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2015公共基礎知識復習資料（5）
第四章 數據庫設計基礎
經過對部分考生的調查以及對近年真題的總結分析，筆試部分經常考查的是數據庫管理系統(tǒng)，數據庫基本特點，數據庫系統(tǒng)的三級模式及二級映射，E-R模型，關系模型和關系代數，讀者應對此部分進行重點學習。
詳細重點學習知識點：
1.數據的概念、數據庫管理系統(tǒng)提供的數據語言、數據管理員的主要工作、數據庫系統(tǒng)階段的特點、數據的物理獨立性及邏輯獨立性、數據統(tǒng)一管理與控制、三級模式及兩級映射的概念
2.數據模型3個描述內容、E-R模型的概念及其E-R圖表示法、關系操縱、關系模型三類數據約束
3.關系模型的基本操作、關系代數中的擴充運算
4.數據庫設計生命周期法的4個階段
4.1數據庫系統(tǒng)的基本概念
考點1 數據、數據庫、數據庫管理系統(tǒng)
考試鏈接：
考點1在筆試考試中，是一個經常考查的內容，在筆試考試中出現的機率為70%，主要是以選擇題的形式出現，分值為2分，此考點為重點識記內容，讀者還應該識記數據語言所包括的數據定義語言、數據操縱語言和數據控制語言。
數據是數據庫中存儲的基本對象，描述事物的符號記錄。
數據庫是長期儲存在計算機內、有組織的、可共享的大量數據的集合，它具有統(tǒng)一的結構形式并存放于統(tǒng)一的存儲介質內，是多種應用數據的集成，并可被各個應用程序所共享。
數據庫管理系統(tǒng)(DBMS，Database Management System)是數據庫的機構，它是一種系統(tǒng)軟件，負責數據庫中的數據組織、數據操作、數據維護、控制及保護和數據服務等。數據庫管理系統(tǒng)是數據系統(tǒng)的核心，主要有如下功能：數據模式定義、數據存取的物理構建、數據操縱、數據的完整性、安全性定義和檢查、數據庫的并發(fā)控制與故障恢復、數據的服務。
為完成數據庫管理系統(tǒng)的功能，數據庫管理系統(tǒng)提供相應的數據語言：數據定義語言、數據操縱語言、數據控制語言。
數據庫管理員的主要工作如下：數據庫設計、數據庫維護、改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)效率。
考點2 數據庫系統(tǒng)的發(fā)展
考試鏈接：
考點2在筆試考試中出現的機率為30%，主要是以選擇題的形式出現，分值為2分，此考點為識記內容，讀者還應該注意各個階段的特點。
數據管理技術的發(fā)展經歷了3個階段，見表4-1：
表4-1 各階段特點的詳細說明
考點3 數據庫系統(tǒng)的基本特點
考試鏈接：
考點3在筆試考試中出現的機率為30%，主要是以填空題的形式出現，分值為2分，此考點為識記內容，讀者還應該理解物理獨立性和邏輯獨立性的定義。
數據獨立性是數據與程序間的互不依賴性，即數據庫中的數據獨立于應用程序而不依賴于應用程序。
數據的獨立性一般分為物理獨立性與邏輯獨立性兩種。
(1)物理獨立性：指用戶的應用程序與存儲在磁盤上的數據庫中數據是相互獨立的。當數據的物理結構(包括存儲結構、存取方式等)改變時，如存儲設備的更換、物理存儲的更換、存取方式改變等，應用程序都不用改變。
(2)邏輯獨立性：指用戶的應用程序與數據庫的邏輯結構是相互獨立的。數據的邏輯結構改變了，如修改數據模式、增加新的數據類型、改變數據間聯(lián)系等，用戶程序都可以不變。
數據統(tǒng)一管理與控制主要包括以下3個方面：數據的完整性檢查、數據的安全性保護和并發(fā)控制。
考點4 數據庫系統(tǒng)的內部結構體系
考試鏈接：
考點4在筆試考試中出現的機率為30%，主要是以選擇題的形式出現，分值為2分，此考點為識記內容，讀者還應該理解三級模式及兩級映射的定義。
誤區(qū)警示：
一個數據庫只有一個概念模式。一個概念模式可以有若干個外模式。三級模式都有幾種名稱，讀者應該熟記每個模式的另一些名稱。
1.數據統(tǒng)系統(tǒng)的3級模式
