本文整理自《數(shù)據(jù)庫原理》和期末復(fù)習(xí)提綱

1. DBMS

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Database Management System）蝉娜，簡稱DBMS，是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件复斥。

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數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點(diǎn)

• 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化
• 數(shù)據(jù)的高共享性
• 數(shù)據(jù)獨(dú)立性
• DBMS對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和控制

2. 數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)的發(fā)展過程

人工管理階段 —— 20 世紀(jì) 40 年代中期 - 20 世紀(jì) 50 年代中期
文件系統(tǒng)階段 —— 20 世紀(jì) 50 年代末期 - 20 世紀(jì) 60 年代中期
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段 —— 20 世紀(jì) 60 年代后期以來

3. 數(shù)據(jù)模型

通俗地講數(shù)據(jù)模型就是現(xiàn)實(shí)世界的模擬，在數(shù)據(jù)庫中用數(shù)據(jù)模型這個(gè)工具來抽象械媒、表示和處理現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)和信息永票。

數(shù)據(jù)模型分成兩個(gè)不同的層次

概念模型（用戶），也稱信息模型滥沫，它是按用戶的觀點(diǎn)來對(duì)數(shù)據(jù)和信息建模侣集。
數(shù)據(jù)模型（計(jì)算機(jī)），主要包括網(wǎng)狀模型兰绣、層次模型世分、關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ偷茸罕纾前?strong>計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的觀點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)建模臭埋。

4. 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式

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4.1 三級(jí)模式結(jié)構(gòu)

(1) 外模式（又名子模式、用戶模式）臀玄，是數(shù)據(jù)庫用戶可見可用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述瓢阴，是數(shù)據(jù)庫用戶的數(shù)據(jù)視圖，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示

(2) 模式（又名邏輯模式）健无，是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述荣恐，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖

(3) 內(nèi)模式（又名存儲(chǔ)模式），是數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式的描述累贤，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的存儲(chǔ)方式

(4) 一個(gè)數(shù)據(jù)庫只有一個(gè)模式和一個(gè)內(nèi)模式叠穆，但是可以有多個(gè)外模式。

(5) 模式與外模式的關(guān)系：一對(duì)多

• 外模式通常是模式的子集
  • 一個(gè)數(shù)據(jù)庫可以有多個(gè)外模式臼膏。反映了不同的用戶的應(yīng)用需求硼被、看待數(shù)據(jù)的方式、對(duì)數(shù)據(jù)保密的要求
    • 對(duì)模式中同一數(shù)據(jù)渗磅，在外模式中的結(jié)構(gòu)嚷硫、類型检访、長度、保密級(jí)別等都可以不同

(6) 外模式與應(yīng)用的關(guān)系：一對(duì)多

• 同一外模式可以為某一用戶的多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)所使用
• 一個(gè)應(yīng)用程序只能使用一個(gè)外模式

4.2 二級(jí)映像模式

（1) 外模式 - 模式映象（邏輯獨(dú)立性）

• 定義外模式與模式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系
• 每一個(gè)外模式都對(duì)應(yīng)一個(gè)外模式／模式映象
• 外模式／模式映象的用途：保證數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性
  • 當(dāng)模式改變時(shí)仔掸，數(shù)據(jù)庫管理員修改有關(guān)的外模式／模式映象脆贵，使外模式保持不變
  • 應(yīng)用程序是依據(jù)數(shù)據(jù)的外模式編寫的，從而應(yīng)用程序不必修改嘉汰，保證了數(shù)據(jù)與程序的邏輯獨(dú)立性丹禀，簡稱數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性。

(2) 模式 - 內(nèi)模式映像（物理獨(dú)立性）

• 模式／內(nèi)模式映象定義了數(shù)據(jù)全局邏輯結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系鞋怀。例如双泪，說明邏輯記錄和字段在內(nèi)部是如何表示的
• 數(shù)據(jù)庫中模式／內(nèi)模式映象是唯一的
• 模式／內(nèi)模式映象的用途：保證數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性
  • 當(dāng)數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)改變了（例如選用了另一種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)），數(shù)據(jù)庫管理員修改模式／內(nèi)模式映象密似，使模式保持不變
  • 應(yīng)用程序不受影響焙矛。保證了數(shù)據(jù)與程序的物理獨(dú)立性，簡稱數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性残腌。

