考研專業(yè)課計(jì)算機(jī)科學(xué)2025年數(shù)據(jù)庫原理試卷（含答案）考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級(jí)模式結(jié)構(gòu)及其各自的作用。二、關(guān)系模型中，什么是函數(shù)依賴？舉例說明平凡函數(shù)依賴和非平凡函數(shù)依賴。關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論旨在解決什么問題？三、試述關(guān)系代數(shù)中的并（∪）、交（∩）、差（-）運(yùn)算的定義。請用關(guān)系代數(shù)的表達(dá)式表示：查詢選修了“數(shù)據(jù)庫原理”課程的學(xué)生姓名（假設(shè)學(xué)生信息存儲(chǔ)在S表，課程信息存儲(chǔ)在C表，選課信息存儲(chǔ)在SC表）。四、什么是SQL？請列舉SQL語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)查詢四大功能的核心語句，并簡要說明其作用。五、解釋數(shù)據(jù)庫事務(wù)的ACID特性。什么是并發(fā)控制？簡述數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中常用的兩種并發(fā)控制機(jī)制及其基本原理。六、在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中，E-R模型是一種重要的概念模型。請簡述從E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則。什么是數(shù)據(jù)庫范式？簡述第一范式（1NF）、第二范式（2NF）和第三范式（3NF）的定義及要求。七、假設(shè)有一個(gè)關(guān)系模式R(A,B,C,D)，其中A為主鍵。根據(jù)給定的函數(shù)依賴集F={A->B,B->C,C->D}，判斷R滿足第幾范式？若不滿足，請將其分解為滿足3NF的關(guān)系模式集合，并說明分解過程。八、索引是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中提高查詢效率的重要手段。請說明數(shù)據(jù)庫索引的基本原理及其主要類型（至少列舉三種）。使用索引可能帶來哪些負(fù)面影響？九、簡述數(shù)據(jù)庫恢復(fù)的基本目標(biāo)。在發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)，數(shù)據(jù)庫通常采用何種策略來保證數(shù)據(jù)的完整性？請簡述日志記錄在數(shù)據(jù)庫恢復(fù)中的作用。十、隨著數(shù)據(jù)量的不斷增長和應(yīng)用需求的多樣化，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。請簡述NoSQL數(shù)據(jù)庫的主要特點(diǎn)及其適用于解決哪些類型的問題。試卷答案一、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級(jí)模式結(jié)構(gòu)包括：1.外模式（ExternalSchema）：也稱子模式或用戶模式，是數(shù)據(jù)庫用戶（包括應(yīng)用程序員和最終用戶）能夠看見和使用的局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述。它是最接近用戶的一層，為不同的用戶視圖提供數(shù)據(jù)邏輯獨(dú)立性。2.模式（Schema）：也稱概念模式或邏輯模式，是數(shù)據(jù)庫中全部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。它定義了數(shù)據(jù)庫中所有的邏輯數(shù)據(jù)（如實(shí)體、屬性、實(shí)體間的聯(lián)系）以及相關(guān)的約束。3.內(nèi)模式（InternalSchema）：也稱存儲(chǔ)模式或物理模式，是數(shù)據(jù)庫內(nèi)部物理及存儲(chǔ)方面的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的存儲(chǔ)方式。它描述了數(shù)據(jù)在物理存儲(chǔ)介質(zhì)上的組織結(jié)構(gòu)，如文件結(jié)構(gòu)、索引等。二、函數(shù)依賴（FunctionalDependency,FD）是指關(guān)系模式R中屬性（或?qū)傩越M）之間的依賴關(guān)系。具體來說，如果在一個(gè)關(guān)系R中，對于屬性組X和Y，任意兩個(gè)元組t1和t2，若t1[X]=t2[X]，則必有t1[Y]=t2[Y]，則稱“X函數(shù)決定Y”或“Y函數(shù)依賴于X”，記作X->Y。