2025年數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共10分）1.關于數(shù)據(jù)庫事務的ACID特性，以下描述正確的是：A.原子性（Atomicity）確保事務執(zhí)行后數(shù)據(jù)保持一致性狀態(tài)B.一致性（Consistency）要求事務的所有操作要么全部完成，要么全部不完成C.隔離性（Isolation）通過并發(fā)控制機制避免事務間的干擾D.持久性（Durability）保證事務在提交前對數(shù)據(jù)的修改可被回滾答案：C解析：原子性要求事務的原子性操作（全做或全不做），A錯誤；一致性是事務執(zhí)行前后數(shù)據(jù)庫從一個一致狀態(tài)到另一個一致狀態(tài)，B錯誤；持久性是事務提交后修改永久保存，D錯誤；隔離性通過鎖、時間戳等機制確保事務間互不干擾，C正確。2.以下關于索引的描述，錯誤的是：A.B+樹索引的葉子節(jié)點存儲數(shù)據(jù)記錄指針B.聚集索引決定了表中數(shù)據(jù)的物理存儲順序C.哈希索引適合范圍查詢（如“年齡>20”）D.覆蓋索引可以避免回表操作答案：C解析：哈希索引通過哈希函數(shù)將鍵映射到桶，適合等值查詢，范圍查詢需遍歷多個桶，效率低，C錯誤；B+樹葉子節(jié)點含數(shù)據(jù)指針（非聚集索引）或數(shù)據(jù)本身（聚集索引），A正確；聚集索引物理排序數(shù)據(jù)，B正確；覆蓋索引包含查詢所需所有列，無需回表，D正確。3.關系模式R（A,B,C,D），函數(shù)依賴集F={A→B,B→C,C→D}，則R的最高范式是：A.1NFB.2NFC.3NFD.BCNF答案：B解析：候選碼為A（A→B→C→D，A可決定所有屬性）。非主屬性B、C、D對候選碼A存在傳遞依賴（A→B→C→D），不滿足3NF（要求非主屬性不傳遞依賴于候選碼）；但所有非主屬性完全依賴于候選碼（無部分依賴），滿足2NF，故選B。4.數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制中，兩階段鎖協(xié)議（2PL）的“兩階段”指：A.加鎖階段和解鎖階段，且加鎖階段不允許解鎖，解鎖階段不允許加鎖B.讀鎖階段和寫鎖階段，讀鎖可共享，寫鎖需排他C.意向鎖階段和顯式鎖階段，意向鎖用于優(yōu)化鎖粒度D.強兩階段鎖和弱兩階段鎖，強兩階段鎖要求事務結束前不釋放任何鎖答案：A解析：兩階段鎖協(xié)議分為加鎖階段（只能加鎖，不能解鎖）和解鎖階段（只能解鎖，不能加鎖），A正確；B描述的是共享鎖與排他鎖的區(qū)別，C是鎖粒度優(yōu)化，D是強2PL的特性，均非“兩階段”定義。5.以下不屬于對象-關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（ORDBMS）特性的是：A.支持用戶自定義類型（UDT）B.支持繼承性（Inheritance）C.支持大對象（LOB）存儲（如BLOB、CLOB）D.嚴格遵循關系模型的第一范式（1NF）答案：D解析：ORDBMS在關系模型基礎上擴展，支持自定義類型、繼承、大對象等，允許非1NF的嵌套關系或數(shù)組類型，D錯誤；A、B、C均為ORDBMS特性。二、填空題（每題2分，共10分）1.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，用于存儲元數(shù)據(jù)（如表結構、索引信息）的文件稱為________。答案：數(shù)據(jù)字典（或系統(tǒng)目錄）2.關系代數(shù)中，從關系R中選取滿足條件σ的元組的操作稱為________。答案：選擇（σ操作）3.數(shù)據(jù)庫恢復技術中，記錄事務對數(shù)據(jù)修改前和修改后值的日志類型是________。答案：UNDO/REDO日志（或前后像日志）4.分布式數(shù)據(jù)庫中，用戶無需知道數(shù)據(jù)存儲的物理位置，這體現(xiàn)了________透明性。答案：位置（或分布）5.OLAP（聯(lián)機分析處理）的核心技術是________，用于多維度分析數(shù)據(jù)。答案：多維數(shù)據(jù)模型（或數(shù)據(jù)立方體）三、簡答題（每題8分，共40分）1.比較B樹與B+樹在數(shù)據(jù)庫索引中的應用差異。答：B樹與B+樹均為平衡多路搜索樹，但在數(shù)據(jù)庫索引中應用差異顯著：（1）結構差異：B樹的每個節(jié)點（包括內部節(jié)點）都存儲數(shù)據(jù)記錄指針；B+樹僅葉子節(jié)點存儲數(shù)據(jù)指針，內部節(jié)點僅存儲鍵值。