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2017計算機四級考試數據庫工程師復習筆試筆記
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第一章 引 論
1、 數據庫技術產生于20世紀60年代，是信息系統的核心技術和重要基礎;
2、 計算機科學與技術學科劃分為四個專業方向：計算機科學(CS);計算機工程(CE);軟件工程(SE);信息技術(IT)。
1.1 基本概念
1.1.1 信息與數據
1、 信息、物質、能量是組成客觀世界并促進社會發展的三大基本要素;
2、 信息(Information)--是客觀世界事物的存在方式和運動狀態的反映，是對事物之間相互聯系、相互作用的描述。信息具有可感知、可存儲、可加工、可傳遞和可再生的自然屬性。
3、 數據(Data)--是描述現實世界事物的符號記錄，是用物理符號記錄下來的可以識別的信息。不同的物理符號體現出數據的不同表現形式。
4、 信息與數據間存在固有聯系，數據是信息的符號表示，或稱為載體。信息則是數據的語義解釋，是數據的內涵，信息以數據的形式表現出來，并為人們理解和接受。
5、 數據處理(Data Processing)--是指對數據進行分類、收集、組織、存儲，進而從已數據出發，抽取或推導出新的數據，這些數據表示了新的信息。
6、 數據管理(Data Management)--是指對數據的分類、收集、組織、編碼、存儲、檢索和維護，是數據處理業務的重要環節。
7、 數據處理與數據管理的區別在于，數據處理除了具有數據管理功能外，還可通過數據管理得到的數據進一步深加工，從中獲取新的數據和信息。
1.1.2 數據庫系統
1、 數據庫(DB，DataBase)--是長期存儲在計算機內有組織的、大量的、共享的數據集合;
2、 數據庫管理系統(DBMS，Database Management System)--是指在計算機系統中，位于用戶與操作系統之間的數據管理系統軟件，是數據庫系統的核心。
3、 數據庫系統(DBS，DataBase System)--是指在計算機系統中引入數據庫后的軟硬件系統構成，DBS一般分成三個層次：(1)計算機硬件平臺;(2)系統軟件和應用軟件;(3)用戶;在不引起混淆和歧義的情況下，數據庫系統簡稱為數據庫。
4、 (狹義的)數據庫系統—是由數據庫和數據庫管理系統組成的軟件系統，主要為用戶提供數據存儲和查詢、插入、修改、刪除、更新等數據管理功能。
5、 (狹義的)數據庫應用系統(DBAS，DataBase Application System)—是由數據庫、數據庫管理系統、數據庫應用程序組成的軟件系統，它面向具體應用領域，提供了更為復雜的數據處理功能。
6、 數據庫技術—是研究數據庫的結構、存儲、設計、管理和使用的一門計算機應用學科。
7、 數據庫技術與其它計算機科學有密切關系：
(1) 數據庫技術以文件系統為基礎發展而來，DBMS需要操作系統的支持，數據庫以文件形式存儲在外部存儲上的;
(2) 數據庫與數據結構的關系很密切，數據庫技術不僅用到數據結構中的鏈表、樹、圖等知識，各種數據模型本身就屬于復雜數據結構;
(3) 主流的關系數據庫系統，其理論基礎是關系數據模型，而該模型是在離散數學集合論中“關系”這一基本概念上發展起來的;
(4) 當用戶訪問數據庫，DBMS對用戶提交的查詢操作類似于，計算機編譯系統對程序的編譯過程;
(5) 開發一些大型的DBS或DBMS的過程，要遵循軟件工程的開發模式。
1.2 數據模型
1.2.1 數據模型概念
1、數據模型(Data Model)--是數據庫系統的形式框架，是用來描述數據的一組概念和定義，包括描述數據、數據聯系、數據操作、數據語義以及數據一致性的概念工具;
2、數據模型應滿足：(1)能夠比較真實地模擬現實世界;(2)容易為人們所理解;(3)便于在計算機上實現。
3、 數據模型的組成：
(1) 數據結構：用于描述系統的靜態特征，從語法角度表述了客觀世界中數據對象本身的結構和數據對象之間的關聯關系，是刻畫一個數據模型性質最重要的方面。在數據庫系統中，通常按照數據結構的類型來區分、命名各種數模，如層次、網狀、關系數模。