*平凡函數(shù)依賴：如果Y本身包含在X中，即X->Y，且Y?X，那么稱這個(gè)函數(shù)依賴是平凡的。例如，在關(guān)系R(A,B,C)中，A->A是平凡的。*非平凡函數(shù)依賴：如果Y不包含在X中，即X->Y，且Y?X，那么稱這個(gè)函數(shù)依賴是非平凡的。例如，在關(guān)系R(A,B,C)中，A->B（假設(shè)A和B不同）是非平凡的。關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論旨在通過將數(shù)據(jù)庫模式分解為多個(gè)滿足特定規(guī)范化的關(guān)系模式，來消除數(shù)據(jù)冗余、減少數(shù)據(jù)更新異常、保證數(shù)據(jù)一致性，從而提高數(shù)據(jù)庫的性能和可維護(hù)性。三、*并（∪）：對于關(guān)系R和關(guān)系S，R∪S的結(jié)果是由R和S中所有元組組成的集合，相同的元組在結(jié)果中只出現(xiàn)一次。記作{t|t∈R∨t∈S}。*交（∩）：對于關(guān)系R和關(guān)系S，R∩S的結(jié)果是由R和S中所有相同的元組組成的集合。記作{t|t∈R∧t∈S}。*差（-）：對于關(guān)系R和關(guān)系S，R-S的結(jié)果是由屬于R但不屬于S的所有元組組成的集合。記作{t|t∈R∧t?S}。查詢選修了“數(shù)據(jù)庫原理”課程的學(xué)生姓名的SQL語句（假設(shè)課程編號(hào)為Cno，學(xué)生姓名為Sname）：```sqlSELECTDISTINCTSnameFROMS,SC,CWHERES.Sno=SC.SnoANDSC.Cno=C.CnoANDC.Cname='數(shù)據(jù)庫原理';```或者使用連接（JOIN）：```sqlSELECTDISTINCTS.SnameFROMSJOINSCONS.Sno=SC.SnoJOINCONSC.Cno=C.CnoWHEREC.Cname='數(shù)據(jù)庫原理';```關(guān)系代數(shù)表達(dá)式：π_Sname(σ_Cname='數(shù)據(jù)庫原理'(S?SC?C))或者π_Sname((S?SC)?(C?(σ_Cname='數(shù)據(jù)庫原理'(C))))（注意：π表示投影運(yùn)算，σ表示選擇運(yùn)算，?表示自然連接）四、SQL（StructuredQueryLanguage，結(jié)構(gòu)化查詢語言）是用于管理關(guān)系數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)編程語言。它被廣泛用于執(zhí)行各種數(shù)據(jù)庫操作。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定義（DDL）的核心語句：*`CREATE`:創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、表（關(guān)系）、索引、視圖、存儲(chǔ)過程、函數(shù)等。例如：`CREATETABLE`。*`ALTER`:修改數(shù)據(jù)庫、表（關(guān)系）、索引的結(jié)構(gòu)。例如：`ALTERTABLE`。*`DROP`:刪除數(shù)據(jù)庫、表（關(guān)系）、索引、視圖等。例如：`DROPTABLE`。作用：定義和修改數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)操縱（DML）的核心語句：*`SELECT`:查詢數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。這是最常用的DML語句。例如：`SELECT*FROMtable_name`。*`INSERT`:向表中插入新的數(shù)據(jù)行。例如：`INSERTINTOtable_name(col1,col2)VALUES(val1,val2)`。*`UPDATE`:修改表中已存在的數(shù)據(jù)。例如：`UPDATEtable_nameSETcol1=val1WHEREcondition`。*`DELETE`:從表中刪除數(shù)據(jù)行。例如：`DELETEFROMtable_nameWHEREcondition`。作用：對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行增、刪、改操作。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制（DCL）的核心語句：*`GRANT`:授予用戶特定的數(shù)據(jù)庫操作權(quán)限。例如：`GRANTSELECTONtable_nameTOuser_name`。*`REVOKE`:撤銷已授予用戶的數(shù)據(jù)庫操作權(quán)限。