数据库技术

  • 数据库及有关概念
  • 数据模型
  • 关系数据库
  • 关系代数
  • SQL查询等语句
  • SQL中增删改查数据
  • 设计数据库

数据库及有关概念

  • 数据库所经历阶段
  • 数据库特点
  • 内部体系
  • 外部体系
  • 三个世界
  • 实体型之间联系

人工管理阶段

  1. 主要用于计算，没有磁盘之类的直接存储设别。
  2. 数据不保存，计算完成即释放。
  3. 没有专门管理数据的软件。
  4. 数据不能共享，数据面向程序。
  5. 数据不具有独立性。依赖于应用程序

文件系统阶段

  1. 用于科学计算和信息管理。
  2. 有磁盘，磁鼓等直接存储设备。
  3. 出现文件系统：专门管理数据的软件
  4. 反复利用，增删改查。
  5. 有一定的共享性
  6. 但仍然是面向应用的，文件之间相互独立。缺乏联系

数据库系统阶段

  1. 出现大容量、存储快速的磁盘。
  2. 实现了数据结构化，面向全组织的所有应用
  3. 共享性高、冗余度低：一组数据集合可以为多个应用和多个用户使用
  4. DBNS：数据库管理系统来实现各个应用程序对数据库中的数据共享
  5. 独立性高。

下面重点介绍数据库系统阶段。

数据库系统的特点

  • 数据库结构
  • 数据独立性
  • 安全性控制
  • 完整性控制
  • 并发控制

数据库结构

  1. 数据库结构是指：用户的逻辑结构、数据库逻辑结构和物理结构。

数据独立性

  1. 数据独立性指：物理独立性和逻辑独立性。
  2. 独立性都是指当改变了物理结构和逻辑结构后，用户的逻辑结构和应用程序不用改变。
  3. 物理：存储结构，存取方式，外部的设备。
  4. 逻辑：数据库的逻辑结构（数据类型，数据关系）

安全性控制

合法用户只能操纵有权限的数据。

完整性控制

设置额完整性的约束条件

并发控制

防止相互干扰数据库收到的损害

数据库系统（DBS）

利用计算机对数据库中的数据进行管理

组成：计算机硬件、数据库、软件系统（操作系统，应用程序开发系统、数据库应用系统等）、DBMS（数据库管理系统）、数据库用户。

  • 数据库：将数据组成数据库形式对其进行存储、管理、处理和维护数据的高性能的信息处理系统。

  • 数据库用户：对数据库进行存储、维护和检索操作

    • 非计算机专业用户：利用接口实现
    • 应用程序员：设计和编译应用，实现调试安装
    • 数据库管理员（DBA）：设计、简历、管理和维护数据库

  • 软件：操作系统、数据库管理系统、应用开发工具、数据库应用系统。

    • DBMS（数据库管理系统）：

      • 定义：提供定义语言。定义数据的模式、外模式、内模式三级模式结构。

        定义模式/内模式和外模式/模式二级映像

        定义相关约束

      • 操纵：增删改查

      • 管理：安全性、完整性、并发性、数据库恢复

      • 等等

内部体系（三级模式结构）

应用<->外模式<->外模式/模式映像<->模式<->模式/内模式映像<->内模式<->数据库

  • 模式：概念模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库的整体逻辑（概念视图、概念数据库）
  • 外模式：子模式或用户模式，处于最外层，用户能看到并允许使用的一部分局部数据的逻辑结构和特征描述。（用户视图、用户数据库）
    • 外模式是模式的子集，可以有多个，一个外模式可以为多个应用程序使用。
  • 内模式：存储模式或物理模式。对整个数据库存储结构的描述，内部的表述方式（物理数据库、物理视图）
    • 一个数据库只有一个内模式

总结三种模式：用户根据外模式进行操作，通过映射与概念级数据库联系起来，又通过映射与物理级数据库联系到一起。

  • 二级映像：DBMS在三级模式之间提供了二级映像功能，实现了数据的逻辑独立性与物理独立性

外部体系结构

  • 单用户结构
  • 主从式结构
  • 分布式结构
  • 客户/服务器结构、
  • 浏览器/服务器结构
  1. 单用户结构：桌面型数据库系统：适合未联网用户、个人用户
  2. 主从式结构：大型主机带多终端的用户结构系统，又称主机/终端模式（过于依赖主机）

