数据库系统
数据库体系结构
集中式数据库体系结构
三级模式
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外部模式（External Schema）：
- 外部模式也称为用户模式，它定义了用户如何看待和访问数据的方式。
- 每个外部模式对应着一个或多个用户的视图，这些视图描述了用户所需的数据以及他们对数据的操作。
- 外部模式隐藏了数据库内部的细节，用户只需关心与其相关的数据。
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概念模式（Conceptual Schema）：
- 概念模式是数据库的全局逻辑结构的描述，它描述了数据库中存储的所有数据以及这些数据之间的关系。
- 概念模式定义了数据库中的实体（Entity）以及实体之间的联系（Relationship）。
- 概念模式独立于任何特定用户或应用程序，并且对数据库的整体视图提供了一致的抽象。
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内部模式（Internal Schema）：
- 内部模式是数据库的物理存储结构的描述，它定义了数据在存储介质上的实际存储方式。
- 内部模式包括数据的存储方式、索引、数据分区等细节信息，以及如何在物理层面上组织和管理数据。
- 内部模式通常是数据库管理系统（DBMS）的内部实现细节，用户一般不直接操作或访问内部模式。
两级映像
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逻辑独立性（Logical Independence）：数据的逻辑结构发生变化后，用户程序也可以不修改。但是为了保证应用程序能够正确执行，需要修改外模式和概念模式之间的映像。
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物理独立性（Physical Independence）：当数据的物理结构发生改变时，应用程序不用改变。但是为了保证应用程序能够正确执行，需要修改概念模式和内模式之间的映像。
分布式数据库体系结构
特点
- 数据独立性：除了数据的逻辑独立性和物理独立性外，还有数据分布独立性（分布透明性）。
- 集中与自治共享结合的控制结构：各局部的DBMS可以独立地管理局部数据库，具有自治功能。同时，系统又设有集中控制机制，协调各局部DBMS的工作，执行全局应用。
- 适当增加数据冗余度：在不同的场地存储同一数据的多个副本，可以提高系统的可靠性和可用性，同时也能提高系统性能。
- 全局的一致性、可串行性和可恢复性
透明性
- 分片透明：用户不必关心数据分不分片，怎么分片
- 位置透明：用户不必关系数据存放在何处
- 复制透明：用户不必关心各个结点数据的复制与同步更新
- 逻辑透明：用户不必关系局部DBMS支持哪种数据模式、使用哪种语言
数据库设计
数据库设计过程
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需求分析阶段：
- 任务：与利益相关者（如客户、用户、管理人员）一起收集和分析系统的需求和业务规则。
- 产物：数据流图、数据字典、需求说明书等。
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概念设计阶段：
- 任务：基于需求分析结果，设计数据库的概念模型，确定实体、属性和它们之间的关系。
- 产物：E-R模型。
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逻辑设计阶段：
- 任务：将概念模型转换为规范化的关系模式，确定关系模式之间的关系，以及实施数据完整性和一致性的约束。
- 产物：关系模式（表结构）。
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物理设计阶段：
- 任务：确定数据库的物理存储结构，包括索引、分区、存储过程等。
- 产物：物理存储模式、索引设计文档、分区方案。
概念结构设计
- 抽象数据
- 设计局部ER模型
- 合并局部ER模型消除冲突
- 重构优化消除冗余
- 集成的方法：
- 多个局部E-R图一次集成。
- 逐步集成，用累加的方式一次集成两个局部E-R图。
- 集成产生的冲突及解决办法：
- 属性冲突：包括属性域冲突和属性取值冲突
- 命名冲突：包括同名异义和异名同义
- 结构冲突：包括同一对象在不同应用中具有不同的抽象，以及同一实体在不同局部E-R图中所包含的属性个数和属性排列次序不完全相同
逻辑结构设计
- 转化为数据模型
- 关系规范化
- 模式优化
- 设计用户子模式
- E-R图向关系模式的转换：
- 实体向关系模式的转换
- 联系向关系模式的转换
- 关系模式的规范化
- 确定完整性约束（确保数据的正确性）
- 用户视图的确定（提高数据的安全性和独立性）
- 根据数据流图确定处理过程使用的视图
- 根据用户类别确定不同用户使用的视图
- 应用程序设计
关系代数
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投影（Projection）： 投影操作用于从关系中选择指定属性的数据，去除其他属性。投影操作可以通过关系中的列（属性）来进行。在关系代数中，投影操作通常用符号 (\pi)（Pi）表示。
例如，假设有一个关系 R 包含属性 A、B 和 C，我们可以使用投影操作选择只包含属性 A 和 B 的数据子集，这样就得到了一个新的关系，表示为 (\pi_{A, B}(R))。
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选择（Selection）： 选择操作用于从关系中选择满足指定条件的元组（行），并去除不满足条件的元组。选择操作可以通过关系中的行来进行。在关系代数中，选择操作通常用符号 (\sigma)（Sigma）表示。
规范化理论
阿姆斯特朗公理体系
- 自反律：如果Y是X的一个子集，那么X→Y总是成立。
- 增广律：如果X→Y，那么对于任何属性集Z，XZ→YZ也成立。
- 传递律：如果X→Y且Y→Z，那么X→Z也成立。
数据库设计过程中的规范化理论主要包括以下几个层次：
- 第一范式（1NF）：确保每个表格的原子性，表中的每个字段都是不可分割的最小数据单位。
- 第二范式（2NF）：在第一范式的基础上，消除非主属性对主键的部分函数依赖。
- 第三范式（3NF）：在第二范式的基础上，消除非主属性对主键的传递函数依赖。
- 博茨-科德范式（BCNF）：更严格的第三范式，要求表中的每一个决定因素都必须是候选键。
- 第四范式（4NF）：在BCNF的基础上，消除表中的多值依赖。
- 第五范式（5NF）：确保数据的完全规范化，消除表内的所有连接依赖。
模式分解
是否保持函数依赖的判断：分解后的关系模式，属性间保留的函数依赖合并后与合并前一致，则保留函数依赖。
是否无损的判断：满足交集推导出差集的函数依赖则满足无损。
并发控制
三级封锁协议：
- 一级封锁协议：事务T在修改数据项X之前必须先对其加上X锁（排他锁）。这保证了任何时刻只有一个事务可以修改数据项，防止了丢失修改。
- 二级封锁协议：在一级封锁协议的基础上，要求事务T在读取数据项X之前必须先对其加上S锁（共享锁）。事务结束时释放所有锁。这除了防止丢失修改，还防止了脏读。
- 三级封锁协议：在二级封锁协议的基础上，要求事务T只能在结束时才能释放其所有的S锁和X锁。这除了防止丢失修改和脏读，还防止了不可重复读。
两段锁协议：
- 加锁阶段：事务可以获取任意数量的锁，但不能释放任何锁。
- 解锁阶段：事务可以释放锁，但不能再获取新的锁。
