一、數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)與模式

數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)中采用分級(jí)的方法將數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)層次。最著名的是美國(guó)ANSI/ SPARC 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)研究組 1975年提出的三級(jí)劃分法。

1. 三級(jí)模式

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的三級(jí)模式為外模式、概念模式、內(nèi)模式。

概念模式。概念模式（模式、邏輯模式）用以描述整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu)，描述現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體及其性質(zhì)與聯(lián)系，定義記錄、數(shù)據(jù)項(xiàng)、數(shù)據(jù)的完整性約束條件及記錄之間的聯(lián)系，是數(shù)據(jù)項(xiàng)值的框架。 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概念模式通常還包含有訪問(wèn)控制、保密定義、完整性檢查等方面的內(nèi)容，以及概念/物理之間的映射。
概念模式是數(shù)據(jù)庫(kù)中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)只有一個(gè)概念模式。

外模式。外模式（子模式、用戶模式）用以描述用戶看到或使用的那部分?jǐn)?shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，用戶根據(jù)外模式用數(shù)據(jù)操作語(yǔ)句或應(yīng)用程序去操作數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。外模式主要描述組成用戶視圖的各個(gè)記錄的組成、相互關(guān)系、數(shù)據(jù)項(xiàng)的特征、數(shù)據(jù)的安全性和完整性約束條件。
外模式是數(shù)據(jù)庫(kù)用戶（包括程序員和最終用戶）能夠看見(jiàn)和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是數(shù)據(jù)庫(kù)用戶的數(shù)據(jù)視圖，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可以有多個(gè)外模式。一個(gè)應(yīng)用程序只能使用一個(gè)外模式。

內(nèi)模式。內(nèi)模式是整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的最低層表示，不同于物理層，它假設(shè)外存是一個(gè)無(wú)限的線性地址空間。內(nèi)模式定義的是存儲(chǔ)記錄的類(lèi)型、存儲(chǔ)域的表示以及存儲(chǔ)記錄的物理順序，指引元、索引和存儲(chǔ)路徑等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)組織。

2. 三級(jí)抽象

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)劃分為三個(gè)抽象級(jí)：用戶級(jí)、概念級(jí)、物理級(jí)。

用戶級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)于外模式，是最接近用戶的一級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，是用戶可以看到和使用的數(shù)據(jù)庫(kù)，又稱(chēng)用戶視圖。用戶級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)主要由外部記錄組成，不同的用戶視圖可以互相重疊，用戶的所有操作都是針對(duì)用戶視圖進(jìn)行的。

概念級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)。概念級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)于概念模式，介于用戶級(jí)和物理級(jí)之間，是所有用戶視圖的最小并集，是數(shù)據(jù)庫(kù)管理員可看到和使用的數(shù)據(jù)庫(kù)，又稱(chēng) DBA（DataBase Administrator，數(shù)據(jù)庫(kù)管理員）視圖。概念級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)由概念記錄組成，一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可有多個(gè)不同的用戶視圖，每個(gè)用戶視圖由數(shù)據(jù)庫(kù)某一部分的抽象表示所組成。一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)只存在一個(gè) DBA 視圖，它把數(shù)據(jù)庫(kù)作為一個(gè)整體的抽象表示。概念級(jí)模式把用戶視圖有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)整體，綜合平衡考慮所有用戶要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性、最大限度降低數(shù)據(jù)冗余、準(zhǔn)確地反映數(shù)據(jù)間的聯(lián)系。

物理級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)。物理級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)于內(nèi)模式，是數(shù)據(jù)庫(kù)的低層表示，它描述數(shù)據(jù)的實(shí)際存儲(chǔ)組織，是最接近于物理存儲(chǔ)的級(jí)，又稱(chēng)內(nèi)部視圖。物理級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)由內(nèi)部記錄組成，物理級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)并不是真正的物理存儲(chǔ)，而是最接近于物理存儲(chǔ)的級(jí)。