(2) 數據操作：用于描述系統的動態特征，是一組對數據庫中各種數據對象允許執行的操作和操作規則組成的集合。數據操作可以是檢索、插入等，數模必須定義這些操作的確切含義、操作符號、操作規則以及實現操作的數據庫語言。
(3) 數據完整性約束：是一組完整性規則的集合，它定義了數模必須遵守的語義約束，也規定了數據庫中數據內部及數據之間聯系所必須滿足的語義約束。它限定了數據庫的狀態以及狀態的變化，以便維護數據的正確性、有效性。
1.2.2 數據模型分類
1、 用數據模型這一概念來描述數據庫的結構和語義，通過現實世界—信息世界—機器世界的抽象轉換過程構建數據庫，并根據模型所定義的規范去管理和使用數據。
2、 建模過程：(1)將現實世界的數據對象抽象為信息世界中的某一信息結構;(2)再將信息結構轉換為機器世界中某一具體DBMS支持的數據模型，并存儲于計算機中。
3、 數據模型分類：
(1) 概念數據模型(概念模型)：按用戶的觀點對數據和信息進行建模，是現實世界到信息世界的第一層抽象，強調其語義表達功能，易于用戶理解，是用戶與設計人員交流的語言，主要用于數據庫設計。最常用的是實體—聯系模型。
(2) 數據結構模型(表示型/實現型)：是機器世界中與具體DBMS相關的數據模型，包括關系模型、網狀模型和層次模型
(3) 物理數據模型：屬底層數據模型，描述數據的實際存儲方式。
1.3 數據視圖與模式結構
1.3.1 數據視圖與數據抽象
1、 數據視圖：指從某個角度看到的客觀世界數據對象的特征，是對數據對象某一方面特征的描述。
2、 數據抽象：是一種數據描述和數據庫設計原則，是指專注于數據對象的某方面特征，而忽略其他特征。
3、 集和值：集是指對某一類數據的結構和屬性的說明，值是集的一個具體賦值;
4、 數據模式：對數據庫中數據某方面結構和特征的描述，它僅涉及集的描述，不涉及具體的值。
1.3.2 三級模式結構
1、 數據庫三級模式結構—外部級、概念級和內部級，分別定義了外模式、模式和內模式，用于從不同角度描述數據庫結構。
2、 模式：
(1) 也稱邏輯模式、概念模式;
(2) 對數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述，是所有用戶的公共數據視圖;
(3) 模式不僅定義了數據的邏輯結構，還定義了數據之間的聯系、與數據的關的安全性和完整性要求;
(4) 一個數據庫只有一個模式，建立在某種數據結構模型基礎上。
3、 外模式：
(1) 也稱子模式、用戶模式、用戶視圖;
(2) 是對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。
(3) 一個數據庫可以有多個外模式，每個外模式描述了某個特定用戶所使用的局部數據的邏輯結構和特征，是與某一應用有關的數據的邏輯表示。
(4) 外模式還是保證數據安全的有力措施，每個用戶只能看見和訪問所對應的外模式中的數據，其它數據對他是不可見的。
4、 內模式：
(1) 也稱物理模式、存儲模式;
(2) 是對數據庫中數據的物理結構和存儲方式的描述，代表了數據在數據庫內部的表示方式和物理組織結構;
1.3.3 二級映象與數據獨立性
1、 外模式/模式映象：
(1) 定義了數據庫中不同用戶的外模式與數據庫邏輯模式之間的對應關系;
(2) 可有多個外模式/模式映象，對于每個外模式，需要一個外模式/模式映象來定義該外模式與模式之間的對應關系;
(3) 當模式發生變化時，只需調整外模式/模式間的映象關系，而外模式無需修改，保證了數據與應用程序的邏輯獨立性，稱為數據的邏輯獨立性。
2、 模式/內模式映象：
(1) 定義了數據庫中數據全局邏輯結構，與這些數據在系統中的物理存儲組織結構之間的對應關系。
(2) 模式/內模式映象是唯一的;
(3) 當內模式發生變化時，只需調整模式/內模式映象關系，而模式無需修改，保證了數據庫中的數據與應用程序間的物理獨立性，稱為數據的物理獨立性。
1.4 數據庫系統體系結構
1、 數據庫系統體系結構：是指數據庫系統的組成構件、各構件的功能及各構件間的協同工作方式;
2、 分類：