（2）查詢效率：B+樹的葉子節(jié)點通過鏈表連接，支持范圍查詢時只需遍歷鏈表，效率高于B樹的多次隨機訪問；B樹的等值查詢可能在非葉子節(jié)點終止，而B+樹必須遍歷到葉子節(jié)點。（3）空間利用率：B+樹內部節(jié)點不存儲數(shù)據(jù)指針，可容納更多鍵值，減少樹的高度，降低I/O次數(shù)；B樹內部節(jié)點存儲指針，空間利用率較低。（4）應用場景：B+樹更適合數(shù)據(jù)庫索引（尤其范圍查詢），如MySQL的InnoDB引擎；B樹多用于文件系統(tǒng)索引。2.簡述存儲過程的優(yōu)點。答：存儲過程是預編譯的SQL語句集合，優(yōu)點包括：（1）提高性能：預編譯后執(zhí)行計劃緩存，減少重復編譯開銷；批量操作減少客戶端與服務器的交互次數(shù)。（2）增強安全性：通過權限控制存儲過程訪問，避免直接操作表；參數(shù)化輸入防止SQL注入。（3）復用性：封裝常用業(yè)務邏輯，供多個應用調用，降低代碼冗余。（4）事務控制：存儲過程中可統(tǒng)一管理事務（如BEGINTRANSACTION、COMMIT），確保業(yè)務邏輯的原子性。3.說明數(shù)據(jù)庫三級模式-兩級映射的作用。答：三級模式包括外模式（用戶視圖）、模式（邏輯模式）、內模式（物理存儲模式）；兩級映射是外模式/模式映射、模式/內模式映射。作用：（1）數(shù)據(jù)獨立性：外模式/模式映射保證邏輯獨立性（模式修改時，調整映射可保持外模式不變，用戶程序無需修改）；模式/內模式映射保證物理獨立性（內模式（如存儲結構）修改時，調整映射可保持模式不變）。（2）簡化用戶接口：用戶只需關注外模式，無需了解底層物理存儲細節(jié)。（3）安全性：外模式可定義不同用戶的視圖，限制數(shù)據(jù)訪問范圍，增強安全性。4.簡述ER模型轉換為關系模型的主要步驟。答：轉換步驟如下：（1）實體轉換：每個實體類型轉換為一個關系模式，實體的屬性作為關系的屬性，實體的主碼作為關系的主碼。（2）聯(lián)系轉換：-1:1聯(lián)系：可將任一實體的主碼加入另一實體的關系模式，或單獨建立關系模式（包含兩實體主碼及聯(lián)系屬性）。-1:n聯(lián)系：將“1”方的主碼加入“n”方的關系模式，作為外碼（若聯(lián)系有屬性，一并加入）。-m:n聯(lián)系：單獨建立關系模式，包含兩實體的主碼（作為聯(lián)合主碼）及聯(lián)系的屬性。（3）處理特殊情況：如弱實體（依賴于強實體存在）需將強實體的主碼作為外碼加入弱實體的關系模式，并與弱實體的屬性共同構成主碼。5.說明主碼與候選碼的區(qū)別與聯(lián)系。答：區(qū)別：（1）主碼是從候選碼中選定的一個，用于唯一標識元組；候選碼是能唯一標識元組的最小屬性集（無冗余）。（2）一個關系模式可能有多個候選碼，但主碼只能有一個（若多個候選碼，通常選最簡潔或常用的）。聯(lián)系：（1）主碼一定是候選碼，候選碼是主碼的候選對象。（2）主碼和候選碼都具有唯一性和最小性（不能移除任何屬性仍保持唯一標識）。四、設計題（20分）某高校擬開發(fā)學生選課管理系統(tǒng)，需求如下：-學生信息：學號（唯一）、姓名、性別、班級、入學時間；-課程信息：課程號（唯一）、課程名、學分、開課學期（如“2024-2025-1”）、授課教師；-選課關系：學生可選多門課程，一門課程可被多個學生選；需記錄選課時間、平時成績（0-100）、期末成績（0-100）、總評成績（平時×30%+期末×70%）。要求：（1）繪制系統(tǒng)的ER圖（需標注實體屬性、聯(lián)系類型及聯(lián)系屬性）；（2）將ER圖轉換為關系模式，注明主碼（PK）和外碼（FK）；（3）為提高“查詢某班級學生某學期所選課程的總評成績”的效率，設計合適的索引；（4）設計一個事務，實現(xiàn)學生退選課程的操作（需包含原子性控制）。答案：（1）ER圖設計：-實體“學生”：屬性{學號（PK），姓名，性別，班級，入學時間}；-實體“課程”：屬性{課程號（PK），課程名，學分，開課學期，授課教師}；-聯(lián)系“選課”（m:n）：屬性{選課時間，平時成績，期末成績，總評成績}，聯(lián)系類型為學生（m）-選課（n）-課程（n）。（2）關系模式轉換：-學生（學號，姓名，性別，班級，入學時間）PK：學號；-課程（課程號，課程名，學分，開課學期，授課教師）PK：課程號；-選課（學號，課程號，選課時間，平時成績，期末成績，總評成績）PK：（學號，課程號），F(xiàn)K：學號→學生.學號，課程號→課程.課程號。（3）索引設計：為提高“某班級學生某學期課程總評成績”的查詢效率，需快速定位班級、學期及關聯(lián)的選課記錄。