【DBMS HKUST slides1~6】数据库管理系统 知识点总结

Course Outline

• ER Model

• Relational Model and Algebra

• SQL

• Functional Dependencies and Relational Database Design

• Storage and File Systems

• Tree and Hash Indexes

• Query Processing and Implementation of Relational Operators

• Query Optimization

• Transactions

• Concurrency Control Protocols

• Database Recovery

 

数据库在线

schema 模式

instance 实例

DBMS：数据库管理系统

 

文件系统（File System）的主要弊端：

• 数据冗余和不一致（data redundancy and inconsistency）

• 数据访问困难（difficulty in accessing data）、数据孤立（data isolation）

• 完整性问题（integrity problem）

• 原子性问题（atomicity problem）

• 并发访问异常（concurrent-access anomaly）

• 安全性问题（security problem）

 

Data Models 数据模型：

• Object-based logical models 基于对象的逻辑模型：

  • Entity-Relationship Model (ER Model) 实体-联系模型

    提供一种方便的图形化方式来观察数据、联系和约束。

• Record-based Logical Models 基于记录的逻辑模型：

Relational Model 关系模型

• Other：

  Network Model 网络模型

  Hierarchical Model 层次模型

  object-oriented model, objected-relational model …...

数据抽象的三个层次：

• 物理层（physical level）

• 概念层（逻辑层，logical level）

• 视图层（view level）

数据库语言

1. 数据库定义语言（DDL）

2. 数据操纵语言（DML）

   DML中涉及信息检索的部分称作查询语言（query language）

使用数据库的人员

1. 数据库管理员（DataBase Administrator，DBA）：对系统进行集中控制的人

2. 数据库用户：四种类型，系统为不同类型用户设计不同类型的用户界面

   1. 无经验的用户（naïve user）：通过激活事先写好的应用程序同系统交互，典型用户界面是表格界面。

   2. 应用程序员（application programmer）：开发用户界面

   3. 老练的用户（sophisticated user）：不通过编写程序同系统交互，而是用数据库查询语言或数据分析软件等工具表达要求。

   4. 专门的用户（specialized user）：编写专门的、不适合于传统数据处理框架的数据库应用的富有经验的用户。

DBMS的结构

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E-R图（实体-联系图，ER Diagram）

实体-联系模型（Entity-Relationship (ER) model）

实体（entity）

• • • • 实体

      • 实体集（entity set）：相同类型（具有相同性质/属性）的一个实体集合。

        1. 弱实体集（weak entity set）：不具有足够的属性构成主码的实体集。

        2. 有主码的实体集则称作强实体集（strong entity set）。

      • 属性（attribute）

        • E-R模型中属性的分类：

          1. 简单（simple）属性/复合（composite）属性：

          简单属性不能划分为更小的部分；

          复合属性可以划分为更小的部分（其他属性）。 复合属性可以有层次，子属性可进一步划分。

          2. 单值（single-valued）属性/多值（muti-valued）属性：

          单值属性对一个特定的实体都只有单独的一个值；

          多值属性对一个特定的实体有对应的一组值。用花括号表示属性是多值的。

          3. 派生（derived）属性：可从别的相关属性或实体派生出来。

        • 码（key）：足以区分每个实体的属性集

          • 复合码（Composite Key）

          • 候选码（candidate key）—> 主码（primary key）

联系（relationship）

• 联系

  • Recursive Relationship

• 约束（Constraints）

  • 映射类型：

  1. 一对一（one-to-one）

  2. 一对多（one-to-many）

  3. 多对一（many-to-one）

  4. 多对多（many-to-many）

  5. 

  • 参与约束

    1. 如果实体集E中的每个实体都参与到联系集R的至少一个联系中，实体集E在联系集R中的参与称为全部的（total）

    2. 如果实体集E中只有部分实体参与到联系集R的联系中，实体集E到联系集R的参与称为部分的（partial）。

• 联系集

  • 二元（binary）联系集：涉及两个实体集的联系集。dbms中的大部分联系集都是二元的。

  • 非二元联系集

eg.三个实体集instructor、student和project通过联系集proj_guide相关联。

3. Class Hierarchy

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关系模式Relational Model

基本术语

E-R图转换为关系模式

步骤：

Step 1 (Strong Entity Set)

Step 2 (Weak Entity Set)

Step 3 (1-to-1 Relationship)

Step 4 (1-to-many Relationship)

Step 5 (Many-to-many Relationship)

Step 6 (Non-binary Relationship)

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　　关系代数 Relational Algebra

1. 基本运算

   1. 选择（select）运算：选出满足给定谓词的元组。

      用小写sigma(σ)表示，下标为谓词，括号中为参数关系。

   2. 投影（project）运算：返回作为参数的关系，但把某些属性排除在外，所有重复行均被去除。

      用大写pi(Π)表示，下标为在结果中出现的属性，括号中为参数关系。

   3. 并（union）运算

   4. 集合差（set-difference）运算

   5. 笛卡尔积（Cartesian-product）运算：将任意两个关系的信息组合在一起，结果中包含所有可能的元组对。

   6. 更名（rename）运算：给关系代数表达式的结果赋上名字以供引用。

      用小写rho(ρ)表示。

2. 附加运算

   1. 集合交（intersection）运算 (∩)

