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常用数据库体系结构与设计模式
2023-04-17 16:08:16 92阅读
1.数据库模式
数据库体系结构分为 三级模式 + 两层映射关系，如下图
对于我们程序员/用户来说，我们看到的是数据库的用户视图，在外模式这个层，其数据来源是概念模式，所以有一个外模式-概念模式的映射（保证了逻辑独立性，即外部应用程序与概念模式中的基本表相互独立，如果有一方有变动，只需要修改映射表即可）
概念模式（又叫逻辑模式，简称模式），是数据库的核心，存储着基本表，包含了所有数据的逻辑结构和特征描述，基本表的内容映射了底层的文件，因此有 概念模式-内模式映射（保证了物理独立性，即内模式的物理程序发生变化的时候，应用程序也不需要发生变化，比如应用迁移的时候不需要改数据库，只要改映射即可）
内模式（又叫存储模式/物理模式）对应的是基本的存储文件
如果为关系型数据库，我们创建的都为关系表，关系表有三种类型：
- 基本关系（通常又称为基本表/基表）：实际存在的表，存储数据的逻辑表示，比如执行创建sql出来的表
- 查询表：查询结果对应的表，即执行查询语句之后查出来的表
- 视图表：由基表或其他视图表导出的表，本身不独立存储，数据库只存放他的定义，因此也叫虚表
数据库的视图：虚表，它的内容由查询来定义（仅保存sql查询语句），视图除了没有真实的存储这些数据（动态生成所需要的数据）之外，都跟真实的表一样（但是性能上看不是很好）
视图的优点：
- 简化用户操作
- 用户得以从多种角度看待统一数据
- 对重构数据库提供了一定程度的逻辑独立性（只需要修改视图和概念模式之间的映射关系即可）
- 对机密数据提供安全保护（视图只读不可写）
如果视图存了下来，他就叫做物化视图，且原始表中的数据更新，物化视图也会更新（但更新太多了就影响性能了，因此它只适合多查询、少更新的情况）
2.分布式数据库
分布式是对应集中式来说的，集中式数据库就是把数据放在一台机子上，但分布式数据库会放在不同的物理节点上，因此访问数据的时候就可以优先请求临近的节点，效率有所提升，也起到了一定的备份作用
分布式数据库的四大特性：
- 数据独立性：除了数据的逻辑独立性（外部应用程序与概念模式中的基本表相互独立）和物理独立性（内模式的物理程序发生变化的时候，应用程序也不需要发生变化）外，还有分布独立性（分布透明性），即无论数据是怎么存的存在哪，我们都不需要修改应用程序
- 集中于自治共享结合的控制结构：在局部的数据库节点上有局部的管理系统（DBMS），具有自治的功能；并且系统有集中控制机制，用来协调各个DBMS的工作，执行全局应用
- 适当增加数据冗余度：提高了系统的可靠性和可用性（数据/节点有灾备），同时也能提高系统性能
- 全局一致性、可串行性、可恢复性
分部署数据库层次，一方面是有了全局和局部的区别（全局概念模式体现了数据的整体逻辑结构），另一方面是有了分片模式和分布模式
- 分片模式：将一个数据库来进行分片，有垂直分片、水平分片、混合分片等
- 分布模式：分片之后这些东西放置在哪个具体的节点，就由分布模式决定并放在某一个局部上
因此我们就有全局的DBMS、局部的DBMS，分布称为LDBMS、GBDMS，加起来我们称为DDBMS
分片的本质就是把一大堆数据切碎，这样方便放在不同的节点：
- 水平分片：将不同的元组分开，放在不同的子集上
- 垂直分片：将不同的属性列分开，放在不同的子集上
- 混合分片：即切块，有元组也有属性
分片透明性：用户不需要关心数据是如何分片的
复制透明性：有些数据是会存多个副本的，而且需要不定期更新，但用户不需要关心
位置透明性：用户不需要知道数据具体放在哪个节点
逻辑透明性（局部映像透明性）：用户不需要知道DBMS到底支持哪种数据模型/操作语言
分部署数据库的两阶段提交协议（2PC）
- 表决阶段，目的是形成一个共同的决定（所有的局部数据库提交自己的决议，都通过了才会全局提交）
- 执行阶段，目的是实现这个协调者的决定
3. 数据库设计模式
设计过程：
需求分析：参考 当前和未来应用的数据要求 + 数据处理要求，输出的是数据流图（数据的变换过程）、数据字典（数据的详细含义）和需求说明书
概念结构设计：参考的是需求分析的输出内容，是对现实世界的抽象，得到的是ER模型（实体关系图）；与DBMS无关
