关系型数据库的基本理论

news/2025/10/20 10:25:16/文章来源:https://www.cnblogs.com/Jing61/p/19151937

关系型数据库的基本理论

数据库核心概念

数据库（DB）

数据库是按数据结构存储和管理数据的计算机软件系统，核心作用包括：

存储大量数据，提供便捷的检索与访问能力。
维护数据的一致性与完整性，避免数据冲突或错误。
支持多用户数据共享，同时保障数据安全（如权限控制）。
通过多维度数据组合分析，生成新的有价值信息（如报表统计）。

数据库管理系统（DBMS）

数据库管理系统是专门用于管理数据库的系统软件，是用户与数据库之间的交互桥梁，核心功能如下：

提供数据定义、建立、维护、查询和统计等操作能力。
控制数据完整性（如字段约束）与安全性（如访问权限）。
在关系型数据库中，将二维表数据以“数据文件”形式存储于磁盘，用户通过DBMS与数据文件交互。
建立在操作系统之上，统一管理和处理所有数据库访问请求。

数据库应用系统（Database Application System）

使用数据库技术构建的信息系统，几乎所有信息系统都属于此类，通常由三部分组成：

软件：包括应用程序（如客户端界面）、DBMS等。
数据库：存储业务相关的结构化数据。
数据管理员：负责系统运维与数据管理的专业人员。

数据库管理员（DBA）

负责数据库全生命周期管理的专业角色，核心职责包括：

创建数据库，设计数据结构与存储方案。
监控数据库运行状态，优化性能（如索引调整）。
维护数据安全与备份，处理故障恢复。
确保数据可被有权限的用户高效使用，通常由业务水平高、资历深的人员担任。

数据库管理系统的功能结构

数据定义功能

提供数据定义语言（DDL） 及建库机制，用户可通过DDL语句（如CREATE DATABASE、CREATE TABLE）快速建立数据库与表结构。
支持修改数据结构（如ALTER TABLE），灵活适配业务需求变化。

数据操纵功能

实现数据的插入、修改、删除、查询、统计等存取操作，是数据库的基础功能。
通过数据操纵语言（DML） 实现，常用语句包括INSERT（插入）、UPDATE（修改）、DELETE（删除）、SELECT（查询）。

数据库的建立和维护功能

数据层面：支持数据载入（初始化数据）、转储（备份）、重组织（优化存储）及恢复（故障后数据还原）。
结构层面：允许修改、变更及扩充数据库结构（如新增字段、调整表关联）。

数据库的运行管理功能

并发控制：防止多用户同时操作数据导致的冲突（如脏读、幻读）。
存取控制：基于用户权限管理数据访问范围（如只读、读写权限）。
完整性检查：执行数据完整性约束（如主键唯一、字段非空），确保数据合法。
内部维护：自动完成日志记录、空间回收等后台运维操作。

数据库系统的分类

数据模型是数据库系统的核心与基础，由数据结构、数据操作、完整性约束三部分组成。传统数据库系统按数据模型分为三类，同时包含非关系型数据库等扩展类型：

网状型数据库

基于网状模型设计，是最早出现的网状DBMS。
代表产品：1964年美国通用电气公司开发的ID（Integrated Data Store），是世界上第一个DBMS。

层次型数据库

基于树状层次模型设计，数据间呈父子级关联关系。
代表产品：IBM公司的IMS（Information Management System），自20世纪60年代末诞生以来已发展至IMSV6版本，目前仍在WWW应用连接、商务智能场景中使用；其他产品还包括DB2、Informix。

关系型数据库

建立在关系模型上，核心是满足特定条件的二维表，数据库由二维表及表间联系组成。
二维表核心概念：
- 元组：表中的一行，对应一个实体（如一条学生记录），相当于传统的“记录”。
- 域：表中的一列，对应实体的一个属性（如学生的“学号”“姓名”），相当于传统的“数据项”，也叫“列”或“字段”。
- n元关系：若表包含n个域（列），则每行称为“n元组”，该关系称为“n度（元）关系”。
- 数据存储：表的行列交点存储简单值，满足规范化条件的关系集合构成关系模型。

其他类型

非关系型数据库（NoSQL）：不依赖传统关系模型，适用于非结构化/半结构化数据存储（如文档、键值对），代表产品有MongoDB、Redis。
对象数据库（ODBMS）：将数据以对象形式存储，适配面向对象编程场景。

