Database Design 英文版

### 数据库设计基础 #### 一、数据库系统简介 **1.1 数据库与数据库系统** - **数据库(Database)**：数据库是指以特定方式组织起来的数据集合。这些数据被设计成可以方便地进行检索、管理以及更新。 - **数据库系统(Database System)**：数据库系统是由硬件、软件、数据库以及相关人员组成的整体，其主要功能是存储、维护和检索数据。它不仅包括了数据库本身，还包括了支持数据管理的所有组件。 **1.2 记录存储** - **记录存储(Record Storage)**：数据库中的数据通常是以记录的形式存储的。每个记录都由多个字段组成，每个字段包含不同类型的数据（如文本、数字等）。记录存储的方式直接影响到数据访问的效率和可靠性。 **1.3 多用户访问** - **多用户访问(Multi-User Access)**：在实际应用中，数据库系统需要支持多个用户同时访问。这要求数据库管理系统能够有效地处理并发控制问题，确保数据的一致性和完整性不受破坏。 **1.4 内存管理** - **内存管理(Memory Management)**：数据库管理系统需要高效地利用内存资源，以便快速响应用户的请求。这涉及到缓存机制的设计，以减少磁盘I/O操作，提高数据访问速度。 **1.5 数据模型与模式** - **数据模型(Data Models)**：数据模型是描述数据结构和数据之间关系的一种方法。常见的数据模型有层次模型、网状模型、关系模型等。 - **模式(Schemas)**：模式是对数据库结构的抽象表示，包括实体、属性及其之间的联系。它是数据库设计的重要组成部分。 **1.6 物理数据独立性** - **物理数据独立性(Physical Data Independence)**：指应用程序与存储在数据库中的数据的物理表示和访问方式之间的分离。这意味着即使数据的存储位置或格式发生变化，应用程序也不需要修改。 **1.7 逻辑数据独立性** - **逻辑数据独立性(Logical Data Independence)**：指的是应用程序与数据逻辑结构之间的独立性。当数据的逻辑结构改变时，应用程序不必随之更改。 **1.8 章节总结** - 本章介绍了数据库系统的基本概念，包括数据库、数据库系统、记录存储、多用户访问、内存管理、数据模型与模式、物理数据独立性以及逻辑数据独立性等核心知识点。 #### 二、关系型数据库 **2.1 表格** - **表格(Table)**：关系型数据库中最基本的数据组织形式。一张表由一系列行和列组成，每行代表一条记录，每列代表一种属性。 **2.2 空值** - **空值(Null Values)**：在关系型数据库中，如果某个字段没有值，则可以用空值表示。空值不等于零或者任何其他数值，而是一种特殊的状态。 **2.3 主键** - **主键(Primary Key)**：主键是用于唯一标识表中每一行的一个或一组字段。一个表只能有一个主键，但可以有多个候选键。 **2.4 外键与参照完整性** - **外键(Foreign Key)**：外键是用于建立两个表之间关联的字段，它引用另一个表的主键。参照完整性规则确保了外键引用的有效性。 - **参照完整性(Referential Integrity)**：这是关系型数据库中的一个重要约束，它确保了外键总是指向另一个表中的有效主键。 **2.5 完整性约束** - **完整性约束(Integrity Constraints)**：为了保持数据的准确性和一致性，数据库管理系统支持多种完整性约束，如非空约束、唯一性约束等。 **2.6 在SQL中指定表** - **在SQL中指定表(Specifying Tables in SQL)**：SQL语言提供了定义表结构的方法，包括字段名、数据类型以及各种约束条件。 **2.7 章节总结** - 本章深入探讨了关系型数据库的核心概念和技术，包括表格、空值、主键、外键与参照完整性、完整性约束以及如何在SQL中定义表等。 #### 三、数据设计 **3.1 设计表的挑战** - **设计表的挑战(Designing Tables is Difficult)**：设计良好的数据库表是一项复杂的工作，需要考虑到数据的冗余性、一致性以及查询性能等因素。 **3.2 类图** - **类图(Class Diagrams)**：类图是UML中的一个重要组成部分，用于描述系统的静态结构。在数据库设计过程中，类图可以帮助设计者理解实体之间的关系。 **3.3 将类图转换为表格** - **将类图转换为表格(Transforming Class Diagrams to Tables)**：通过分析类图中的实体、属性和关系，可以将其转化为具体的数据库表格。 **3.4 设计过程** - **设计过程(The Design Process)**：数据库设计通常遵循一定的步骤，包括需求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计等阶段。 **3.5 关系作为约束** - **关系作为约束(Relationships as Constraints)**：在数据库设计中，实体之间的关系不仅仅是连接表的方式，还涉及到约束条件，如外键约束。 **3.6 函数依赖与规范化** - **函数依赖(Functional Dependencies)**：函数依赖是用来描述表中字段间关系的概念，对于消除数据冗余非常重要。 - **规范化(Normalization)**：规范化是通过分析函数依赖来优化表结构的过程，目的是减少数据冗余并提高数据的一致性。 **3.7 章节总结** - 本章讨论了数据库设计的关键步骤，包括设计表面临的挑战、使用类图辅助设计、设计过程、关系作为约束以及函数依赖与规范化等。 #### 四、数据操作 **4.1 查询** - **查询(Query)**：查询是从数据库中检索数据的过程。查询可以非常简单，也可以非常复杂，涉及多个表和条件。 **4.2 关系代数** - **关系代数(Relational Algebra)**：关系代数是一组用于操作关系的数学运算，包括选择、投影、连接等操作，是SQL的基础。 **4.3 SQL查询** - **SQL查询(SQL Queries)**：SQL是关系型数据库的标准查询语言，它允许用户执行各种数据库操作，包括查询、插入、更新和删除。 **4.4 SQL更新** - **SQL更新(SQL Updates)**：除了查询之外，SQL还支持对数据的更新操作，如插入新记录、修改现有记录等。 **4.5 视图** - **视图(Views)**：视图是基于SQL查询的结果集，它可以看作是虚拟表，提供了一种简化查询的方式，并有助于数据安全。 **4.6 章节总结** - 本章介绍了数据库操作的基础知识，包括查询、关系代数、SQL查询、SQL更新以及视图等关键概念。 #### 五、完整性和安全性 **5.1 对完整性和安全性的需求** - **对完整性和安全性的需求(The Need for Integrity and Security)**：随着数据库应用的普及，确保数据的完整性和安全性变得尤为重要。 **5.2 断言** - **断言(Assertions)**：断言是一种用来验证数据状态是否符合预期的机制。它们可以在数据被修改之前或之后执行。 **5.3 触发器** - **触发器(Triggers)**：触发器是一种特殊的数据库对象，当特定事件发生时自动执行预定义的操作。它们常用于实现复杂的完整性约束。 **5.4 授权** - **授权(Authorization)**：授权是数据库安全的关键组成部分，它决定了用户对数据对象的访问权限。 **5.5 强制访问控制** - **强制访问控制(Mandatory Access Control)**：这是一种严格的安全模型，其中访问控制决策基于数据的安全级别和用户的访问权限。 **5.6 章节总结** - 本章讨论了数据库完整性和安全性的重要性，涵盖了断言、触发器、授权以及强制访问控制等关键主题。 #### 六、提高查询效率 **6.1 控制冗余的优点** - **控制冗余的优点(The Virtues of Controlled Redundancy)**：虽然通常认为冗余是需要避免的，但在某些情况下，适量的冗余可以帮助提高查询性能。 **6.2 物化视图** - **物化视图(Materialized Views)**：物化视图是预先计算好的查询结果集，存储在数据库中，以便快速响应类似的查询请求。 **6.3 索引** - **索引(Indexes)**：索引是用于加速数据检索的数据库结构。