数据的管理模式#
数据的管理模式并没有绝对的优越性，只是适用于特定的情境。
从下面几点考察：
- 数据的管理者是谁？
- 数据面向的对象是？
- 数据的共享程度？
- 数据的独立性？
- 数据的结构化？
- 数据的控制能力？
1. 人工管理#
- 数据由写程序的程序员管理，面向应用程序；
- 共享性没有，冗余度很高；
- 独立性无，因为是 hard-code 进程序里的；
- 结构性无；
- 由程序自己控制数据。
2. 文件系统#
- 数据由文件系统管理，优点是可以长期保存；
- 存在共享性：json、XML 文件可以将数据共享给多个程序，但存在问题：谁负责定义与管理这些数据？具体来说，
- 数据的结构和存储机制要被所有应用接受；
- 数据的安全性、完整性
- 数据的并发性：对数据操作的顺序会影响数据的最终形态
- 如何在动态的情况（数据在多用户操作、频繁更新和环境变化中不断变化的状态）下解决这些问题
3. 数据库系统#
首先要了解什么是数据库系统。
3.1 基本概念#
数据库系统的具体运行：
- 数据（Data, 描述事物的符号化记录）是数据库存储的基本对象。
- 种类：数字、文字、图形、图像、音频、视频、学生的档案记录等
- 语义：数据的含义。数据与其语义密不可分。
- 93 是数据，他的语义可能是某人的体重，也有可能是成绩
- 数据库（DB）是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。其基本特征：
- 数据是按一定的数据模型进行组织描述储存的
- 可为各种用户进行共享
- 冗余度小，不需要重复
- 数据独立性较高
- 易扩展
- 数据库管理系统（DBMS）：“科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据”
- 位于用户和 OS 之间
- 基础软件，大型、复杂
- 其作用：
- 数据定义：DDL
- 数据组织、存储与管理
- 数据操纵：DML
- 据库的事务管理和运行管理
- 数据库的建立和维护功能 6….
- 数据库系统：DBS
- 数据库
- DBMS
- 应用程序
- 数据库管理员（DBA）
- 核心与基础：数据模型
3.2 特点#
- 数据的结构化
- 最小存取单位是数据项
- 不仅内部结构化，整体也是结构化的，也就是说数据之间具有联系
- 数据用数据模型描述，无需应用程序定义
- 共享性高。数据共享的好处
- 减少数据冗余，节约存储空间
- 避免数据之间的不相容性与不一致性
- 使系统易于扩充
- 数据的独立性高。
- 物理独立性：指用户的应用程序与数据库中数据的物理存储是相互独立的。数据的物理存储改变时，应用程序不用进行改变。
- 逻辑独立性：指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。数据的逻辑结构改变了，应用程序不用进行改变。
- 数据由数据管理系统统一管理和控制。也就是文件系统中提到的
- 数据安全性保护
- 数据完整性检查
- 并发控制
- 数据库恢复
数据模型#
- 定义：是对现实世界数据特征的抽象，用以抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。
- 要求：
- 模拟的真实性
- 易理解性
- 便于在计算机上实现
- 分类：
- 概念模型：用于设计一个数据库，按用户的观点来对数据和信息建模
- 逻辑模型：用于 DBMS 的实现，按照计算机系统的观点
- 物理模型：对数据最底层的抽象，描述数据在系统内部的表示方式和存取方法
- 三个模型是渐进的关系，通过两步抽象演变
- 组成要素：
- 数据结构：系统的静态特性
- 数据操作：系统的动态特性
- 数据的完整性约束条件
- 完整性规则：给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则
概念模型#
用于信息世界的建模，是现实世界到机器世界的一个中间层次。数据库设计人员和用户之间进行交流的语言。
- 较强的语义表达能力
- 简单、清晰、易于用户理解
信息世界中的基本概念#
回忆：实体、属性、码；实体型、实体集、联系。
entity实体： 客观存在并可相互区别的事物称为实体。可以是具体的人、事、物或抽象的概念。Attribute属性： 实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。Key码：唯一标识实体的属性集Entity Type实体型：用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型Entity Set实体集：同一类型实体的集合称为实体集Relationship联系：- 现实世界中事物内部以及事物之间的联系 在信息世界中反映为 实体（型）内部的联系和实体（型）之间的联系。
- 实体内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系
实体-联系方法（E-R 方法， E-R 模型）#
画法：
例子：
逻辑模型#
- “多快好省”地转换信息世界到机器世界：
