数据库设计基础知识

第6章 数据库设计基础知识

核心知识点

1. 数据库三级模式（★★★ 必考）

• 定义：数据库系统的内部体系结构
• 要点： | 模式 | 别名 | 对应 | 说明 | |------|------|------|------| | 外模式 | 用户模式/子模式 | 视图 | 用户能看到的局部数据 | | 概念模式 | 模式 | 基本表 | 全部数据的逻辑结构 | | 内模式 | 存储模式 | 存储文件 | 数据物理存储方式 |
  • 两级映像：
    • 外模式/模式映像→保证逻辑独立性（逻辑结构变，应用程序不变）
    • 模式/内模式映像→保证物理独立性（存储变，逻辑结构不变）
• 考试角度：视图/基本表/存储文件与三级模式的对应、数据独立性
• 关联真题：2025上第24题、2023下、2024上

2. 关系模型基本概念（★★ 高频）

• 定义：用二维表表示数据及数据间联系的数据模型
• 要点：
  • 属性：列，描述实体的特征
  • 元组：行，一条记录
  • 域：属性的取值范围
  • 候选码：能唯一标识元组的属性或属性组
  • 主码：选定的一个候选码
  • 外码：本关系的属性，是其他关系的主码
  • 主属性：包含在任一候选码中的属性
  • 全码：所有属性组成的码
• 考试角度：求候选码（高频计算题）
• 关联真题：2025上第28题、2024下第9题、2024上

3. 候选码求解方法（★★★ 必考）

• 定义：根据函数依赖集求关系的候选码
• 步骤：
  1. 找出只出现在函数依赖左边的属性→一定在候选码中
  2. 找出只出现在右边的属性→一定不在候选码中
  3. 找出两边都出现的属性→可能在候选码中
  4. 用属性闭包验证
• 例1：R(a,b,c,d), F={a→cd, c→b}
  • a只出现在左边→a一定在码中
  • d只出现在右边→d不在码中
  • a的闭包：a⁺={a,c,d,b}→包含全部属性→候选码为{a}
• 例2：R(A,B,C,D), F={B→D, AB→C}
  • B只出现在左边→B在码中
  • D只出现在右边→D不在码中
  • A两边都出现，C只出现在右边
  • 尝试{B}：B⁺={B,D}≠全→不够
  • 尝试{AB}：(AB)⁺={A,B,C,D}→候选码为{A,B}
• 考试角度：给出关系和函数依赖，求候选码
• 关联真题：几乎每年考1题

4. 函数依赖（★★★ 必考）

• 定义：X→Y表示Y函数依赖于X
• 要点：
  • 完全函数依赖：X→Y，且X的任何真子集都不能决定Y
  • 部分函数依赖：X→Y，但X的某个真子集也能决定Y
  • 传递函数依赖：X→Y，Y→Z（Y不包含于X，Z不属于Y），则Z传递依赖于X
  • 平凡依赖：Y⊆X时X→Y平凡成立
  • 非平凡依赖：Y⊄X时X→Y
• 考试角度：判断完全/部分/传递依赖
• 关联真题：2023上、2024上、2025上

5. 关系范式（★★★ 必考）

• 定义：关系模式的规范化级别
• 要点： | 范式 | 条件 | 消除的问题 | |------|------|-----------| | 1NF | 每个分量不可再分 | - | | 2NF | 1NF + 非主属性完全依赖于码 | 部分函数依赖 | | 3NF | 2NF + 非主属性不传递依赖于码 | 传递函数依赖 | | BCNF | 1NF + 每个决定因素都包含码 | 主属性的依赖问题 | | 4NF | 1NF + 无非平凡非函数依赖的多值依赖 | 多值依赖 |
• 关系：1NF⊂2NF⊂3NF⊂BCNF⊂4NF
• 判断方法：
  • 2NF→看非主属性是否部分依赖于码
  • 3NF→看非主属性是否传递依赖于码
  • BCNF→看每个决定因素（X→Y中的X）是否都包含码
• 考试角度：判断关系模式达到几范式、分解为几范式
• 关联真题：2023上（分解无损连接但保持函数依赖）、2024上

6. 数据库设计步骤（★★ 高频）

• 定义：数据库设计的6个阶段
• 要点： | 阶段 | 产出 | 关键内容 | |------|------|---------| | 1.需求分析 | 数据流图、数据字典、需求说明书 | 信息要求、处理要求、系统要求 | | 2.概念结构设计 | E-R图 | 局部E-R→合并为全局E-R | | 3.逻辑结构设计 | 关系模式 | E-R转关系模式、规范化 | | 4.物理结构设计 | 存储结构、索引设计 | 聚簇、索引、分区 | | 5.数据库实施 | 数据库、应用程序 | DDL建表、数据加载 | | 6.运行维护 | 优化方案 | 性能监控、备份恢复、重组重构 |
• 考试角度：各阶段产出物、顺序
• 关联真题：2023下、2024下