通过创建适当的索引，可以显著提高查询性能。 **6.4 章节总结** - 本章探讨了如何通过控制冗余、使用物化视图以及创建索引来提高数据库查询的效率。 #### 七、构建数据库应用 **7.1 数据共享问题** - **数据共享问题(The Data-Sharing Problem)**：随着应用规模的增长，如何有效地共享数据成为一个重要的问题。 **7.2 数据库客户端与服务器** - **数据库客户端与服务器(Database Clients and Servers)**：现代数据库应用通常采用客户端/服务器架构，其中客户端负责用户交互，而服务器负责数据管理和处理。 **7.3 Derby 和 SimpleDB 数据库服务器** - **Derby 和 SimpleDB 数据库服务器(The Derby and SimpleDB Database Servers)**：Derby和SimpleDB是两种常用的轻量级数据库服务器，适合于教学和小型项目。 **7.4 运行数据库客户端** - **运行数据库客户端(Running Database Clients)**：客户端程序可以通过网络与数据库服务器通信，执行各种数据库操作。 **7.5 Derby ij 客户端** - **Derby ij 客户端(The Derby ij Client)**：ij是Derby提供的一个命令行工具，用于执行SQL语句和管理数据库。 **7.6 SimpleDB 版本的 SQL** - **SimpleDB 版本的 SQL(The SimpleDB Version of SQL)**：SimpleDB支持一套简化的SQL语法，用于执行基本的查询和数据操作。 **7.7 章节总结** - 本章介绍了如何构建数据库应用，包括数据共享问题、客户端/服务器架构、Derby和SimpleDB数据库服务器、运行数据库客户端等内容。 #### 八、使用 JDBC **8.1 基本 JDBC** - **基本 JDBC(Basic JDBC)**：JDBC是Java数据库连接技术，用于在Java应用程序中访问关系型数据库。 **8.2 高级 JDBC** - **高级 JDBC(Advanced JDBC)**：除了基本的连接和查询操作外，JDBC还支持更高级的功能，如事务管理、批量更新等。 **8.3 Java 与 SQL 的计算** - **Java 与 SQL 的计算(Computing in Java vs. SQL)**：在开发数据库应用时，开发者需要权衡在Java代码中处理数据还是直接在SQL层面上进行计算。 **8.4 章节总结** - 本章讲解了如何使用JDBC在Java应用程序中访问和操作数据库，包括基本和高级JDBC用法，以及Java与SQL计算的区别。 #### 九、持久化的 Java 对象 **9.1 域模型与视图** - **域模型与视图(The Domain Model and View of a Client Program)**：域模型是指程序中与业务逻辑相关的数据结构，视图则是显示给用户的界面。 **9.2 Java 持久化架构** - **Java 持久化架构(The Java Persistence Architecture)**：Java持久化架构(JPA)是Java平台上的标准持久化框架，它提供了一种声明式的数据持久化方法。 **9.3 Java 持久化查询语言** - **Java 持久化查询语言(The Java Persistence Query Language)**：JPA支持一种类似于SQL的查询语言JPQL，用于在Java应用程序中执行数据库查询。 **9.4 下载 JPA 实现** - **下载 JPA 实现(Downloading a JPA Implementation)**：要使用JPA，首先需要下载并配置一个JPA提供者，如Hibernate或EclipseLink。 **9.5 章节总结** - 本章讨论了如何使用Java持久化架构(JPA)在Java应用程序中实现数据的持久化，包括域模型与视图的概念、JPA的特点、JPQL以及如何下载和配置JPA实现等。 通过以上对数据库设计基础知识的详细介绍，我们不仅了解了数据库系统的组成和运作原理，还掌握了如何设计和操作关系型数据库，以及如何构建基于数据库的应用程序。这对于学习和掌握数据库技术至关重要。