绪论
数据库系统概述
数据（Data）： 描述事物的符号记录称为数据。 记录： 计算机中表示和存储数据的一种格式或一种方法。 数据库（DataBase，简称DB）： 数据库是长期存储在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。 特点：
- 数据按一定的数据模型组织、描述和存储
- 可为各种用户共享
- 冗余度较小
- 数据独立性较高
- 易扩展
数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）：位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，它为用户或应用程序提供访问DB的方法，包括DB的建立、查询、更新及各种数据控制。 主要功能如下：
- 数据定义功能
- 数据组织、存储和管理
- 数据操纵功能
- 数据库的事务管理和运行管理
- 数据库的建立和维护功能
- 其他功能
数据库系统（DataBase System， DBS）：DBS是实现有组织地、动态地存储大量关联数据、方便多用户访问的计算机硬件、软件和数据资源组成的系统，即它是采用数据库技术的计算机系统。 组成： 计算机硬件、数据库、数据库管理系统、应用软件、数据库管理员
数据库技术：是研究数据库的结构、存储、设计、管理和使用的一门软件学科。
数据模型
模型： 现实世界特征的模拟和抽象 数据模型定义：能表示实体类型及实体间联系的模型 要求：
- 能比较真实的模拟现实世界
- 容易为人所理解
- 便于在计算机上实现
概念数据模型
按用户观点对数据建模，是对现实世界的第一层抽象，如ER图。主要用于数据库设计，是数据模型建立的基础。
实体：客观存在并可相互区别的事物。 属性：实体所具有的某一特性称为属性。用属性来刻画实体。 码：唯一标识实体的属性集，如学号。 域：属性的取值范围称为该属性的域。 实体型：具有相同性质的实体必然具有共同的特征和性质。 实体集：同型实体的集合。 联系：可分为一对一，一对多，多对多。
逻辑数据模型
直接面向数据库的逻辑结构，是对现实世界的第二层抽象。可分为：网状、层次、关系、面对对象等；也可分为模糊、时态、空间、时空、概率、粗糙、分形等。组成包括：数据结构、数据操作、数据的约束条件。
层次数据模型： 层次数据模型对应数据结构中的树形结构：
- 有且只有一个称为根的结点
- 当结点数大于1时，除根节点外的结点可以分为M个互相不相交的有限集，其中每一个集合又是一棵数。
数据操纵：查询、插入、删除和修改 数据约束条件：
- 进行插入操作时，如果没有相应的双亲结点值，不能插入子女结点值。
- 进行删除操作时，如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被删除。
- 进行修改操作时，应修改所有相应记录，以保证数据的一致性。
网状数据模型： 针对数据结构中的图
面向对象的数据模型： 最关键的两个概念： 对象：现实世界中实体的模型化 类：对象类型和对这个对象模型进行的操作方法
数据库系统结构
数据库系统的三级模式结构
- 外模式/模式映像
- 内模式/模式映像
数据库系统的组成
硬件平台及数据库
软件
人员
- 数据库管理员
- 系统分析员和数据库设计人员
- 应用程序员
- 用户
关系型数据库理论
关系模型概述
关系数据结构
域：是一组具有相同数据类型的值的集合
域的笛卡儿积：给定一组域D1，D2，...，Dn，其笛卡尔积为：
关系
关系：D1×D2×…×Dn的子集叫做在域D1，D2，…，Dn上的关系，记做：R(D1，D2，…，Dn)。
关系是笛卡尔积的有一定意义、有限的子集。 关系也是一个二维表，表的每一行对应一个元组，表的每一列对应一个域。 对每列起一个唯一的名字，称为属性。 n元关系有n个属性。 当n=1时，称该关系为单元关系； 当n=2时，称该关系为二元关系。 若关系中的某一属性组的值能够唯一地标识一个元组，则称该属性组为候选码。 若一个关系有多个候选码，则选定其中一个作为主码。 候选码的诸属性称为主属性。不包含在任何候选码中的属性称为非主属性或非码属性。
关系的性质：
- 同质的列
- 不同属性应该有不同的名称
- 属性是无序的
- 元组不能重复
- 元组无序
- 分量是原子（即每一个分量都必须是不可分的数据项）
关系模式
在数据库中要区分型和值，型是指关系模式，值是指关系。
关系： 一张二维表格，其中每一行为一元组，每一列为一属性。
关系模式： 关系的描述称为关系模式。它可以形式化的表示为： R(U, D, dom, F) 其中： R：关系名 U：组成该关系的属性集合 D：属性来自的域 dom：属性向域的映象集合 F：属性间数据依赖关系集合
关系模式与关系的关系：
- 关系模式是静态的，稳定的
- 关系是动态地，随时间不断变化的
- 关系是关系模式在某一时刻的状态和内容