三个世界

  • 现实世界
  • 信息世界
  • 计算机世界

图示表示更加清晰

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  • 实体：客观存在并且可以相互区分。
  • 属性：实体所具有的某一特征（具有属性名和特征值）
  • 实体型：具有相同属性的实体必然具有相同的特征
    • 表示方法：实体名（属性，属性）
      • eg：学生（学号，姓名）
  • 实体集：同型实体的集合称为实体集（所有的组成就是实体集）
    • eg：所有学生
  • 码：能够唯一标识一个实体的属性或者属性集的称为实体码
  • 域：某一属性的取值范围称为这个属性的域

实体型之间的联系

两个实体型之间的联系就是指不同实体集之间的联系

  • 一对一联系：实体集A中的一个实体至多和实体集B中的一个联系，反之亦然
  • 一对多联系：实体集A中的一个实体可以和n个B中的联系，记为1：n，反过来，实体集B中的一个实体至多和实体集A中的一个实体联系。
  • 多对多联系：实体集A中的一个实体可以和n个B中的联系，反过来，实体集B中的一个实体可以和实体集A中的m个实体联系 记为m：n

计算机世界所存储的数据模型

  • 字段：标记实体属性的命名单位为字段，字段往往就是属性
  • 记录：一个记录描述一个实体
  • 文件：同一类记录的集合就是文件（实体集）
  • 关键字：能唯一标识每一个字段或者字段集的就是关键字

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  • 数据模型：用来描述数据、数据联系、数据的语义和完整性约束的概念集合，由数据结构、数据操作、完整性约束三要素组成
  • 数据结构：①描述数据库组成的对象有哪些②描述对象之间联系
    • 层次结构->层次数据库
    • 网状结构->网状数据库
    • 关系结构->关系数据库（二维表表示）
  • 数据操作：动态特性，①查询类操作②更新操作（插入、删除、修改）
  • 完整性约束：数据及其联系制约及其依存的规则，保证数据的正确、有效、相容

（关系模型的数据操作是集合操作，对象和结果都是关系。操作接口简单）

关系数据库

关系数据库的码

  • 候选码：能够唯一标识关系中元组的一个属性和属性集（唯一性，最小性

    • eg：学生关系中，学号是候选码。
    • 选课关系中，学号+课程号(属性集)是候选码

  • 主码：从候选键中选择一个作为查询、插入、删除元组的变量

    被称为主关系码(唯一的

    • eg：学生关系中以学号作为数据操作的依据

  • 外码：一个关系的的一个或者一组属性不是该关系的主码，但是另一个关系的主码。称为这个关系的外码，并称这个关系是参照关系。另一个关系为被参照关系

  • 超码：包含候选码的属性集合

关系完整性

  • 实体完整性
    • 实体对于的是元组，元组的主码对应的是属性。
  • 参照完整性
  • 用户自定义完整性

关系代数

  • 抽象的查询语言
  • 运算对象与运算结果都是关系
  • 关系代数运算符

关系演算

SQL查询语言

  • 基本表

一个关系对于一个基本表，一个或者多个基本表对应一个存储文件

  • 视图

一个和几个基本表中导入的表，是一个虚表，没有存储数据，只有定义。

  • 支持三级模式结构

外模式对应基本表与视图

模式对应基本表

内模式对应存储文件

  • 面向集合语言、一体化语言、非过程化语言
  • 数据库的结构
    • 从逻辑上来看：描述信息的数据存放在数据库中并存在数据库中由DBMS统一管理
    • 从物理上看：描述信息的数据以文件的方式存储在物理磁盘上，由操作系统进行统一管理
    • 数据文件（主要一个文件后缀.mdf,次要数据文件.ndf）、事务日志文件(.ldf)
  • 创建数据库：
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CREATE DATABASE 数据库名
ON
(NAME = 数据逻辑文件名,
 FILENAME = 'E:\具体盘符 \ .mdf文件',
 SIZE = 初始大小,
 MAXSIZE = 最大容量值,
 FILEGROWTH = 10 //增长方式
)
LOG ON
(
    ...与上述类似
)
  • 修改数据库