建議：-在“學生”表的“班級”屬性上建立普通索引（加速按班級篩選學生）；-在“課程”表的“開課學期”屬性上建立普通索引（加速按學期篩選課程）；-在“選課”表上建立復合索引（學號，課程號）（覆蓋主碼，加速學生與課程的關聯(lián)查詢）；-或在“選課”表建立（學號，課程號，總評成績）的覆蓋索引，直接獲取總評成績，避免回表。（4）退選課程事務設計（以SQL偽代碼為例）：```sqlBEGINTRANSACTION;--1.檢查學生是否存在該選課記錄SELECT1FROM選課WHERE學號=?AND課程號=?FORUPDATE;--加排他鎖防止并發(fā)修改IFNOTEXISTSTHENROLLBACK;--無選課記錄，回滾RETURN'退選失?。何凑业竭x課記錄';ENDIF;--2.刪除選課記錄DELETEFROM選課WHERE學號=?AND課程號=?;--3.檢查刪除是否成功（可選）IFROW_COUNT()=0THENROLLBACK;RETURN'退選失?。簞h除異常';ENDIF;COMMIT;RETURN'退選成功';```事務通過BEGINTRANSACTION和COMMIT/ROLLBACK保證原子性，SELECT...FORUPDATE在第一步加鎖，防止其他事務同時修改該選課記錄，避免臟讀或丟失更新。五、綜合題（20分）某電商平臺需設計用戶行為分析數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，用戶行為包括瀏覽商品（點擊）、加入購物車（加購）、提交訂單（下單）、支付成功（支付）等。要求支持：-高并發(fā)寫入（每秒10萬+條行為記錄）；-多維度分析（如按用戶、商品、時間、地區(qū)統(tǒng)計點擊量、加購轉化率）；-歷史數(shù)據(jù)長期存儲（5年以上）；-故障恢復（單節(jié)點故障不影響服務）。請設計該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，需說明：（1）數(shù)據(jù)模型選擇及設計；（2）分布式存儲策略；（3）索引優(yōu)化方案；（4）并發(fā)控制機制；（5）容災與恢復方案。答案：（1）數(shù)據(jù)模型選擇及設計：用戶行為數(shù)據(jù)具有“量大、高并發(fā)、寫多讀多”特點，傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫（如MySQL）難以滿足性能要求。建議采用混合模型：-實時寫入層：使用列式數(shù)據(jù)庫（如ClickHouse）或寬表模型，將行為數(shù)據(jù)按“用戶ID、商品ID、行為類型、時間戳、地區(qū)、設備”等維度設計為寬表，支持快速寫入和多維查詢；-歷史歸檔層：使用分布式文件系統(tǒng)（如HDFS）或對象存儲（如S3）存儲冷數(shù)據(jù)，通過Hive或Spark進行離線分析；-元數(shù)據(jù)管理：使用關系型數(shù)據(jù)庫（如PostgreSQL）存儲維度表（用戶信息、商品信息、地區(qū)字典等），與行為事實表關聯(lián)。（2）分布式存儲策略：-分片（Sharding）：按“用戶ID”或“時間戳”哈希分片，將數(shù)據(jù)分散到多個節(jié)點，平衡負載；例如，以時間戳按月分片，每個分片存儲一個月的數(shù)據(jù)，便于歸檔和查詢。-副本機制：采用3副本策略（如HDFS的3副本），確保數(shù)據(jù)冗余；對于實時寫入的ClickHouse集群，使用ReplicatedMergeTree引擎，自動同步副本。-冷熱分離：近期數(shù)據(jù)（1年內）存儲在SSD集群，提供高讀寫性能；歷史數(shù)據(jù)（1年以上）遷移至HDD或對象存儲，降低成本。（3）索引優(yōu)化方案：-實時查詢索引：在ClickHouse中，對高頻查詢字段（如用戶ID、商品ID、時間戳）建立一級索引（按值范圍劃分數(shù)據(jù)塊），對地區(qū)、行為類型建立二級索引（字典編碼）；-預聚合索引：定期提供聚合表（如按小時統(tǒng)計各商品點擊量），存儲在OLAP數(shù)據(jù)庫中，避免實時計算大表；-全局二級索引（GSI）：對于跨分片查詢（如按商品ID統(tǒng)計全平臺點擊量），使用Elasticsearch建立全局索引，同步行為數(shù)據(jù)，支持快速檢索。（4）并發(fā)控制機制：-寫入并發(fā)：采用無鎖設計（如LSM樹結構，ClickHouse的MergeTree引擎），通過追加寫（Append-Only）避免鎖競爭；寫入時按批次提交（Batch），減少事務開銷；-讀取并發(fā)：使用MVCC（多版本并發(fā)控制），如ClickHouse的版本號機制，讀操作訪問歷史版本，寫操作提供新版本，避免讀寫阻塞；-沖突處理：對關鍵操作（如支付行為）使用分布式鎖（如RedisRedlock），確保同一訂單支付操作的原子性。（5）容災與恢復方案：