(1) 集中式：全部數據和數據管理功能均集中在一臺計算機上的數據庫系統;包括單用戶和主從式兩種，單用戶DBS是指系統由一個用戶獨占，不同機器間不能共享數據;主從式DBS是指一個主機帶多個分時多用戶的DBS;
(2) 分布式：數據庫中的數據在邏輯上是一個整體，但在物理上卻可以分布在網絡中不同數據管理節點上;
(3) 客戶/服務器：將DBMS和數據庫應用分開，網絡中某些節點上的計算機專門執行了DBMS功能，負責數據管理服務，稱為數據庫服務器;其他節點的計算機上安裝DBMS的外圍應用開發工具，支持用戶的應用，主要負責數據表示服務，稱為客戶端;
(4) 并行式：硬件平臺是并行計算機系統，使用多個CPU和多個磁盤進行并行數據處理和磁盤訪問操作，以提高執行速度;
(5) WEB式： 由通過互聯網連接起來的客戶端、WEB服務器、數據庫服務器組成。
1.5 數據庫管理系統
1.5.1 數據庫管理系統的功能
(1) 數據定義功能：DBMS提供了數據定義語言(DDL)，用戶利用DDL定義數據庫對象的三級模式結構，描述數據庫的結構特征。
(2) 數據操縱功能：DBMS提供數據操縱語言(DML)，用戶利用DML對數據進行查詢、插入、刪除或更新;
(3) 數據庫運行管理和控制功能
(4) 數據庫的建立和維護功能
1.5.2 數據庫系統的全局結構
1、 DBS可分為用戶、人機交互界面、DBMS和磁盤四個層次;
2、 用戶可分為四類：數據庫管理員DBA;專業用戶;應用程序員;終端用戶;
3、 DBMS可分為兩部份：
(1) 查詢處理器：面向用戶查詢請求;包括以下幾個功能模塊：DML編譯器、嵌入式DML的預編譯器、DDL編譯器、查詢執行引擎;
(2) 存儲管理器：面向數據存儲訪問，包括以下幾個功能模塊：權限和完整性管理器、事務管理器、文件管理器、緩沖區管理器;
4、 磁盤存儲的類型：
(1) 以數據庫文件方式存儲的應用數據;
(2) 數據字典;
(3) 為提高查詢速度而設置的數據庫引擎;
(4) DMS運行時的統計分析數據;
(5) 日志信息。
1.6數據庫技術的發展和應用
1、 第一代DBS：60年代末70年代初，層次型和網狀型DBS;
2、 第二代DBS：70年代后期，關系數據庫系統;
新型DBS：80年代，分布式數據庫系統;90年代，面向對象數據庫系統、網絡數據庫系統第二章 數據庫應用系統生命周期
2.1數據庫應用系統生命周期
2.1.1 軟件工程與軟件開發方法
1、 軟件工程：指導計算機軟件開發和維護的工程科學，它采用工程化的概念、原理、技術和方法，以及正確的項目管理技術，來開發和維護軟件;它將系統化、規范化、定量化方法應用于軟件的開發、操作和維護，也就是將工程化應用于軟件生產;
2、 軟件工程的目標：在給定成本、進度的前提下，開發出滿足用戶需求并具有下述特征的軟件產品：可修改性、有效性、可靠性、可理解性、可維護性、可重用性、可適應性、可移植性、可追蹤性和可互操作性。
3、 軟件生命周期：指軟件產品從考慮其概念開始，到該產品交付使用的整個時期，包括概念階段、需求階段、設計階段、實現階段、測試階段、安裝部署及交付階段;
4、 軟件項目管理：為了能使軟件開發按預定的質量、進度和成本進行，而對成本、質量、進度、人員、風險等進行分析和有效管理的一系列活動。
5、 軟件工程以關注軟件質量為特征，由方法、工具和過程三部分組成;
6、 軟件過程模型(軟件開發模型)：是對軟件過程的一種抽象表示，表示了軟件過程的整體框架和軟件開發活動各階段間的關系，常見的有：瀑布模型、快速原形模型、增量模型和螺旋模型。
2.1.2 DBAS軟件組成
1、 數據庫應用軟件在內部可看作由一系列軟件模塊/子系統組成，這些模塊/子系統可分成兩類：
(1) 與數據訪問有關的數據庫事務模塊：利用DBMS提供的數據庫管理功能，以數據庫事務方式直接對數據庫中的各類應用數據進行操作，模塊粒度較小;
(2) 與數據訪問無直接關聯的應用模塊：在許多與數據處理有關的應用系統中，對數據庫的訪問只是整體中的一部分，其他功能則與數據庫訪問無直接關系，這部分模塊粒度可以比較大。
2、 DBAS設計開發的硬件方面：主要涉及根據系統的功能、性能、存儲等需求選擇和配置合適的計算機硬件平臺，并與開發好的DBAS軟件系統進行集成，組成完整的數據庫應用系統;
