數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)與應(yīng)用形成性考核冊(答案)一、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述1.數(shù)據(jù)庫（DB）是長期存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)、有組織的、可共享的大量數(shù)據(jù)的集合，其特點(diǎn)包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、高共享低冗余、獨(dú)立性高、由DBMS統(tǒng)一管理。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（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，主要功能包括數(shù)據(jù)定義（DDL）、數(shù)據(jù)操縱（DML）、數(shù)據(jù)庫運(yùn)行管理（安全性、完整性、并發(fā)控制、恢復(fù)）、數(shù)據(jù)組織存儲與管理、數(shù)據(jù)庫建立與維護(hù)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DBS）由數(shù)據(jù)庫、DBMS、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員（DBA）和用戶組成。2.數(shù)據(jù)管理技術(shù)經(jīng)歷了人工管理、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三個(gè)階段。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段的優(yōu)勢在于：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化（整體結(jié)構(gòu)化，不僅描述數(shù)據(jù)本身，還描述數(shù)據(jù)間聯(lián)系）、數(shù)據(jù)共享性高（多用戶、多應(yīng)用共享）、數(shù)據(jù)冗余度低（易修改和維護(hù)）、數(shù)據(jù)獨(dú)立性高（物理獨(dú)立性：內(nèi)模式改變，模式無需改變；邏輯獨(dú)立性：模式改變，外模式和應(yīng)用程序無需改變）、數(shù)據(jù)由DBMS統(tǒng)一控制（安全性、完整性、并發(fā)控制、恢復(fù)）。二、數(shù)據(jù)模型1.數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)特征的抽象，分為概念模型（如ER模型）和邏輯模型（如層次、網(wǎng)狀、關(guān)系模型）。概念模型的核心要素包括實(shí)體（客觀存在并可相互區(qū)分的事物）、屬性（實(shí)體的特征）、聯(lián)系（實(shí)體間的關(guān)聯(lián)，分為1:1、1:n、m:n）。2.關(guān)系模型是當(dāng)前主流的邏輯模型，其基本術(shù)語包括：關(guān)系（一張二維表）、元組（表中的一行，對應(yīng)一條記錄）、屬性（表中的一列，對應(yīng)字段）、域（屬性的取值范圍）、候選鍵（能唯一標(biāo)識元組的屬性或?qū)傩越M）、主鍵（選定的一個(gè)候選鍵）、外鍵（一個(gè)關(guān)系中的屬性或?qū)傩越M，引用另一個(gè)關(guān)系的主鍵）。關(guān)系的完整性約束包括：實(shí)體完整性：主鍵值非空且唯一（如學(xué)生表的學(xué)號）；參照完整性：外鍵值要么是被參照表中存在的主鍵值，要么為空（如選課表的學(xué)號必須存在于學(xué)生表中）；用戶定義完整性：針對具體應(yīng)用的約束（如成績字段取值范圍0100）。三、關(guān)系代數(shù)與SQL基礎(chǔ)1.關(guān)系代數(shù)的基本操作包括：傳統(tǒng)集合運(yùn)算：并（∪，兩關(guān)系結(jié)構(gòu)相同，結(jié)果包含所有元組）、差（，屬于R但不屬于S的元組）、交（∩，同時(shí)屬于R和S的元組）、笛卡爾積（×，R的每個(gè)元組與S的每個(gè)元組組合）；專門關(guān)系運(yùn)算：選擇（σ，按條件篩選元組，如σSdept='CS'(Student)）、投影（π，選擇屬性列，如πSname,Sage(Student)）、連接（?