第二章 数据库理论基础
一个成功的信息管理系统，是建立在许多条件之上的，而数据库是其中一个非常重要的条件和关键技术。
信息管理系统所涉及的数据库设计分五个步骤：数据库需求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计与加载测试。
（1） 数据库需求分析的任务是将业务管理单证流化为数据流，划分主题之间的边界，绘制出DFD图，并完成相应的数据字典。
（2） 概念设计的任务是从DFD出发，绘制出本主题的实体－关系图，并列出各个实体与关系的纲要表。
（3） 逻辑设计的任务是从E-R图与对应的纲要表出发，确定各个实体及关系的表名属性。
（4） 物理设计的任务是确定所有属性的类型、宽度与取值范围，设计出基本表的主键，实现物理建库，完成数据库物理设计字典。
（5） 加载测试工作贯穿于程序测试工作的全过程，整个录入、修改、查询、处理工作均可视为对数据库的加载测试工作。
要设计出一个好的信息管理系统数据库，除满足系统所要求的功能外，还必须遵守下列原则：
基本表的个数越少越好。
主键的个数越少越好。键是表间连接的工具，主键越少，表间的连接就越简单。
字段的个数越少越好。
所有基本表的设计均应尽量符合第三范式。
数据库的设计中，如何处理多对多的关系和如何设计主键，是两个有着较大难度、需要重点考虑的问题。下面我们着重从SQL应用、数据库设计范式和查询优化等方面来分析本课题的系统关键技术和实现难点并加以解决。
§2.1 数据库系统设计及范式分析
信息系统的主要任务是通过大量的数据获得管理所需要的信息，这就必须存储和管理大量的数据。因此建立一个良好的数据组织结构和数据库，使整个系统都可以迅速、方便、准确地调用和管理所需的数据，是衡量信息系统开发工作好坏的主要指标之一。
数据库设计主要是进行数据库的逻辑设计，即将数据按一定的分类、分组系统和逻辑层次组织起来，是面向用户的。数据库设计时需要综合企业各个部门的存档数据和数据需求，分析各个数据之间的关系，按照DBMS提供的功能和描述工具，设计出规模适当、正确反映数据关系、数据冗余少、存取效率高、能满足多种查询要求的数据模型。
数据库设计的步骤是：
（1） 数据库结构定义
（2） 数据表定义
（3） 存储设备和存储空间组织
（4） 数据使用权限设置
（5） 数据字典设计
2.1.2 数据库设计范式分析
建立起一个良好的数据指标体系，是建立数据结构和数据库的最重要的一环。一个良好的数据指标体系是建立DB的必要条件，但不是充分条件。我们完全可以认为所建指标体系中的一个指标类就是关系数据库中的一个基本表，而这个指标类下面的一个个具体指标就是这个基本表中的一个字段。但如果直接按照这种方式建库显然还不能算最佳。对于指标体系中数据的结构在建库前还必须进行规范化的重新组织。
数据组织的规范化形式
在数据的规范化表达中，一般将一组相互关联的数据称为一个关系(relation)，而在这个关系下的每个数据指标项则被称为数据元素(data element)，这种关系落实到具体数据库上就是基本表，而数据元素就是基本表中的一个字段(field)。规范化表达还规定在每一个基本表中必须定义一个数据元素为关键字(key)，它可以唯一地标识出该表中其它相关的数据元素。在规范化理论中表是二文的，它有如下四个性质：
1在表中的任意一列上，数据项应属于同一个属性
2表中所有行都是不相同的，不允许有重复组项出现
3在表中，行的顺序无关紧要
4在表中，列的顺序无关紧要，但不能重复
在对表的形式进行了规范化定义后，数据结构还有五种规范化定义，定名为规范化模式，称为范式。在这五种范式中，一般只用前三种，对于常用系统就足够了。而且这五种范式是“向上兼容”的，即满足第五范式的数据结构自动满足一、二、三、四范式，满足第四范式的数据结构自动满足第一、二、三范式，……，依此类推。
第一范式(first normal form，简称1st NF)就是指在同一表中没有重复项出现，如果有则应将重复项去掉。这个去掉重复项的过程就称之为规范化处理。在本文所讨论的开发方法里，1st NF实际上是没有什么意义的。因为我们按规范化建立的指标体系和表的过程都自动保证了所有表都满足1st NF。
第二范式(second normal form，简称 2nd NF)是指每个表必须有一个(而且仅一个)数据元素为主关键字(primary key)，其它数据元素与主关键字一一对应。通常我们称这种关系为函数依赖(functional depEndence)关系。即表中其它数据元素都依赖于主关键字，或称该数据元素唯一地被主关键字所标识。
第三范式(third normal form，简称 3rd NF)就是指表中的所有数据元素不但要能够唯一地被主关键字所标识，而且它们之间还必须相互独立，不存在其它的函数关系。也就是说对于一个满足了 2nd NF的数据结构来说，表中有可能存在某些数据元素依赖于其它非关键宇数据元素的现象，必须加以消除。
为防止数据库出现更新异常、插入异常、删除异常、数据冗余太大等现象，关系型数据库要尽量按关系规范化要求进行数据库设计。
§2.2 SQL语言介绍
2.2.1 SQL基础
SQL(Structured Query Language，结构查询语言)是一个功能强大的数据库语言。SQL通常使用于数据库的通讯。ANSI（美国国家标准学会）声称，SQL是关系数据库管理系统的标准语言。SQL语句通常用于完成一些数据库的操作任务，比如在数据库中更新数据，或者从数据库中检索数据。使用SQL的常见关系数据库管理系统有：Oracle、 Sybase、 Microsoft SQL Server、 Access、 Ingres等等。虽然绝大多数的数据库系统使用SQL，但是它们同样有它们自立另外的专有扩展功能用于它们的系统。但是，标准的SQL命令，比如"Select"、 "Insert"、 "Update"、 "Delete"、 "Create"和 "Drop"常常被用于完成绝大多数数据库的操作。MS SQL Server 就是用的Transact- SQL。
2.2.2 SQL语句
SQL功能强大，是一种完备的数据处理语言，不仅用于数据库查询，而且用于数据库中的数据修改和更新，概括起来，它可以分成以下几组：
DML（Data Manipulation Language，数据操作语言）：用于检索或者修改数据；
DDL（Data Definition Language，数据定义语言）： 用于定义数据的结构，比如创建、修改或者删除数据库对象；
DCL（Data Control Language，数据控制语言）：用于定义数据库用户的权限。
DML组可以细分为以下的几个语句：
SELECT：用于检索数据；
INSERT：用于增加数据到数据库；
UPDATE：用于从数据库中修改现存的数据；
DELETE：用于从数据库中删除数据。
DDL语句可以用于创建用户和重建数据库对象。下面是DDL命令：
CREATE TABLE，ALTER TABLE，DROP TABLE，CREATE INDEX，DROP INDEX
2.2.2.1 DDL与DML
数据定义语言DDL：它是用来创建和修改数据库结构的一种语句，包括 Create、Alter和Drop 语句。
数据操作语言DML：包括数据查询与数据更新。数据查询主要是由Select语句完成，这一点不再赘述。而数据更新所造成的风险大大超过数据查询。数据库管理系统必须在更改期内保护所存储的数据的一致性，确保有效的数据进入数据库，数据库必须保持一致性，DBMS还必须协调多用户的并行更新，以确保用户和它们的更改不至于影响其它用户的作业。
用于修改数据库内容的 SQL 语句主要有以下三个：
(1) Insert，向一个表中加入新的数据行
(2) Delete，从一个表中删除数据行
(3) Update，更改数据库中已经存在的数据
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