软件设计师考试 - 数据库技术

calendar Apr 16, 2025 · 2 分钟阅读 · 软考 软件设计师  ·
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文章目录

数据库系统组成:

  • 数据库（DB）：结构化数据的集合。
  • 数据库管理系统（DBMS）：管理数据库的软件（如MySQL、Oracle）。
  • 数据库系统（DBS）：DB + DBMS + 应用程序 + 用户。

数据库管理系统利用日志文件来进行事务故障恢复和系统故障恢复。在事务处理过程中，把事务开始、事务结束以及对数据库的插入、删除和修改的每一次操作写入日志文件。 当系统正常运行时，按一定的时间间隔，把数据库缓冲区内容写入数据文件；一旦发生故障，DBMS的恢复子系统利用日志文件撤销事务对数据库的改变，回退到事务的初始状态。

一、数据库系统基础

  1. 数据库模型
    • 关系模型：核心模型，用二维表（关系）表示数据，核心概念包括：
      • 关系（表）、属性（列）、元组（行）、候选码（唯一标识元组的属性集）、主码（选定的候选码）、外码（关联其他表主码的属性）。
    • 其他模型：层次模型（树形结构）、网状模型（图结构），了解其特点即可。
  2. 数据库三级模式
    • 外模式（用户视图）、模式（逻辑结构）、内模式（物理存储），通过两级映像实现数据独立性（逻辑独立性与物理独立性）。

二、关系数据库与SQL

  1. 关系代数
    • 基本运算：选择（σ）、投影（π）、并（∪）、差（−）、笛卡尔积（×）。
    • 扩展运算：连接（⋈）、自然连接、除运算（÷）、交（∩）等。
    • 考试重点：根据关系代数表达式写出等价SQL语句。
  2. SQL语言
    • DDL（数据定义语言）：CREATE TABLE, ALTER TABLE, DROP TABLE。
    • DML（数据操纵语言）：SELECT（重点）、INSERT, UPDATE, DELETE。
    • DCL（数据控制语言）：GRANT, REVOKE。
    • 高级查询：分组（GROUP BY）、聚合函数（COUNT, SUM, AVG）、子查询、连接查询（内连接、左外连接、右外连接）。
    • 索引：CREATE INDEX，理解B树、哈希索引的适用场景。
  3. 完整性约束
    • 实体完整性：主键（PRIMARY KEY）非空且唯一。
    • 参照完整性：外键（FOREIGN KEY）引用有效值。
    • 用户定义完整性：如CHECK约束。

三、数据库设计

  1. E-R模型：全称实体-关系模型（Entity-Relationship Model），用于描述现实世界中的对象之间的关系。
    • E-R模型是一种图形化的表示方式，通常使用矩形表示实体，椭圆表示属性，菱形表示关系(联系)，箭头表示关系的方向，线条表示属性或关系的类型。
    • E-R模型示例图
  2. ER模型与关系模式转换
    • ER图要素：实体、属性、联系（1:1、1:N、M:N）。
    • 转换规则：实体→表，属性→字段，多对多联系→独立表。
    • 考试重点：根据ER图设计关系模式，解决冗余和异常问题。
  3. 规范化理论
    • 函数依赖（Functional Dependency, FD）:
      • 在一个关系模式\( R(U) \)中，\( U \)是属性集，\( X \)和\( Y \)是\( U \)的子集。如果对与\( R \)的任意两个元组\( t{1},t{2} \)，当它们在\( X \)上的属性值相同时则在\( Y \)上必相同，则称\( X \)函数决定\( Y \)，记为 \( X \rightarrow Y \)。
        类型 定义 示例
        完全函数依赖 \( Y \) 完全依赖于 \( X \)，即 \( X \rightarrow Y \)，且 \( X \) 的任意真子集无法决定 \( Y \)。 \( (\text{学号}, \text{课程号}) \rightarrow \text{成绩} \)（成绩由学号和课程号共同决定）
        部分函数依赖 \( Y \) 部分依赖于 \( X \)，即存在 \( X \) 的真子集 \( X' \) 满足 \( X' \rightarrow Y \)。 若 \( \text{学号} \rightarrow \text{姓名} \)，则 \( (\text{学号}, \text{课程号}) \rightarrow \text{姓名} \) 是部分依赖
        传递函数依赖 若 \( X \rightarrow Y \)，\( Y \rightarrow Z \)，且 \( Y \nrightarrow X \)，则 \( X \rightarrow Z \) 是传递依赖。 学号 → 所属学院，所属学院 → 院长，则学号 → 院长 是传递依赖
    • 范式（Normal Form）：
      范式 要求 解决的问题
      1NF 原子性(属性不可再分) 消除重复字段
      2NF 消除非主属性对候选码的部分依赖 减少数据冗余（将部分依赖的属性单独建表）
      3NF 消除非主属性对候选码的传递依赖 避免更新异常（将传递依赖的属性拆分到新表）
      BCNF 消除主属性对候选码的部分/传递依赖（所有决定因素必为候选码） 更强的3NF
    • 判断与分解：给定关系模式，判断范式级别，并通过投影分解达到更高范式。
    • 闭包计算：求属性集 \( X \) 在函数依赖集 \( F \) 下的闭包 \( X^+ \)，即所有能被 \( X \) 决定的属性集合。
  4. 考试高频题型与解法
    1. 判断候选码
      • 步骤：
        1. 找出所有可能的候选码（最小属性集能决定所有属性）。
        2. 利用闭包计算验证候选码是否满足 \( X^+ = U \)。
      • 示例：
        关系模式 \( R(A,B,C,D) \)，函数依赖集 \( F = \{ A \rightarrow B, B \rightarrow C, D \rightarrow B \} \)，求候选码。
        答案：候选码为 \( AD \)（因为 \( AD^+ = ABCD \)）。
    2. 判断范式级别
      • 步骤：
        1. 判断是否满足1NF（属性原子性）。
        2. 找候选码，判断是否存在部分依赖（不满足2NF）或传递依赖（不满足3NF）。
        3. 检查是否所有决定因素均为候选码（满足BCNF）。
      • 示例：
        关系模式 \( R(学号, 课程号, 成绩, 姓名) \)，函数依赖集 \( F = \{ (\text{学号}, 课程号) \rightarrow 成绩, 学号 \rightarrow 姓名 \} \)。
        答案：候选码为 \( (\text{学号}, 课程号) \)，存在非主属性“姓名”对候选码的部分依赖，故仅满足1NF。
    3. 模式分解
      • 目标：消除冗余和异常，满足更高范式。
      • 原则：
        • 保持函数依赖（分解后的子模式函数依赖集覆盖原依赖）。
        • 无损连接（分解后的表通过自然连接可恢复原表）。
      • 示例：将上述示例分解为2NF：
        • \( R1(\text{学号}, 课程号, 成绩) \)（满足2NF）。
        • \( R2(\text{学号}, 姓名) \)（满足2NF）。
    4. 典型例题
      • 题目：关系模式 \( R(A,B,C,D) \)，函数依赖集 \( F = \{ A \rightarrow B, B \rightarrow C, C \rightarrow D \} \)，判断其最高范式级别。
      • 解析：
        • 候选码为 \( A \)（\( A^+ = ABCD \)）。
        • 非主属性 \( B, C, D \) 均传递依赖于候选码 \( A \)，故仅满足2NF（未消除传递依赖）。
      • 答案：2NF。