例如：`REVOKEINSERTONtable_nameFROMuser_name`。作用：控制用戶對數(shù)據(jù)庫對象的訪問權(quán)限。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢（DQL）的核心語句：*`SELECT`:(如上所述，SELECT也是DML的一部分，但主要功能是查詢，有時(shí)也被歸類為DQL的核心)。作用：從數(shù)據(jù)庫中檢索數(shù)據(jù)。五、數(shù)據(jù)庫事務(wù)（DatabaseTransaction）是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）執(zhí)行的一系列操作，被視為一個(gè)不可分割的工作單元。事務(wù)必須滿足ACID特性：*原子性（Atomicity）：事務(wù)是原子的，意味著它是一系列操作要么全部執(zhí)行成功，要么全部不執(zhí)行，不會(huì)停留在中間某個(gè)狀態(tài)。如果事務(wù)中的任何操作失敗，整個(gè)事務(wù)將回滾到初始狀態(tài)。*一致性（Consistency）：事務(wù)必須使數(shù)據(jù)庫從一個(gè)一致性狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)一致性狀態(tài)。事務(wù)執(zhí)行的結(jié)果必須符合所有的數(shù)據(jù)庫完整性約束。*隔離性（Isolation）：并發(fā)執(zhí)行的事務(wù)之間互不干擾。一個(gè)事務(wù)的執(zhí)行不能被其他并發(fā)事務(wù)的操作所干擾。在未提交的情況下，一個(gè)事務(wù)的中間結(jié)果對其他事務(wù)是不可見的（通常通過鎖機(jī)制或多版本并發(fā)控制MVCC實(shí)現(xiàn)）。*持久性（Durability）：一旦事務(wù)成功提交，它對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的改變就是永久性的。即使發(fā)生系統(tǒng)故障（如斷電、崩潰），事務(wù)的結(jié)果也不會(huì)丟失（通常通過日志記錄和檢查點(diǎn)機(jī)制實(shí)現(xiàn)）。并發(fā)控制（ConcurrencyControl）是指數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的用于處理多個(gè)并發(fā)事務(wù)訪問數(shù)據(jù)庫時(shí)，保證數(shù)據(jù)庫一致性的一系列技術(shù)。目的是防止并發(fā)事務(wù)相互干擾，導(dǎo)致出現(xiàn)不一致的狀態(tài)。*鎖機(jī)制（LockingMechanism）：最常用的并發(fā)控制方法。事務(wù)在訪問數(shù)據(jù)前必須先獲取相應(yīng)的鎖，訪問完成后釋放鎖。常見的鎖有共享鎖（讀鎖）和排他鎖（寫鎖）。鎖協(xié)議（如兩階段鎖協(xié)議2PL）規(guī)定了事務(wù)獲取和釋放鎖的規(guī)則，以防止并發(fā)問題（如丟失更新、不一致讀、串行化）。缺點(diǎn)是可能導(dǎo)致死鎖。*時(shí)間戳機(jī)制（TimestampOrdering/Timestamping）：為每個(gè)事務(wù)和每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)分配一個(gè)時(shí)間戳（創(chuàng)建時(shí)間或最后訪問時(shí)間）。并發(fā)控制規(guī)則基于時(shí)間戳的大小。常見的方法有：強(qiáng)制方法（不允許并發(fā)的讀寫）、樂觀方法（讀時(shí)不加鎖，只寫時(shí)檢查沖突，沖突則回滾）。優(yōu)點(diǎn)是不需要鎖，開銷較??；缺點(diǎn)是可能需要大量回滾，性能不一定好。六、E-R模型（Entity-RelationshipModel，實(shí)體-聯(lián)系模型）向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則：1.實(shí)體集（EntitySet）轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式：一個(gè)實(shí)體集轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式，實(shí)體集的屬性成為關(guān)系模式的屬性，實(shí)體集的主鍵成為關(guān)系模式的主鍵。2.聯(lián)系（Relationship）轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式：一個(gè)聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式。