参考教材：《数据库系统概论》（第五版） 高等教育出版社
专业：网络空间安全学院-信息安全

第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1 数据、数据库、数据库系统、数据库管理系统

数据(Data)

• 定义：描述事物的符号记录；
• 组成数据的符号种类：数字，字符串，日期，逻辑值，文本，图形，图像，声音；
• 数据的特点：数据与其语义是不可分的。

数据库(Database，DB)

• 定义：长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合；
• 数据库的特征：①数据按一定的数据模型组织、描述和储存，②可为各种用户共享，③冗余度较小，④数据独立性较高，⑤易扩展。

数据库管理系统(Database Management System，DBMS)

• 定义：位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。
• 用途：科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据。
• 功能：①数据定义功能，②数据操作功能，③数据库的运行管理功能，④数据库的建立和维护功能。

数据库系统(Database Sytem，DBS)

• 定义：计算机系统中引入数据库后的系统构成。
• 构成：①数据库，②DBMS及其开发工具，③应用系统，④数据库管理员，⑤用户。
  

1.1.2 数据库技术的产生与发展

一、人工管理阶段；
二、文件系统阶段；
三、数据库系统阶段：

数据库系统的特点

• 数据的管理者：数据库管理系统（DBMS）；
• 数据结构化；
• 数据的共享性高（冗余度低，易于扩充）；
• 数据的独立性高。

DBMS 对数据的控制功能：
①数据的安全性 （Security）保护；
②数据的完整性（Integrity）检查；
③并发（Concurrency）控制；
④数据库恢复（Recovery）。

1.1.3 数据库技术的研究领域

一、数据库管理系统（DBMS）软件的研制；
二、数据库设计；
三、数据库理论。

1.2 数据模型

1.2.1 数据模型的要素

一、数据结构：对象类型的集合；
对象：①与数据类型、内容、性质有关的对象，②与数据之间联系有关的对象
二、数据操作：对数据库中各种对象（型）的实例（值），允许执行的操作及有关的操作规则；
数据操作的类型：查询&更新（插入、删除、修改）；
三、数据的约束条件：一组完整性规则的集合；
完整性规则：给定的数据模型中数据及其联系，所具有的制约和存储规则。

1.2.2 概念模型

一、信息世界中的基本概念：

(1)实体（Entity）
客观存在并可相互区别的事物称为实体。
可以是具体的人、 事、 物或抽象的概念。

(2)属性（Attribute）
实体所具有的某一特性称为属性。
一个实体可以由若干个属性来刻画。

(3)码（Key）
唯一标识实体的属性集称为码。

(4)域（Domain）
属性的取值范围称为该属性的域。

(5)实体型（Entity Type）
用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型。

(6)实体集（Entity Set）
同型实体的集合称为实体集。

(7)联系（Relationship）
现实世界中，事物内部以及事物之间的联系。
在信息世界中，反映为实体内部的联系和实体之间的联系。

实体内部的联系：组成实体的各属性之间的联系。
实体之间的联系：不同实体集之间的联系。

二、实体间的联系；
①一对一联系（1∶1）
②一对多联系（1∶n）
③多对多联系（m∶n）

三、概念模型的表示方法(E-R图)

(1)E-R 图包括实体、属性和联系三个要求；
(2)E-R 图表示方法：用矩形表示实体、用椭圆表示属性、用菱形表示联系。
属性和实体间、实体和联系间用线段连接。

1.2.3 数据模型

一、层次数据模型；

二、网状数据模型；

三、关系数据模型 ：

(1)关系数据模型的数据结构；
基本数据结构：在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表。

基本概念：

• 关系（Relation）：一个关系对应通常说的一张表；
• 元组（Tuple）：表中的一行即为一个元组；
• 属性（Attribute）：表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名；
• 主码（Key）：表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组；
• 域（Domain）：属性的取值范围；
• 分量：元组中的一个属性值。
• 关系模式：对关系的描述。

