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計算機概論
第二版
Foundations of Computer Science
Chapter 14 資料庫
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14.1 簡介
資料儲存傳統地使用個別的、無關聯的檔案──有時稱為平坦
檔案（flat files）。
定義： 資料庫（database）是相關的、邏輯上一致的、被
一個組織中應用程式所運用的資料集合。
資料庫之優點
較少的重複
避免不一致性：如果同樣的資訊片段被存放在不只一個地方
中，那麼該資料所發生的任何改變都需要套用到資料被存放
的所有地方中。
效率
資料完整性
機密性
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14.2 資料庫管理系統
資料庫管理系統（database management system；DBMS） 用以
定義、產生和維護一個資料庫，它也允許了對資料庫中的資
料做管制性的存取。DBMS 有五個組成要素：硬體、軟體、
資料、使用者和程序。
圖 14.1 DBMS 組成要素
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p.347
硬體
硬體（hardware）是允許存取到資料的實體電腦系統。
軟體
軟體（software）是允許使用者存取、維護和更新資料的真正
程式。軟體管控了哪個使用者能夠存取資料庫中哪一部分的
資料。
資料庫
資料庫的資料是實際存放在儲存裝置中。在資料庫中，資料
是與存取它的軟體相分離的獨立實體，此分離允許組織可以
更換軟體而不必改變實際資料或其儲存的方式。
使用者
使用者（users）可區分成兩類，即終端使用者和應用程式。
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p.347
終端使用者
終端使用者（end users）是指能夠存取此資料庫而直接得到資
訊的人。終端使用者有兩種類型：資料庫管理者（database
administrators；DBA）和正常使用者。資料庫管理者擁有最高
的權力，可以管控其他使用者和他們對 DBMS 的存取、可以
授權某些權力給其他人，也能在任何時間解除這些權力。另
一方面，正常使用者僅能使用部分資料庫和有限制的存取。
應用程式
資料庫中另一些資料的使用者是應用程式（application
programs）。應用程式需要存取和處理資料。
程序
DBMS 最後一個構成要素是一套程序（procedures）或規則，
應該清楚地加以定義並且讓資料庫使用者遵循。
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p.347
14.3 架構
DBMS 有三階層架構：內部的、概念性和外部的。
圖 14.2 資料庫架構
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p.348
內部階層
決定資料實際儲存於儲存裝置中的地方為內部階層（internal
level），它處理低階存取方法和位元組如何轉換進出儲存裝
置。
概念性階層
概念性階層（conceptual level）定義資料的邏輯觀點。在此階
層中，定義了資料模型以及 DBMS 的主要功能。DBMS 將內
部資料觀點改變成使用者需要的外部資料觀點，概念性階層
是一個中間媒介並且可讓使用者免除處理內部階層。
外部階層
外部階層（external level）直接與使用者相互作用（終端使用
者或應用程式）。它把來自概念性階層的資料轉換成使用者
所熟悉的格式和觀點。
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p.348
14.4 資料庫模型
資料庫模型（database models）定義了資料的邏輯設計。有三
個模型已在使用中：階層式模型、網路模型和關聯式模型。
階層式模型
在階層式模型（hierarchical model）中，資料常被組織成為上
下顛倒的樹狀。每一個實體只有一個父但能夠有很多的子，
在階層的頂端有一個稱作樹根的實體。
圖 14.3 代表一所大學的一個階層式模型範例
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網路模型
在網路模型（network model）中，實體被組織成圖形，其中
有些實體可以透過幾條路徑存取。
關聯式模型
在關聯式模型（relational model）中，資料被組織成一個叫做
關聯的二維資料表。
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p.349
圖 14.4 代表一所大學的一個網路模型範例
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p.350
圖 14.5 代表一所大學的一個關聯式模型範例
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p.350
14.5 關聯式資料庫模型
在關聯式資料庫管理系統（relational database management
system；RDBMS）中，資料是表示成一組的關聯。
關聯
一個關聯（relation）是一個二維的資料表。RDBMS 將資料加
以組織，使得外部觀點看起來是一組關聯或資料表。
RDBMS 的關聯具有下列的特性：
名稱：在關聯式資料庫的每一個關聯應該有一個與其他關聯
不同的唯一名稱。
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p.350
屬性：在關聯中的每一個欄位稱為屬性（attribute）。每一個
屬性為該欄位所儲存的資料賦予意義。在資料表中的每一個
欄位都必須具有在關聯範圍內唯一的名字。一個關聯中屬性
的總數量稱為關聯度。注意，屬性名稱並沒有被存在資料庫
中；概念性階層使用屬性來替每個欄位賦予意義。
值組：在關聯中的每一列稱為值組（tuple），值組定義了一