3. 兩級(jí)獨(dú)立性

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)兩級(jí)獨(dú)立性是指物理獨(dú)立性和邏輯獨(dú)立性。三個(gè)抽象級(jí)間通過(guò)兩級(jí)映射（外模式—模式映射，模式—內(nèi)模式映射）進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，使得數(shù)據(jù)庫(kù)的三級(jí)形成一個(gè)統(tǒng)一的整體。

物理獨(dú)立性。物理獨(dú)立性是指用戶的應(yīng)用程序與存儲(chǔ)在磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的。當(dāng)數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)改變時(shí)，應(yīng)用程序不需要改變。
物理獨(dú)立性存在于概念模式和內(nèi)模式之間的映射轉(zhuǎn)換，說(shuō)明物理組織發(fā)生變化時(shí)應(yīng)用程序的獨(dú)立程度。

邏輯獨(dú)立性。邏輯獨(dú)立性是指用戶的應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫(kù)中的邏輯結(jié)構(gòu)是相互獨(dú)立的。當(dāng)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變時(shí)，應(yīng)用程序不需要改變。
邏輯獨(dú)立性存在于外模式和概念模式之間的映射轉(zhuǎn)換，說(shuō)明概念模式發(fā)生變化時(shí)應(yīng)用程序的獨(dú)立程度。

二、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程

1978 年 10 月來(lái)自 30 多個(gè)歐美國(guó)家的主要數(shù)據(jù)庫(kù)專(zhuān)家在美國(guó)新奧爾良市專(zhuān)門(mén)討論了數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范，把數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)分為需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 個(gè)階段。

需求分析

通過(guò)調(diào)查研究, 了解用戶的數(shù)據(jù)和處理需求, 并按一定格式整理形成需求說(shuō)明書(shū)、數(shù)據(jù)字典和數(shù)據(jù)流程圖。

概念設(shè)計(jì)

在需求分析階段產(chǎn)生的需求說(shuō)明書(shū)的基礎(chǔ)上, 按照特定的方法將它們抽象為一個(gè)不依賴(lài)于任何DBMS的數(shù)據(jù)模型, 即概念模型. (如E-R模型)

邏輯設(shè)計(jì)

將概念模型轉(zhuǎn)化為某個(gè)特定的DBMS上的邏輯模型(如關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)、對(duì)象型數(shù)據(jù)庫(kù)), 并對(duì)所設(shè)計(jì)的邏輯模型進(jìn)行優(yōu)化.(發(fā)生在概要設(shè)計(jì)階段；設(shè)計(jì)表包括所有細(xì)節(jié)—表名、字段、主外鍵等)

物理設(shè)計(jì)

對(duì)給定的邏輯模型選取一個(gè)最適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu), 以確定數(shù)據(jù)庫(kù)在物理設(shè)備上的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和存取方法.

三、數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型主要有兩大類(lèi)，分別是概念數(shù)據(jù)模型（實(shí)體—聯(lián)系模型）和基本數(shù)據(jù)模型（結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型）。

其中概念數(shù)據(jù)模型是按照用戶的觀點(diǎn)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)和信息建模，主要用于數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。概念模型主要用實(shí)體—聯(lián)系方法（Entity-Relationship Approach）表示，所以也稱(chēng) E-R 模型。

圖中的橢圓代表屬性字段，矩形代表實(shí)體數(shù)據(jù)表，菱形代表之間的聯(lián)系。

1. ER模型集成

集成方法：

多個(gè)局部E-R圖一次集成。

逐步集成，用累加的方式一次集成兩個(gè)局部E-R。

集成產(chǎn)生的沖突及解決方法：

屬性沖突：包括屬性域沖突和屬性取值沖突。

命名沖突：包括同名異義和異名同義。

結(jié)構(gòu)沖突：包括同一對(duì)象在不同應(yīng)用中具體有不同的抽象，以及同一實(shí)體在不同局部E-R圖中所包含的屬性個(gè)數(shù)和屬性排列次序不完全相同。