(2)关系数据模型的操纵及完整性约束；

• 数据操作：查询，插入，删除，更新；
• 数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合；
• 存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”，不必详细说明“怎么干”；

完整性约束条件：
1.实体完整性
2.参照完整性
3.用户定义的完整性

(3)关系数据模型的存储结构；

• 表以文件形式存储。
• 有的DBMS一个表对应一个操作系统文件； 有的DBMS自己设计文件结构。

(4)关系数据模型的优缺点；

优点：

• 建立在严格的数学概念的基础上;

• 概念单一。数据结构简单清晰，用户易懂易用；

  • 实体和各类联系都用关系表示；
  • 对数据的检索结果也是关系；

• 关系模型的存取路径对用户透明；

  • 具有更高的数据独立性，更好的安全保密性，
  • 简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作;

缺点：

• 存取路径对用户透明导致查询效率往往不如非关系数据模型；
  • 为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化；
  • 增加了开发DBMS的难度；

(5)典型的关系数据库系统

• oracle
• db2
• sqlserver
• sybase
• mysql

四、 对象模型
面向对象数据模型是用面向对象的思维方式与方法来描述客观实体，在继承关系数据库系统的已有的优势特性基础之上，支持面向对象建模，支持对象存取与持久化，支持代码级面向对象数据操作，是现在较为流行的新型数据模型。

1.3 数据库系统结构

1.3.1 数据库系统内部的模式结构（从数据库管理系统角度看）

一、数据库系统模式的概念
型（Type）
对某一类数据的结构和属性的说明

值（Value）
是型的一个具体赋值

模式（Schema）
①数据库逻辑结构和特征的描述；
②是型的描述；
③反映的是数据的结构及其联系；
④模式是相对稳定的

模式的一个实例（Instance）
①模式的一个具体值；
②反映数据库某一时刻的状态；
③同一个模式可以有很多实例；
④实例随数据库中的数据的更新而变动

二、数据库系统的三级模式结构

外模式（子模式，用户模式）

• 数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述；
• 数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示

地位：介于模式与应用之间。

• 模式（1）— 外模式（n）：
  ① 外模式通常是模式的子集；
  ②一个数据库可以有多个外模式，反映了不同用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求；
  ③对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同。

• 外模式（1）— 应用（n）：
  ①同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用；
  ②但一个应用程序只能使用一个外模式。

模式（逻辑模式，概念模式）

• 一个数据库只有一个模式。
• 数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述；
• 所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求。

地位：数据库系统模式结构的中间层。

• 与数据的物理存储细节和硬件环境无关
• 与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关

作用：

• 定义数据逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）；
• 定义数据之间的联系；
• 定义与数据有关的安全性、完整性要求。

内模式（存储模式）

• 一个数据库只有一个内模式。
• 是数据物理结构和存储方式的描述
• 是数据在数据库内部的表示方法。

三、数据库的二级映象功能与数据独立性
三级模式：是对数据的三个抽象级别（外模式，模式，内模式）
二级映象：在 DBMS 内部实现这三个抽象层次的联系和转换
①外模式／模式映象；
②模式／内模式映象；

什么是外模式／模式映象

• 定义了外模式与模式之间的对应关系；
• 对每一个外模式，都有一个外模式/模式映像，
• 该映像定义：通常包含在各外模式的描述中。

外模式／模式映象的用途（保证数据的逻辑独立性）

• 当模式改变时，数据库管理员修改外模式/模式映像，使外模式保持不变。
• 应用程序是依据数据的外模式编写的，应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。

什么是模式／内模式映象

• 定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。 例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的；
• 数据库中模式／内模式映象是唯一的；
• 该映象定义：通常包含在模式描述中。

模式／内模式映象的用途（保证数据的物理独立性）

• 当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），数据库管理员修改模式／内模式映象，使模式保持不变；
• 应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。