*1:1聯(lián)系：轉(zhuǎn)換為一個(gè)獨(dú)立的關(guān)系模式，包含參與該聯(lián)系的各實(shí)體集的主鍵以及聯(lián)系本身的屬性（如果有）。兩個(gè)實(shí)體集的主鍵都作為該關(guān)系模式的候選鍵。*1:N聯(lián)系：轉(zhuǎn)換為“N”端實(shí)體集所對應(yīng)的關(guān)系模式。將“1”端實(shí)體集的主鍵作為外鍵添加到“N”端關(guān)系模式中。*M:N聯(lián)系：轉(zhuǎn)換為一個(gè)獨(dú)立的關(guān)系模式，包含參與該聯(lián)系的各實(shí)體集的主鍵的組合作為該關(guān)系模式的主鍵（或候選鍵）。各實(shí)體集的主鍵也作為外鍵添加到該關(guān)系模式中。數(shù)據(jù)庫范式（DatabaseNormalForms,NFs）是關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論中用于評價(jià)關(guān)系模式結(jié)構(gòu)“好壞”的標(biāo)準(zhǔn)。目的是減少數(shù)據(jù)冗余和更新異常。*第一范式（1NF）：對關(guān)系模式R中的每個(gè)關(guān)系（元組），其所有屬性的值域都是原子值（AtomicValue）。即每個(gè)屬性中的值都是不可再分的。這是關(guān)系模型的基礎(chǔ)要求。*第二范式（2NF）：關(guān)系R必須滿足1NF，并且R中非主屬性（非鍵屬性）必須完全函數(shù)依賴于R的所有主鍵（即對于每個(gè)非主屬性Y，都有X->Y，其中X是包含Y的所有候選鍵的屬性集）。2NF消除了非主屬性對部分主鍵的依賴。*第三范式（3NF）：關(guān)系R必須滿足2NF，并且R中非主屬性之間不存在函數(shù)依賴（即對于任何非主屬性Y1和Y2，以及任何候選鍵X，如果X->Y1且X->Y2，則Y1和Y2之間不存在函數(shù)依賴Y1->Y2或Y2->Y1）。3NF消除了非主屬性之間的傳遞依賴。七、關(guān)系模式R(A,B,C,D)，主鍵為A。根據(jù)函數(shù)依賴集F={A->B,B->C,C->D}。判斷R滿足第幾范式：1.檢查1NF：所有屬性（A,B,C,D）都是原子值，滿足1NF。2.檢查2NF：非主屬性（B,C,D）是否完全函數(shù)依賴于主鍵A？*A->B(是)*A->C(通過A->B,B->C間接成立)*A->D(通過A->B,B->C,C->D間接成立)由于所有非主屬性都依賴于整個(gè)主鍵A，因此R滿足2NF。3.檢查3NF：非主屬性之間是否存在函數(shù)依賴？*B,C,D都不是主屬性。*檢查B和C：A->B,A->C，但B->C不成立（B的值不同，C的值可能不同），所以不存在B->C。*檢查B和D：A->B,A->D，但B->D不成立（B的值不同，D的值可能不同），所以不存在B->D。*檢查C和D：A->C,A->D，但C->D不成立（C的值不同，D的值可能不同），所以不存在C->D。由于非主屬性之間不存在函數(shù)依賴，因此R滿足3NF。結(jié)論：R滿足第三范式（3NF）。分解為滿足3NF的關(guān)系模式集合：由于R已經(jīng)是3NF，且不存在冗余的函數(shù)依賴，所以無需分解。如果F包含冗余依賴，例如F={A->B,B->C,C->D,B->D}，則需要分解：1.R1(A,B,C)，依賴A->B,A->C,B->D(因?yàn)锳->B,A->C已經(jīng)包含在R1中，B->D是非主屬性間的傳遞依賴，應(yīng)在R1中顯式表示或視為冗余)2.R2(B,D)，依賴B->D但通常要求每個(gè)關(guān)系模式只包含一個(gè)函數(shù)依賴，并且該依賴的左部是候選鍵。更好的分解是：1.R1(A,B)，依賴A->B2.R2(A,C)，依賴A->C3.R3(B,D)，依賴B->D（注意：這種分解可能引入冗余，如R1(A,B)+R2(A,C)+R3(B,D)可以重建原關(guān)系，但這滿足3NF分解的要求，每個(gè)關(guān)系模式的主屬性是候選鍵，且非主屬性僅函數(shù)依賴于主屬性）。在本題F={A->B,B->C,C->D}的情況下，R(A,B,C,D)本身已滿足3NF，無需進(jìn)一步分解。八、數(shù)據(jù)庫索引（DatabaseIndex）是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為了提高數(shù)據(jù)檢索速度而創(chuàng)建的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（通常是B+樹、哈希表等），它包含（鍵值、數(shù)據(jù)記錄指針等）信息，通過這些信息可以快速定位到存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)記錄。