第1章 数据库基础

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第1章 数据库基础

1.1概述

文件管理系统，以文件方式管理数据

与文件系统相比，数据库系统的特点：

• 数据结构化：文件系统中，文件之间不存在联系。数据库系统不同。
• 数据共享：共享是数据库系统最重要的特点
• 数据独立性：文件系统中，文件和应用程序相互依赖。
• 可控冗余度：实现共享之后，避免重复。

1.2数据库模型

按实现结构化所采用的不同联系方式，分为三种：网状、层次型和关系型。前两类称为格式化

网状：将每个记录当成一个结点，结点和结点之间可以建立关联

层次型：树状结构

关系型：以二维矩阵来存储数据的，行和列形成一个关联的数据表

1.3数据库系统

一个数据库系统（Database System）可分为数据库（Database）与数据库管理系统（Database Management System，DBMS）两个部分。。简单地说，数据库即是一组经过计算机整理后的数据，存储在一个或者多个文件中，而管理这个数据库的软件就称之为数据库管理系统。

1.3.2数据库管理系统

3个组成部分：

• 数据描述语言（Data Description Language，DDL） 用来描述数据库的结构，供用户建立数据库。
• 数据操作语言（Data Manipulation Language，DML）
• 其他管理和控制程序 包括安全、通信控制和工作日志等。

DDL和DML组成一个一体化的语言。对于关系型数据库，最常用的就是SQL（Structure Query Language）语言

提示：DBMS并不好用，所以出现了数据库应用系统（Database Application System，DBAS）。它是在DBMS支持下运行的一类计算机应用系统，通常由数据库、应用程序和支持它们的DBMS组成。应用程序就是由应用程序设计者使用各种开发工具（例如VB等）开发而成的。

1.3.3数据库管理系统的网络结构

依据数据的多少、使用的人数与硬件设备等条件，将数据库管理系统分为4种网络结构：Main Frame大型数据库、本地小型数据库、分布式数据库和客户机/服务器数据库。

1.4关系型数据库

1.4.3表的主键和外键

键（Key）是一个逻辑结构，不是数据库的物理结构。主键（Primary Key）和外键（Foreign Key）

主键是指表中的某一列，该列的值唯一标识一行。

主键实施实体完整性，即每个表必有而且仅有一个主键，主键必须唯一，而且不允许为NULL或者重复。一般为整数类型的字段。

外键是指表中含有的与另外一个表的主键相对应的字段，它用来与其他表建立关联。（其他表的主键，本表的外键）

1.4.4 数据完整性

数据完整性（Data Integrity）是用来确保数据库中的数据的正确性和可靠性。例如，数据库中某一个表的数据得到了更新，则所有与此相关的数据都要更新

数据的完整性包括以下几类：

• 实体完整性：是为了保证表中的数据唯一，实体完整性可由主键来实现。
• 域完整性：可以保证数据的取值在有效的范围内。例如，可以限制某一字段的取值范围为300～500。域完整性是对业务管理或者对数据库数据的限制，它们反映了业务的规则，因此也称之为商业规则（Business Rule）。
• 参照完整性：用于确保相关联的表间的数据保持一致，避免因一个表的记录修改，造成另一个表的内容变为无效的值。一般来说，参照完整性是通过外键和主键来维护的。
• 自定义完整性：由用户自行定义的，不同于前面3种的完整性，也可以说是一种强制数据定义。例如，在输入图书表的记录时，应确保图书编号不为空（NOT NULL）。

1.4.5 表的关联种类

• 一对一关联
• 一对多关联：A表的一笔记录可以对应到B表的多笔记录，而B表的一笔记录只能对应A表的一笔记录时，称为一对多关联。例如，一本图书只能在一个出版社出版，而一个出版社却可以出版多本图书。即在图书表中的一笔记录只对应出版社表中的一笔记录，而出版社表中的一笔记录却对应图书表中的多笔记录。
• 多对多关联

