第6章 数据库设计基础知识

6.1 数据库基本概念

核心概念

• 数据库系统（DBS）：由数据库（DB）、数据库管理系统（DBMS）、数据库管理员（DBA）、应用程序与用户、数据五部分组成。
• 三级模式结构：
  • 外模式（用户模式/子模式）：用户看到的数据视图，多个
  • 概念模式（逻辑模式）：全局逻辑结构，唯一
  • 内模式（存储模式）：物理存储结构，唯一
• 两级映像：
  • 外模式-概念模式映像 →逻辑独立性
  • 概念模式-内模式映像 →物理独立性

关键原理

• 数据模型三要素：数据结构、数据操作、数据约束条件。
• 逻辑独立性：概念模式改变时，外模式可以不变。
• 物理独立性：存储结构改变时，概念模式可以不变。

典型技术/模型

• 关系模型、层次模型、网状模型、面向对象模型

考试常见形式

• 选择：三级模式层级判断、映像与独立性对应、模式数量判断
• 案例：可能要求分析数据独立性在系统演化中的价值
• 论文：数据架构设计、数据库选型章节中可引用

高频考点与易错点

理解与记忆方法

口诀：

外概逻辑、概内物理

图示建议：
用户A 用户B
↓ ↓
外模式1 外模式2（多个）
↓_________↓
↓ 逻辑独立
概念模式（1个）
↓ 物理独立
内模式（1个）

6.2 关系数据库

核心概念

• 基本术语：

  术语	含义
  属性	列
  域	属性取值范围
  元组	行/记录
  目/度	属性个数
  候选码	唯一标识元组的属性组
  主码	选定的候选码
  外码	引用其他关系的主码
  主属性	包含在任一候选码中的属性
  全码	全部属性构成候选码

• 完整性约束：

  • 实体完整性：主键非空且唯一
  • 参照完整性：外键要么为空，要么引用已存在的主键值
  • 用户定义完整性：业务规则（如年龄>0）

• 关系代数：

  运算	符号	SQL类比
  选择	σ	WHERE
  投影	π	SELECT指定列
  自然连接	⋈	JOIN（自动匹配同名属性）
  并	∪	UNION
  差	-	EXCEPT
  笛卡尔积	×	CROSS JOIN

关键原理

• 自然连接 vs 等值连接：
  • 自然连接：自动匹配同名属性列，结果中去掉重复列
  • 等值连接：需指定连接条件，不自动去重

典型技术/模型

• 关系模型、关系代数查询优化

考试常见形式

• 选择：关系代数表达式结果判断、术语定义匹配、外键约束判断
• 案例：结合SQL语句或代数表达式分析查询逻辑

高频考点与易错点

理解与记忆方法

口诀：

σ行π列，自然连接去重列

对比记忆：

6.3 关系数据库设计理论

核心概念——范式（NF）

关键原理

• 部分依赖：复合主键的一部分就能决定某个非主属性
  • 例：(学号, 课程号) → 姓名（学号单独决定姓名）
• 传递依赖：非主属性通过另一个非主属性依赖主键
  • 例：学号 → 系名 → 系主任
• 模式分解原则：
  • 无损连接性：分解后能通过连接恢复原关系
  • 保持函数依赖：分解后不丢失原有的函数依赖

典型技术/模型

• 函数依赖图分析
• 模式分解算法（3NF分解、BCNF分解）

考试常见形式

• 选择：给定函数依赖，判断最高范式等级
• 案例：模式分解、识别插入/删除/更新异常、提出规范化方案
• 论文：数据架构设计中的数据库建模合理性

高频考点与易错点

理解与记忆方法

口诀：

1NF拆字段，2NF消部分，3NF消传递，BCNF主属性也消除

图示建议：
部分依赖： (学号,课程号) → 姓名
↑
学号 --------→ 姓名

传递依赖： 学号 → 系名 → 系主任
└───────→ 系主任（间接）

6.4 数据库设计步骤

核心概念——六个阶段

关键原理

• E-R图转关系模式规则（必背）：

  联系类型	转换方式
  1:1	并入任一端，或单独建表
  1:N	将1的主键并入N端作为外键
  M:N	单独建表，两端主键组成联合主键

• 合并E-R图冲突类型：

  • 属性冲突（类型/取值范围不一致）
  • 命名冲突（同名异义/异名同义）
  • 结构冲突（同一实体在不同局部图中属性不同）

• 重组 vs 重构：

  • 重组：优化物理存储（整理碎片、重分区），不改变逻辑结构
  • 重构：修改逻辑结构（加列、拆表），可能影响应用程序

典型技术/模型

• E-R图建模工具
• 范式规范化（3NF/BCNF）
• 索引策略（B+树/哈希/位图）
• 数据分区（范围/列表/哈希）

考试常见形式

• 选择：阶段任务归属判断、产出物匹配、冲突类型识别
• 案例：E-R图绘制与修正、E-R图转关系模式、规范化问题分析
• 论文：数据库设计全过程、大型系统数据架构优化

高频考点与易错点

理解与记忆方法

口诀：

需概逻实维
需求(DFD)→概念(E-R图)→逻辑(关系模式)→实施(建表)→维护(重组/重构)

对比记忆：

6.5 数据库控制与高级技术

核心概念

• 事务ACID特性：

  特性	含义	实现机制
  原子性	全部执行或全部不执行	UNDO日志
  一致性	事务执行前后数据保持一致	完整性约束 + 事务逻辑
  隔离性	并发事务互不干扰	锁机制 / MVCC
  持久性	提交后的修改永久生效	REDO日志

• 并发控制问题：

  • 丢失修改
  • 不可重复读
  • 读脏数据
  • 幻读

• NoSQL四大类型：

  类型	代表产品	适用场景
  键值存储	Redis	缓存、会话管理
  文档型	MongoDB	半结构化数据、敏捷开发
  列族存储	HBase	大数据、高写入吞吐
  图数据库	Neo4j	社交网络、关系分析

关键原理

• 两段锁协议（2PL）：

  • 扩展阶段：只能加锁，不能解锁
  • 收缩阶段：只能解锁，不能加锁
  • 保证事务的可串行化

• 封锁粒度：行锁、页锁、表锁（粒度越细，并发越高，开销越大）

典型技术/模型

• X锁（排他锁）/ S锁（共享锁）
• MVCC（多版本并发控制，如MySQL InnoDB）
• 乐观锁（版本号/CAS） vs 悲观锁（传统封锁）
• 数据库备份：全量备份、增量备份、差异备份

考试常见形式

• 选择：ACID特性与日志对应、NoSQL类型匹配、并发问题类型判断
• 案例：死锁分析、隔离级别与性能权衡、NoSQL选型依据
• 论文：高并发系统数据层设计、分布式数据库选型

高频考点与易错点

理解与记忆方法

口诀：

原子撤（UNDO），持久重（REDO），隔离锁，一致约束

对比记忆（隔离级别）：

图示建议（事务并发问题）：

时间 →
T1: 读A=10 → 写A=20 → 提交
T2: 读A=10（脏读？） → 读A=20

总结：全章考点速查表

备考建议：本章案例分析几乎必考一道范式或E-R图设计题，建议动手练习近5年真题中的相关题目，熟悉从函数依赖识别到模式分解的完整解题流程。