1.3.2 数据库系统外部的体系结构（从数据库最终用户角度看）

一、单用户结构；
二、主从式结构；
三、分布式结构；
四、客户/服务器结构

1.4 数据库管理系统

1.4.1 数据库管理系统的功能与组成

一、数据定义
①定义构成数据库结构的模式、存储模式和外模式；
②定义各个外模式与模式之间的映射；
③定义模式与存储模式之间的映射；
④定义有关的约束条件；

二、数据操纵；
查询/检索，插入，修改/更新，删除

三、数据库运行管理；
对数据库的运行管理，是DBMS运行时的核心部分，包括：

• 对数据库进行并发控制
• 安全性检查
• 完整性约束条件的检查和执行
• 数据库的内部维护

所有访问数据库的操作：

• 都要在上述控制程序的统一管理下进行；
• 以保证数据的安全性、完整性、一致性以及多用户对数据库的并发使用。

四、数据组织、存储和管理；
数据库中需要存放多种数据：
如：数据字典、用户数据、存取路径等。

DBMS负责分门别类的组织、存储和管理这些数据：
确定以何种文件结构和存取方式物理地组织这些数据，如何实现数据之间的联系等，
以便提高存储空间利用率以及提高随机查找、顺序查找、增、删、改等操作的时间效率。

五、数据库的建立和维护
建立数据库：
数据库初始数据的输入与数据转换等。

维护数据库包括：
数据库的转储与恢复；
数据库的重组织与重构造；
性能的监视与分析。

1.4.2 数据库系统的工作过程

（1）应用程序A向DBMS发出从数据库读数据记录的命令；
（2）DBMS对该命令进行语法语义检查，并调用应用程序A对应的子模式（外模式），检查A的存取权限，决定是否执行该命令；如果拒绝执行，则向用户返回错误信息。
（3）决定执行该命令后，DBMS调用模式，依据外模式/模式映像的定义，确定应读入模式中的哪些记录；
（4）DBMS调用物理模式（内模式），依据模式/内模式映像的定义，决定应从哪个文件、用什么存取方式、读入哪个或哪些物理记录；
（5）DBMS向操作系统发出执行读取所需物理记录的命令
（6）操作系统执行读数据的有关操作
（7）操作系统将数据从数据库的存储区送至缓冲区
（8）DBMS依据外模式/模式映像的定义，导出应用程序A所要读取的记录格式
（9）DBMS将数据记录从系统缓冲区传送到应用程序A的用户工作区
（10）DBMS向应用程序A返回命令执行情况的状态信息；
（12）应用程序A根据返回的状态信息决定是否使用程序变量区中的数据。

1.5 数据库工程与应用

1.5.1 数据库设计的目标与特点

• 数据库设计的目标：在DBMS的支持下，按照应用的要求，为某一部门或组织设计一个结构合理、使用方便、效率较高的数据机器应用系统；
• 数据库设计包含两方面内容：
  一、结构（数据）设计，也就是设计数据库框架或数据库；
  二、行为（处理）设计，即设计应用程序、事务处理等。

1.5.2 数据库设计方法

使用工程化的规范设计方法；
核心与关键是逻辑数据库设计和物理数据库设计；
一、逻辑数据库设计：是根据用户要求和特定数据库管理系统的具体特点，以数据库设计理论为依据，设计数据库的全局逻辑结构和每个用户的局部逻辑结构。
二、物理数据库设计：是在逻辑结构确定之后，设计数据库的存储结构及其他实现细节。

1.5.3 数据库设计步骤

1.5.4 数据库应用

一、用户；
二、应用程序员；
三、数据库管理员（DBA ）
①设计与定义数据库系统；
②帮助最终用户使用数据库系统；
③监督与控制数据库系统的使用和运行；
④改进和重组数据库系统，调优数据库系统的性能；
⑤转储与恢复数据库；
⑥重构数据库 ；
四、系统分析员；
五、数据库设计人员