2.1.3 DBAS生命周期模型
1、 數據庫應用系統的生命周期模型：
(1) 參照軟件開發瀑布模型的原理，DBAS的生命周期由項目規劃、需求分析、系統設計、實現和部署、運行管理與維護等5個基本活動組成;
(2) 將快速原形模型和增量模型的開發思路引入DBAS生命周期模型，允許漸進、迭代地開發DBAS;
(3) 根據DBAS的軟件組成和各自功能，細化DBAS需求分析和設計階段，引入了數據組織與存儲設計、數據訪問與處理設計、應用設計三條設計主線，分別用于設計DBAS中的數據庫、數據庫事務和應用程序;
(4) 將DBAS設計階段細分為概念設計、邏輯設計、物理設計三個步驟，每一步的設計內容又涵蓋了三條設計主線。
2.2 規劃與分析
2.2.1 系統規劃與定義
1、 定義：系統規劃與分析是面向將要開發的DBAS，通過了解用戶實際需求，明確該系統需要實現的目標和任務，并從數據管理和數據處理的角度，確定系統中數據庫軟件的功能、性能范圍;
2、 系統規劃與定義包括：
(1) 任務陳述：描述所要開發的DBAS的總體目標;
(2) 確定任務目標;
(3) 確定系統范圍和邊界;
(4) 確定用戶視圖; 2.2.2 可行性分析
1、 可行性分析包括以下四方面：
(1) 經濟可行性：對項目進行成本效益分析;DBAS的成本主要包括：A、軟硬件購置費用;B、系統開發費用;C、系統安裝、運行、維護費用。
(2) 技術可行性：是根據用戶提出的系統功能、性能及實現系統的各項約束條件，對系統軟件、硬件、技術方案作出評估和選擇建議;
A、 硬件可行性研究是分析DBAS的硬件平臺環境和設置;
B、 軟件可行性研究包括：對可用的DBMS和操作系統的選型評估，對中間件和開發環境的選型建議，對DBAS開發模式和編程語言的建議;
C、 技術方案的選擇是根據系統技術需求，提出DBAS可能采用的合理技術方案和關鍵技術;
(3) 操作可行性：是論證是否具備DBAS開發所需的各類人員資源、軟件資源、硬件資源和工作環境等，以及為支持DBAS開發如何去改進加強這幾方面資源。
(4) 開發方案選擇：目的是提出并評價實現系統的各種開發方案，從中選出一種適用于DBAS軟件的開發方案;
2.2.3 項目規劃
1、 項目規劃是項目管理者對資源、成本和進度做出合理估算，并在此基礎上制定切實可行的DBAS項目開發計劃。
2、 項目規劃包括以下內容：
(1) 確定項目的目標和范圍;
(2) 根據DBAS軟件開發模型，分解和定義整個項目包括的工作活動和任務;
(3) 估算完成該項目的規模和所需各種資源;
(4) 制定合理的DBAS項目計劃
3、項目規劃的結果應形成數據庫應用系統項目計劃文檔，即項目計劃書。
2.3 需求分析
1、 數據庫應用系統需求是指用戶對DBAS在功能、性能、行為、設計約束等方面的期望和要求;
2、 DBAS需求分析是在已經明確的DBAS系統范圍基礎上，通過對應用問題的理解和分析，采用合適的工具和符號，系統地描述DBAS的功能特征、性能特征和約束，并形成需求規范說明文檔;
3、 需求分析過程由需求獲取、需求分析、需求描述和規范說明、需求驗證等組成;
4、 DBAS的需求分析包括：
(1) 數據需求分析;
(2) 數據處理需求分析;
(3) 業務需求分析;
(4) 分析數據庫系統在性能、存儲、安全、備份與恢復等方面的要求;
2.3.1 數據與數據處理需求分析
1、 數據需求分析：是從對數據組織與存儲的設計角度，辨識應用領域所管理的各類數據項和數據結構，與數據處理需求分析結果一起，組成數據字典;
2、 數據處理需求分析：是從數據訪問和處理的角度，明確對各類數據項所需進行的數據訪問操作，分析結果可表示為數據流圖或事務規范;
3、 事務規范包括：
(1)事務名稱;(2)事務描述;(3)事務所訪問的數據項;(4)事務用戶;
2.3.2 業務規則需求分析
1、業務規則需求分析：是從DBAS高層目標和整體功能出發，分析系統或系統中一些大粒度子系統應具有的業務類型和功能，明確用戶或外部系統與DBAS的交互模式;
2.3.3 性能需求分析
1、 DBAS的性能指標：
(1) 數據操作響應時間(或數據訪問響應時間)：從提交請求到返回結果的時間;