一、对象资源管理器中右键单击要修改的数据库，点击属性，在选项卡中进行修改

二、利用sql进行修改

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ALTER DATABASE 数据库名
MODIFY FILE  //修改
(NAME = 数据逻辑文件名,
FILEGROWTH = 20//具体修改项
)

例子：利用SQL命令修改数据库Teath,添加一个次要数据文件，逻辑名称为Teach_Datanew, 存放在E盘根目录下，文件名为Teach_Datanew.ndf。数据文件的初始大小为100MB,最大容量为200MB，文件自动增长容量为10MB

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ALTER DATABASE Teach
ADD FILE(
    NAME = TEACH_Datanew,
    FILENAME = 'E:\Teach_Datanew.ndf'
    SIZE = 100,
    MAXSIZE = 200,
    FILEGROWTH = 10
)

删除次要文件：

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ALTER DATABASE Teach
REMOVE FILE Teach_Datanew
  • 删除数据库

一、对象资源管理器中右键单击要删除的数据库，选择删除

二、sql命令

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DROP DATABASE 数据库名称
  • 查看数据库信息

一、 对象资源管理器中，选中数据库，右击属性查看

二、 sql命令

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Sp_helpdb[[@dbname=]'name']//显示数据库的结构
Sp_helpfile[[@filename]'name']//现实数据库文件信息
  • 迁移数据库

一、

  1. 分离数据库

在对象资源管理器中，选择要迁移的数据库节点，单击鼠标右键，在快捷菜单中选择“任务”，在之后的菜单中选择“分离”会弹出分离数据库的属性对话框

  1. 加载数据库

在对象资源管理器中选择“数据库”节点，单击鼠标右键，在快捷菜单中选择“附加”，会弹出“附加数据库”属性对框框（选择mdf文件）

二、 生成脚本

在对象资源管理器中，选择要操作的数据库节点，单击鼠标右键，在快捷菜单中选择“任务”，在出现的菜单中选择“生成脚本”，弹出“生成和发布脚本”窗口

创建和使用数据表

  • 创建数据表

一、 右键单击“对象资源管理器”中的“数据库”节点下的“表”节点，从快捷菜单中选择“新建表”命令，会弹出定义数据表结构对话框，每一行用于定义数据表的一个字段，包括字段名，数据类型，字长，字段是否为null以及默认值

二、利用sql

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CREATE TABLE 表名
(	字段名称 数据类型,
    字段名称 数据类型 DEFAULT '缺省值',
)

  • 数据表的约束

    • 表约束

      • 与列约束相互独立，不包括列定义，通常用于多个列一起进行约束，与列定义用“，”分隔，定义表约束时必须指出要约束的列的名称

    • 列约束

      • 对于特定列的约束，包含在定义中，直接跟在改列的定义中，用空格分隔，不必指明列

    • 约束类型：

      • NULL/NOT NULL

        • 表示没有数据，不确定的意思

          主键列不允许出现空值

      • UNIQUE

        • 指明基本表在某一列或者多个列的组合上的取值必须唯一 在建立UNIQUE约束的时候，需要考虑一下几个因素：
          1. 使用UNIQUE约束的字段允许为NULL
          2. 一个表中可以允许有多个UNIQUE约束
          3. UNIQUE约束用于强制在指定字段上创建一个UNIQUE索引，缺省为非聚集索引
        • eg：设置一个S表，定义SN为唯一键
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        CREATE TABLE S
        (SNo VARCHAR(6),
         SN NVARCHAR(10) CONSTRAINT（可省） SN_UNIQ UNIQUE,
         Sex NCHAR(1),
         Age INT,
         Dept NVARCHAR(20)
        )

        对上述S表定义SN+Sex为唯一键，此约束为表约束

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        CREATE TABLE S
        (SNo VARCHAR(6),
         SN NVARCHAR(10) CONSTRAINT（可省） SN_UNIQ UNIQUE,
         Sex NCHAR(1),
         Age INT,
         Dept NVARCHAR(20),
         CONSTRAINT S_UNIQ UNIQUE(SN,Sex)
        )

