CMU CS15-445 Lecture01 关系模型课程笔记

1. 数据库的例子

一般情况下，可以在应用程序上实现和管理最简单的数据库，即可以用它来存储数据和一堆用逗号分隔的值文件或CSV文件。

假设数据库中有两个实体（Artist和Album），以及对应的属性。
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如果要存储在CSV文件中，会在每个属性上用引号标注，然后用逗号分隔。

假设需要查找“Ice Cube” 的出道年份，通过Python方式来实现。

for line in file:
    record = parse(line)
    if "Ice Cube" == record[0]:
        print(int(record[1]))

但是这种方式并不是最好的，存在一些问题。

数据完整性
- 如何确保每个专辑条目的艺术家都是相同的？
- 如果有人用无效字符串覆盖专辑年份怎么办？
- 如何存储一张专辑中有多个艺术家？
实现
- 你如何找到一个特定的记录？
- 如果我们现在想要创建一个使用相同数据库的新应用程序怎么办？
- 如果两个线程同时尝试写入同一个文件怎么办？
持久性
- 如果在程序更新记录时机器崩溃了怎么办？
- 如果想在多台机器上复制数据库以获得高可用性怎么办？

基于以上问题，就出现了数据库管理系统（DBMS）来对数据进行管理操作。

数据库管理软件是一种专业的软件，允许程序在无须底层实现的情况下，对数据库中的信息进行存储和分析，是一种能够被多种应用所复用的软件。避免重复造轮子的问题。

2. 数据库发展史

2.1 早期数据库

第一个数据库是 1965 年由通用电气制造。

缺点：

数据库应用程序难建立和维护。
逻辑层和物理层之间的紧密耦合。
在部署数据库之前，你需要大致知道你所要执行的查询操作。

2.2 关系模型出现

1970年被Ted Codd提出并发表论文，引发了关系数据模型革命的原始论文。

通过数据库抽象的方式避免维护问题：

将关系转化为简单的数据结构存入数据库。
通过高级语言访问数据。
物理存储取决于数据库管理系统的实现。

2.3 数据模型

data model（数据模型）:用于描述数据库中的数据的概念的集合。

schema（模式）: 使用给定数据模型对特定数据集合的描述。

常见的关系数据模型

Relational
- MySQL、PostgreSQL、Oracle、DB2、SQL server、SQLite等
NoSQL
- Key/Value
- Graph
- Document
- Column-family
Array/Matrix
- 主要应用在机器学习中，是一个矩阵数据模型的例子。

数据库优势并不能一概而论，在某些应用领域中，一些数据模型比关系型数据模型能够更好地描述数据。

3. 关系型数据模型的三个要素

关系结构（structure）：关系的定义及其结构的内容。
完整性（Integrity）：确保数据库的内容满足限制。
操纵性（manipulation）：如何访问和修改数据库的内容。

4. 一些概念词

关系：数据的一个列，是一个实体的属性之一。

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主键（Primary Keys）：某一个唯一属性或一个属性组能够唯一标识一条记录。称其属性或属性组为主键。

由于无法控制无法重名，所以引入id来进行唯一索引。

如果不指定主键，有些DB会增加一个隐式的主键。

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外键（Foreign Keys）：用于指定一张表中的属性必须存在于另一张表中。

5. 数据操纵语言（DML）

数据操纵语言（Data Manipulation Language, DML）：负责对数据库对象运行数据访问工作的指令集。DML有两种方式

5.1 过程性（经典例子：`关系代数`）

Ted Codd 提出在关系代数中的7种最核心的关系运算符

5.1.1 Select

查询复合条件的tuple的一个子集。

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5.1.2 Projection

生成一个新的输出关系，厘米包含一个给定输入关系中的指定属性。

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5.1.3 Union

将两个关系组合成一个新的关系。（并集）

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5.1.4 Intersection

两个关系表里共同的部分。（交集）

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5.1.5 Difference

从第一个元素集中将第二个元素集中出现的元素过滤掉。（差集）

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5.1.6 Product

笛卡尔积。所有可能性不重复的组合。

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5.1.7 Join

自然链接。

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后续增加的关系代数

Rename
Assignment
Duplicate Elimination
Aggregation
Sorting
Division

5.2 非程序性或声明式（经典例子：`关系演算`）

6. 书籍阅读笔记

参考内容：《Database system concepts》 chapter01 and chapter02

6.1 chapter01

数据库管理系统（DataBase-Management System，DBMS） 是一个互相关联的数据的集合和一组用以访问数据的程序组成。

数据集合称为数据库（Database）。

6.1.1 数据库系统的应用

数据库的应用广泛，代表性的应用有：

企业信息
- 销售
- 会计
- 人力资源
- 生产制造
- 联机零售
银行和金融
- 银行业
- 信用卡交易
- 金融业
大学
航空业
电信业

6.1.2 数据库系统的目标

文件处理系统是传统的操作系统所支持的。存在的弊端如下：

数据的冗余和不一致。

冗余会导致存储和访问开销增大，也会导致数据不一致性。
数据访问困难。
完整性问题

数据库中所存储数据的值必须满足某些特定的一致性约束。
原子性问题
并发访问异常
安全性问题

6.1.3 数据视图

数据库系统的一个目的：给用户提供数据的抽象视图。

数据抽象
系统开发人员通过如下层次上抽象来对用户屏蔽复杂性，以简化用户与系统的交互：
- 物理层：最低层次的抽象
  
  描述数据如何存储
- 逻辑层：比物理层稍高的抽象。
  
  描述数据库中存储什么数据及这些数据间存在什么关系。
- 视图层：最高层次的抽象。
  
  描述整个数据库的某个部分。
实例和模式
存储在数据库中的信息的集合称作数据库的一个 实例（instance）。

数据库系统的几个模式：物理模式（在物理层描述数据库的设计）、逻辑模式（在逻辑层描述数据库的设计）。

子模式：描述数据库的不同视图。

数据模型（四类）
- 关系模型：表的集合来表示数据和数据间的关系。
- 实体-联系模型（E-R模型）
- 基于对象的数据模型
- 半结构化数据模型：一般使用XML广泛用于此。

6.1.4 数据库语言

数据定义语言（Data-definition language，DDL）
定义数据库模式。

数据库系统实现遵循的完整性约束：

域约束
参照完整性
断言
授权

数据操纵语言（data- manipulation language，DML）
表达数据库的查询和更新。
- 国产化（procedural DML）：用户指定需要什么数据以及如何获得数据。
- 声明式（declarative DML，也叫非过程化DML）：要求用户指定需要什么数据，而不是指明如何获得这些数据。

6.2 关系模型介绍

笔记暂无，参考课程笔记

posted @ 2021-08-21 18:16 Soler索莱尔HO 阅读(80) 评论(0) 编辑收藏举报

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Soler索莱尔HO

C++开发者，Python主要用于AI学习，主要从事AI芯片相关

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1. 数据库的例子