(2) 系統吞吐量：指系統在單位時間內所完成的事務或查詢的數量，單位為TPS;
(3) 允許并發訪問的最大用戶數：在保證響應時間的前提下，系統最多允許多少用戶同時訪問數據庫;
(4) 每TPS代價值，用于衡量系統性價比的指標
2、 影響DBAS性能的因素：
(1) 系統硬件資源;
(2) 網絡通信設備性能;
(3) 操作系統環境;
(4) 數據庫的邏輯設計和物理設計質量，數據庫配置參數;
(5) DBAS的配置和性能;
(6) 數據庫應用程序自身。
2.3.4 其它需求分析
1、 存儲需求分析：是指估計DBAS系統需要的數據存儲量，包括：(1)初始數據庫大小;(2)數據庫增長速度;存儲總量估算可采用：根據數據字典中每個數據項的結構描述信息，估計每個數據項的容量，將所有數據項的容量累加;
2、 安全性需求分析：
(1) DBAS系統應達到的安全控制級別;
(2) 各類用戶的數據視圖和視圖訪問權限;
(3) DBAS應有的口令保護機制或其它安全認證機制，用以控制用戶登錄數據庫系統。
3、 備份和恢復需求分析：
(1) DBAS運行過程中備份數據庫的時間和備份周期;
(2) 所需備份的數據是全部數據庫數據，還是一部分;
(3) 備份方式是采用完全備份還是采用差異備份。
2.4 系統設計
2.4.1 概念設計
1、 數據庫概念模型設計：是根據數據需求分析階段得到的需求結果，分析辨識需要組織存儲在數據庫中的各類應用領域數據對象的特征及其相互之間關聯關系，并采用概念數據模型表示出來，得到獨立于具體DBMS的數據庫概念模型;
2、 ER方法：(1)選擇局部應用;(2)分別設計各個局部ER圖;(3)局部ER圖合并;
3、 系統總體設計：
(1) 確定DBAS體系結構;
(2) 系統硬件平臺和操作系統、數據庫管理系統等系統軟件的選型和配置;
(3) 應用軟件結構設計
(4) 對需求分析階段識別出的業務規則進行初步設計，細化業務規則流程，明確采用的關鍵技術和算法;
(5) 對系統采用的關鍵技術進行方案選型和初步設計。
2.4.2 邏輯設計
1、 數據庫邏輯結構設計：指從數據庫的概念模型出發，設計表示為邏輯模式的數據庫邏輯結構。
(1) ER圖轉換為初始關系模式;
(2) 對初始關系模式進行優化;
(3) 檢查關系表對數據庫事務的支持性;
(4) 確定關系模式的完整性約束;
(5) 從數據安全性和獨立性出發，設計用戶視圖。
2、 應用程序概要設計(II);
3、 數據庫事務概要設計;
2.4.3 物理設計
1、 數據庫物理結構設計：主要指數據文件在外存上的存儲結構和存取方法，它依賴于系統具體的硬件環境、操作系統和DBMS;
(1) 數據庫邏輯模式調整;
(2) 選擇或配置基本關系表的文件組織形式;
(3) 數據分布設計;
(4) 安全模式設計;
(5) 確定系統配置;
(6) 物理模式評估;
2、 數據庫事務詳細設計：根據事務流程，利用SQL語句、數據庫訪問接口，采用高級程序設計語言或DBMS提供的事務實現機制，設計數據庫事務。
2.5 實現與部署
1、 建立數據庫結構;
2、 數據加載;
3、 事務和應用程序的編碼及測試;
4、 系統集成、測試與試運行;
5、 系統部署;
2.6 運行管理與維護
2.6.1 日常維護
(1) 數據庫的備份與恢復
(2) 完整性維護
(3) 安全性維護
(4) 存儲空間管理
(5) 并發控制及死鎖處理
2.6.2 系統性能監控和分析
1、 統計數據可以通過兩種途徑收集：
(1) 由DBMS本身自動收集和存儲統計數據
(2) 通過監控系統得到
2.6.3 系統性能優化調整
1、 糸統性能優化的手段有：數據查詢調整與優化、索引調整、數據庫摸式調整、DBMS和操作系統參數調整等。
2、 模式調整主要涉及邏輯模式調整，可以從下考慮：
(1) 已達到第三范式的基本表，不要進一步規范化為BCNF;
(2) 在分布式數據庫中，對一個基本表中某些頻繁被訪問的數據，可以按水平分區或垂直分區方式拆分基本表。
2.6.4 系統升級
1、 改進應用桯序;
2、 數據庫重組;
DBMS和OS版本升級
3、 應用程序詳細設計：
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