(1)概念模式，也稱邏輯模式，是對數據庫系統(tǒng)中全局數據邏輯結構的描述，是全體用戶(應用)公共數據視圖。一個數據庫只有一個概念模式。
(2)外模式，外模式也稱子模式，它是數據庫用戶能夠看見和使用的局部數據的邏輯結構和特征的描述，它是由概念模式推導而出來的，是數據庫用戶的數據視圖，是與某一應用有關的數據的邏輯表示。一個概念模式可以有若干個外模式。
(3)內模式，內模式又稱物理模式，它給出了數據庫物理存儲結構與物理存取方法。
內模式處于最底層，它反映了數據在計算機物理結構中的實際存儲形式，概念模式處于中間層，它反映了設計者的數據全局邏輯要求，而外模式處于最外層，它反映了用戶對數據的要求。
小提示：內模式處于最底層，它反映了數據在計算機物理結構中的實際存儲形式，概念模式處于中間層，它反映了設計者的數據全局邏輯要求，而外模式處于最外層，它反映了用戶對數據的要求。
2.數據庫系統(tǒng)的兩級映射
兩級映射保證了數據庫系統(tǒng)中數據的獨立性。
(1)概念模式到內模式的映射。該映射給出了概念模式中數據的全局邏輯結構到數據的物理存儲結構間的對應關系;
(2)外模式到概念模式的映射。概念模式是一個全局模式而外模式是用戶的局部模式。一個概念模式中可以定義多個外模式，而每個外模式是概念模式的一個基本視圖。
疑難解答：數據庫應用系統(tǒng)的結構是什么樣的?
數據庫應用系統(tǒng)的7個部分以一定的邏輯層次結構方式組成一個有機的整體，它們的結構關系是：應用系統(tǒng)工、應用開發(fā)工具軟件、數據庫管理系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、硬件。
4.2數據模型
考點5 數據模型的基本概念
考試鏈接：
考點5在筆試考試中是一個經常考查的內容，出現的機率為70%，主要是以填空形式出現，分值為2分，此考點為重點識記內容，讀者應該識記數據模型的3個部分。
數據模型用來抽象、表示和處理現實世界中的數據和信息。分為兩個階段：把現實世界中的客觀對象抽象為概念模型;把概念模型轉換為某一DBMS支持的數據模型。
數據模型所描述的內容有3個部分，它們是數據結構、數據操作與數據約束。
考點6 E-R模型
考試鏈接：
考點6在筆試考試中出現的機率為30%，主要是以選擇題的形式出現，分值為4分，此考點為理解內容，讀者應該理解實體間三種函數關系，識記實體、屬性、聯(lián)系各用什么圖形來表示。
1.E-R模型的基本概念
(1)實體：現實世界中的事物可以抽象成為實體，實體是概念世界中的基本單位，它們是客觀存在的且又能相互區(qū)別的事物。
(2)屬性：現實世界中事物均有一些特性，這些特性可以用屬性來表示。
(3)碼：唯一標識實體的屬性集稱為碼。
(4)域：屬性的取值范圍稱為該屬性的域。
(5)聯(lián)系：在現實世界中事物間的關聯(lián)稱為聯(lián)系。
兩個實體集間的聯(lián)系實際上是實體集間的函數關系，這種函數關系可以有下面幾種：一對一的聯(lián)系、一對多或多對一聯(lián)系、多對多。
2.E-R模型的圖示法
E-R模型用E-R圖來表示。
(1)實體表示法：在E-R圖中用矩形表示實體集，在矩形內寫上該實體集的名字。
(2)屬性表示法：在E-R圖中用橢圓形表示屬性，在橢圓形內寫上該屬性的名稱。
(3)聯(lián)系表示法：在E-R圖中用菱形表示聯(lián)系，菱形內寫上聯(lián)系名。
考點7 層次模型
考試鏈接：
考點7在筆試考試中出現的機率為30%，主要是以選擇題的形式出現，分值為2分，此考點為識記內容，讀者應該理解層次模型的定義。它的基本結構是樹形結構。
滿足下面兩個條件的基本層次聯(lián)系的集合為層次模型。
(1)有且只有一個結點沒有雙親結點，這個結點稱為根結點;
(2)除根結點以外的其他結點有且僅有一個雙親結點。
考點8 關系模型
考試鏈接：
考點8筆試考試中，是一個經常考查的內容，在筆試考試中出現的機率為70%，主要是以選擇題的形式出現，分值為2分，此考點重點掌握為理解內容，讀者應該理解二維表的7個性質，識記三類數據約束。