2. 實(shí)體轉(zhuǎn)換關(guān)系

一個(gè)實(shí)體轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模型。

1 : 1聯(lián)系可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)關(guān)系模型，也可以與任意一端實(shí)體的關(guān)系模型合并。

1 : n聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模型，也可以與 n 端實(shí)體的關(guān)系模型合并。

m : n聯(lián)系必須單獨(dú)轉(zhuǎn)成一個(gè)關(guān)系模式。

三個(gè)以上實(shí)體間的關(guān)系轉(zhuǎn)為一個(gè)多元聯(lián)系。

上題符合三個(gè)實(shí)體間的關(guān)系，其中三個(gè)實(shí)體轉(zhuǎn)為三個(gè)關(guān)系模型，聯(lián)系轉(zhuǎn)為一個(gè)關(guān)系模型，即最少可轉(zhuǎn)四個(gè)關(guān)系模型。

四、關(guān)系代數(shù)

關(guān)系代數(shù)的基本運(yùn)算主要有并、交、差、笛卡爾積、選擇、投影、連接和除法運(yùn)算。

比如：關(guān)系S1和關(guān)系S2

S1 ∩ S2

S1 ∪ S2

S1 - S2

S1 X S2 (笛卡爾積)

投影 π

6. 條件選擇 σ

7. 連接

五、數(shù)據(jù)庫(kù)范式

關(guān)系模型滿足的確定約束條件稱(chēng)為范式，根據(jù)滿足約束條件的級(jí)別不同，范式由低到高分為 1NF（第一范式）、2NF（第二范式）、3NF（第三范式）、BCNF（BC 范式）、4NF（第四范式） 等。不同的級(jí)別范式性質(zhì)不同。

把一個(gè)低一級(jí)的關(guān)系模型分解為高一級(jí)關(guān)系模型的過(guò)程，稱(chēng)為關(guān)系模型的規(guī)范化。關(guān)系模型分解必須遵守兩個(gè)準(zhǔn)則。

無(wú)損連接性：信息不失真（不增減信息）。

函數(shù)依賴(lài)保持性：不破壞屬性間存在的依賴(lài)關(guān)系。

第一范式
1NF 是最低的規(guī)范化要求。如果關(guān)系 R 中所有屬性的值域都是簡(jiǎn)單域，其元素（即屬性）不可再分，是屬性項(xiàng)而不是屬性組，那么關(guān)系模型 R 是第一范式的。

第二范式
如果一個(gè)關(guān)系 R 屬于 1NF，且所有的非主屬性都完全依賴(lài)于主屬性，則稱(chēng)之為第二范式。

第三范式
如果一個(gè)關(guān)系 R 屬于 2NF，且每個(gè)非主屬性不傳遞依賴(lài)于主屬性。

BC 范式
如果一個(gè)關(guān)系 R 屬于 3NF，且每個(gè)主屬性間沒(méi)有函數(shù)依賴(lài)關(guān)系。

六、反規(guī)范化

數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)規(guī)范化的優(yōu)點(diǎn)是減少了數(shù)據(jù)冗余，節(jié)約了存儲(chǔ)空間，相應(yīng)邏輯和物理的 I/O 次數(shù)減少，同時(shí)加快了增、刪、改的速度，但是對(duì)完全規(guī)范的數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，通常需要更多的連接操作，從而影響查詢速度。 因此，有時(shí)為了提高某些查詢或應(yīng)用的性能而破壞規(guī)范規(guī)則，即反規(guī)范化（非規(guī)范化處理）。

反規(guī)范化技術(shù)包括：

增加冗余列

增加冗余列是指在多個(gè)表中具有相同的列，它常用來(lái)在查詢時(shí)避免連接操作。

增加派生列

增加派生列指增加的列可以通過(guò)表中其他數(shù)據(jù)計(jì)算生成。它的作用是在查詢時(shí)減少計(jì)算量，從而加快查詢速度。

重新組表

重新組表指如果許多用戶需要查看兩個(gè)表連接出來(lái)的結(jié)果數(shù)據(jù)，則把這兩個(gè)表重新組成一個(gè)表來(lái)減少連接而提高性能。