第二章

2.1 关系数据库概述

一、关系数据结构；
二、关系操作集合；
三、关系完整性约束

2.2 关系数据结构

一、关系

• 域（Domain）
• 笛卡尔积（Cartesian Product）

• 关系（Relation）：

• 属性：实体所具有的某一特性
  主属性：候选码的诸属性称为主属性；
  非主属性 ：不包含在任何候选码中的属性。

• 码：能够唯一标识一条记录的属性或属性集。
• 候选码（Candidate Key）：若关系中的某一属性组的值能唯一地标识一个元组，则称该属性组为候选码。
  • 最简单的情况，候选码只包含一个属性。
  • 最极端的情况，关系模式的所有属性组是这个关系模式的候选码，称为全码（All-key）。
• 主码（Primary Key）：若一个关系有多个候选码，则选定其中一个为主码。
• 外码 ：如果一个关系中的一个属性（该属性不能是候选码）是另外一个关系中的主码，则这个属性为外码。

主码和外码的作用？

主码的作用：
主码的作用是保证实体的完整性。

外键的作用：
保持数据一致性，完整性，主要目的是控制存储在外键表中的数据。使两张表形成关联，外键只能引用外表中的列的值或使用空值。

• 三类关系：
  (1) 基本关系（基本表或基表）：实际存在的表，是实际存储数据的逻辑表示；
  (2) 查询表：查询结果对应的表；
  (3) 视图表：由基本表或其他视图表导出的表，是虚表，不对应实际存储的数据。

• 基本关系的性质：
  (1)列是同质的(Homogeneous)；
  (2)不同的列可出自同一个域；
  (3)列的顺序无所谓；
  (4)任意两个元组不能完全相同；
  (5)行的顺序无所谓；
  (6)分量必须取原子值。

• 什么是关系模式？
  关系模式是对关系的描述，是型，关系是值。

关系模式描述：
1.元组集合（=关系）的结构：

• 属性构成
• 属性来自的域
• 属性与域之间的映象关系

2.元组语义
3.完整性约束条件
4.属性间的数据依赖关系集合

定义关系模式：关系的描述称为关系模式。
形式化地表示为：R（U，D，DOM，F）

• R为关系名，
• U为组成该关系的属性名集合，
• D为U中属性所来自的域，
• DOM为属性向域的映像集合，
• F为属性间数据依赖关系集合

通常可以简记为： R (U) 或 R (A1，A2， … ，An)

• R=关系名，
• A1，A2， … ，An为属性名

关系模式与关系
关系模式：对关系的描述；静态的、稳定的
关系：关系模式在某一时刻的状态或内容；动态的、随时间不断变化的
关系模式和关系往往统称为关系，通过上下文加以区别。

三、关系数据库
关系数据库：在一个给定的应用领域中，所有关系的集合构成一个关系数据库。
关系数据库的型与值：
关系数据库的型（=关系数据库模式），是对关系数据库的的描述，包括若干域的定义，以及在这些域上定义的若干关系模式。
关系数据库的值：这些关系模式在某一时刻对应的关系的集合。

2.3 关系的完整性

一、实体完整性；
若属性A是基本关系R的主属性，则A不能取空值。
（关系数据库中每个元组应该是可区分的，是唯一的）

二、参照完整性（外码，参照关系，被参照关系/目标关系）；

三、用户定义的完整性
针对某一具体关系数据库的约束条件，它反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求。

