数据库系统是软件设计师考试中的重要章节，它不仅涉及理论基础，更与实际应用开发紧密相连。本章将系统性地梳理数据库系统的核心知识体系，助力考生高效备考。
一、 数据库系统概述
数据库系统（Database System， DBS）是一个由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员和用户构成的，用于存储、管理和处理数据的完整系统。其核心目标是实现数据的高效共享、低冗余、高独立性与安全性。与传统的文件系统相比，数据库系统通过数据模型、数据库管理系统（DBMS）提供了更强大的数据抽象、管理和控制能力。
二、 数据模型
数据模型是数据库系统的核心与基础，它描述了数据的结构、联系及约束。
- 概念模型：如E-R模型（实体-联系模型），用于在数据库设计初期，从用户视角抽象出现实世界的信息结构，独立于具体的DBMS。
- 逻辑模型：将概念模型转换为DBMS支持的具体模型。主要包括：
- 层次模型：树形结构，现已较少使用。
- 网状模型：图形结构，复杂且较少使用。
- 关系模型：当前主流模型，以二维表（关系）形式组织数据，理论基础坚实（关系代数、关系演算）。
- 面向对象模型等。
- 物理模型：描述数据在存储介质上的具体组织方式。
三、 数据库系统的三级模式与两级映像
这是实现数据独立性的关键架构。
- 模式（Schema）：
- 外模式（子模式/用户模式）：数据库用户（包括应用程序员和最终用户）能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征描述。一个数据库可以有多个外模式。
- 模式（逻辑模式）：数据库中全体数据的全局逻辑结构和特征描述，是所有用户的公共数据视图。一个数据库只有一个模式。
- 内模式（存储模式）：数据在数据库内部的表示方式，描述了数据的物理存储结构和存取方法。一个数据库只有一个内模式。
- 映像（Mapping）：
- 外模式/模式映像：保证了数据的逻辑独立性。当模式改变时（如增加新的关系、属性），只需修改此映像，而外模式可以保持不变，从而应用程序也无需修改。
- 模式/内模式映像：保证了数据的物理独立性。当内模式改变时（如更换存储设备、改变文件组织方式），只需修改此映像，而模式可以保持不变。
四、 关系数据库与SQL
关系数据库是基于关系模型构建的数据库，其理论完备，应用最广。
- 关系数据结构：关系、属性、域、元组、键（超键、候选键、主键、外键）。
- 关系完整性约束：实体完整性（主键非空且唯一）、参照完整性（外键约束）、用户定义完整性。
- 关系代数：传统的集合运算（并、差、交、笛卡尔积）和专门的关系运算（选择、投影、连接、除）。是SQL语言的理论基础。
- SQL（结构化查询语言）：
- 数据定义语言（DDL）：CREATE, ALTER, DROP。
- 数据操纵语言（DML）：SELECT（核心，查询）， INSERT, UPDATE, DELETE。
- 数据控制语言（DCL）：GRANT, REVOKE。
- 视图（VIEW）的定义与使用。
五、 关系数据库规范化
规范化理论旨在解决关系模式中的数据冗余、插入异常、删除异常和更新异常问题。通过模式分解，使关系模式满足更高的范式要求。
- 函数依赖与键：完全函数依赖、部分函数依赖、传递函数依赖。
- 范式（Normal Form）：
- 第一范式（1NF）：属性不可再分。
- 第二范式（2NF）：消除非主属性对候选键的部分函数依赖（在1NF基础上）。
- 第三范式（3NF）：消除非主属性对候选键的传递函数依赖（在2NF基础上）。
- BCNF（巴斯-科德范式）：消除主属性对不包含它的候选键的依赖（比3NF更严格）。
- 通常，数据库设计至少要求达到3NF。
六、 事务管理与并发控制
- 事务（Transaction）：用户定义的一个数据库操作序列，这些操作要么全做，要么全不做，是一个不可分割的工作单位。具有ACID特性：
- 原子性（Atomicity）：由DBMS的事务管理子系统保证。
- 一致性（Consistency）：由DBMS的完整性子系统和应用编程共同保证。
- 隔离性（Isolation）：由DBMS的并发控制子系统保证。
- 持久性（Durability）：由DBMS的恢复管理子系统保证。
- 并发控制：主要技术是封锁。
- 锁的类型：排他锁（X锁，写锁）、共享锁（S锁，读锁）。
- 封锁协议：三级封锁协议用于解决丢失修改、读脏数据、不可重复读等问题。
- 死锁：预防、诊断与解除。
七、 数据库安全性与完整性
- 安全性：保护数据库以防止不合法使用所造成的数据泄露、更改或破坏。措施包括：用户标识与鉴别、存取控制（自主存取控制DAC、强制存取控制MAC）、视图机制、审计、数据加密等。
- 完整性：保证数据库中数据的正确性、有效性和相容性。主要通过完整性约束机制（实体、参照、用户定义）来实现。
八、 数据库备份与恢复
数据库必须能从各种故障中恢复，保证事务的原子性和持久性。
- 故障类型：事务内部故障、系统故障、介质故障、计算机病毒等。
- 恢复技术：
- 数据转储（备份）：静态/动态转储，海量/增量转储。
- 登记日志文件（Logging）：记录事务对数据库的所有更新操作。日志文件是恢复的关键。
- 恢复策略：针对不同故障，采用事务撤销（UNDO）或重做（REDO）操作。
备考建议：本章内容理论性强且与实践结合紧密。考生应重点理解三级模式与两级映像、关系代数与SQL、规范化理论以及事务的ACID特性与并发控制。结合历年真题，理解基本概念和原理的应用场景，并通过练习SQL语句和规范化分解题来巩固知识。掌握好本章内容，不仅对通过考试至关重要，也是成为一名合格软件设计师的坚实基础。