分割表

有時(shí)對(duì)表做分割可以提高性能，比如： 水平分割 和 垂直分割。

七、 事務(wù)管理

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)運(yùn)行的基本工作單位是事務(wù)，事務(wù)相當(dāng)于操作系統(tǒng)中的進(jìn)程，是用戶定義的一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)操作序列，這些操作序列要么全做要么全不做，是一個(gè)不可分割的工作單位。事務(wù)具有以下特性：

原子性（Atomicity）：數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯工作單位。

一致性（Consistency）：使數(shù)據(jù)庫(kù)從一個(gè)一致性狀態(tài)變到另一個(gè)一致性狀態(tài)。

隔離性（Isolation）：不能被其他事務(wù)干擾。

持續(xù)性（永久性）（Durability）：一旦提交，改變就是永久性的。

1. 并發(fā)控制

在多用戶共享系統(tǒng)中，許多事務(wù)可能同時(shí)對(duì)同一數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，此時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的并發(fā)控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)并發(fā)事務(wù)的執(zhí)行，保證數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性不受破壞，同時(shí)避免用戶得到不正確的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)的并發(fā)操作帶來(lái)的問(wèn)題有：丟失更新問(wèn)題、不一致分析問(wèn)題（讀過(guò)時(shí)的數(shù)據(jù)）、依賴(lài)于未提交更新的問(wèn)題（讀了“臟”數(shù)據(jù)）。這三個(gè)問(wèn)題需要 DBMS 的并發(fā)控制子系統(tǒng)來(lái)解決。

處理并發(fā)控制的主要方法是采用封鎖技術(shù)。它有兩種類(lèi)型：排他型封鎖（X 封鎖）和共享型封鎖（S 封鎖）。

2. 并發(fā)控制-封鎖協(xié)議

一級(jí)封鎖協(xié)議。事務(wù) T 在修改數(shù)據(jù) R 之前必須先對(duì)其加 X 鎖，直到事務(wù)結(jié)束才釋放。一級(jí)封鎖協(xié)議可防止丟失修改，并保證事務(wù) T 是可恢復(fù)的。但不能保證可重復(fù)讀和不讀“臟”數(shù)據(jù)。

二級(jí)封鎖協(xié)議。一級(jí)封鎖協(xié)議加上事務(wù) T 在讀取數(shù)據(jù) R 之前先對(duì)其加 S 鎖，讀完后即可釋放 S 鎖。二級(jí)封鎖協(xié)議可防止丟失修改，還可防止讀“臟”數(shù)據(jù)，但不能保證可重復(fù)讀。

三級(jí)封鎖協(xié)議。一級(jí)封鎖協(xié)議加上事務(wù) T 在讀取數(shù)據(jù) R 之前先對(duì)其加 S 鎖，直到事務(wù)結(jié)束才釋放。三級(jí)封鎖協(xié)議可防止丟失修改、防止讀“臟”數(shù)據(jù)與防止數(shù)據(jù)重復(fù)讀。

兩段鎖協(xié)議。所有事務(wù)必須分兩個(gè)階段對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)加鎖和解鎖。其中擴(kuò)展階段是在對(duì)任何數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫(xiě)操作之前，首先要申請(qǐng)并獲得對(duì)該數(shù)據(jù)的封鎖；收縮階段是在釋放一個(gè)封鎖之后，事務(wù)不能再申請(qǐng)和獲得任何其他封鎖。若并發(fā)執(zhí)行的所有事務(wù)均遵守兩段封鎖協(xié)議，則對(duì)這些事務(wù)的任何并發(fā)調(diào)度策略都是可串行化的。遵守兩段封鎖協(xié)議的事務(wù)可能發(fā)生死鎖。

八、備份與恢復(fù)