其基本原理是：索引根據(jù)表中某個(gè)或某些列（索引鍵）的值進(jìn)行排序或組織，使得查找特定值的記錄時(shí)，可以避免掃描整個(gè)表，而只需要在索引結(jié)構(gòu)中查找，從而大大加快查找速度。數(shù)據(jù)庫索引的主要類型：1.聚集索引（ClusteredIndex）：索引的順序決定了表中數(shù)據(jù)物理存儲(chǔ)的順序。一個(gè)表只能有一個(gè)聚集索引。通常由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)自動(dòng)為包含主鍵的列創(chuàng)建。2.非聚集索引（Non-clusteredIndex）：索引的順序與表中數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)順序無關(guān)。一個(gè)表可以有多個(gè)非聚集索引。非聚集索引通常包含索引鍵值和指向表中實(shí)際數(shù)據(jù)記錄的指針。3.唯一索引（UniqueIndex）：索引鍵值必須唯一，不能有重復(fù)值。它強(qiáng)制數(shù)據(jù)的唯一性約束。4.復(fù)合索引（CompositeIndex）：索引基于多個(gè)列的組合。查詢中同時(shí)使用這些列作為條件時(shí)，復(fù)合索引非常有效。5.哈希索引（HashIndex）：使用哈希函數(shù)將索引鍵值映射到索引結(jié)構(gòu)中的特定位置。適用于等值查詢（=操作符）。6.全文索引（Full-textIndex）：用于對文本內(nèi)容進(jìn)行搜索，可以查找包含特定詞語或短語的記錄。使用索引可能帶來的負(fù)面影響：1.增加存儲(chǔ)空間：索引本身需要占用額外的磁盤空間。2.降低寫操作性能：插入、刪除、更新索引列的數(shù)據(jù)時(shí)，不僅需要修改數(shù)據(jù)行，還需要同時(shí)更新索引結(jié)構(gòu)，這增加了寫操作的開銷和耗時(shí)。3.增加查詢開銷（維護(hù)成本）：數(shù)據(jù)庫表的數(shù)據(jù)變更（INSERT,UPDATE,DELETE）時(shí)，索引需要被維護(hù)（重建或重新平衡），這會(huì)消耗額外的CPU和I/O資源。4.選擇不當(dāng)?shù)乃饕喝绻麨椴唤?jīng)常用于查詢條件或排序的列創(chuàng)建索引，或者創(chuàng)建了過多不必要的索引，會(huì)增加維護(hù)成本，且可能無法有效提升查詢性能。5.索引失效：在某些情況下（如使用函數(shù)處理索引列、查詢條件中使用OR連接多個(gè)索引列、數(shù)據(jù)類型不匹配等），SQL查詢可能無法使用索引，導(dǎo)致查詢性能下降。九、數(shù)據(jù)庫恢復(fù)（DatabaseRecovery）的基本目標(biāo)是：在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)生故障（如硬件故障、軟件錯(cuò)誤、操作失誤等）導(dǎo)致運(yùn)行事務(wù)中斷或數(shù)據(jù)庫損壞時(shí)，能夠?qū)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)恢復(fù)到故障前某個(gè)一致的狀態(tài)（通常是事務(wù)提交前的狀態(tài)），并確保所有已提交的事務(wù)結(jié)果得以保留。在發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)，數(shù)據(jù)庫通常采用日志記錄（Logging）和檢查點(diǎn)（Checkpointing）等策略來保證數(shù)據(jù)的完整性。*日志記錄：DBMS使用日志文件記錄所有對數(shù)據(jù)庫的更改（包括事務(wù)的開始、結(jié)束、對數(shù)據(jù)塊的讀取、寫入和修改等操作）。日志記錄是實(shí)現(xiàn)原子性和持久性的關(guān)鍵。在故障發(fā)生時(shí)，通過重放（Redo）日志記錄來恢復(fù)已提交但尚未寫入磁盤的數(shù)據(jù)更改，通過撤銷（Undo）日志記錄來中止未提交的事務(wù)，恢復(fù)數(shù)據(jù)庫的一致性。*檢查點(diǎn)（Checkpoint）：定期創(chuàng)建檢查點(diǎn)，記錄某個(gè)時(shí)間點(diǎn)所有已提交事務(wù)的結(jié)束標(biāo)記。檢查點(diǎn)的主要目的是減少故障恢復(fù)時(shí)需要重做（Redo）的數(shù)據(jù)量，加快恢復(fù)速度?；謴?fù)時(shí)，系統(tǒng)從最近的檢查點(diǎn)開始，只需重做檢查點(diǎn)之后日志記錄中的事務(wù)更改，而無需重做檢查點(diǎn)之前已提交事務(wù)的更改。十、隨著數(shù)據(jù)量的不斷增長和應(yīng)用需求的多樣化（如