，按條件連接兩關(guān)系，如自然連接去除重復(fù)屬性）、除（÷，求包含所有相關(guān)元組的元組）。2.SQL（結(jié)構(gòu)化查詢語言）是關(guān)系數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)語言，分為：DDL（數(shù)據(jù)定義）：CREATE（創(chuàng)建）、ALTER（修改）、DROP（刪除）；DML（數(shù)據(jù)操縱）：INSERT（插入）、UPDATE（更新）、DELETE（刪除）；DQL（數(shù)據(jù)查詢）：SELECT（查詢）；DCL（數(shù)據(jù)控制）：GRANT（授權(quán)）、REVOKE（收回權(quán)限）。四、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)1.數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的步驟包括：需求分析：通過調(diào)查、訪談收集用戶對數(shù)據(jù)和功能的需求，形成數(shù)據(jù)流圖（DFD）和數(shù)據(jù)字典（DD）；概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：用ER圖描述概念模型，包括實(shí)體、屬性、聯(lián)系（如學(xué)生實(shí)體與課程實(shí)體通過“選課”聯(lián)系連接，聯(lián)系屬性為成績）；邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：將ER圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型，規(guī)則為：實(shí)體轉(zhuǎn)換為表（屬性為列，主鍵為實(shí)體的主鍵）；1:1聯(lián)系可合并到任一實(shí)體表或單獨(dú)成表；1:n聯(lián)系合并到n端實(shí)體表（添加1端主鍵作為外鍵）；m:n聯(lián)系單獨(dú)成表（主鍵為兩端主鍵的組合，外鍵分別引用兩端主鍵）；物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：確定數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)（如文件組織方式、索引設(shè)計(jì)）、存取方法（如B+樹索引）、參數(shù)配置（如頁大?。粩?shù)據(jù)庫實(shí)施：編寫SQL語句創(chuàng)建表、索引，導(dǎo)入數(shù)據(jù)，開發(fā)應(yīng)用程序；運(yùn)行維護(hù)：監(jiān)控性能、備份恢復(fù)、調(diào)整優(yōu)化（如添加索引、重構(gòu)表）。2.規(guī)范化理論用于消除關(guān)系模式中的冗余和異常（插入、刪除、更新異常），主要范式包括：1NF：屬性不可再分（如“聯(lián)系方式”不能同時(shí)包含電話和郵箱，需拆分為“電話”“郵箱”）；2NF：在1NF基礎(chǔ)上，消除非主屬性對候選鍵的部分依賴（如關(guān)系模式SLC(Sno,Sdept,Sloc,Cno,Grade)，候選鍵為(Sno,Cno)，Sdept部分依賴于Sno，需分解為SC(Sno,Cno,Grade)和SL(Sno,Sdept,Sloc)）；3NF：在2NF基礎(chǔ)上，消除非主屬性對候選鍵的傳遞依賴（如SL(Sno,Sdept,Sloc)中，Sdept→Sloc，Sno→Sdept→Sloc，存在傳遞依賴，需分解為SD(Sno,Sdept)和DL(Sdept,Sloc)）；BCNF：在3NF基礎(chǔ)上，消除主屬性對候選鍵的部分或傳遞依賴（如關(guān)系模式STJ(S,T,J)，候選鍵為(S,J)和(T,J)，若存在T→J，則主屬性T部分依賴于候選鍵(S,J)，需分解為SJ(S,J,T)和TJ(T,J)）。五、SQL高級應(yīng)用1.索引：用于提高查詢效率，分為主鍵索引（自動創(chuàng)建，唯一）、唯一索引（保證列值唯一）、普通索引（無唯一性約束）。創(chuàng)建索引的語句為：CREATEINDEX索引名ON表名(列名)；刪除索引為DROPINDEX索引名。2.視圖：虛擬表，基于基本表或其他視圖，不存儲數(shù)據(jù)。作用包括簡化查詢（如將常用的多表連接查詢定義為視圖）、提供安全機(jī)制（限制用戶只能訪問視圖中的數(shù)據(jù)）。