逻辑结构设计：参考ER模型，输出的是数据模型，在关系型数据库中，这个数据模型为关系模式（又叫 关系表，基本表就参考这个来建立）
物理设计：完成对数据库相应分布形式、存储形式、访问形式的设计，要考虑硬件和操作系统的特性
4.概念结构设计
ER图，是实体联系图，如下图：
实体与实体之间能够存在联系，同时实体/联系也有很多属性（特征值），同时不同的实体集之间也会有联系：
- 一对一的联系，比如一个班级实体集有十个班，然后他与对应的十个班主任有对应关系，这种对应关系就是一对一的联系
- 一对n/n对一的联系，将班主任换成学生即为一对多
- n对m的联系，比如学生选修课程，可以多选一、一选多、多选多
概念结构设计的步骤：
所谓的合并局部模型，就是集成多个ER图的过程，有两个方法：
- 多个局部ER图一次集成
- 逐步集成，用累加的方式一次集成两个局部ER图
解决冲突的办法：
- 属性冲突：可能是属性域冲突（属性值定义、取值范围、类型等），也可能是属性取值（比如单位）冲突
- 命名冲突：包括同名异义（比如docter和docter），也可能是异名同义（比如教师和老师）
- 结构冲突：可能是同一对象在不同应用中具有不同的抽象，或者同一个实体在不同的局部ER图中包含的属性个数和属性排列次序不完全相同
5.逻辑结构设计
5.1 关系模型基本概念
关系模型的本质就是数据模型，数据模型有三个要素：
- 数据结构
- 数据操作
- 数据的约束条件
数据模型也可以大致分为四种：
- 层次模型，类似树状图
- 网状模型，类似拓扑图
- 面向对象模型：以对象为单位组织的数据模型
- 关系模型：有两个集合（U，F），U代表它的属性集合，F代表函数依赖集合；也是典型的二维表结构，表名为关系模型名称，属性对应类名，每一个实例对应行
比如，一个关系模型拥有四个属性：学生（学号，姓名，年龄，班级编号），他有以下几个重要属性：
- 目或度：属性的个数，本例为4
- 候选码（候选键，key）：表示的是能够唯一标识元组、且无冗余（意思是一个能标识绝不用多个）的属性集合。本例中，可以是学号，但不可以是姓名，如果有身份证号也可以是身份证
- 主码（主键）：从候选键中任选一个
- 主属性与非主属性：组成候选码的属性就是主属性，其他的为非主属性
- 外码（外键）：其他关系的主键，比如选课关系和我们示例中的学生关系由关联，选课关系的主键就叫做外键
关系模型的完整性约束：
- 实体完整性约束：规定基本关系的主属性不能取空值（唯一且非空）
- 参照完整性约束：关系与关系间的引用，其他关系的主键或空值
- 用户自定义完整性约束：应用环境来决定，比如自定义记录性别的时候只能是male或者female
- 触发器：一个比较复杂的完整性约束
5.1 逻辑结构设计
主要就是把ER图转化为数据模型（关系模型），主要步骤如下图：
详细来说步骤如下：
- ER图向关系模型的转换：
- 实体向关系模型的转换
- 联系向关系模型的转换
- 关系模型的规范化
- 确定完整性约束（保证数据正确性）
- 用户视图的确定（提高数据的安全性和独立性）
- 根据数据流图确定处理过程使用的视图
- 根据用户类别确定不同用户使用的视图
- 应用程序设计
ER图向关系模型的转换有一些比较固定的设计原则，以上图为例：
- 一个实体必须转为一个关系模式
- 联系可以并入实体，也可以转为关系模型
- 一对一联系：
- 独立的关系模式，并入两端实体的主键（任意一端）及自己的属性，上图情况，学生和课程就可以独立作为两个关系模型，选课也单独独立出来，可以用课程号做主键，也可以用学号作为主键（任一端主键）
- 归并入任意一端：并入另一端的主键及自己的属性，上图情况，可以把课程并入学生并作为学生的一个属性，主键还是学号，可以并入课程这个实体，用课程号做属性（主键保持不变）
- 一对多联系：
- 独立的关系模式：实际上的学生有多个，所以是一对多的关系，联系独立的时候，就需要采用多的那一段的主键，这个例子里是学生，因为一个课程/考试对应多个学生（采用多端主键）
- 归并入多端：同样可以归并，但要归入多端（主键保持不变）
- 多对多关系：比较复杂，只能独立
- 独立的关系模式：并入两端主键（主键为两端主键的组合键）