誤區(qū)警示：
當對關系模型進行查詢運算，涉及到多種運算時，應當注意它們之間的先后順序，因為有可能進行投影運算時，把符合條件的記錄過濾，產生錯誤的結果。
關系模型采用二維表來表示，二維表一般滿足下面7個性質：
(1)二維表中元組個數是有限的--元組個數有限性;
(2)二維表中元組均不相同--元組的唯一性;
(3)二維表中元組的次序可以任意交換--元組的次序無關性;
(4)二維表中元組的分量是不可分割的基本數據項--元組分量的原子性;
(5)二維表中屬性名各不相同--屬性名唯一性;
(6)二維表中屬性與次序無關，可任意交換--屬性的次序無關性;
(7)二維表屬性的分量具有與該屬性相同的值域--分量值域的統(tǒng)一性。
在二維表中惟一標識元組的最小屬性值稱為該表的鍵或碼。二維表中可能有若干個健，它們稱為表的侯選碼或侯選健。從二維表的所有侯選鍵選取一個作為用戶使用的鍵稱為主鍵或主碼。表A中的某屬性集是某表B的鍵，則稱該屬性值為A的外鍵或外碼。
關系操縱：數據查詢、數據刪除、數據插入、數據修改。
關系模型允許定義三類數據約束，它們是實體完整性約束、參照完整性約束以及用戶定義的完整性約束。
小提示：關系模式采用二維表來表示，一個關系對應一張二維表。可以這么說，一個關系就是一個二維表，但是一個二維表不一定是一個關系。
疑難解答：E-R圖是如何向關系模式轉換的?
從E-R圖到關系模式的轉換是比較直接的，實體與聯(lián)系都可以表示成關系，E-R圖中屬性也可以轉換成關系的屬性。實體集也可以轉換成關系。
4.3關系代數
考點9 關系代數
考試鏈接：
考點9在筆試考試中出現的機率為30%，主要是以選擇題的形式出現，分值為2分，此考點重點掌握理解內容，讀者應該理解關系模型的基本操作以及關系代數的幾種運算。
誤區(qū)警示：
當對關系模型進行查詢運算，涉及到多種運算時，應當注意它們之間的先后順序，因為有可能進行投影運算時，把符合條件的記錄過濾，產生錯誤的結果。
1.關系模型的基本操作
關系模型的基本操作：插入、刪除、修改和查詢。
其中查詢包含如下運算：
①投影運算。從R中選擇出若干屬性列組成新的關系。
②選擇運算。選擇運算是一個一元運算，關系R通過選擇運算(并由該運算給出所選擇的邏輯條件)后仍為一個關系。設關系的邏輯條件為F，則R滿足F的選擇運算可寫成：σF(R)
③笛卡爾積運算。設有n元關系R及m元關系S，它們分別有p、q個元組，則關系R與S經笛卡爾積記為R×S，該關系是一個n+m元關系，元組個數是p×q，由R與S的有序組組合而成。
小提示：當關系模式進行笛卡爾積運算時，讀者應該注意運算后的結果是n+m元關系，元組個數是p×q，這是經常混淆的。
2.關系代數中的擴充運算
(1)交運算：關系R與S經交運算后所得到的關系是由那些既在R內又在S內的有序組所組成，記為R∩S。
(2)除運算
如果將笛卡爾積運算看作乘運算的話，除運算就是它的逆運算。當關系T=R×S時，則可將除運算寫成：T÷R=S或T/R=S
S稱為T除以R的商。除法運算不是基本運算，它可以由基本運算推導而出。
(3)連接與自然連接運算
連接運算又可稱為θ運算，這是一種二元運算，通過它可以將兩個關系合并成一個大關系。設有關系R、S以及比較式iθj，其中i為R中的域，j為S中的域，θ含義同前。則可以將R、S在域i，j上的θ連接記為：
R |×| S
iθj
在θ連接中如果θ為"="，就稱此連接為等值連接，否則稱為不等值連接;如θ為"<"時稱為小于連接;如θ為">"時稱為大于連接。
自然連接(natural join)是一種特殊的等值連接，它滿足下面的條件：
①兩關系間有公共域;
②通過公共域的等值進行連接。
設有關系R、S，R有域A1，A2，…，An，S有域B1，B2，…，Bm，并且，Ai1，Ai2，…，Aij，與B1，B2，…，Bj分別為相同域，此時它們自然連接可記為：
R|×|S
自然連接的含義可用下式表示：
R|×|S=πA1，A2，……An,Bj+1,……Bm(σAi1=B1^Ai2=B2^…^Aij=,Bj (R×S))
疑難解答：連接與自然連接的不同之處在什么?
