关系数据库¶

DBMS¶

数据库（DB）是长期储存在计算机中，有组织、可共享的大量数据的集合。

数据库管理系统（DBMS）是管理数据库的软件，位于用户和操作系统之间，旨在科学高效地维护、获取、组织数据。

DBMS的功能¶

DBMS主要有以下功能：

1. 数据定义：
   • 提供数据定义语言（DDL）
   • 定义数据库中的数据对象
2. 数据操纵：
   • 提供数据操纵语言（DML）
   • 实现对数据库的增删改查
3. 数据库的建立和维护
4. 其他功能
   • 和其他软件系统的通信
   • 数据转换

SQL和NoSQL¶

主流的DBMS有：

• MySQL（开源）
• PostgreSQL（开源）
• SQL Server（微软）
• Oracle（甲骨文）
• DB2（IBM）
• SQLite（轻量化）

当然以上都是SQL数据库，也就是我们主要介绍的关系数据库。也存在一些NoSQL数据库，使用非关系型的数据存储：

• Redis（键值数据库）
• DynamoDB（键值数据库）
• MongoDB（文档数据库）
• Couchbase（文档数据库）
• Apache Cassandra（列族数据库）
• Neo4J（图数据库）
• Milvus（向量数据库）

当然，NoSQL = Not Only SQL，这些数据库也都支持一定程度的SQL查询。

数据模型¶

数据模型描述了数据库的组成对象以及对象之间的联系。常见的数据模型有：

• 层次模型 (Hierarchical Model)
• 网状模型 (Network Model)
• 关系模型 (Relational Model)
• 面向对象模型 (Object-Oriented Model)
• 文档模型 (Document Model)
• 图模型 (Graph Model)
• 列族模型 (Column-Family Model)
• 键值模型 (Key-Value Model)

实际上前面介绍的SQL数据库和NoSQL数据库都是基于这些数据模型设计的。

关系模型¶

我们主要关注关系模型（1970年IBM公司提出），它将数据存储在表格中，每个表格由行和列组成。每一行表示一个记录，每一列表示记录的属性。通过键（如主键、外键）来建立表之间的关系。

• 应用：广泛应用于数据库管理系统（如 MySQL、PostgreSQL、Oracle等），特别适用于结构化数据。
• 优点：简单易懂，支持复杂的查询和数据操作。
• 缺点：对于非常复杂的数据结构或大规模数据，性能可能不如其他模型。

关系模型的数据结构包含以下内容：

• 关系：关系对应着一张二维表
• 关系模式：对关系的描述，表头
• 元组：表中的一行
• 属性：表中的一列
• 主码：唯一确定一行
• 域：属性的取值范围
• 分量：元组中的一个属性值

关系可以分为三类：

• 基本表：实际存在的表，是实际存储文件（内模式）的逻辑表示（模式）。
• 视图表：由基本表导出的逻辑表（外模式），不实际存在。
• 查询表：从视图和基本表派生的查询结果。

关系完整性¶

关系需要满足三类完整性约束：

1. 实体完整性：
   • 实体完整性约束确保关系中的每个元组（行）都有唯一的标识符，即主键（Primary Key）。每个表的主键必须是唯一的，且不能为空（NULL）。
2. 参照完整性：
   • 参照完整性约束确保表与表之间的外键关系是有效的，即外键值必须指向另一个表中的有效记录。外键是一种指向其他表主键的字段，用来建立表与表之间的关联。
3. 用户定义的完整性（域完整性）：
   • 域完整性约束保证每个字段的值都属于某个预定义的合法值范围（即域）。这些值必须符合数据类型、长度、格式等约定。

不同关系之间可能存在对应关系：

1. 一对一关系
   • 一对一关系可以通过引入外键来实现，只需要把其中一个表的主键引入为外键即可。
2. 一对多关系
   • 一对多的关系同样可以通过引入外键来实现，只需要在“多”的那个表中引入“一”的主键作为外键即可。
   • 例如，每个学生都属于唯一一个班级，但是一个班级有多个学生。只需要在学生的表中加入班级号作为外键即可。
3. 多对多关系
   • 多对多关系需要引入中间表才能实现。通过两个一对多关系就可以实现多对多啦。
   • 例如，每个老师都可能教学多个班级，每个班级也可能有多个老师。这时候只需要一个老师-班级中间表（类似笛卡尔积）记录对应关系即可实现多对多。

关系代数¶

关系的操作（其实就是对表的操作）分为两类：

• 数据查询
• 数据更新：插入、删除、修改

插入、删除、修改比较简单。

而数据查询较为复杂，可以用关系代数来描述。关系代数是一种抽象的查询语言，它用关系的运算来表达查询。它包含下列运算符：

具体来说：

1. 选择 (Selection, σ)

   • 作用：从关系中选择满足某些条件的元组（行）。
   • 语法：σ_condition(R)
   • 示例：σ(年龄 > 20)(员工) 表示选择所有年龄大于20的员工。

2. 投影 (Projection, π)

   • 作用：从关系中选择特定的属性（列），即去除不需要的列。
   • 语法：π_attribute1, attribute2, ... (R)
   • 示例：π(姓名, 年龄)(员工) 表示只选择员工表中的姓名和年龄列。

3. 连接 (Join, ⨝)

   • 作用：连接两个关系，基于一个共同的属性。常见的连接包括内连接、外连接等。
   • 语法：R1 ⨝_condition R2
   • 示例：员工 ⨝ 部门 表示通过匹配员工表和部门表中的共同属性（如部门ID）来连接两个表。

4. 除法 (Division, ÷)

   • 作用：返回在一个关系中存在，且在另一个关系中全部存在的元组。
   • 语法：R1 ÷ R2
   • 示例：项目 ÷ 员工 表示列出参与了所有项目的员工。

5. 重命名 (Renaming, ρ)

   • 作用：为关系或属性命名，通常用于简化查询。
   • 语法：ρ(new_name, R)
   • 示例：ρ(新员工, 员工) 表示将员工表重命名为“新员工”。

6. 并 (Union, ∪)

   • 作用：将两个关系的所有元组合并，去掉重复的元组。两个关系必须有相同的属性。
   • 语法：R1 ∪ R2
   • 示例：员工 ∪ 合作伙伴 表示合并员工表和合作伙伴表中的所有记录。

7. 交 (Intersection, ∩)

   • 作用：只留下重复的元组。两个关系必须有相同的属性。
   • 语法：R1 ∩ R2
   • 示例：员工 ∩ 合作伙伴 表示即在员工中又在合作伙伴中的元组。

8. 差 (Difference, −)

   • 作用：返回一个关系中有但另一个关系中没有的元组。两个关系必须有相同的属性。
   • 语法：R1 − R2
   • 示例：员工 − 合作伙伴 表示列出在员工表中但不在合作伙伴表中的记录。

9. 笛卡尔积 (Cartesian Product, ×)

   • 作用：将两个关系的所有元组进行组合，生成一个新的关系。返回的关系的元组数为两个关系元组数的乘积。
   • 语法：R1 × R2
   • 示例：员工 × 部门 表示生成员工和部门表的笛卡尔积。

关系数据理论¶

规范化¶

数据依赖公理系统¶

模式分解¶

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¶

TBC: 关系数据库理论