关系型数据库的组成（二维表规范）

一个关系表需满足以下6个条件，才能成为关系模型的有效组成部分：

原子性：每个单元（行列交点）仅存储一条原子数据，不可再分（即“信息原则”）。
数据类型一致性：同一列（域）的所有数据必须属于相同数据类型（如“年龄”列全为整数）。
行唯一性：表中每行（元组）均唯一，无完全重复的记录。
列无顺序：列的排列顺序不影响数据逻辑，可根据需求调整。
行无顺序：行的排列顺序不影响数据逻辑，查询时可通过排序语句指定顺序。
列名唯一性：每列需有唯一的名称（字段名），避免混淆。

关系型数据库的E-R模型

E-R模型（实体-关系模型）是关系型数据库的核心逻辑设计工具，通过图形化方式将现实世界的“实体”与“实体间联系”转化为逻辑模型，为数据库表结构设计提供依据。

E-R模型的核心组成

E-R模型主要由实体（方形）、属性（椭圆）、联系（菱形） 三部分构成，三者通过连接线关联，具体定义如下：

实体和属性

实体
- 定义：客观存在且可相互区分的事物，如“教师”“学生”“雇员”。
- 实体集：具有相同属性的实体集合（如“学生实体集”包含所有学生）；实体是实体集中的单个实例（如“王大锤”是“学生实体集”的一个实例）。
属性
- 定义：描述实体特征的信息，如学生的“学号”“姓名”“性别”“班级”。
- 主键属性：可唯一标识实体的属性（如“学号”可唯一区分每个学生），是后续表结构设计中“主键”的来源。

联系

实体间的关联关系需在E-R模型中明确表示，用“菱形”符号标注联系名，通过连接线关联相关实体，并标注联系类型。两个实体间的联系分为三类：

联系类型	定义	标记	示例
一对一	实体集A中的每个实体，在实体集B中最多有一个实体与之关联；反之亦然	1:1	“学生”与“学生证”（一个学生对应一个学生证，一个学生证对应一个学生）
一对多	实体集A中的每个实体，在实体集B中有多个实体与之关联；实体集B中的每个实体，在实体集A中最多有一个实体与之关联	1:n	“班级”与“学生”（一个班级包含多个学生，一个学生仅属于一个班级）
多对多	实体集A中的每个实体，在实体集B中有多个实体与之关联；反之，实体集B中的每个实体，在实体集A中也有多个实体与之关联	m:n	“学生”与“课程”（一个学生可选多门课程，一门课程可被多个学生选择）

实例

关系型数据库的设计范式

设计关系型数据库时，需通过“规范化”过程优化表结构，目标是最小化数据冗余的同时保持数据完整性，避免出现更新异常、插入异常、删除异常。规范化需遵循“范式法则”，从低到高分为1NF、2NF、3NF、4NF、5NF、6NF、BCNF等，关系型数据库需满足1NF，通常优化至3NF即可满足大部分业务需求。

第一范式（1NF）：属性不可再分

核心要求

满足1NF的表，其所有属性（列）必须是“原子性”的，即字段不可再拆分为更小的子字段。

示例对比

未满足1NF的表（“代课时间”可拆分）	满足1NF的表（“代课时间”拆分为“开始时间”“结束时间”）
讲师	性别
李老师	Male
李老师	Male
陈老师	male

说明

未满足1NF的表中，“代课时间”字段包含“开始”和“结束”两个子信息，查询时需拆分处理（如提取开始时间），易出错；拆分后每个字段仅存储单一信息，符合原子性要求。

第二范式（2NF）：消除部分函数依赖

核心要求

首先满足1NF。
表中的每条记录需被唯一区分，通常通过“主键”（单一字段或复合字段）实现。
所有非主属性需“完全依赖”于主键，而非“部分依赖”（即非主属性不能仅依赖主键的某一部分）。

示例分析（员工工资信息表）

未满足2NF的设计

复合主键：（员工编码，岗位）
字段依赖关系：（员工编码，岗位）→（姓名、年龄、学历、基本工资、绩效工资、奖金）
问题：存在“部分依赖”：
- （员工编码）→（姓名、年龄、学历）：非主属性“姓名”“年龄”“学历”仅依赖主键中的“员工编码”，与“岗位”无关。
- （岗位）→（基本工资）：非主属性“基本工资”仅依赖主键中的“岗位”，与“员工编码”无关。