        表约束是单独一行

      • PRIMARY KEY

        • 起唯一标识作用的约束，不能重复，不能为NULL
        • 在一个基本表中只能定义一个主键，大师可以定义多个UNIQUE约束
        • 对于指定为PRIMARY KEY的一个列或多个列的组合，其中任何一个列都不能出现NULL值，对于UNIQUE所约束的唯一键，则允许为NULL
        • 不能同一列或者一组列，既定义UNIQUE约束，又定义PRIMARY KEY约束
        • eg：定义一个数据表C，定义CNo为C的主键
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        CREATE TABLE C
        ( CNo VARCHAR(6) CONSTRAINT C_Prim PRIMARY KEY,
          CN NVARCHAR(20),
          CT INT
        )

        定义SNo+CNo为SC的主键

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        CREATE TABLE SC
        ( SNo VARCHAR(6) NOT NULL,
          CNo VARCHAR(6) NOT NULL,
          Score NUMERIC(4,1),
          CONSTRAINT SC_Prim PRIMARY KEY(SNo,CNo)
        )

      • CHECK

        • 用来检查字段值所允许的范围。在建立CHECK约束时，需要考虑以下的几个因素
        • 一个表可以定义多个CHECK约束
        • 每个字段只能定义一个CHECK约束
        • 在多个字段定的CHECK约束必须为表约束
        • 在执行INSERT、UNDATE、语句时，CHECK约束将验证数据
        • eg：建立一个SC表，定义Score的取值范围为0~100之间。
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        CREATE TABLE SC
        ( SNo VARCHAR(6),
          CNo VARCHAR(6),
          Score NUMERIC(4,1) CONSTRAINT Score_Chk CHECK(Score>=0 AND Score<=100) 
        )

      • FOREIGN KEY

        • 设计两个表：主表，从表

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      • 外键约束在从表中实现

      eg：

      建立一个SC表，定义SNo，CNo为SC的外部键

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      CREATE TABLE SC
      (
        SNo VARCHAR NOT NULL CONSTRAINT S_Fore FOREIGN KEY REFERRENCES S(SNo),
        CNo VARCHAR(6) NOT NULL CONSTRAINT C_Fore FOREIGN KEY REFERENCES C(CNo),
        Soure NUMERIC(4,1),
        CONSTRAINT S_C_Prim PRIMARY KEY(SNo,CNo)
      )

  • 修改数据表

一、在对象资源管理器中展开数据库节点，右键单击要修改的数据库，从快捷菜单中选择“设计”命令，则会弹出修改数据表结构对话框。可以在此对话框中修改列的数据类型、名称等属性，添加或删除列，也可以指定表的主关键词约束

二、sql命令

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ALTER TABLE 表名
ADD
列名 数据结构,
···

使用ALTER命令修改添加数据表，自动填充为NULL值，不能为新增列提供NOT NULL约束

添加完整性约束

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ALTER TABLE 表名
ADD
CONSTRAINT 约束名 CHECK(列名 BETWEEN 0 AND 100)

对已有列进行修改,对SN加宽到12个字符

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ALTER TABLE 表名
ALTER COLUMN
SN NVARCHAR(12)

这种情况下

  • 不能改变列名
  • 不能将含有空值的列定义为NOT NULL约束
  • 若列表中已有数据，则不能减少该列的宽度，也不能改变其数据类型
  • 只能修改NULL/NOT NULL约束，其他类型的约束在修改之前必须将约束删除，然后再重新添加修改过的约束定义

删除S表中的主键

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ALTER TABLE S
DPOP CONSTRAINT S_Prim

删除数据表时，必须要先删除表中的约束依赖，才能删除

查看数据表：

  • 查看数据表的属性
  • 查看数据表数据

重点介绍sql语言查询

无条件查询：相当于只对关系表进行投影操作

eg：查询全体学生的学号、姓名、年龄段

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SELECT SNo,SN,Age
FROM S

查询学生的全部信息

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SELECT *
FROM S

加AS可以选别名，显示别名而不显示原字段

条件查询：多了WHERE字句

0查询选修课程号为“C1”的学生的学号和成绩(比较大小查询)

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SELECT SNo,Score
FROM SC 
WHERE CNo="C1"

多重条件查询：

利用NOT AND OR来进行查询

查询选修C1或者C2且分数大于等于85分学生的学号、课程号和成绩

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SELECT SNo,Score,CNo
FROM SC
WHERE(CNo='C1' OR CNo='C2')AND(Score>=85)

可以使用BETWEEN…AND和NOT BETWEEN….AND

查询工资不在1000元-1500元间教师的教师编号、姓名、职称

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SELECT TNo,TN,Prof
FROM T
WHERE Sal NOT BETWEEN 1000 AND 1500