- “多”：支持多种数据结构和应用场景。
- “快”：高效地完成转换，减少时间和资源消耗。
- “好”：确保数据的准确性和完整性。
- “省”：节省存储空间和计算资源。
- 中立的通用表达方式
- 定义：不依赖于具体应用，提供一种通用的、抽象的数据表达方式。
- 特点：通用性强，灵活性高，效率可能较低
- 例子：
- 关系数据库
- JSON 格式：一种通用的数据交换格式，可以表示各种结构的数据（如数组、对象等），适用于多种编程语言和应用。
- 针对应用的高效表达方式
- 定义：根据具体应用需求，设计专门的数据结构，并在逻辑模型中高效支持。
- 特点：高效性，针对性强，扩展性差
- 例子：
- 面向对象编程（OOP）：为特定功能设计类。例如，设计一个“学生”类，包含属性（姓名、年龄、成绩）和方法（计算平均分、打印信息）。这种结构在管理学生信息时非常高效，但难以直接用于其他场景。
- 电商应用中的“订单”对象：包含订单号、购买商品、金额等属性，专门用于处理订单数据，效率高但仅适用于电商场景。
- 综合方案
- 定义：通用数据结构采用方案 1（中立表达），关键性数据结构采用方案 2（针对应用优化）。
分类#
格式化模型
Hierarchical Model层次模型：以树状结构组织数据，表示一对一或一对多的关系。Network Model网络模型：以网状结构组织数据，支持多对多的关系，但结构复杂。
非格式化模型
Relational Model关系模型：基于表格结构，通过行和列存储数据，支持复杂的查询操作。- 对象模型
Object Oriented Data Model面向对象数据模型：以对象和类为核心，支持继承和封装。Object Relational Data Model对象关系数据模型：结合对象模型和关系模型，支持复杂数据类型和关系操作。
关系模型#
1. 二维表结构#
数据逻辑结构是一张二维表，由行（元组）和列（属性）组成。
| 学号 | 姓名 | 年龄 | 性别 | 系名 | 年级 |
|---|---|---|---|---|---|
| 2013004 | 王小明 | 19 | 女 | 社会学 | 2013 |
| 2013006 | 黄大鹏 | 20 | 男 | 商品学 | 2013 |
| 2013008 | 张文斌 | 18 | 女 | 法律 | 2013 |
2. 基本概念：#
- 关系
Relation：一张表。 - 元组
Tuple：表中的一行。 - 属性
Attribute：表中的一列，有属性名。 - 主码
Key：能唯一确定一个元组的属性组。 - 域
Domain：属性的取值范围。 - 分量：元组中的一个属性值。
- 关系模式：对关系的描述，如“学生（学号，姓名，年龄，性别，系名，年级）”。
- 规范化：关系必须规范化，每个分量是不可分的数据项，不允许表中还有表。
3. 操作与完整性约束#
- 数据操作：集合操作，操作对象和结果都是关系；存取路径对用户隐蔽，用户只需指出“干什么”。
- 完整性约束：
- 实体完整性：确保每个实体（元组）可以通过主键唯一标识。例如，学生表中“学号”作为主键，每个学号必须唯一。
- 参照完整性：确保表之间的关系通过外键正确关联。例如，学生表的“系名”字段必须与系表中的“系名”匹配。
- 用户定义的完整性：根据用户需求定义的约束规则。例如，规定学生年龄必须大于 16 岁。
4. PROS/CONS#
➕
- 建立在严格数学基础上，概念单一。
- 实体和联系都用关系表示，检索结果也是关系。
- 存取路径对用户透明，数据独立性高，安全保密性好，简化开发工作。 ➖
- 查询效率不如格式化数据模型。
- 需对用户查询请求进行优化，增加了开发 DBMS 的难度。
以下是关于 NoSQL 的笔记，适当扩充并整理为简洁的 Markdown 格式：
NoSQL 数据库类型#
基于 Key-Value 存储模型
存储键值对，适合快速读写操作。例如，Redis通过键值对存储用户会话信息。基于文档模型
存储半结构化数据，通常以 JSON 或 BSON 格式。例如，MongoDB存储用户资料文档，包含姓名、年龄、地址等字段。列族模型
按列存储数据，适合大规模数据存储和分析。例如，Cassandra用于存储时间序列数据，按列族组织数据。基于图模型
用于存储和查询复杂关系数据。记为G(V, E)，其中V为节点集合，每个节点具有若干属性；E为边集合，边也可以具有属性。例如，Neo4j用于社交网络分析，节点表示用户，边表示用户之间的关系。
数据库系统的结构#
三级模式结构#
1. 模式（Schema）#
- 定义：数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述。
- 数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）
- 数据之间的联系
- 数据有关的安全性、完整性要求
- 特点：
- 是数据的“型”描述，不涉及具体值，反映数据的结构及其联系。
- 是相对稳定的，独立于数据的物理存储细节和硬件环境。（内模式）