关系的完整性
关系模型的完整性规则是对关系的某种约束条件。
关系的三类完整性约束
- 实体完整性
- 参照完整性
- 用户定义的完整性
实体完整性
若属性A是基本关系R的主属性，则属性A不能取空值。
参照完整性
外码 设F市基本关系R的一个或一组属性，但不是关系R的码。Ks是基本关系S的主码。如果F与Ks相对应，则称D是R的外码。 并称基本关系R为参照关系，基本关系S为被参照关系或目标关系。 关系R和S不一定是不同的关系。
若属性（或属性组）F是基本关系R的外码，它与基本关系S的主码Ks相对应（基本关系R和S不一定是不同的关系），则对于R中每个元组在F上的值必须为：
- 或者取空值（F的每个属性值均为空值）
- 或者等于S中某个元组的主码值
用户定义的完整性
针对某一具体关系数据库的约束条件
关系代数
关系代数是一种抽象的查询语言，它用作对关系的运算来表达查询。
传统的集合运算
- 并
- 差
- 交
- 笛卡儿积
专门的关系演算
选择 从关系R中选取使得逻辑表达式F为真的元组，这是从行的角度进行的运算。 投影 从关系R中选取若干属性列组成新的关系，这是从列的角度进行的运算。 需要消除重复行，因此有可能导致某些元组被取消。 连接 从两个关系的笛卡尔积中选取属性间满足一定条件的元组
- 等值连接：要求选取的A，B属性组的值相等
- 自然连接：特殊的等值连接，要求把重复属性列去掉
如果把舍弃的元组也保存在结果关系中，而在其他的属性上填空值（NULL），那么这种连接叫做外连接。 如果只保留左边关系中要舍弃的部分，叫做左外连接； 如果只保留右边关系中要舍弃的部分，叫做右外连接。
除
SQL数据语言
SQL概述
产生与发展
- 1974年由Boyce和Chamberlin提出
- 1975-1979年，IBM的System R上实现
- 1986年，ANSI通过SQL标准
- 后来相继提出SQL-89与SQL-92标准
- 目前，大多数数据库均采用SQL作为共同的数据存取和标准接口
SQL的特点
- 综合统一
- 高度非过程化
- 面向集合的操作方式
- 一种语法结构两种方式
- 语言简洁，易学易用
SQL基本概念
SQL支持关系数据库三级模式结构，其中：
- 外模式——视图和部分基本表（不能独立存在）
- 模式——基本表（独立存在，关系-基本表-存储文件一一对应）
- 内模式——存储文件（存储文件的逻辑结构组成了关系数据库的内模式）
SQL对象
SQL对象包括数据库、表、视图、属性名等，这些对象名符合一定规则：
SQL SERVER 1-30字符 ACCESS 64字符 ORACLE 限制为8个字符
应以字母开头，其他字符可以使字母、数字、下划线
SQL语句
- 尖括号"<>"中的内容为实际意义
- 中括号"[]"中的内容为任选项
- [,...]意思是等等
- 大括号"{}"与竖线"|"标明此处为选择项，在所列举的各项中仅需选择一项。
- SQL中的数据项（包括列项、表和视图）分隔符为","；其字符串常数的定界符用单引号"'"表示。
数据定义
数据库的创建与删除
创建数据库
CREATE DATABASE <数据库名>;
CREATE DATABASE Mydb;
删除数据库
DROP DATABASE <数据库名> [,<数据库名>] [,...];
DROP DATABASE Mydb;
表的创建与删除
创建基本表
CREATE TABLE <表名>
(<列名> <数据类型> [<列级完整性约束条件>] [<列名> <数据类型> [ <列级完整性约束条件> ] [,...] ] [,<表级完整性约束条件>] [,..]);
约束条件：
- 列级完整性约束条件——只能用于列
- 表级完整性约束条件——只能够用于一张中的多列
SQL完整性约束条件
- NOT NULL或NULL，列级，是否允许为空
- UNIQUE，列级，唯一性约束
- DEFAULT，列级，默认值约束
- CHECK，列级，检验约束，为插入列中的数据指定约束条件
- PRIMARY KEY，表级，主键约束，使得主键的数值在每一行中各不相同，不能为空
- FOREIGN KEY，表级，外键约束，是参照完整性约束
举例
创建学生表：Student(sno, sname, sdate, ssex, sdept)
Create Table Student(
sno char(5) not null unique,
sdate date,
ssex char(2) default '男',
sdept char(2)
Constraint C1 Check (ssex In ('男', '女')));
删除基本表
DROP TABLE <表名>;
举例
DROP TABLE Student;
表结构的修改
ALTER TABLE <表名>
[ADD ( <新列名> <数据类型> [<完整性约束条件>][,...])]