2.4 关系代数

2.4.1 关系代数概述

一、关系代数运算三要素

• 运算对象：关系
• 运算符：四类
• 运算结果：关系

二、关系代数运算的分类

三、表示记号

2.4.2 传统的集合运算

一、并∪（Union）；

二、差−（Difference）；

三、交∩（Intersection）；

四、广义笛卡尔积×（Extended Cartesian Product）

与笛卡尔积的区别？
笛卡尔积中的元素是域中的单个元素；
广义笛卡尔积中的元素是元组。

2.4.3 专门的关系运算

一、选择σ（Selection）；

二、投影π（Projection）；

三、连接⋈（Join）（连接也称为 θ连接）

(1)等值连接；

(2)自然连接；

(3)一般连接；
(4)左连接；
(5)右连接；
(6)全外连接 ；

四、除÷（Division）
（象集和投影）

第三章 关系数据库标准语言 SQL

SQL 语言集数据定义语言 DDL、数据查询语言 DQL、数据操纵语言 DML、数据控制语言DCL的功能于一体。

3.1 SQL 概述

一、SQL-86；

• 第一个SQL标准，
• 由美国国家标准局公布，
• 1987年ISO通过。

二、SQL-89；
三、SQL-92；
四、SQL3

3.1.1 SQL 的特点

一、综合统一；
二、高度非过程化；
三、面向集合的操作方式；
四、同一种语法结构提供两种使用方式；
五、语言简捷，易学易用

3.1.2 SQL 语言的基本概念

一、基本表
本身独立存在的表，一个关系对应一个表
一个（或多个）基本表对应一个存储文件
一个表可以带若干索引，索引也存放在存储文件中

二、视图
从一个或几个基本表或视图导出的表
是虚表，只存放视图的定义而不存放对应数据

三、存储文件
存储文件的逻辑结构组成了关系数据库的内模式
存储文件的物理结构是任意的，对用户是透明的

3.2 数据定义

一、定义表(模式)

• 创建表
• 删除表
• 修改表定义

二、定义视图(外模式)

• 创建视图
• 删除视图
• 间接修改视图定义：删除+创建

三、定义索引(内模式)【不做要求】
创建索引
删除索引
间接修改索引定义：删除+创建

3.3 查询

3.3.1 单表查询

3.3.2 连接查询

一、广义笛卡尔积
二、等值与非等值连接查询
三、自身连接查询
四、外连接查询
五、复合条件连接查询

3.3.3 嵌套查询

一、嵌套查询的分类
不相关子查询：子查询的查询条件不依赖于父查询
相关子查询：子查询的查询条件依赖于父查询

二、引出子查询的谓词
带有 IN 谓词的子查询
带有比较运算符的子查询
带有 ANY 或 ALL 谓词的子查询
带有 EXISTS 谓词的子查询

3.3.4 集合查询

一、并操作(UNION)；
二、交操作(INTERSECT)；
三、差操作(MINUS)

3.4 数据更新

3.4.1 插入数据

3.4.2 修改数据

3.4.3 删除数据

3.5 视图

一、视图是虚表，是从一个或几个基本表（或视图）导出的表
二、数据库系统只存放视图的定义，不会出现数据冗余
三、基表中的数据发生变化，从视图中查询出的数据也随之改变
四、基于视图的操作
定义视图(DDL)：
(1)、建立；
(2)、定义基于该视图的新视图；
(3)、删除
查询(DML)
受限更新(DML)

3.5.1 定义视图

1、建立视图

(1) 行列子集视图；
(2) WITH CHECK OPTION 的视图；
(3) 基于多个基表的视图
(4) 基于视图的视图
(5) 带表达式的视图
(6) 分组视图
(7) 一类不易扩充的视图

2. 删除视图：DROP VIEW <视图名> [CASCADE]

3.5.2 查询视图

一、视图实体化法：执行流程
(1)进行有效性检查，检查所查询的视图是否存在。如存在，则从数据字典中取 出视图定义；
(2)执行视图定义，将视图临时实体化，生成临时表；
(3)将查询视图转换为查询临时表；
(4)查询 完毕删除被实体化的视图(临时表)

二、视图消解法：执行流程
(1)进行有效性检查，检查查询的表、视图等是否存在。如果存在，则从数据字典中 取出视图的定义
(2)把视图定义中的子查询与用户的查询结合起来，转换成等价的对基本表的查询；
(3)执行修 正后的查询

3.5.3 更新视图

对有[WITH CHECK OPTION]的视图进行INSERT、UPDATE和DELETE时，系统要自动检查是否符合原定 义视图子查询中的<条件表达式>

3.5.4 视图的作用

一、视图能够简化用户的操作
二、视图使用户能以多种角度看待同一数据
三、视图对重构数据库提供了一定程度的逻辑独立性
四、视图能够对机密数据提供安全保护
五、适当的利用视图可以更清晰地表达查询