1.5 关系数据库的设计

1.5.1 数据库设计过程

• 需求分析
• 概念设计：将需求说明书中关于数据的需求，综合为一个统一的概念模型。画出E-R模型图
• 实现设计：将E-R模型转换为某一特定的DBMS能够接受的逻辑模式。
• 物理设计：确定数据库的存储结构。主要任务包括：确定数据库文件和索引文件的记录格式和物理结构，选择存取方法，决定访问路径和外存储器的分配策略等。不过这些工作大部分可由DBMS来完成，仅有一小部分工作由设计人员来完成。例如，物理设计应确定字段类型和数据库文件的长度。

1.5.2 关系数据库规范化

为了建立冗余较小、结构合理的数据库，把关系应满足的规范划分为若干等级，每一级称为一个范式。实际上，范式就是施加于关系模式的约束条件。

• 1NF 如果一个表R的每一个字段都是不可再分的，则称表R为第一范式。
• 2NF 若表R是1NF，而且它的每一非主键字段完全依赖于主键
• 3NF 若表R是2NF，而且它的每一非主键字段不传递依赖于主键，传递依赖的含义是指经由其他字段而依赖于主键的字段。3NF的实际含义是要求非主键字段之间不应该有从属关系。

1NF

第一范式（1NF）是对关系模式的基本要求，不满足第一范式（1NF）的数据库就不是关系数据库。

所谓第一范式（1NF）是指数据库表的每一列都是不可分割的基本数据项，同一列中不能有多个值，即实体中的某个属性不能有多个值或者不能有重复的属性。

例如(学生信息表)： 
学生编号  姓名  性别  联系方式 
20080901  张三  男   email:[e-mail],phone:[phone] 

20080902  李四  女   email:[e-mail],phone:[phone]  

以上的表就不符合，第一范式：联系方式字段可以再分，所以变更为正确的是：  
学生编号  姓名  性别  电子邮件   电话 
20080901  张三  男   [e-mail]  88886666

20080902  李四  女   [e-mail]  66668888

2NF

首先要满足第一范式，其次每个非主属性要完全函数依赖与候选键，或者是主键。也就是说，每个非主属性是由整个主键函数决定的，而不能由主键的一部分来决定。

例如(学生选课表): 
学生    课程   教师    教师职称  教材         教室  上课时间 
李四    Spring  张老师   java讲师  《Spring深入浅出》  ３０１ 08:00 

张三    Struts  杨老师   java讲师  《Struts in Action》 ３０２ 13:30  
这里通过（学生，课程）可以确定教师、教师职称，教材，教室和上课时间，所以可以把（学生，课程）作为主键。但是，教材并不完全依赖于（学生，课程），只拿出课程就可以确定教材，因为一个课程，一定指定了某个教材。这就叫不完全依赖，或者部分依赖。出现这种情况，就不满足第二范式。

修改后，选课表： 
学生    课程   教师    教师职称  教室  上课时间 

李四    Spring  张老师   java讲师  ３０１ 08:00 

张三    Struts  杨老师   java讲师  ３０２ 13:30  
课程表： 
课程   教材         

Spring  《Spring深入浅出》  

Struts  《Struts in Action》

所以，第二范式可以说是消除部分依赖。第二范式可以减少插入异常，删除异常和修改异常。  

3NF

如果关系模式R是2NF，且所有非主属性对任何候选关键字都不存在传递依赖。   
所谓传递函数依赖，指的是如果存在"A → B → C"的决定关系，则C传递函数依赖于A。因此，满足第三范式的数据库表应该不存在如下依赖关系：
关键字段 → 非关键字段x → 非关键字段y

假定学生关系表为Student(学号，姓名，年龄，所在学院,学院地点，学院电话)，关键字为单一关键字"学号"，因为存在如下决定关系：
(学号) → (姓名，年龄，所在学院，学院地点，学院电话)
这个数据库是符合2NF的，但是不符合3NF，因为存在如下决定关系：
(学号) → (所在学院) → (学院地点，学院电话)
即存在非关键字段"学院地点"、"学院电话"对关键字段"学号"的传递函数依赖。

把学生关系表分为如下两个表：
学生：(学号，姓名,年龄，所在学院)；
学院：(学院，地点，电话)。

第一范式就是原子性，字段不可再分割； 第二范式就是完全依赖，没有部分依赖； 第三范式就是没有传递依赖。