7. E-R图到关系模式转换（★★ 高频）

• 定义：将E-R图转换为关系模式的方法
• 要点：
  • 实体→直接转换为关系模式
  • 1:1联系→归并到任一方，增加对方主码和联系属性
  • 1:n联系→归并到n方，增加1方主码和联系属性
  • m:n联系→必须转为独立关系模式，属性为双方主码+联系属性
• E-R合并冲突：属性冲突、命名冲突、结构冲突
• 考试角度：E-R图转关系模式、合并冲突类型
• 关联真题：2023下、2024上

8. 反规范化技术（★★ 偶尔考）

• 定义：在规范化后牺牲部分规范化来提高性能
• 要点：
  • 常见操作：冗余列、派生列、表重组、表分割（水平/垂直）
  • 目的：降低连接操作需求、减少外码和索引数目、提高查询性能
  • 代价：数据冗余、更新异常、需要同步机制
  • 同步方法：应用程序同步、批量处理同步、触发器同步
• 考试角度：反规范化的目的和方法
• 关联真题：2024下

9. 事务与并发控制（★★ 高频）

• 定义：事务是数据库操作的逻辑工作单元
• 要点：
  • ACID特性： | 特性 | 含义 | |------|------| | 原子性（Atomicity） | 要么全做，要么全不做 | | 一致性（Consistency） | 从一个一致状态到另一个一致状态 | | 隔离性（Isolation） | 并发事务互不干扰 | | 持久性（Durability） | 提交后永久保存 |
  • 并发问题：丢失更新、不可重复读、读脏数据
  • 封锁协议：共享锁（S锁/读锁）、排他锁（X锁/写锁）
• 考试角度：ACID特性、并发问题分类
• 关联真题：2024上

10. 关系代数（★★ 偶尔考）

• 定义：基于关系运算的查询语言
• 要点：
  • 传统集合运算：并（∪）、差（-）、交（∩）、笛卡尔积（×）
  • 专门关系运算： | 运算 | 符号 | 方向 | |------|------|------| | 选择（Selection） | σ | 水平（行） | | 投影（Projection） | π | 垂直（列） | | 连接（Join） | ⋈ | 水平+垂直 | | 除（Division） | ÷ | 水平+垂直 |
  • 5种基本运算：并、差、笛卡尔积、投影、选择（其他可由此导出）
  • 自然连接：等值连接+去除重复列
• 考试角度：关系代数表达式书写、运算结果
• 关联真题：2023下、2024上

11. 数据库安全（★★）

• 定义：保护数据库防止不合法使用
• 要点：
  • 静态转储（冷备份）：不允许存取修改
  • 动态转储（热备份）：允许存取修改，需日志配合
  • 日志文件：记录事务操作，用于故障恢复（撤销/重做）
  • 完整性约束：实体完整性（主码非空唯一）、参照完整性（外码）、用户定义完整性
• 考试角度：备份方式、日志作用
• 关联真题：2024下

12. NoSQL数据库（★★ 偶尔考）

• 定义：非关系型数据库，不保证ACID
• 要点： | 类型 | 特点 | 产品 | |------|------|------| | 键值数据库 | 简单、高性能 | Redis、Memcached | | 列存储数据库 | 适合海量数据 | Cassandra、HBase | | 文档数据库 | 半结构化、JSON | MongoDB、CouchDB | | 图数据库 | 适合关系网络 | Neo4j |
  • 共同特征：易扩展、大数据量高性能、灵活数据模型、高可用
• 考试角度：NoSQL类型匹配
• 关联真题：2024下

真题考点映射

| 真题 | 考点 | |------|------| | 2025上-24 | 三级模式：视图→基本表→存储文件 | | 2025上-28 | 候选码求解：R(a,b,c,d), F=(a→cd, c→b)，答案{a} | | 2025上-25 | 数据流图：B或C但不能同时生成→互斥关系 | | 2024下-9 | 候选码求解：R(A,B,C,D), F=(B→D, AB→C)，答案{A,B} | | 2024上 | 范式判断、函数依赖、关系代数 | | 2023上 | 关系分解、无损连接、保持函数依赖 | | 2023下 | 三级模式、E-R图转换、ACID |

易错点

• 候选码求解：先找只出现在左边的属性，再找只出现在右边的属性，最后验证
• BCNF要求每个决定因素都包含码（比3NF更严格，消除了主属性的传递依赖）
• 3NF只要求非主属性不传递依赖于码，主属性可以传递依赖
• E-R图中m:n联系必须转为独立关系模式，不能归并
• 条件覆盖不一定包含判定覆盖（但判定覆盖一定包含语句覆盖）
• 外模式/模式映像保证逻辑独立性，模式/内模式映像保证物理独立性
• NoSQL中的"文档数据库"可视为"值可查的键值数据库"
• 数据库设计中需求分析的产出物是数据流图+数据字典+需求说明书（不是程序文档）