[DROP <完整性约束名>]
[MODIFY ( <列名> <数据类型> [,...])];
举例
在Student表中增加‘籍贯native_place’列，数据类型为字符型
Alter Table Student
Add native_place Varchar(50);
删除Student表中学生姓名必须取唯一值的约束条件
Alter Table Student
Drop unique(sname);
修改Student表中sname列的数据类型为定长字符型
Alter Table Student
Modify sname char(8) unique;
建立和删除索引
建立索引
CREATE [UNIQUE] [CLUSTER] INDEX <索引名>
ON <表名> (<列名> [<次序>] [, <列名> [<次序>] ] [,…]);
举例
Create unique Index stusno_ind
On Student (sno ASC);
删除索引
DROP INDEX <索引名>;
举例
DROP INDEX Stusno_Ind;
数据查询
SELECT [ALL|DISTINCT] <目标列表达式> [,<目标列表达式>] [,…]
[INTO <新表名>]
FROM <表名/视图名> [,<表名/视图名>] [,…]
[WHERE <条件表达式>]
[GROUP BY <列名1>] [HAVING <条件表达式>]]
[ORDER BY <列名2> [ASC|DESC]];
目标列表达式
目标列表达式是一个逗号分隔的表达式列表
[<表名>.]<属性列名表达式> [, [<表名>.] <属性列名表达式>] [, …]
举例
//查询单表中全体学生的学号与姓名
SELECT sno, sname FROM Student;
//查询单表中的全体学生
SELECT * FROM Student;
集函数
<集函数> ( [ DISTINCT | ALL ] * )
//集函数：SUM、AVG、COUNT、MAX、MIN
举例
SELECT DISTINCT sname, Year(GetDate())-Year(sdate) AS age FROM Student;
条件表达式
举例
//从Student表中，查询男同学
SELECT * FROM Student WHERE ssex='男';
//从Student表中，查询出生日期在1980年和1990年之间的学生
SELECT * FROM Student WHERE sdate BETWEEN '1980-01-01' AND '1990-12-31';
通配符
%：百分号，代表任意长度的字符串 a%b:ab,acb,addb _：下划线，代表单个字符 a_b: acb,adb, afb
[ ]：表示中括号里面的任意一个字符 A[BCDE]表示第一个字符为A，第二个字符为B,C,D,E中的任意一个 [^ ]：表示不在中括号里面的任意一个字符 A[^BCDE]表示第一个字符为A，第二个字符为不为B,C,D,E的任意一个字符
数据操纵
数据插入——INSERT——向数据库中插入新纪录
数据修改——UPDATE——修改数据库中的某记录
数据删除——DELETE——删除数据库中的某记录
数据插入
插入元组
INSERT
INTO <表名> [( <字段1>[, <字段2>] [,…])]
VALUES (<常量1> [, <常量2>] [,…]);
举例
//将一条新学生记录（所有字段都有值）插入到表中
Insert Into S
Values (‘95020’,‘陈东’,‘男’,‘IS’,’18’);
将一条学生记录（部分字段有值）插入表中
Insert Into S(Sno,Sname)
Values (‘95020’,‘陈东’);
插入子查询 子查询不仅可以嵌套在SELECT语句中，也可以嵌套在INSERT语句中，用于生成要插入的批量数据。
INSERT
INTO <表名> [( <字段1>[, <字段2>] [,…])]
子查询;
举例
Insert Into Deptage(Sdept, Avgage)
Select Sdept, AVG(Sage)
From S Group By Sdept;
数据修改
一般格式
UPDATE <表名>
SET <字段名1>＝<表达式1>[, <字段2>= <表达式2>] [,…]]
[WHERE <条件表达式>];
举例
//修改某一元组的值：如将学生95001的年龄改为22岁
Update S
Set Sage=22
Where Sno='95001';
//修改多个元组的值：如将所有学生的年龄加一岁
Update S
Set Sage= Sage+1;
//带子查询的修改语句：将信息管理系的所有学生成绩置零
Update SC
Set Grade=0
Where 'IS'=
(Select Sdept
From S
Where S.Sno=SC.Sno);
删除数据
一般格式
DELETE
FROM <表名>
[WHERE <条件表达式>];