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常用数据库体系结构与设计模式
2023-04-17 16:08:16 92阅读
1.数据库模式
数据库体系结构分为 三级模式 + 两层映射关系，如下图
对于我们程序员/用户来说，我们看到的是数据库的用户视图，在外模式这个层，其数据来源是概念模式，所以有一个外模式-概念模式的映射（保证了逻辑独立性，即外部应用程序与概念模式中的基本表相互独立，如果有一方有变动，只需要修改映射表即可）
概念模式（又叫逻辑模式，简称模式），是数据库的核心，存储着基本表，包含了所有数据的逻辑结构和特征描述，基本表的内容映射了底层的文件，因此有 概念模式-内模式映射（保证了物理独立性，即内模式的物理程序发生变化的时候，应用程序也不需要发生变化，比如应用迁移的时候不需要改数据库，只要改映射即可）
内模式（又叫存储模式/物理模式）对应的是基本的存储文件
如果为关系型数据库，我们创建的都为关系表，关系表有三种类型：
- 基本关系（通常又称为基本表/基表）：实际存在的表，存储数据的逻辑表示，比如执行创建sql出来的表
- 查询表：查询结果对应的表，即执行查询语句之后查出来的表
- 视图表：由基表或其他视图表导出的表，本身不独立存储，数据库只存放他的定义，因此也叫虚表
数据库的视图：虚表，它的内容由查询来定义（仅保存sql查询语句），视图除了没有真实的存储这些数据（动态生成所需要的数据）之外，都跟真实的表一样（但是性能上看不是很好）
视图的优点：
- 简化用户操作
- 用户得以从多种角度看待统一数据
- 对重构数据库提供了一定程度的逻辑独立性（只需要修改视图和概念模式之间的映射关系即可）
- 对机密数据提供安全保护（视图只读不可写）
如果视图存了下来，他就叫做物化视图，且原始表中的数据更新，物化视图也会更新（但更新太多了就影响性能了，因此它只适合多查询、少更新的情况）
2.分布式数据库
分布式是对应集中式来说的，集中式数据库就是把数据放在一台机子上，但分布式数据库会放在不同的物理节点上，因此访问数据的时候就可以优先请求临近的节点，效率有所提升，也起到了一定的备份作用
分布式数据库的四大特性：
- 数据独立性：除了数据的逻辑独立性（外部应用程序与概念模式中的基本表相互独立）和物理独立性（内模式的物理程序发生变化的时候，应用程序也不需要发生变化）外，还有分布独立性（分布透明性），即无论数据是怎么存的存在哪，我们都不需要修改应用程序
- 集中于自治共享结合的控制结构：在局部的数据库节点上有局部的管理系统（DBMS），具有自治的功能；并且系统有集中控制机制，用来协调各个DBMS的工作，执行全局应用
- 适当增加数据冗余度：提高了系统的可靠性和可用性（数据/节点有灾备），同时也能提高系统性能
- 全局一致性、可串行性、可恢复性
分部署数据库层次，一方面是有了全局和局部的区别（全局概念模式体现了数据的整体逻辑结构），另一方面是有了分片模式和分布模式
- 分片模式：将一个数据库来进行分片，有垂直分片、水平分片、混合分片等
- 分布模式：分片之后这些东西放置在哪个具体的节点，就由分布模式决定并放在某一个局部上
因此我们就有全局的DBMS、局部的DBMS，分布称为LDBMS、GBDMS，加起来我们称为DDBMS
分片的本质就是把一大堆数据切碎，这样方便放在不同的节点：
- 水平分片：将不同的元组分开，放在不同的子集上
- 垂直分片：将不同的属性列分开，放在不同的子集上
- 混合分片：即切块，有元组也有属性
分片透明性：用户不需要关心数据是如何分片的
复制透明性：有些数据是会存多个副本的，而且需要不定期更新，但用户不需要关心
位置透明性：用户不需要知道数据具体放在哪个节点
逻辑透明性（局部映像透明性）：用户不需要知道DBMS到底支持哪种数据模型/操作语言
分部署数据库的两阶段提交协议（2PC）
- 表决阶段，目的是形成一个共同的决定（所有的局部数据库提交自己的决议，都通过了才会全局提交）
- 执行阶段，目的是实现这个协调者的决定
3. 数据库设计模式
设计过程：
需求分析：参考 当前和未来应用的数据要求 + 数据处理要求，输出的是数据流图（数据的变换过程）、数据字典（数据的详细含义）和需求说明书
概念结构设计：参考的是需求分析的输出内容，是对现实世界的抽象，得到的是ER模型（实体关系图）；与DBMS无关