模糊查询:

eg：查询所有姓张的教师的教师号和姓名

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SELECT TNo,TN
FROM T
WHERE TN LIKE '张%'

查询姓名中第二个汉字是“力”的教师号和姓名

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SELECT TNo,TN
FROM T
WHERE TN LIKE '_力%'

空值查询：

  • 空值不等同0和空格，不占任何存储空间
  • 某个字段没有值称之为具有空值

eg:查询没有考试成绩的学生的学号及对应的课程号

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SELECT SNo,CNo
FROM SC
WHERE Score IS NULL

可以借助库函数进行一些统计类的查询

eg:求学号为S1的学生的总分和平均分

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SELECT SUM(Score) AS TotalScore,AVG(Score) AS AvgScore 
FROM SC
WHERE(SNo='S1')

多关系表查询：

连接查询：通过各个表中的共同字段来进行查询（连接字段）

内连接查询：

FROM后接来自不同的表

WHERE后接连接条件（共同字段相等）

例如：查询所有选课学生的学号、姓名、选课名称及成绩

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SELECT S.SNo,SN,CN,Score
FROM S,C,SC
WHERE S.SNo=SC.SNo AND SC.CNo=C.CNo

外连接查询：符合连接条件的数据将直接返回到结果集中，不符合连接条件的列，将会被填上NULL值后再返回到结果集。

左外连接：主表在左边称为左外连接

右外连接：主表在右边称为右外连接

例子：查询所有学生的学号、姓名、选课名称及成绩（没有选课的同学的选课信息为空）

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SELECT S.SNO,SN,CN,Score
FROM S
LEFT OUTER JOIN SC
ON S.SNo=SC.SNo
LEFT OUTER JOIN C
ON C.CNo=S.CNo

交叉连接：任何表都可以交叉连接

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SELECT * 
FROM S CROSS JOIN C

查询结果就是取和

子查询：

例子：查询与“刘伟”老师职称相同的教师号、姓名（返回一个值的普通子查询）

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SELECT TNo,TN
FROM T
WHERE Prof =(SELECT Prof
            FROM T
            WHERE TN='刘伟'
)

例子：查询讲授课程号为C5的教师姓名（返回一组值）

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SELECT TN
FROM T
WHERE (TNo = ANY(SELECT TNo
                 FROM TC		
                WHERE CNo='C5'		))

普通子查询的顺序是：先执行子查询，利用返回结果再执行父查询

相关子查询查询顺序是：先查询父查询的第一行记录，内部的子查询利用此行中相关的属性值进行查询

父查询根据子查询返回的结果判断是否满足查询的条件。如果满足条件，则把该行放入父查询的查询结果中。

重复以上过程，直至重复完父查询行数

使用exists作为关键字

例：用含有EXISTS的语句查询讲授课程号为C5的教师姓名

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SELECT TN 	
FROM T
WHERE EXISTS(SELECT* 
                FROM TC
                WHERE TNo=T.TNo AND CNo = 'C5'
                )

分析：子查询的表来自于父查询

如果在TC表中的教师讲授课程号为’C5’的教师姓名不为空，那么就将T表中的这个查询取出来。

例：查询没有讲授课程号为C5的教师的姓名

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SELECT TN
FROM T
WHERE(NOT EXISTS(SELECT*
                FROM TC
                WHERE TNo=T.TNo AND CNo='C5'
))

SQL增删改查数据

  • 添加数据

例：在SC表中增加一条选课记录（’S7‘，’C1‘）【添加一行数据】

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INSERT INTO SC(SNo,CNo) VALUES('S7','C1')

例：求出各系教师的平均工资，把结果存放在新AvgSal中【添加多行数据】

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INSERT INTO AvgSal
SELECT Dept,AVG(sal)
FROM T
GROUP BY Dept
  • 修改数据

例：把刘伟老师转到信息系【修改一行数据】

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UPDATE T
SET Dept='信息'
WHERE SN='刘伟'

例：把教师表中工资小于或等于1000元的讲师的工资提高20%【修改多行数据】

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UPDATE T
SET Sal = 1.2*Sal
WHERE(Prof='讲师')
AND(Sal<=1000)
  • 删除数据