举例
//删除某一元组：如删除学号为95001的学生记录
Delete
From S
Where Sno='95001';
//将S表清空
Delete
From S;
//带查询的删除语句：如删除信息系所有学生的选课记录
Delete
From SC
Where 'IS'=
(Select Sdept
From S
Where S.Sno=SC.Sno);
数据控制
共享程度与安全性问题的冲突 数据控制功能：
- 事务管理功能
- 数据保护功能
授予权限 一般格式
GRANT <权限> [,<权限>][,…]
[ON <对象类型> <对象名称>]
TO <用户> [, <用户>] [,…]
[WITH GRANT OPTION];
举例
//把查询S表的权限授权给用户U1
GRANT SELECT
ON TABLE S
TO U1;
//把查询S表和C表的全部权限授权给用户U1和U2
GRANT ALL PRIVILEGES
ON TABLE S, C
TO U1, U2;
收回权限 一般格式
REVOKE <权限> [,<权限>][,…]
[ON <对象类型> <对象名称>]
FROM <用户> [, <用户>] [,…]
举例
//把用户U1修改学号的权限收回
REVOKE UPDATE(Sno)
ON TABLE S
FROM U1;
//收回所有用户对表SC的查询权限
REVOKE SELECT
ON TABLE SC
FROM PUBLIC;
关系数据库设计
关系数据库设计理论
关系模式
R(U , F)
当且仅当U上的一个关系r满足F时，r称为关系模式R(U , F)的一个关系
函数依赖定义
定义：
设R（U）是属性集U上的关系模式。X，Y是U上的子集。
若R（U）的任意一个可能的关系r，r中不可能存在两个元组在X上的属性值相等而在Y上的属性值不等，则称：
X函数依赖确定Y或Y函数依赖确定于X，记做X->Y。
术语：
第一范式（1NF）
每一个分量必须是不可分的数据项。 存在问题： 数据冗余；插入异常；删除异常。
第二范式（2NF）
在第一范式的基础上，每一个非主属性完全函数依赖于码。 存在问题： 插入异常；删除异常；修改复杂。
第三范式（3NF）
若关系R（U）的每个非主属性都不部分依赖于也不于传递于码，则称R（U）满足第三范式。
BCNF
- 所有非主属性对每一个码都是完全函数依赖
- 所有的主属性对每一个不包含它的码，是完全函数依赖
- 没有任何属性完全依赖于非码的任何一组属性
多值依赖
第四范式（4NF）
关系模式R<U,F>符合第一范式，对于R的每一个非平凡多值依赖，X都含有码，则称关系模式R符合第四范式
总结
关系数据库设计的步骤
- 需求分析
- 概念结构设计
- 逻辑结构设计
- 数据库物理设计
- 数据库实施
- 数据库运行和维护
需求分析
- 业务流程分析
- 数据流程分析
- 画出ER图
概念结构设计
特点：
- 能真实、充分地反映现实世界，包括事物与事物之间的联系
- 易于理解，从而可以用它和不熟悉计算机的用户交换意见
- 易于更改
- 易于向关系、网状、层次等数据模型转换
设计方法：
- 自顶向下
- 自底向上
- 逐步扩张：核心概念结构，向外扩张
- 混合策略：自顶向下和自底向上相结合
数据抽象：
- 分类
- 聚集
- 概括
任务： ER图变为数据库逻辑结构
转换原则： 实体及其属性的转换： 一个实体型转换为一个关系模式。 实体的属性就是关系的属性，实体的码就是关系的码。
1:1 可以转换为一个独立模式，也可以与任意一段的对应的关系模式合并 1:n 可以转换为一个独立模式，可以与N端对应的关系模式合并 m:n 转换为一个独立模式
设计用户子模式——视图
数据库的物理设计
- 存取方法
- 存取结构
实施与维护阶段
- 定义数据库的结构
- 数据装载/编写程序
- 数据库软件试运行
数据库安全保护
信息安全综述
安全：免于危险的质量和状态 信息安全：是对信息、系统以及使用、存储和传输信息的硬件的保护 数据库安全：是指保护数据库以防止不合法的使用所造成的数据泄露、更改或破坏 访问：一个主题或对象使用、操作、修改或者影响另一个主题或对象的能力 资产：被保护的机构资源 安全蓝本：对机构里新的安全措施的实施计划 漏洞：系统内的弱点或错误，或者是使信息暴露给攻击或破坏的保护性机制
数据库安全性控制
计算机系统的安全模型
用户标识和鉴别
用户标识和鉴别是系统提供的最外层安全保护措施 举例：校园网登录
存取控制
数据库安全性主要是存取控制机制
- 定义用户权限
- 合法用户权限检查
审计
把用户对数据库的所有操作自动记录下来放入审计日志
数据加密
高度敏感性数据，需要采用数据加密技术
统计数据库安全性
在统计数据库中存在着特殊的安全性问题，需要注意。
SQL SERVER系统安全性
简要介绍，略过
版权信息
大部分内容来自于中国地质大学（北京）安海忠老师的授课PPT以及王珊，萨师煊所著的《数据库系统概论》（第四版），可在非商用-署名前提下自由分发。
更新日志
- 2015年06月12日 完成初稿
- 2015年06月14日 修复了一些格式错误