四、事务与并发控制

  1. 事务ACID特性
    • 原子性（Atomicity）：事务要么全执行，要么全不执行。
    • 一致性（Consistency）：事务前后数据库状态一致。
    • 隔离性（Isolation）：并发事务互不干扰。
    • 持久性（Durability）：事务提交后结果永久保存。
  2. 并发问题
    • 丢失更新：两个事务同时修改同一数据，后提交的覆盖先提交的。
    • 脏读：读取到未提交的数据。
    • 不可重复读：同一事务内两次读取结果不同（数据被修改）。
    • 幻读：同一事务内两次查询结果集不同（数据被插入/删除）。
  3. 封锁协议
    • 共享锁（S锁）：读锁，允许多事务同时读取。
    • 排他锁（X锁）：写锁，独占数据。
    • 两段锁协议（2PL）：事务分为加锁阶段和解锁阶段，避免死锁。
    • 隔离级别：读未提交、读已提交（解决脏读）、可重复读（解决不可重复读）、串行化（解决幻读）。
  4. 故障与恢复
    • 日志技术：Undo（撤销未提交事务）、Redo（重做已提交事务）；
    • 检查点机制：减少恢复时间。

（MySQL事务处理与并发控制）

五、其他高频考点

  1. 视图（View）
    • 作用：简化查询、数据安全（隐藏敏感字段）。
    • 更新限制：视图的更新需满足特定条件。
  2. 存储过程与触发器
    • 存储过程：预编译的SQL代码块，提高执行效率。
    • 触发器：由事件（如INSERT、UPDATE）自动触发的特殊存储过程。
  3. 分布式数据库与NoSQL
    • 分布式数据库：数据分片存储，支持水平扩展、CAP理论（一致性、可用性、分区容忍性）。
    • NoSQL类型：键值存储（Redis）、文档数据库（MongoDB）、列族数据库（HBase）、图数据库（Neo4j）。
    • 大数据技术
      • Hadoop：分布式存储（HDFS）与计算（MapReduce）。
      • Spark：内存计算，适合迭代分析。
  4. 其他
    1. SQL优化：避免全表扫描（使用索引）、优化子查询。
    2. 事务隔离级别：读未提交、读已提交、可重复读、串行化。
    3. 索引设计：B+树索引、哈希索引的适用场景。
    4. 数据库安全：角色权限管理、SQL注入防范。

附：真题示例

  • 2023年真题： 
    -- 查询选修了“数据库”课程的学生姓名  
SELECT S.name  
FROM Student S, Course C, SC  
WHERE S.sid = SC.sid AND C.cid = SC.cid AND C.cname = '数据库';
  • 2021年真题：判断关系模式R(A,B,C,D)的函数依赖集是否满足3NF。
END .

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