   2. 连接（join）运算 (⋈)

   3. 除法（division）运算（/）

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SQL

SQL：结构化查询语言

1. 数据定义语言（Data-Definition Language, DDL）:

   SQL DDL提供定义定义关系模式、删除关系以及修改关系模式的命令。

   SQL数据定义

1. 固有类型

   ·char(n)：固定长度（用户指定n）的字符串，等价全称character。•
   ​
   存入字符串长度不够时会追加空格使其达到固定长度；
   ​
   比较长度不同的char类型值时会自动在短值后追加空格使长度一致。
   ​
   ·varchar(n)：可变长度（用户指定最大长度n）的字符串，等价全称character varying。
   ​
   Varchar类型不会增加空格。
   ​
   ·int：整数类型，等价全称integer。
   ​
   ·smallint：小整数类型。
   ​
   ·numeric(p, d)：精度由用户指定（加上一个符号位有p位数字，其中d位数字在小数点右边）的定点数。
   ​
   ·real, double precision：浮点数与双精度浮点数。
   ​
   ·float(n)：精度至少为n位的浮点数。
   ​
   SQL也提供nvarchar类型存放使用Unicode表示的多语言数据。

   每种类型都可能包含空值，表示一个缺失的值，应尽量避免加入空值。

2. 基本模式定义

   • drop table：删除关于被去掉关系的所有信息

     drop table r; 
     --删除r的所有元组以及r的模式，除非用create table重建r否则没有元组可以插入r中

   • alter table：为已有关系增加属性（关系中在所有元组在新属性上的取值将被设为null）

     alter table r add A D; --为关系r添加域为D的属性A
     alter table r drop A; --为关系r中去掉属性A，很多数据库系统并不支持

     完整性约束（ICs）：破坏完整性约束的任何数据库更新将会被标记错误并禁止。

3. 扩展运算：

   数据库的修改

• delete 删除

4. delete from r
   where P;
   /*P代表一个谓词，r代表一个关系。Delete语句首先从r中找出所有时P(t)为真的元组t，然后把它们从r中删除。*/

• insert 插入元组

• update 更新：不改变整个元组的情况下改变其部分属性的值。

5. 视图（view）

   不是逻辑模型的一部分，但作为虚关系对用户可见的关系。

   定义视图：

   create view v as <query expression>;
   --v表示视图名，<query expression>可以是任何合法的查询表达式。

6. 断言（assertion）

7. create assertion <assertion-name> check <predicate>;

1. 1. 触发器（trigger）

 

2. 数据操纵语言（Data-Manipulation Language, DML）：

SQL DML包括查询语言，以及在数据库中插入元组、删除元组和修改元组的命令。

1. • SQL查询的基本结构（Basic SQL Query）

     SQL查询可包含三种类型的子句：

     ·select子句：用于列出查询结果中所需要的属性

     ·from子句：一个查询求值中需要访问的关系列表（输入）。

     ·where子句：一个作用在from子句汇总关系的属性上的谓词。

     典型SQL查询形式（各子句必须以select、from、where次序写出）：

     select A1, A2, …, An
     from r1, r2, …, rn
     where P;
     
     --Ai代表一个属性，ri代表一个关系，P为一个谓词，如果省略where子句P为true。

     一个SQL查询的含义可以理解为：

     1）为from子句列出的关系产生笛卡尔积。

     2）在步骤1结果上应用where子句中指定的谓词。

     3）对步骤2结果中的每个元组，输出select子句汇总指定的属性（或表达式的结果）。

　　

• • 算术运算（Arithmetic Operation）

  • 更名运算（Rename Operation）

    as子句 old-name as new-name

    既可出现在select子句，也可出现在from子句中。

    selectT.name, S.course_id
    frominstructor asT, teaches asS --重命名关系
    whereT.ID= S.ID;  

    重命名关系适用于需要比较同一关系中元组的情况

  • 字符串运算（String Operation）

    like 操作符模式匹配：（大小写敏感）

    % 匹配任意子串

    _ 匹配任意一个字符

 

• • 排列元组显示次序（Ordering the Display of Tuples）

    order by子句 让查询结果中元组按特定属性排序（默认升序）

    升序：asc

    降序：desc

    //按salary降序列出整个instructor关系，如果有几位教师的工资相同，就按姓名升序排列
    select*
    frominstructor
    orderbysalary desc, name asc;

  • 空值（NULL value）

  • 序列（Sequence）

• • 分组（Group By）

    group by子句 用于构造分组。指定所有属性上取值相同的元组将被分在一个组中。

  • 除法运算（Division）

  • 集合运算（Set Operation）

    • union 并

    • intersect 交

    • except 差

  • 聚集运算（Aggregate Operator）

    以值的一个集合（集或多重集）为输入，返回单个值