数据库系统基础：概念、发展阶段与数据模型
数据库系统基础：概念、发展阶段与数据模型
一、核心基本概念（必考）
1. 数据
定义：描述事物的符号记录，是广义概念，包含数字、文本、图像、视频、语音、图形等。
2. 数据库（DB，Database）
定义：长期储存在计算机内、有组织、可共享的大量数据的集合。
核心特点：①长期存储 ②有组织 ③可共享（基本特点）；④冗余度小 ⑤数据独立性高 ⑥易扩展性（对比人工/文件管理的优势特点）。
3. 数据库管理系统（DBMS，Database Management System）
定位：位于用户和操作系统（OS）之间的大型复杂数据管理软件。
核心功能（5项）：
- 数据定义：提供DDL（数据定义语言，Data Definition Language），定义数据库数据对象的组成与结构；
- 数据组织、存储与管理：管理数据字典、用户数据、存储路径，定义文件结构与存储方式；
- 数据操纵：提供DML（数据操纵语言，Data Manipulation Language），实现数据的查询、删除、修改等操作；
- 事务与运行管理：统一管理数据库建立/运用/维护，保证数据安全性、完整性；
- 数据库建立与维护。
4. 数据库系统（DBS，Database System）
组成：$\boldsymbol{DBS=DB+DBMS+}$应用程序$\boldsymbol{+DBA}$（数据库管理员，Database Administrator）。
5. 计算机系统层次结构（由高到低）
用户 → 应用系统/开发工具 → DBMS（DBA参与管理） → 操作系统（OS） → 数据库（DB）。
二、数据管理技术的发展阶段（选择/填空高频）
共经历3个阶段，核心从低共享、高冗余向高共享、低冗余发展，关键对比4个维度：共享程度、独立性、结构化、数据控制能力，具体如下：
- 人工管理阶段：无专用存储设备（仅卡片/纸带）、无OS；数据处理为批处理；数据不共享、冗余度极大、无独立性、无结构化设计。
- 文件系统阶段：出现磁盘/磁鼓、有文件系统；处理方式为批处理+联机处理；共享性弱、冗余度高、独立性低、记录内有结构但整体无。
- 数据库系统阶段：出现DBMS；共享性强、冗余度低且易扩充、独立性高、整体数据结构化（核心优势阶段）。
三、数据库系统的核心特点（简答/选择）
1. 整体数据的结构化（最主要特征，与文件系统的核心区别）
- 文件系统：仅记录内部有结构，记录间联系固定，需程序员维护；
- 数据库系统：数据面向整个组织（非单一应用），存取方式灵活，可存取单个/一组数据项（文件系统仅能存取记录）。
2. 数据共享性强、冗余度低且易于扩充
- 共享性提升直接降低数据冗余，节省存储空间；
- 避免数据的不相容性与不一致性（如单处修改，全域同步）；
- 数据面向整个系统，可快速新增应用，扩展性强。
3. 数据独立性强（由DBMS的两级映像保障，核心考点）
分为物理独立性和逻辑独立性，定义如下：
- 物理独立性：用户应用程序与数据的物理存储相互独立，数据存储方式/管理方式改变，应用程序无需修改；
- 逻辑独立性：用户应用程序与数据库的逻辑结构相互独立，数据逻辑结构改变，应用程序无需修改。
4. 数据由DBMS统一管理和控制
实现数据的安全性、完整性保障，以及事务的正常运行。
四、数据模型（数据库系统的核心和基础，必考选择）
1. 基本定义
数据模型是对现实世界数据特征的抽象与模拟，用于描述、组织数据并对数据进行操作，是数据库系统的核心和基础。
2. 分类（按应用目的划分，2大类）
| 类型 | 建模视角 | 核心用途 | 典型代表 |
|---|---|---|---|
| 概念模型（信息模型） | 用户观点 | 数据库设计 | ER模型（实体-联系模型） |
| 逻辑模型+物理模型 | 计算机系统观点 | 数据库管理系统（DBMS）实现 | 层次、网状、关系模型 |
3. 概念模型核心术语（必考，选择/填空/简答）
概念模型用于描述现实世界的事物及联系，核心术语及定义如下：
- 实体：客观存在且相互区别的事物，可具体（学生、学院）或抽象（学生与学院的关系）；
- 属性：实体所具有的某一特征，用于表征实体（如学生的学号、姓名、专业），一个实体可由多个属性刻画；
- 码：唯一标识实体的属性/属性集（如学号是学生实体的码，姓名非码，因可能重名）；
- 实体型：用实体名+属性名集合抽象刻画同类实体，格式：$\boldsymbol{实体名(属性_1,属性_2,…,属性_n)}$（如学生(学号,姓名,专业,性别)）；
- 实体集：同一类型实体的集合（如全体学生构成学生实体集）；