逻辑结构设计：参考ER模型，输出的是数据模型，在关系型数据库中，这个数据模型为关系模式（又叫 关系表，基本表就参考这个来建立）
物理设计：完成对数据库相应分布形式、存储形式、访问形式的设计，要考虑硬件和操作系统的特性
4.概念结构设计
ER图，是实体联系图，如下图：
实体与实体之间能够存在联系，同时实体/联系也有很多属性（特征值），同时不同的实体集之间也会有联系：
- 一对一的联系，比如一个班级实体集有十个班，然后他与对应的十个班主任有对应关系，这种对应关系就是一对一的联系
- 一对n/n对一的联系，将班主任换成学生即为一对多
- n对m的联系，比如学生选修课程，可以多选一、一选多、多选多
概念结构设计的步骤：
所谓的合并局部模型，就是集成多个ER图的过程，有两个方法：
- 多个局部ER图一次集成
- 逐步集成，用累加的方式一次集成两个局部ER图
解决冲突的办法：
- 属性冲突：可能是属性域冲突（属性值定义、取值范围、类型等），也可能是属性取值（比如单位）冲突
- 命名冲突：包括同名异义（比如docter和docter），也可能是异名同义（比如教师和老师）
- 结构冲突：可能是同一对象在不同应用中具有不同的抽象，或者同一个实体在不同的局部ER图中包含的属性个数和属性排列次序不完全相同
5.逻辑结构设计
5.1 关系模型基本概念
关系模型的本质就是数据模型，数据模型有三个要素：
- 数据结构
- 数据操作
- 数据的约束条件
数据模型也可以大致分为四种：
- 层次模型，类似树状图
- 网状模型，类似拓扑图
- 面向对象模型：以对象为单位组织的数据模型
- 关系模型：有两个集合（U，F），U代表它的属性集合，F代表函数依赖集合；也是典型的二维表结构，表名为关系模型名称，属性对应类名，每一个实例对应行
比如，一个关系模型拥有四个属性：学生（学号，姓名，年龄，班级编号），他有以下几个重要属性：
- 目或度：属性的个数，本例为4
- 候选码（候选键，key）：表示的是能够唯一标识元组、且无冗余（意思是一个能标识绝不用多个）的属性集合。本例中，可以是学号，但不可以是姓名，如果有身份证号也可以是身份证
- 主码（主键）：从候选键中任选一个
- 主属性与非主属性：组成候选码的属性就是主属性，其他的为非主属性
- 外码（外键）：其他关系的主键，比如选课关系和我们示例中的学生关系由关联，选课关系的主键就叫做外键
关系模型的完整性约束：
- 实体完整性约束：规定基本关系的主属性不能取空值（唯一且非空）
- 参照完整性约束：关系与关系间的引用，其他关系的主键或空值
- 用户自定义完整性约束：应用环境来决定，比如自定义记录性别的时候只能是male或者female
- 触发器：一个比较复杂的完整性约束
5.1 逻辑结构设计
主要就是把ER图转化为数据模型（关系模型），主要步骤如下图：
详细来说步骤如下：
- ER图向关系模型的转换：
- 实体向关系模型的转换
- 联系向关系模型的转换
- 关系模型的规范化
- 确定完整性约束（保证数据正确性）
- 用户视图的确定（提高数据的安全性和独立性）
- 根据数据流图确定处理过程使用的视图
- 根据用户类别确定不同用户使用的视图
- 应用程序设计
ER图向关系模型的转换有一些比较固定的设计原则，以上图为例：
- 一个实体必须转为一个关系模式
- 联系可以并入实体，也可以转为关系模型
- 一对一联系：
- 独立的关系模式，并入两端实体的主键（任意一端）及自己的属性，上图情况，学生和课程就可以独立作为两个关系模型，选课也单独独立出来，可以用课程号做主键，也可以用学号作为主键（任一端主键）
- 归并入任意一端：并入另一端的主键及自己的属性，上图情况，可以把课程并入学生并作为学生的一个属性，主键还是学号，可以并入课程这个实体，用课程号做属性（主键保持不变）
- 一对多联系：
- 独立的关系模式：实际上的学生有多个，所以是一对多的关系，联系独立的时候，就需要采用多的那一段的主键，这个例子里是学生，因为一个课程/考试对应多个学生（采用多端主键）
- 归并入多端：同样可以归并，但要归入多端（主键保持不变）
- 多对多关系：比较复杂，只能独立
- 独立的关系模式：并入两端主键（主键为两端主键的组合键）
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