5. 事務(wù)

(1) 事務(wù)是恢復(fù)和并發(fā)控制的基本單位

(2) 事務(wù)的特性（ACID）

• 原子性（Atomicity）

  事務(wù)是數(shù)據(jù)庫的邏輯工作單位村斟，事務(wù)中包括的諸操作要么都做，要么都不做抛猫。

• 一致性（Consistency）

  事務(wù)執(zhí)行的結(jié)果必須是使數(shù)據(jù)庫從一個(gè)一致性狀態(tài)變到另一個(gè)一致性狀態(tài)

  一致性狀態(tài)：數(shù)據(jù)庫中只包含成功事務(wù)提交的結(jié)果
  不一致狀態(tài)：數(shù)據(jù)庫中包含失敗事務(wù)的結(jié)果

• 隔離性（Isolation）

  對(duì)并發(fā)執(zhí)行而言

  • 一個(gè)事務(wù)的執(zhí)行不能被其他事務(wù)干擾蟆盹。
  • 一個(gè)事務(wù)內(nèi)部的操作及使用的數(shù)據(jù)對(duì)其他并發(fā)事務(wù)是隔離的。
  • 并發(fā)執(zhí)行的各個(gè)事務(wù)之間不能互相干擾

• 持續(xù)性（Durability）

  持續(xù)性也稱永久性（Permanence）

  • 一個(gè)事務(wù)一旦提交闺金，它對(duì)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的改變就應(yīng)該是永久性的逾滥。
  • 接下來的其他操作或故障不應(yīng)該對(duì)其執(zhí)行結(jié)果有任何影響。

• 破壞事務(wù)ACID特性的因素

  • 多個(gè)事務(wù)并行運(yùn)行時(shí)败匹，不同事務(wù)的操作交叉執(zhí)行
  • 事務(wù)在運(yùn)行過程中被強(qiáng)行停止

6. 故障的種類

6.1 事務(wù)故障

(1) 事務(wù)故障的恢復(fù) (先UNDO再REDO)

• 撤消事務(wù)（UNDO）
• 強(qiáng)行回滾(ROLLBACK)該事務(wù)

清除該事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)庫的所有修改寨昙，使得這個(gè)事務(wù)像根本沒有啟動(dòng)過一樣。

(2) 事務(wù)故障的常見原因
輸入數(shù)據(jù)有誤掀亩、運(yùn)算溢出舔哪、違反了某些完整性限制、某些應(yīng)用程序出錯(cuò)槽棍、并行事務(wù)發(fā)生死鎖

6.2 系統(tǒng)故障

(1) 什么是系統(tǒng)故障

• 整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行突然被破壞
• 所有正在運(yùn)行的事務(wù)都非正常終止
• 內(nèi)存中數(shù)據(jù)庫緩沖區(qū)的信息全部丟失
• 外部存儲(chǔ)設(shè)備上的數(shù)據(jù)未受影響

(2) 系統(tǒng)故障的恢復(fù) (先UNDO再REDO)

• 正向掃描日志文件（即從頭掃描日志文件）
• 對(duì)Undo隊(duì)列事務(wù)進(jìn)行UNDO處理
• 對(duì)Redo隊(duì)列事務(wù)進(jìn)行REDO處理

(3) 系統(tǒng)故障的常見原因
操作系統(tǒng)或DBMS代碼錯(cuò)誤捉蚤、操作員操作失誤、特定類型的硬件錯(cuò)誤(如CPU故障)刹泄、突然停電

6.3 介質(zhì)故障

(1) 什么是介質(zhì)故障
硬件故障使存儲(chǔ)在外存中的數(shù)據(jù)部分丟失或全部丟失外里。

介質(zhì)故障比前兩類故障的可能性小得多，但破壞性大得多

(2) 介質(zhì)故障的恢復(fù)

先找備份點(diǎn)再重新執(zhí)行備份點(diǎn)之后的成功事務(wù)

• 裝入數(shù)據(jù)庫發(fā)生介質(zhì)故障前某個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)副本