- 实体间的联系：不同实体集之间的关联，分为3类：
- 一对一（1:1）：如我国婚姻关系（一个丈夫对应一个妻子，反之亦然）；
- 一对多（1:n）：如老师与学生（一个老师教多个学生，一个学生对应一个任课老师）；
- 多对多（m:n）：如学生与课程（一个学生选多门课，一门课被多个学生选）。
- ER模型：实体-联系（Entity-Relationship）模型，是概念模型的核心表示方法，期末高频考点（后续重点讲解）。
4. 常见逻辑模型（选择高频，重点掌握关系模型）
（1）层次模型
数据库中最早出现的逻辑模型，数据结构为树形结构，满足2个条件：
① 有且只有一个根节点；
② 根以外的其他节点有且只有一个双亲节点。
缺点：无法表征多双亲的复杂联系，贴合现实性差。
（2）网状模型
为解决层次模型缺陷提出，满足2个条件：
① 允许一个及以上节点无双亲；
② 一个节点可以有多于一个的双亲。
优点：可描述更复杂的实体联系；缺点：结构复杂，不易维护。
（3）关系模型（核心，后续章节重点）
核心特点：建立在严格的数学概念基础上，数据结构为规范化的二维表。
二维表核心术语：
- 关系：对应一张二维表；
- 元组：表中的一行为一个元组（对应实体集中的一个实体）；
- 属性：表中的一列为一个属性（对应实体的一个特征）；
- 码：唯一确定一个元组的属性/属性集（同概念模型的码）；
- 域：一组具有相同数据类型的值的集合（属性的取值范围）；
- 分量：元组中的一个属性值（如元组中“张三”为姓名属性的分量）；
- 关系模式：对关系的描述，格式：$\boldsymbol{关系名(属性_1,属性_2,…,属性_n)}$（同实体型格式）。
五、数据库的三级模式与两级映像（重中之重，必考选择/简答）
是数据库系统实现数据独立性的核心机制，先掌握2个基础概念，再理解三级模式和两级映像。
1. 基础概念：型与值、模式与实例
- 型：对一类数据的结构和属性的说明（如学生(学号,姓名,专业)）；
- 值：型的具体赋值（如学生(20250001,张三,计算机)）；
- 模式：数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是型的描述，不涉及具体值，相对稳定；
- 实例：模式的具体值，是数据库中实际存储的数据，随数据更新而动态变化，一个模式可对应多个实例。
2. 三级模式（数据库系统的三个抽象层次，由外到内）
（1）外模式（子模式/用户模式）
- 定义：描述数据的局部逻辑结构，是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑视图；
- 核心特点：一个数据库可以有多个外模式（不同用户/应用对应不同局部视图）；
- 作用：保证数据库安全性，用户仅能访问自身外模式中的数据，无法查看其他数据。
- 定义方式：通过DDL严格定义。
（2）模式（概念模式）
- 定义：描述数据库中全体数据的逻辑结构和特征，是数据库的核心抽象层，介于外模式和内模式之间；
- 核心特点：一个数据库只有一个模式，是所有用户的公共数据视图。
（3）内模式（存储模式）
- 定义：描述数据的物理结构和存储方式，是数据在数据库内部的实际存储形式；
- 具体内容：包括数据的存储结构（如顺序/索引存储）、是否压缩/加密、记录格式（定长/变长）、记录是否跨物理块存储等；
- 核心特点：一个数据库只有一个内模式。
3. 两级映像（实现数据独立性的关键，简答必考）
映像为外模式、模式、内模式之间的转换规则，由DBMS实现，分为外模式-模式映像和模式-内模式映像，分别保障逻辑独立性和物理独立性。
（1）外模式-模式映像
- 对应关系：一个模式对应多个外模式-模式映像（一个模式对应多个外模式）；
- 作用：保证数据的逻辑独立性；
- 原理：当模式（全体数据逻辑结构）发生改变时，DBA修改对应的外模式-模式映像，使外模式保持不变；而应用程序基于外模式编写，因此应用程序无需修改，实现数据与程序的逻辑独立性。
（2）模式-内模式映像
- 对应关系：一个数据库只有一个模式-内模式映像（一个模式+一个内模式）；
- 作用：保证数据的物理独立性；
- 原理：当内模式（数据物理存储结构）发生改变时，DBA修改模式-内模式映像，使模式保持不变；模式不变则外模式不变，应用程序无需修改，实现数据与程序的物理独立性。
4. 三级模式+两级映像的核心作用
通过三级抽象层次屏蔽了数据物理存储和整体逻辑结构的变化对应用程序的影响，通过两级映像实现了物理独立性和逻辑独立性，最终让用户/应用程序只需关注自身的外模式，无需关注数据的底层存储和整体逻辑，简化了应用开发与维护。
