章节概述
数据库是现代应用系统的核心。本章系统讲解数据库模式与范式、数据库设计流程、事务管理与并发控制、备份恢复、分布式数据库、数据仓库与数据挖掘、NoSQL 和大数据。重点掌握三级模式两级独立性、规范化理论（1NF~BCNF）、E-R 模型转换规则、事务 ACID 特性与封锁协议。
知识结构框架
- 3.1 数据库管理系统类型（关系型/文档型/键值型/对象型）
- 3.2 数据库模式与范式
- 3.2.1 三级抽象与三级模式（外模式/概念模式/内模式）
- 3.2.2 数据模型（层次/网状/关系/面向对象）与关系代数
- 3.2.4 数据规范化（1NF/2NF/3NF/BCNF）
- 3.2.5 反规范化（增加冗余列/派生列/分割表）
- 3.3 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
- E-R 模型转换规则（1:1/1:n/m:n/多元/自联系/弱实体）
- 3.4 事务管理（ACID 特性、并发控制与封锁协议、故障与恢复）
- 3.5 备份与恢复（物理/逻辑备份、完全/增量/累积备份）
- 3.6 分布式数据库系统（六层模式结构、分布透明性、DDBMS 组成）
- 3.7 数据仓库（面向主题/集成/相对稳定/随时间变化）
- 3.8 数据挖掘（关联/序列/分类/聚类/预测/时间序列）
- 3.9 NoSQL（易扩展/大数据量/灵活数据模型/高可用）
- 3.10 大数据（4V 特征：Volume/Variety/Value/Velocity）
核心概念定义
三级模式与两级独立性
| 模式层级 | 别称 | 描述 | 数量 |
|---|---|---|---|
| 外模式 | 子模式/用户模式 | 用户看到的局部数据逻辑结构 | 多个 |
| 概念模式 | 模式/逻辑模式 | 全局数据逻辑结构（中心与关键） | 一个 |
| 内模式 | — | 数据物理结构和存储方式 | 一个 |
- 物理独立性：模式-内模式映射，物理存储改变时应用程序不变
- 逻辑独立性：外模式-模式映射，逻辑结构改变时应用程序不变（更难实现）
规范化理论
| 范式 | 要求 | 消除的问题 |
|---|---|---|
| 1NF | 属性不可再分（原子性） | 非结构化数据 |
| 2NF | 非主属性完全依赖于码 | 部分函数依赖 |
| 3NF | 非主属性不传递依赖于码 | 传递函数依赖 |
| BCNF | 每个函数依赖的决定因素都包含码 | 主属性间的函数依赖 |
规范化分解须遵守两个准则：无损连接性（信息不失真）和函数依赖保持性（不破坏依赖关系）。
事务 ACID 特性
- A（原子性）：事务是不可分割的工作单位，要么全做要么全不做
- C（一致性）：使数据库从一个一致性状态变到另一个
- I（隔离性）：一个事务的执行不能被其他事务干扰
- D（持久性）：提交后改变是永久性的
封锁协议
| 协议级别 | 规则 | 防止的问题 |
|---|---|---|
| 一级 | 写前加 X 锁，事务结束释放 | 丢失修改 |
| 二级 | 一级+读前加 S 锁，读后释放 | 丢失修改+读脏数据 |
| 三级 | 一级+读前加 S 锁，事务结束释放 | 丢失修改+读脏+不可重复读 |
| 两段锁 | 扩展阶段加锁，收缩阶段解锁 | 保证可串行化（可能死锁） |
数据仓库特性
- 面向主题：按主题域组织，区别于面向应用的操作型数据库
- 集成的：消除源数据不一致性，形成全局一致信息
- 相对稳定的：查询为主，修改删除少，定期加载刷新
- 随时间变化：包含历史信息，时间期限远长于操作型系统
大数据 4V 特征
- Volume：数据体量巨大（TB→PB→EB→ZB）
- Variety：数据类型繁多（结构化+非结构化）
- Value：价值密度低
- Velocity：处理速度快
关键公式与模型
关系代数基本运算
并(∪)、差(-)、交(∩)、笛卡尔积(×)、选择(σ)、投影(π)、连接(⋈)、除(÷)
R∩S = R-(R-S) = S-(S-R)；R×S 元组数 = |R|×|S|
并(∪)、差(-)、交(∩)、笛卡尔积(×)、选择(σ)、投影(π)、连接(⋈)、除(÷)
R∩S = R-(R-S) = S-(S-R)；R×S 元组数 = |R|×|S|
遗留系统技术水平评价
OR = (P₁·OR_H + P₂·OR_S + P₃·OR_F + P₄·OR_A) / 4
OR_H=硬件, OR_S=支撑软件, OR_F=企业基础设施, OR_A=应用软件, Pᵢ=权系数
OR = (P₁·OR_H + P₂·OR_S + P₃·OR_F + P₄·OR_A) / 4
OR_H=硬件, OR_S=支撑软件, OR_F=企业基础设施, OR_A=应用软件, Pᵢ=权系数
分布式数据库六层模式结构
全局外模式 → 全局概念模式 → 分片模式 → 分布模式 → 局部概念模式 → 局部内模式
分片透明 > 位置透明 > 局部数据模型透明
全局外模式 → 全局概念模式 → 分片模式 → 分布模式 → 局部概念模式 → 局部内模式
分片透明 > 位置透明 > 局部数据模型透明
SVG 图表参考
- 图3-1 数据库三级模式结构
- 图3-2 基于 3NF 的数据库设计方法
- 图3-3 数据库设计基本步骤
- 图3-4 实体间二元联系
- 图3-5 多元联系（部件-工程-供应商）
- 图3-6 弱实体类联系
- 图3-7 数据库物理设计过程
- 图3-8 分布式数据库六层模式结构
- 图3-9 DDBMS 结构
- 图3-10 数据仓库概念结构
- 图3-11 数据仓库参考框架
- 图3-12 数据仓库架构
- 图3-13 数据挖掘环境
- 图3-14 —
- 图3-15 —
- 图3-16 —
考试要点
- 三级模式与两级独立性（逻辑独立性比物理独立性更难实现）
- 范式判断与分解（1NF~BCNF 的条件与消除的依赖类型）
- E-R 模型向关系模型转换规则（1:1/1:n/m:n/多元联系）
- 事务 ACID 特性与封锁协议三级
- 并发控制问题：丢失更新、不一致分析（脏读）、不可重复读
- 故障恢复策略：事务故障(Undo)、系统故障(Undo+Redo)、介质故障(重装+Redo)
- 分布式数据库分布透明性三层：分片>位置>局部数据模型
- 数据仓库四大特性与 OLAP（ROLAP/MOLAP/HOLAP）
- 反规范化技术（增加冗余列/派生列/重新组表/水平分割/垂直分割）