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数据库核心概念笔记（权威教材版）

一、基本概念

1. 数据库（DB）
   长期存储在计算机内、有组织、可共享的大量数据集合。
   特点：永久存储、有组织、可共享、统一管理。

2. 数据库管理系统（DBMS）
   位于用户与操作系统之间的数据管理软件。
   功能：数据定义、数据操纵、数据库运行管理、数据库建立维护。

3. 数据库系统（DBS）
   计算机系统中引入数据库后的整个系统。
   组成：DB + DBMS + 应用程序 + DBA。

二、数据模型与结构

1. 数据模型组成

   • 数据结构
   • 数据操作
   • 完整性约束

2. 逻辑数据模型（主流）

   • 关系模型（最常用）
   • 层次模型
   • 网状模型
   • 面向对象模型
   • 对象关系模型

三、三级模式 & 两级独立性

1. 三级模式

   • 外模式（子模式/用户模式）：用户看到的局部数据逻辑结构。
   • 模式（概念模式/逻辑模式）：数据库全体数据的逻辑结构和特征描述。
   • 内模式（存储模式）：数据物理结构与存储方式。

2. 两级独立性

   • 逻辑独立性：模式改变，外模式/应用程序不变。
   • 物理独立性：内模式改变，模式/外模式/应用不变。

四、关系模型基本术语

1. 关系：一张二维表。
2. 关系模式：对关系的型描述，简写为 R(属性1, 属性2, …)
3. 属性：表中的列。
4. 元组：表中的行（记录）。
5. 域：属性的取值范围。
6. 分量：元组中的一个属性值。
7. 基数：关系中的元组个数。
8. 度数（目）：关系中的属性个数。

五、码（键）相关

1. 候选码：能唯一标识一个元组的最小属性集。
2. 主码：用户选作唯一标识的候选码。
3. 全码：整个所有属性共同作为候选码。
4. 主属性：候选码中的属性。
5. 非主属性：不包含在任何候选码中的属性。

六、三大完整性约束

1. 实体完整性：主码不能为空、不能重复。
2. 参照完整性：外码取值——等于被参照关系某个主码值，或为 NULL。
3. 用户定义完整性：用户按应用需求定义的约束（如性别只能男女、成绩 0–100）。

七、安全性 & 完整性

1. 安全性控制：保护数据库防止非法使用、泄露、破坏。
   手段：用户鉴别、存取控制、视图、审计、加密。
2. 完整性控制：保证数据正确、有效、相容。
   包括：实体、参照、用户定义完整性。

八、视图

1. 定义
   视图是从一个或多个基本表（或视图）导出的虚拟表。其内容由查询定义，不实际存储数据，只存储定义。

2. 特点

   • 视图是虚拟表，操作视图与操作基本表类似
   • 对视图的更新（增、删、改）有限制，可能映射回基本表

3. 优点

   • 简化用户操作：隐藏复杂查询（如多表连接）
   • 数据安全：隐藏敏感数据，只展示授权信息
   • 逻辑数据独立性：数据库模式改变时，可通过修改视图定义保持应用程序不变

4. 视图的更新限制
   并非所有视图都允许更新。通常，若视图定义包含以下元素，则视图不可更新：

   • 分组（GROUP BY）
   • 聚合函数（SUM、AVG 等）
   • DISTINCT
   • 多表连接（某些条件下不可更新）

九、事务与 ACID

1. 事务：用户定义的一个数据库操作序列，是不可分割的逻辑单位。
2. ACID 四大特性
   • 原子性：要么全做，要么全不做
   • 一致性：执行前后数据库保持一致
   • 隔离性：并发事务互不干扰
   • 持久性：提交后永久生效

十、并发控制 & 封锁

1. 并发控制：解决多用户同时操作带来的数据不一致。
2. X 锁（排他锁/写锁）
   • 加锁后其他事务不能读、不能写
   • 写操作加 X 锁
3. S 锁（共享锁/读锁）
   • 加锁后其他事务只能读不能写
   • 读操作加 S 锁

十一、并发问题 & 封锁协议

1. 丢失更新：两个事务同时修改，一个覆盖另一个。
2. 一级封锁协议
   • 写数据加 X 锁，直到事务结束释放
   • 解决：丢失更新
3. 脏读：读到未提交又被撤销的数据。
4. 二级封锁协议
   • 一级 + 读数据加 S 锁，读完释放
   • 解决：丢失更新、脏读
5. 不可重复读：同一事务内两次读同一数据结果不同。
6. 三级封锁协议
   • 一级 + 读数据加 S 锁，事务结束释放
   • 解决：丢失更新、脏读、不可重复读

十二、恢复技术

1. 数据冗余：同一数据多次存储，导致不一致、浪费空间。
2. 登记日志文件 & 数据转储
   • 日志：记录事务所有更新操作
   • 转储：定期备份数据库副本
3. 日志先写原则（WAL）：先写日志文件，再写数据库。保证可恢复。

十三、故障恢复策略

1. 事务故障
   • 仅影响单个事务
   • 恢复：UNDO（撤消）
2. 系统故障（停电、宕机）
   • 影响所有事务，不破坏数据库
   • 恢复：REDO + UNDO
3. 介质故障（磁盘损坏）
   • 物理破坏数据库
   • 恢复：重装备份 + 重做日志

十四、数据库设计六阶段

1. 需求分析阶段：收集信息、明确需求、输出数据字典。
2. 概念模型设计：画 E-R 图，独立于 DBMS。
3. 逻辑结构设计阶段：E-R 图 → 关系模式，规范化。
4. 物理结构设计：选择存储结构、索引、存取路径。
5. 数据库实施阶段：建库、建表、加载数据、试运行。
6. 数据库运行和维护阶段：监控、优化、备份、恢复、重构。

十五、范式

范式是关系数据库规范化理论的核心，用于衡量关系模式的优劣，减少数据冗余和操作异常。

1. 第一范式（1NF）

   • 定义：关系中的每个属性都是不可再分的原子值。
   • 目标：确保列的原子性，不允许表中套表或多值属性。

2. 第二范式（2NF）

   • 定义：在 1NF 的基础上，消除非主属性对候选码的部分函数依赖。
   • 核心：所有非主属性必须完全依赖于整个候选码，而不是仅依赖候选码的一部分（主要针对候选码为复合属性的情况）。

3. 第三范式（3NF）

   • 定义：在 2NF 的基础上，消除非主属性对候选码的传递函数依赖。
   • 核心：非主属性既不部分依赖码，也不传递依赖码。即：如果 X → Y，Y → Z，且 Y 不决定 X，则存在传递依赖，需分解。

4. BC 范式（BCNF）

   • 定义：在 3NF 的基础上，消除主属性对候选码的部分依赖和传递依赖。
   • 核心：对于每个非平凡函数依赖 X → Y，X 都必须包含候选码。
   • 特点：BCNF 是 3NF 的加强版，解决了 3NF 中可能遗留的主属性间依赖问题。

5. 范式总结表

范式	核心要求	解决的主要问题
1NF	属性不可分	消除重复组和非原子数据
2NF	消除非主属性对码的部分依赖	减少数据冗余、更新异常
3NF	消除非主属性对码的传递依赖	进一步减少冗余和异常
BCNF	消除所有属性对码的传递依赖（包括主属性）	彻底解决函数依赖带来的异常

规范化：将一个低范式的关系模式通过模式分解转化为高范式的过程，但需注意无损连接性和函数依赖保持性。

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说明：本笔记为数据库核心概念权威教材版，严格对应教材知识点，便于复习查阅。

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