組屬性值的集合。關聯中列的總數量稱為關聯基數
（cardinality）。注意，當值組增加或刪除時，關聯基數會改
變，這使得資料庫成為動態性的。
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p.351
圖 14.6 關聯之範例
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14.6 關聯運算
九個運算：插入、刪除、更新、選取、映射、合併、聯集、
交集和差異。
結構化查詢語言
結構化查詢語言（Structured Query Language；SQL）是一種
宣告式（而不是程序式）語言，表示使用者只需宣告想要執
行的程序而不用撰寫逐步執行的程序。
插入
插入運算（insert operation）是一元運算；它被應用於一個單
獨的關聯。這個運算把新的值組插入至關聯之中。
insert into RELATION-NAME
values (…,…,…)
value 子句定義了所有要插入相對應值組的屬性。
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p.351
圖 14.7 插入運算之範例
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p.352
刪除
刪除運算（delete operation）也是一元運算。這個運算刪除了
由關聯而來的準則，其所定義的一個值組。
delete from RELATION-NAME
where criteria
刪除的準則被定義在 where 子句之中。
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p.352
圖 14.8 刪除運算之範例
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p.353
更新
更新運算（update operation）也是一元運算；它應用於一個單
獨的關聯。此運算改變了值組的一些屬性值。
update RELATION-NAME
set attribute1 = value1, attribute2 = value2, …
where criteria
要改變的屬性被定義在 set 子句之中，而更新的準則是被定義
在 where 子句之中。
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p.353
圖 14.9 更新運算之範例
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p.353
選擇
選擇運算（select operation）是一元運算；也就是說，它應用
於一個單獨的關聯，並且產生出另一個關聯。這些所產生關
聯的值組（列）為原始關聯中值組的子集合。選擇運算使用
一些準則來選擇原始關聯中的一些值組。
select *
from RELATION-NAME
where criteria
星號（*）表示選擇所有的屬性。
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p.353
圖 14.10 選擇運算之範例
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p.354
映射
映射運算（project operation）也是一元運算，也會產生出另一
個關聯。這些所產生出來的關聯，其屬性（欄位）為原始關
聯中屬性的子集合。映射運算所產生的關聯，其值組有較少
的屬性。這個運算中值組（列）的數目會保持相同。
select attribute-list
from RELATION-NAME
新關聯的欄位名稱被清楚地列出。
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p.354
圖 14.11 映射運算之範例
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p.354
合併
合併運算（join operation）是二元運算；它取用兩個關聯並基
於其共同屬性來加以結合。
select attribute-list
from RELATION1, RELATION2
where criteria
屬性表是兩個輸入關聯的屬性之組合；準則明確地定義了用
來做為共同屬性之屬性。
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p.355
圖 14.12 合併運算之範例
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p.355
聯集
聯集運算（union operation）也是二元運算；它取用兩個關聯
來產生一個新關聯。然而，這兩個關聯是有所限制的；它們
必須具有相同的屬性。聯集運算產生一個新關聯，其中每一
個值組不是在第一個關聯或第二個關聯上，就是在兩者上。
select *
from RELATION1
union
select *
from RELATION2
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p.355
圖 14.13 聯集運算之範例
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p.356
交集
交集運算（intersection operation）也是二元運算；它取用兩個
關聯來建立一個新關聯。兩個關聯必須有相同的屬性。交集
運算產生一個新的關聯，其中每一個值組同時是兩個關聯上
的成員。
select *
from RELATION1
intersection
select *
from RELATION2
同樣地，星號表示選擇所有的屬性。
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p.356
圖 14.14 交集運算之範例