創(chuàng)建視圖的語句為：CREATEVIEW視圖名ASSELECT列名FROM表名WHERE條件；刪除視圖為DROPVIEW視圖名。3.事務(wù)：用戶定義的一個(gè)數(shù)據(jù)庫操作序列，要么全部執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行。事務(wù)的ACID特性包括：原子性（Atomicity）：事務(wù)是不可分割的最小單位；一致性（Consistency）：事務(wù)執(zhí)行前后數(shù)據(jù)庫狀態(tài)一致；隔離性（Isolation）：多個(gè)事務(wù)并發(fā)執(zhí)行時(shí)互不干擾；持久性（Durability）：事務(wù)提交后結(jié)果永久保存。4.并發(fā)控制：解決多個(gè)事務(wù)同時(shí)操作數(shù)據(jù)庫時(shí)的沖突（丟失修改、不可重復(fù)讀、讀“臟”數(shù)據(jù)），通過鎖機(jī)制（共享鎖S、排他鎖X）和隔離級別（讀未提交、讀已提交、可重復(fù)讀、可串行化）實(shí)現(xiàn)。六、數(shù)據(jù)庫安全與維護(hù)1.安全性控制：通過用戶認(rèn)證（用戶名+密碼）、權(quán)限管理（GRANTSELECTON表名TO用戶）、角色（一組權(quán)限的集合）、審計(jì)（記錄用戶操作）等措施保護(hù)數(shù)據(jù)。2.完整性控制：通過約束（CHECK、UNIQUE、PRIMARYKEY、FOREIGNKEY）、觸發(fā)器（TRIGGER，在INSERT/UPDATE/DELETE時(shí)自動執(zhí)行）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正確性。3.備份與恢復(fù)：備份方法包括冷備份（數(shù)據(jù)庫關(guān)閉時(shí)備份）、熱備份（數(shù)據(jù)庫運(yùn)行時(shí)備份）、日志備份（記錄所有事務(wù)操作）。恢復(fù)時(shí)使用備份文件和日志文件將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到故障前狀態(tài)。七、綜合應(yīng)用題示例假設(shè)某學(xué)校需設(shè)計(jì)“學(xué)生選課管理系統(tǒng)”，涉及的實(shí)體有學(xué)生（學(xué)號、姓名、性別、年齡、所在系）、課程（課程號、課程名、學(xué)分）、教師（教師號、姓名、職稱、所在系），聯(lián)系包括：學(xué)生選課（一門課可被多個(gè)學(xué)生選，一個(gè)學(xué)生可選多門課，成績）；教師授課（一門課由一位教師授課，一位教師可授多門課）。1.繪制ER圖：實(shí)體：學(xué)生（Sno,Sname,Ssex,Sage,Sdept）、課程（Cno,Cname,Ccredit）、教師（Tno,Tname,Ttitle,Tdept）；聯(lián)系：“選課”（Sno,Cno,Grade），m:n；“授課”（Tno,Cno），1:n（教師→課程）；標(biāo)注聯(lián)系類型：學(xué)生選課課程（m:n），教師授課課程（1:n）。2.將ER圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型：學(xué)生表：Student(Sno,Sname,Ssex,Sage,Sdept)，主鍵Sno；課程表：Course(Cno,Cname,Ccredit,Tno)，主鍵Cno，外鍵Tno引用Teacher(Tno)；教師表：Teacher(Tno,Tname,Ttitle,Tdept)，主鍵Tno；選課表：SC(Sno,Cno,Grade)，主鍵(Sno,Cno)，外鍵Sno引用Student(Sno)，外鍵Cno引用Course(Cno)。3.編寫SQL語句：查詢“計(jì)算機(jī)系”（CS）所有女生的姓名和年齡：SELECTSname,SageFROMStudentWHERESdept='CS'ANDSsex='女';查詢“數(shù)據(jù)庫原理”課程的平均成績（假設(shè)課程名為'數(shù)據(jù)庫原理'）：SELECTAVG(Grade)FROMSC,CourseWHERESC.Cno=Course.CnoANDCourse.Cname='數(shù)據(jù)庫原理';為教師表的“職稱”列創(chuàng)建索引：CREATEINDEXidx_TtitleONTeacher(Ttitle);