一般的連接操作是從行的角度進行運算，但自然連接還需要取消重復列，所以是同時從行和列的角度進行運算。
4.4數據庫設計與管理
考點10 數據庫設計概述
考試鏈接：
考點10在筆試考試中出現的機率為30%，主要是以選擇題的形式出現，分值為2分，此考點為識記內容，讀者還應識記數據庫設計的前4個階段以及它們相應的任務。
數據庫設計中有兩種方法，面向數據的方法和面向過程的方法：
面向數據的方法是以信息需求為主，兼顧處理需求;面向過程的方法是以處理需求為主，兼顧信息需求。由于數據在系統(tǒng)中穩(wěn)定性高，數據已成為系統(tǒng)的核心，因此面向數據的設計方法已成為主流。
數據庫設計目前一般采用生命周期法，即將整個數據庫應用系統(tǒng)的開發(fā)分解成目標獨立的若干階段。它們是：需求分析階段、概念設計階段、邏輯設計階段、物理設計階段、編碼階段、測試階段、運行階段和進一步修改階段。在數據庫設計中采用前4個階段。
疑難解答：數據庫設計的前4個階段的成果分別是什么?
數據庫設計中一般采用前4個階段，它們的成果分別是需求說明書、概念數據模型、邏輯數據模型和數據庫內模式。
4.4 例題詳解
一、選擇題
【例1】對于數據庫系統(tǒng)，負責定義數據庫內容，決定存儲結構和存取策略及安全授權等工作的是_______。(考點1)
A)應用程序員 B)用戶
C)數據庫管理員 D)數據庫管理系統(tǒng)的軟件設計員
解析：數據庫管理員(簡稱DBA)，具有如下的職能：設計、定義數據庫系統(tǒng);幫助用戶使用數據庫系統(tǒng);監(jiān)督與控制數據庫系統(tǒng)的使用和運行;改進和重組數據庫系統(tǒng);轉儲和恢復數據庫;重構數據庫。所以，定義數據庫內容，決定存儲結構和存取策略及安全授權等是數據庫管理員(DBA)的職責。
答案：C)
【例2】在數據庫管理技術的發(fā)展過程中，經歷了人工管理階段、文件系統(tǒng)階段和數據庫系統(tǒng)階段。在這幾個階段中，數據獨立性最高的是_______。(考點2)
A)數據庫系統(tǒng) B)文件系統(tǒng)
C)人工管理 D)數據項管理
解析：在人工管理階段，數據無法共享，冗余度大，不獨立，完全依賴于程序。在文件系統(tǒng)階段，數據共享性差，冗余度大，獨立性也較差。所以B)選項和C)選項均是錯誤的。
答案：A)
【例3】在數據庫系統(tǒng)中，當總體邏輯結構改變時，通過改變_______，使局部邏輯結構不變，從而使建立在局部邏輯結構之上的應用程序也保持不變，稱之為數據和程序的邏輯獨立性。(考點3)
A)應用程序 B)邏輯結構和物理結構之間的映射
C)存儲結構 D)局部邏輯結構到總體邏輯結構的映射
解析：模式描述的是數據的全局邏輯結構，外模式描述的是數據的局部邏輯結構。當模式改變時，由數據庫管理員對外模式/模式映射做相應改變，可以使外模式保持不變。應用程序是依據數據的外模式編寫的，從而應用程序也不必改變。保證了數據與程序的邏輯獨立性，即數據的邏輯獨立性。
答案：D)
【例4】數據庫系統(tǒng)依靠_______支持數據的獨立性。(考點4)
A)具有封裝機制
B)定義完整性約束條件
C)模式分級，各級模式之間的映射
D)DDL語言和DML語言互相獨立
解析：。數據庫的三級模式結構指數據庫系統(tǒng)由外模式、模式和內模式3級構成。數據庫管理系統(tǒng)在這3級模式之間提供了兩層映射：外模式/模式映射，模式/內模式映射。這兩層映射保證了數據庫系統(tǒng)中的數據能夠具有較高的邏輯獨立性和物理獨立性。
答案：C)
【例5】將E-R圖轉換到關系模式時，實體與聯(lián)系都可以表示成_______。(考點6)
A) 屬性 B) 關系
C) 鍵 D) 域
解析：E-R圖由實體、實體的屬性和實體之間的聯(lián)系3個要素組成，關系模型的邏輯結構是一組關系模式的集合，將E-R圖轉換為關系模型：將實體、實體的屬性和實體之間的聯(lián)系轉化為關系模式。