數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)一般都十分重要，不能丟失。事先制定一個(gè)合適的、可操作的備份和恢復(fù)計(jì)劃至關(guān)重要。

數(shù)據(jù)備份分為：冷備份（靜態(tài)備份，需要關(guān)閉服務(wù)）和熱備份（動(dòng)態(tài)備份，無(wú)需關(guān)閉服務(wù)）。

1. 備份的方式

完全備份：備份所有數(shù)據(jù)。

差量備份：僅備份上一次完全備份之后變化的數(shù)據(jù)。

增量備份：備份上一次備份之后變化的數(shù)據(jù)。

2. 數(shù)據(jù)恢復(fù)

事物中的錯(cuò)誤：可通過(guò)RollBack 恢復(fù)為原先的數(shù)據(jù)。

其他因素：通過(guò)備份數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，但有可能造成部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失。

九、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)

分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu)有六個(gè)層次，如圖 所示，實(shí)際的系統(tǒng)并非都具有這種結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中各級(jí)模式的層次清晰，可以概括和說(shuō)明任何分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的概念和結(jié)構(gòu)。

從整體上可以分為兩大部分：下半部分是集中式數(shù)據(jù)庫(kù)的模式結(jié)構(gòu)，代表了各局部場(chǎng)地上局部數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)；上半部分是分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)增加的模式級(jí)別。

數(shù)據(jù)分片和透明性

將數(shù)據(jù)分片，使數(shù)據(jù)存放的單位不是關(guān)系而是片段，這既有利于按照用戶的需求較好地組織數(shù)據(jù)的分布，也有利于控制數(shù)據(jù)的冗余度。分片的方式有多種，水平分片和垂直分片是兩種基本的分片方式，混合分片和導(dǎo)出分片是較復(fù)雜的分片方式。

分布透明性指用戶不必關(guān)心數(shù)據(jù)的邏輯分片，不必關(guān)心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的物理位置分配細(xì)節(jié)，也不必關(guān)心局部場(chǎng)地上數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)模型。分布透明性包括：分片透明性、位置透明性和局部數(shù)據(jù)模型透明性。

分片透明性是分布透明性的最高層次： 指用戶或應(yīng)用程序只對(duì)全局關(guān)系進(jìn)行操作而不必考慮數(shù)據(jù)的分片。

位置透明性是分布透明性的下一層次：用戶或應(yīng)用程序應(yīng)當(dāng)了解分片情況，但不必了解片段的存儲(chǔ)場(chǎng)地。

局部數(shù)據(jù)模型透明性：用戶或應(yīng)用程序應(yīng)當(dāng)了解分片及各片斷存儲(chǔ)的場(chǎng)地，但不必了解局部場(chǎng)地上使用的是何種數(shù)據(jù)模型。

十、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)與數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)（Data Warehouse）是一個(gè)面向主題的、集成的、相對(duì)穩(wěn)定的、且隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)集合，用于支持管理決策。

1. 數(shù)據(jù)挖掘的方法

決策樹(shù)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

遺傳算法

關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法

2. 數(shù)據(jù)挖掘方法分類(lèi)

關(guān)聯(lián)分析： 挖掘出隱蔽在數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系。

序列模式分析：側(cè)重點(diǎn)十分析數(shù)據(jù)間的前后關(guān)系（因果關(guān)系）。

分類(lèi)分析：為每一個(gè)記錄富裕一個(gè)標(biāo)記再標(biāo)記分類(lèi)。

聚類(lèi)分析：分類(lèi)分析法的逆向過(guò)程。

十一、擴(kuò)展

1. 數(shù)據(jù)庫(kù)完整性約束

為了提高可靠性，需要對(duì)表數(shù)據(jù)進(jìn)行約束，包括：

實(shí)體完整性約束（主鍵）

參照完整性約束（依賴(lài)其他表的字段)

用戶自定義完整性約束

觸發(fā)器（腳本約束)

2. 分布式事物兩階段提交協(xié)議指：表決階段、收縮階段。

總結(jié)

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