属性的个数
候选码：关系中的一个属性或属性组的值能唯一标识一个元组，该属性或属性组为候选码
主码：或称主键，一个关系有多个候选码，可选定其中一个作为主码
主属性：包含在任何候选码中的属性称为主属性
外码：属性不是关系R中的码，但它是其他关系的码，则该属性对关系R而言是外码，外键
全码：关系模型的所有属性组是这个关系模式的候选码，称为全码

关系的完整性约束：保证授权用户对数据库做修改时不会破坏数据的一致性

• 实体完整性：要求每个数据表都必须有主键，作为主键的所有字段是唯一且非空值
• 参照完整性：关系R中的外码对应关系S中的主键，则该外码为空值或为S中的主键值
• 用户定义完整性：反应某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求

1.关系运算
关系代数运算符有4类：集合运算符、专门的关系运算符、算术比较符、逻辑运算符

并（union）

差（Difference）

笛卡尔积

交（intersection）

投影（Projection）
按列选取，符号π，

选择（Selection）
按行选取，符号σ

连接：分3种连接，连接运算时从两个关系的笛卡尔积种选取满足条件的元组
θ连接：在笛卡尔积中选取属性满足一定条件的元组

等值连接：是θ的特例

自然连接：自然连接=等值连接+去除重复属性组

除（Division）：

外连接：左外连接、右外连接、全外连接
左外连接：⟕
取出左侧关系中所有与右侧关系中任一元组都不匹配的元组，用空值null填充所有来自右侧关系的属性，构成新的元组，将其加入自然连接的结果中

右外连接：⟖
取出右侧关系中所有与左侧关系中任一元组都不匹配的元组，用空值null填充所有来自左侧关系的属性，构成新的元组，将其加入自然连接的结果中

全外连接：⟗
完成左外连接和右外连接的操作

聚合函数：聚合函数输入一个值的集合，返回单一值作为结果，如sum、avg、count等函数

2.关系数据库设计基本理论

• 函数依赖：在属性（属性组）X的值确定的情况下，必定能够确定属性Y的值。
  记为 X→Y。如：学号→学生姓名，（学号，课程）→成绩
• 非平凡函数依赖：如果 X→Y，Y⊄X，则称 X→Y 是非平凡的函数依赖，
  如：（学号，课程）→成绩，因为成绩不在（学号，课程）中
• 平凡的函数依赖：如果 X→Y，但 Y⊆X，则称 X→Y 是平凡的函数依赖。
  如：（学号，姓名）→姓名，因为姓名在（学号，姓名）中
• 完全函数依赖：例如，有学生关系模式（学号，系号，系主任，课程号，成绩），该关系模式的主码是学号+课程号，（学号，课程号）→成绩是完全函数依赖。
• 部分函数依赖：上述例子中，（学号，课程号）→系号就属于部分函数依赖，因为对于系
  号来说有学号就可以推出系号。
• 传递依赖：上述例子中，学号→系号，系号→系主任名，则称系主任名传递依赖于学号。

Armstrong公理
1）A1 自反律：若 Y⊆X⊆U，则 X→Y 为 F 所蕴含。
2）A2 增广律：若 X→Y 为 F 所蕴含，且 Z⊆U，则 XZ→YZ 为 F 所蕴含。
3）A3 传递律：若 X→Y，Y→Z 为 F 所蕴含，则 X→Z 为 F 所蕴含。
根据上面三条推理规则，又可推出下面三条推理规则：
1）合并规则：若 X→Y，X→Z，则 X→YZ 为 F 所蕴含。
2）伪传递规则：若 X→Y，WY→Z，则 XW→Z 为 F 所蕴含。
3）分解规则：若 X→Y，Z⊆Y，则 X→Z 为 F 所蕴含。

范式：

• 第一范式（1NF）：若关系模式 R 的每一个分量（每一列）是不可再分的数据项，则关系模式 R 属

  于第一范式。

  存在4个问题：

  • 冗余度大
  • 引起修改操作的不一致性
  • 插入异常
  • 删除异常

• 第二范式（2NF）：若关系模式 R∈1NF，且每一个非主属性完全依赖主码时，则关系式
  R 是 2NF（第二范式）。（消除非主属性的部分函数依赖）

• 第三范式（3NF）：当 2NF 消除了非主属性对主码的传递函数依赖，则称为 3NF。

• BC 范式（BCNF）：如果关系模式 R∈1NF，且每个属性都不传递依赖于 R 的候选码，
  那么称 R 是 BCNF 模式

以上内容需要在考前重点复习

数据库设计

数据库设计分6个阶段

• 用户需求分析：主要任务是综合各个用户的应用需求，对现实世界要处理的对象进行详细调查，获得用户对系统的信息要求、处理要求、系统要求

• 概念结构设计

  对现实事物抽象认识的3种分类方法：

  • 分类：对现实世界的事物，按照其具有的共同特征和行为，定义一种类型
  • 聚集：定义某一类型所具有的属性
  • 概括：由一种已知类型定义新的类型

  概念结构设计工作步骤:

  • 选择局部应用

  • 逐一设计分E-R图

  • E-R图合并

    合并E-R图会存在3种冲突：

    • 属性冲突：同一属性存在于不同的分E-R图中，对属性的类型、取值范围、数据单位可能不一致
    • 命名冲突：相同意义的属性，在不同的分E-R图中有不同的命名或名称相同的属性有不同的意义
    • 结构冲突：同一实体在不同的分E-R图中有不同的属性

• 逻辑结构设计
  工作步骤：E-R图转换为关系模式、关系模式规范化、确定完整性约束、确定用户视图、反规范化
  反规范化操作：冗余列、派生表、表重组、表分割，其中表分割分水平分割和垂直分割

• 物理结构设计：工作步骤为确定数据分布、确定数据的存储结构、确定数据的访问方式

• 数据库实施阶段：

  • 建立实际的数据库结构

    在定义数据库结构时，应包含一下内容

    • 数据库模式与子模式，以及数据库空间等描述
    • 数据库完整性描述：数据的完整性指数据的有效性、正确性、一致性
    • 数据库安全性描述：对用户的数据操作进行控制
    • 数据库物理存储参数描述

  • 数据加载：分手工录入和使用数据转换工具两种

  • 数据库试运行和评价

• 数据库运行和维护阶段

  • 对数据库性能的检测和改善
  • 数据库的备份及故障恢复
  • 数据库重组和重构

NoSQL数据库

1.分类与特点

• 列式存储数据库：按数据库记录的列来组织和存储数据的，数据库仲每个表由一组页链的集合组成，每条页链对应表中的一个存储列
• 键值对存储数据库：典型数据结构一般为数组链表：先通过Hash算法得出HashCode，找到数据的某一位置，然后插入链表
• 文档型数据库
• 图数据库

NoSQL数据库特征：易拓展、大数据量，高性能、灵活的数据模型、高可用

redis 相关知识需要补充

2.体系框架
NoSQL整体框架分4层：数据持久层、数据分布层、数据逻辑模型层、接口层

• 数据持久层：定义了数据的存储形式，主要包括基于内存、硬盘、内存和硬盘接口、定制可插拔
• 数据分布层：定义数据式如何分布的，相对关系型数据库，NoSQL可选的机制比较多，有3种形式：CAP支持、多数据中心支持、动态部署支持
• 数据逻辑层：数据的逻辑表现形式
• 接口层：为上层应用提供了方便的数据调用接口，提供的选择多余关系型数据库