答案：B)
【例6】用樹形結構來表示實體之間聯(lián)系的模型稱為_______。(考點7)
A)關系模型 B)層次模型
C)網狀模型 D)數據模型
解析：滿足下面兩個條件的基本層次聯(lián)系的集合為層次模型：
(1)有且只有一個結點沒有雙親結點，這個結點稱為根結點;
(2)根以外的其它結點有且僅有一個雙親結點。
層次模型的特點：
(1)結點的雙親是惟一的;
(2)只能直接處理一對多的實體聯(lián)系;
(3)每個記錄類型定義一個排序字段，也稱為碼字段;
(4)任何記錄值只有按其路徑查看時，才能顯出它的全部意義;
(5)沒有一個子女記錄值能夠脫離雙親記錄值而獨立存在。
答案：B)
【例7】對數據庫中的數據可以進行查詢、插入、刪除、修改(更新)，這是因為數據庫管理系統(tǒng)提供了_______。(考點8)
A) 數據定義功能 B) 數據操縱功能
C) 數據維護功能 D) 數據控制功能
解析：數據庫管理系統(tǒng)包括如下功能：
(1)數據定義功能：DBMS提供數據定義語言(DDL)，用戶可以通過它方便地對數據庫中的數據對象進行定義;
(2)數據操縱功能：DBMS還提供數據操作語言(DML)，用戶可以通過它操縱數據，實現對數據庫的基本操作，如查詢、插入、刪除和修改;
(3)數據庫的運行管理：數據庫在建立、運用和維護時由數據庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理，統(tǒng)一控制以保證數據的安全性、完整性、多用戶對數據的并發(fā)使用及發(fā)生故障后的系統(tǒng)恢復;
(4)數據庫的建立和維護功能：它包括數據庫初始數據的輸入、轉換功能，數據庫的轉儲、恢復功能，數據庫的重組、功能和性能監(jiān)視等等。
答案：B)
【例8】設關系R和關系S的屬性元數分別是3和4，關系T是R與S的笛卡兒積，即T=R×S，則關系T的屬性元數是_______(考點9)
A) 7 B) 9
C) 12 D) 16
解析：笛卡兒積的定義是設關系R和S的元數分別是r和s，R和S的笛卡兒積是一個(r+s)元屬性的集合，每一個元組的前r個分量來自R的一個元組，后s個分量來自s的一個元組。所以關系T的屬性元數是3+4=7。
答案：A)
【例9】下述_______不屬于數據庫設計的內容。(考點10)
A) 數據庫管理系統(tǒng) B) 數據庫概念結構
C) 數據庫邏輯結構 D) 數據庫物理結構
解析：數據庫設計是確定系統(tǒng)所需要的數據庫結構。數據庫設計包括概念設計、邏輯設計和建立數據庫(又稱物理設計)。
答案：A)
二、填空題
【例1】一個數據庫的數據模型至少應該包括以下3個組成部分，_______、數據操作和數據的完整性約束條件。(考點5)
解析：數據模型是嚴格定義的一組概念的集合。這些概念精確地描述了系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性和完整性約束條件。因此，數據模型通常由數據結構、數據操作和完整性約束3部分組成。其中，數據結構是對系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述，數據操作是對系統(tǒng)動態(tài)特性的描述，數據的完整性約束用以限定符合數據模型的數據庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證數據的正確性、有效性和相容性。
答案：數據結構
【例2】在關系數據模型中，二維表的列稱為屬性，二維表的行稱為_____。(考點8)
解析：一個關系是一張二維表。表中的行稱為元組，一行對應一個元組，一個元組對應存儲在文件中的一個記錄值。
答案：元組
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