• （REDO）重做自此時(shí)始的所有成功事務(wù)特石，將這些事務(wù)已提交的結(jié)果重新記入數(shù)據(jù)庫

恢復(fù)操作的基本原理：冗余

• 利用存儲(chǔ)在系統(tǒng)其它地方的冗余數(shù)據(jù)來重建數(shù)據(jù)庫中已被破壞或不正確的那部分?jǐn)?shù)據(jù)

(3) 介質(zhì)故障的常見原因
硬件故障：磁盤損壞、磁頭碰撞鳖链、操作系統(tǒng)的某種潛在錯(cuò)誤姆蘸、瞬時(shí)強(qiáng)磁場干擾

7. 并發(fā)控制

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中并發(fā)控制的責(zé)任是保證事務(wù)的 ACID （原子性墩莫、一致性、隔離性逞敷、持久性狂秦；在此主要針對(duì)一致性和隔離性）特性。

(1) 不加控制的并發(fā)操作會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致性推捐，包括：

• 丟失修改
  兩個(gè)事務(wù) T1裂问、T2 讀入同一數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，T2 提交的結(jié)果破壞了 T1 提交的結(jié)果牛柒，導(dǎo)致 T1 的修改被丟失

• 不可重復(fù)讀
  事務(wù) T1 讀入數(shù)據(jù)后堪簿，事務(wù) T2 對(duì)該數(shù)據(jù)執(zhí)行了更新操作，使得事務(wù) T1 再次讀取數(shù)據(jù)時(shí)得到跟之前不一樣的結(jié)果

  • 之前讀到 100皮壁，之后讀到 200
  • 之前讀到有/無椭更，之后讀到無/有
  • 之前讀到很少，之后讀到很多

• 讀臟數(shù)據(jù)
  事務(wù) T1 寫入某一數(shù)據(jù)蛾魄，事務(wù) T2 讀到這一數(shù)據(jù)虑瀑，但后來 T1 被取消了，導(dǎo)致 T2 讀到了不正確的數(shù)據(jù)

(2) 并發(fā)控制的主要技術(shù)有封鎖滴须、時(shí)間戳舌狗、樂觀控制法和多版本并發(fā)控制等

• 封鎖：排他鎖（X）和共享鎖（S）組成的封鎖協(xié)議
• 時(shí)間戳：給每一個(gè)事務(wù)蓋上一個(gè)時(shí)間戳標(biāo)簽，按照這個(gè)時(shí)間戳來解決事務(wù)的沖突操作
• 樂觀控制法：讓事務(wù)自由執(zhí)行扔水，在事務(wù)提交前再進(jìn)行正確性檢查
• 多版本并發(fā)控制：在數(shù)據(jù)庫中通過維護(hù)數(shù)據(jù)對(duì)象的多個(gè)版本信息實(shí)現(xiàn)高效并發(fā)控制

(3) 基本封鎖類型

• 排他鎖痛侍、寫鎖、X：若事務(wù) T 對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象 A 加 X 鎖铭污，則 T 可以讀寫 A恋日，在 T 釋放 A 上的鎖之前其他任何事務(wù)都不能再對(duì) A 加任何類型的鎖

• 共享鎖、讀鎖嘹狞、S：若事務(wù) T 對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象 A 加 S 鎖岂膳，則 T 只可以讀 A，在 T 釋放 A 上的 S 鎖之前其他任何事
  務(wù)都只能對(duì) A 加 S 鎖磅网，而不能加 X 鎖

(4) 封鎖協(xié)議

• 三級(jí)封鎖協(xié)議

  
  
  三級(jí)封鎖協(xié)議.png

• 兩段鎖協(xié)議
  并發(fā)調(diào)度的可串行性的充分條件 - 多個(gè)事務(wù)的并發(fā)執(zhí)行正確谈截，當(dāng)且僅當(dāng)其結(jié)果與按某一次序串行
  地執(zhí)行這些事務(wù)時(shí)的結(jié)果相同

8. 范式

范式是一種分層結(jié)構(gòu)的規(guī)范，分為六層：每一次層都比上一層更加嚴(yán)格：若要滿足下一層范式涧偷，前提是滿足上一層范式簸喂。

六層范式：1NF，2NF燎潮，3NF喻鳄，BCNF，4NF确封，5NF除呵，1NF要求最低再菊；5NF要求最嚴(yán)格。