第四章 规范化理论

1. 什么叫规范化？
用形式更简洁、结构更规范的关系取代原有关系的过程。

2. 非规范化的关系会导致什么问题？导致问题的原因是什么？如何解决？

• ①数据冗余，更新异常 ②插入、删除异常
• 原因：关系模式不合理
• 解决方法：如果一个关系中，存储了两类以上实体的数据，一般应将其分解为多个关系，使每个关系只有一类实体。

3. 一个关系的属性间，存在几种对应关系？

• 一对一联系
  设X，Y为关系中的属性或属性组，如果对于X中的任一具体值Y中至多有一个值与之对应，称X，Y这两个属性之间是一对一联系。

• 一对多联系
  如果属性值集合X中的任一个具体值，至多与Y中的一个值相对应，而Y中的任一个具体值却可以和X中的多个值相对应，则称两个属性间从X到Y为m:1的联系或从Y到X是1:m的联系。

• 多对多联系
  在X，Y两个属性值集中，如果任一个值都可以至多和另一个属性值集中多个值对应，反之亦然，则称属性X和Y是m：n关系。

4. 掌握概念或定义：数据依赖、函数依赖、部分函数依赖、完全函数依赖、传递依赖

• 数据依赖：现实世界属性间相互联系的抽象，是世界内在的性质，是语义的体现。
  分为：函数依赖（FD），多值依赖（MVD），连接依赖（JD）

• 函数依赖：在关系R中，X、Y为R的两个属性（组），如果对于R的所有关系r，都存在：对于X的每一个具体值，Y都只有一个具体值与之对应，则称属性Y函数依赖于属性X。
  
  
  

• 完全函数依赖：
  在R(U)中，若 X → Y ，并且对于X的任何一个真子集X’，都有 X ′↛Y，则称Y对X完全函数依赖，记作 X → F→ Y。

• 部分函数依赖：
  在R(U)中，若 X → Y，但Y不完全函数依赖于X，则称Y对X部分函数依赖，记作 X → P→ Y 。

• 传递依赖：
  在R(U)中，如果 X → Y ( Y ⊈ X )， Y↛X，Y → Z，Z ⊈ Y ，则称Z对X传递函数依赖，记为 X
  → 传 递→ Z。

5. 码的唯一性与函数依赖的联系和区别？

• 码是由一个或多个属性组成的、可唯一标识元组的最小属性组。
• 与码的唯一性不同，函数依赖的决定因素可能是唯一的，也可能是不唯一的。

6. 何谓 1NF？满足 1NF 的关系模式存在什么问题？

• 如果关系模式R中不包含多值属性，则R满足第一范式，R∈1NF。
• 存在：数据冗余，更新异常，插入删除异常

7. 何谓 2NF？满足 2NF 的关系模式，解决了什么问题？还存在什么问题？

• 若R∈1NF，且每一个非主属性完全函数依赖于R任何一个候选码，则R满足第二范式，R∈2NF。
• 一定程度上解决原1NF数据冗余，更新异常，插入删除异常的问题
• 存在：数据冗余，更新异常

8. 何谓 3NF？满足 3NF 的关系模式，解决了什么问题？还存在什么问题？

• 若R∈2NF，且它的每一个非主属性都不传递依赖于任何候选码，则称R满足第三范式，R ∈3NF。
• 在一定程度上解决原2NF关系中存在的数据冗余、更新异常等问题
• 存在：数据冗余的问题

9. 何谓 BCNF？满足 BCNF 的关系模式，解决了什么问题？还存在什么问题？

• 设关系模式R∈1NF，若 X→Y且Y⊈X时X必含有码，则R∈BCNF。
  换言之，在关系模式R中，如果每一个决定因素都包含候选码，则R∈BCNF。
• 解决：消除了数据冗余、插入和删除异常
• 存在：更新异常