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p.357
差異
差異運算（difference operation）也是二元運算，它是應用於
具有相同屬性的兩個關聯。所產生關聯之值組是只在第一個
關聯中而不在第二關聯之中。
select *
from RELATION1
minus
select *
from RELATION2
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p.357
圖 14.15 差異運算之範例
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p.357
14.7 資料庫之設計
實體─關係模型（Entity-Relationship Model；ERM），以定義
出需要被維護之資訊的實體、這些實體的屬性與實體之間的
關係。
資料庫設計者會建立實體─關係（Entity-Relationship；E-R）
圖，來表示要被儲存之資訊的實體與那些實體間的關係。E-R
圖使用了一些幾何圖形：
1. 長方形代表實體集合
2. 橢圓型代表屬性
3. 菱形代表關係集合
4. 線條把屬性連接到實體集合，也可以把實體集合連接到關
係集合
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p.358
範例 14.1
圖 14.16 顯示了一個非常簡單的 E-R 圖，包含三個實體集合、它們
的屬性與實體集合間的關係。以菱形表示的關係可以是一對一、
一對多、多對一與多對多。有些屬性是著以暗色的，這些屬性是
在每個集合中被視為該集合之鍵值。
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p.358
圖 14.16 E-R 圖中實體、屬性與關係
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p.358
從 E-R 圖到關聯
針對 E-R 圖中的每個實體集合，我們會建立一個關聯（資料
表），其中有跟定義給該集合的 n 個屬性相關的 n 個欄位。
針對在 E-R 圖中的每一個關係集合，我們會建立關聯（資料
表）。這個關聯會為牽涉在這個關係中的每個實體集合之鍵
值配置一個欄位；如果關係有屬性的話（本例中沒有），也
會為關係本身每個屬性配置欄位。
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p.359
範例 14.2
如圖 14.17 所示，針對在圖 14.16 中定義的每一個實體集合，我們
會有三個關聯（資料表）。
圖 14.17 圖 14.16 中實體集合之關聯
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p.359
範例 14.3
圖 14.16 有兩個關係集合，授課與選課，每一個都被連接到兩個實
體集合。這些關係集合之關聯被加入到先前的實體集合之關聯
中，並且顯示在圖 14.18。
圖 14.18 圖 14.16 中 E-R 圖之關聯
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p.359
正規化
正規化（normalization）是將給定的關聯集合轉換到具有更結
實結構之新關聯集合的過程。正規化過程定義了一組階層式
正規形式（normal forms；NFs），這些正規式會形成一個階
層式結構。
第一正規式
當我們把實體或關係轉換到表格式的關聯時，會有一些關聯
在列或行的交集中出現了不只一個數值。這兩個關聯可以藉
由重複有這個問題存在的列，來加以正規化。
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p.360
圖 14.19 第一正規式之範例
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p.361
第二正規式
在每一個關聯中，我們需要有一個鍵值（稱作主要鍵值），
來讓所有其他屬性（欄位數值）有所依靠。當基於 E-R 圖之
關聯被建立時，我們可能會有一些複合鍵值（兩個或更多鍵
值的組合）。如果每一個非鍵值之屬性都依賴於整個複合鍵
值時，關聯便是第二正規式。
假如一些屬性只依賴於部分複合鍵值的話，該關聯就不是第
二正規式。
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p.361
圖 14.20 第二正規式之範例
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p.361
14.8 其他資料庫模型
另外兩個常見的模型是分散式資料庫和物件導向資料庫。
分散式資料庫
分散式資料庫（distributed database）其資料是被儲存於數部
電腦中，彼此之間透過網際網路（或一些私人廣域網路）來
溝通。每部電腦（或站）維護部分資料庫或整個資料庫。換
句話說，不是將資料分成片段並分別儲存於各站，就是將資
料複製到每一站。
片段分散式資料庫
在片段分散式資料庫（fragmented distributed database）中，資
料是局部性的。
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p.362
複製分散式資料庫
在複製分散式資料庫（replicated distributed database）中，每
一站都擁有另一站精確複製的資料。儲存於某一站資料所做
的修改，會確切地在每一站重複該動作，之所以有這種資料
庫的原因是為了安全因素。
物件導向資料庫
物件導向資料庫（object-oriented database）試著保有關聯式模
型的優點而且同時允許應用程式可以存取結構化的資料。在
物件導向資料庫中，定義了物件與其關聯。此外，每一個物
件能夠有可表示成欄位的屬性。
一般使用在物件導向資料庫的查詢語言是 XML（可擴充標示
語言）。
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p.362