- 与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关。（外模式）
- 示例：学生选课数据库模式包含学生记录、课程记录和学生选课记录。
2. 实例（Instance）#
- 定义：反映数据库某一时刻的状态，是模式的一个具体值。
- 特点：
- 同一个模式可以有多个实例。
- 实例随数据库中的数据更新而变动。
- 示例：
- 2012 年学生数据库实例：包含 2012 年所有学生记录、课程记录和选课记录。
- 2013 年学生数据库实例：包含 2013 年所有学生记录、课程记录和选课记录。
3. 外模式/子模式/用户模式（External Schema）#
- 定义：用户使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。
- 特点：
- 介于模式与应用之间，通常是模式的子集。
- 一个模式可以有多个外模式，反映不同用户的需求和数据保密要求。
- 同一外模式可以被多个应用系统使用，但一个应用只能使用一个外模式。
- 用途：保证数据库安全性，用户只能访问对应的外模式中的数据。
4. 内模式（Internal Schema）#
- 定义：数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。
- 内容：
- 记录的存储方式（如顺序存储、堆存储、hash 存储）。
- 索引的组织方式、数据是否压缩或加密。
- 数据存储记录结构的规定。
- 特点：一个数据库只有一个内模式。
5. 数据库的二级映像与数据独立性#
三级模式是对数据的三个抽象级别，二级映象在数据库管理系统内部实现这三个抽象层次的联系和转换。
外模式/模式映像：逻辑独立性#
每一个外模式，数据库系统都有一个外模式/模式映象（通常包含在各自外模式的描述中），定义外模式与模式之间的对应关系。
作用：保证数据逻辑独立性
- 当模式改变时，数据库管理员对外模式/模式映象作相应改变，使外模式保持不变。
- 应用程序是依据数据的外模式编写的，应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。
模式/内模式映像：物理独立性#
定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。例如，说明逻辑记录和字段在数据库内部是如何表示的，包括存储方式、索引组织、数据压缩等。
- 每个数据库只有一个模式/内模式映像。
- 映像定义通常包含在模式描述中。
作用：保证数据的物理独立性
- 当数据库的存储结构发生变化（如更换存储设备或优化存储结构）时，数据库管理员只需修改模式/内模式映像，而无需改变模式本身。
- 应用程序依赖于模式，而不是具体的存储结构。因此，即使存储结构改变，应用程序仍然可以正常运行，这就是数据与程序的物理独立性。
希望这份笔记能帮助你更好地理解模式/内模式映像的作用和意义。
6. 数据库的二级映像的作用#
- 稳定性：保证外模式和应用程序的稳定性，除非应用需求本身发生变化，否则应用程序无需修改。
- 独立性：数据与程序之间的独立性，使得数据定义可以从应用程序中分离，简化应用程序的编制和维护。
数据库系统的组成#
甲乙丙丁，开中药铺…
软硬件平台#
硬件#
对硬件资源的要求:
- 足够大的内存
- 足够大的磁盘或磁盘阵列等设备
- 较高的通道能力，提高数据传送率
软件#
- DBMS: 数据库管理系统
- 支持数据库管理系统运行的操作系统
- 与数据库接口的高级语言及其编译系统
- 以数据库管理系统为核心的应用开发工具
- 为特定应用环境开发的数据库应用系统
数据库系统的组成 - 人员#
数据库管理员（DBA）#
- 决定数据库中的信息内容和结构
- 决定数据库的存储结构和存取策略
- 定义数据的安全性要求和完整性约束条件
- 监控数据库的使用和运行
- 周期性转储数据库
- 数据文件
- 日志文件
- 系统故障恢复
- 介质故障恢复
- 监视审计文件
- 周期性转储数据库
- 数据库的改进和重组
- 性能监控和调优
- 定期对数据库进行重组，以提高系统的性能
- 需求增加和改变时，数据库需要重构造
系统分析员 / 数据库设计人员#
- 系统分析员
- 负责应用系统的需求分析和规范说明
- 与用户及数据库管理员结合，确定系统的硬软件配置
- 参与数据库系统的概要设计
- 数据库设计人员
- 参加用户需求调查和系统分析
- 确定数据库中的数据
- 设计数据库各级模式
应用程序员 / 最终用户#
- 应用程序员
- 设计和编写应用系统的程序模块。
- 进行调试和安装。
- 最终用户（End User）。最终用户通过应用系统的用户接口使用数据库。
- 偶然用户
- 不经常访问数据库，但每次访问数据库时往往需要不同的数据库信息
- 企业或组织机构的高中级管理人员
- 简单用户
- 主要工作是查询和更新数据库
- 银行的职员、机票预定人员、旅馆总台服务员
- 复杂用户
- 工程师、科学家、经济学家、科技工作者等
- 直接使用数据库语言访问数据库，甚至能够基于数据库管理系统的应用程序接口编制自己的应用程序
- 偶然用户