例：删除刘伟老师记录【删除一行数据】

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DELETE
FROM T
WHERE TN='刘伟'

例：删除刘伟老师授课的记录【删除多行数据】

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DELETE 
FROM T
WHERE (TNo = ( SELECT TNo
                FROM T
                WHERE TN='刘伟'
                ))

创建视图

  • 什么是视图

视图是一个虚拟表，内容是由查询定义的

行和列数据来自自定义视图查询所引用的基本表，并且在引用视图时动态生成

例：创建一学生情况视图S_SC_C(包括学号、姓名、课程号及成绩)

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CREATE VIEW S_SC_C(SNo,SN,CN,Score)
AS SELECT S.SNo,SN,CN,Score
FROM S,C,SC
WHERE S.SNo = SC.SNo AND SC.CNo = C.CNo
  • 修改视图

例：修改学生情况视图S_SC_C(包括姓名，课程名，成绩)

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ALTER VIEW S_SC_C(SN,CN,Score)
AS SELECT SN,CN,Score 
FROM S,C,SC
WHERE S.SNo=SC.SNo AND SC.CNo = C.CNo
  • 删除视图
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DROP VIEW SC
  • 查询视图

查询视图与查询表基本一致，只是FROM后面跟的是视图名称

索引

  • 什么是索引

索引是一种数据库结构，通过创建索引，可以提高数据库查询和应用程序的性能

索引一旦创建，由DBMS自动管理和维护。当数据操作时，DBMS会自动更新索引

避免创建大量索引

  • 索引的类型
    • 聚集索引
      • 表示行的物理结构与索引键的逻辑顺序相同，一个表只能有一个聚集索引
    • 非聚集索引
      • 与聚集索引相似，但是非聚集索引不影响表中的物理顺序
    • 唯一索引
      • 保证索引键不包含重复的值，从而使表中的每一行在某种方式上具有唯一性
    • 视图索引
      • 如果在查询中频繁的引用这类视图，可以通过对视图创建唯一聚集索引来提高性能。
    • 全文索引
    • XML索引
  • 创建索引：

例子：为表SC在SNo和CNo中创建唯一索引

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CREATE UNIQUE INDEX SCi_name ON SC(SNo,CNo)

为教师表T在TN上建立聚集索引

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CREATE CLUSTER INDEX TI ON T(TN)

设计数据库

  • 结构设计（子模式或者模式的设计）：概念设计、逻辑设计、物理设计、
  • 行为设计：用户对数据库的操作（软件设计）（动态设计）

设计法：

规范设计法：

  1. E-R模型的数据库模型法
  2. 给予三范式的数据库设计方法
  3. 基于视图的数据库设计方法

数据库设计的6个步骤

  • 系统需求分析：收集信息内容和处理要求，进行分析
  • 概念结构设计：表达用户需求的概念模型
  • 逻辑结构设计：由概念模型得出的数据模型
  • 物理结构设计：存取结构和存取方式
  • 数据库实施：数据库入库，编写数据库存取数据
  • 数据库运行和维护：收集和记录实际系统运行的数据

系统需求分析

需求分析方法：

  • 自顶向下
  • 自底向上

都需要用数据流图来进行分析

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概念结构设计

通过ER图来进行设计

  • 实体用矩形来表示
  • 实体属性用椭圆框表示
  • 联系用菱形来表示
  • 实体与联系之间用无向线表示

局部ER图设计

  1. 属性必须是不可分的数据项，不能再由另一些属性组成
  2. 属性不能与其他实体进行联系，联系只能发生在实体之间

全局ER图设计

  • 多元集成法
  • 二元集成法

逻辑结构设计

将ER图转换成关系模式

  • 将每一个实体转换成关系模式
  • 将每一个关系转换成关系模式

如何将一个实体转换成一个关系模式：

实体的属性就是关系的属性

实体的码就是关系的主码

如何将一个联系转换成一个关系模式：

  • 1：1联系：每一个实体的主码都是关系的候选码
  • 1：n联系：n端实体的主码是关系的主码
  • n：m联系：每个实体的主码的组合是关系的主码

规范化

一个好的关系模式需要具备

  • 尽可能少的数据冗余
  • 没有插入异常
  • 没有删除异常
  • 没有更新异常

函数依赖

是关系模式中属性之间的一种逻辑依赖关系