数据库系统

章节概述

数据库是现代应用系统的核心。本章系统讲解数据库模式与范式、数据库设计流程、事务管理与并发控制、备份恢复、分布式数据库、数据仓库与数据挖掘、NoSQL 和大数据。重点掌握三级模式两级独立性、规范化理论（1NF~BCNF）、E-R 模型转换规则、事务 ACID 特性与封锁协议。

知识结构框架

• 3.1 数据库管理系统类型（关系型/文档型/键值型/对象型）
• 3.2 数据库模式与范式
  • 3.2.1 三级抽象与三级模式（外模式/概念模式/内模式）
  • 3.2.2 数据模型（层次/网状/关系/面向对象）与关系代数
  • 3.2.4 数据规范化（1NF/2NF/3NF/BCNF）
  • 3.2.5 反规范化（增加冗余列/派生列/分割表）
• 3.3 数据库设计
  • 需求分析 → 概念结构设计 → 逻辑结构设计 → 物理结构设计
  • E-R 模型转换规则（1:1/1:n/m:n/多元/自联系/弱实体）
• 3.4 事务管理（ACID 特性、并发控制与封锁协议、故障与恢复）
• 3.5 备份与恢复（物理/逻辑备份、完全/增量/累积备份）
• 3.6 分布式数据库系统（六层模式结构、分布透明性、DDBMS 组成）
• 3.7 数据仓库（面向主题/集成/相对稳定/随时间变化）
• 3.8 数据挖掘（关联/序列/分类/聚类/预测/时间序列）
• 3.9 NoSQL（易扩展/大数据量/灵活数据模型/高可用）
• 3.10 大数据（4V 特征：Volume/Variety/Value/Velocity）

核心概念定义

三级模式与两级独立性

模式层级	别称	描述	数量
外模式	子模式/用户模式	用户看到的局部数据逻辑结构	多个
概念模式	模式/逻辑模式	全局数据逻辑结构（中心与关键）	一个
内模式	—	数据物理结构和存储方式	一个

• 物理独立性：模式-内模式映射，物理存储改变时应用程序不变
• 逻辑独立性：外模式-模式映射，逻辑结构改变时应用程序不变（更难实现）

规范化理论

范式	要求	消除的问题
1NF	属性不可再分（原子性）	非结构化数据
2NF	非主属性完全依赖于码	部分函数依赖
3NF	非主属性不传递依赖于码	传递函数依赖
BCNF	每个函数依赖的决定因素都包含码	主属性间的函数依赖

规范化分解须遵守两个准则：无损连接性（信息不失真）和函数依赖保持性（不破坏依赖关系）。

事务 ACID 特性

• A（原子性）：事务是不可分割的工作单位，要么全做要么全不做
• C（一致性）：使数据库从一个一致性状态变到另一个
• I（隔离性）：一个事务的执行不能被其他事务干扰
• D（持久性）：提交后改变是永久性的

封锁协议

协议级别	规则	防止的问题
一级	写前加 X 锁，事务结束释放	丢失修改
二级	一级+读前加 S 锁，读后释放	丢失修改+读脏数据
三级	一级+读前加 S 锁，事务结束释放	丢失修改+读脏+不可重复读
两段锁	扩展阶段加锁，收缩阶段解锁	保证可串行化（可能死锁）

数据仓库特性

• 面向主题：按主题域组织，区别于面向应用的操作型数据库
• 集成的：消除源数据不一致性，形成全局一致信息
• 相对稳定的：查询为主，修改删除少，定期加载刷新
• 随时间变化：包含历史信息，时间期限远长于操作型系统

大数据 4V 特征

• Volume：数据体量巨大（TB→PB→EB→ZB）
• Variety：数据类型繁多（结构化+非结构化）
• Value：价值密度低
• Velocity：处理速度快

关键公式与模型

章节图表