Databases

電腦科學 9618：學習筆記 - 資料庫 (AS Level)

哈囉，未來的資料庫大師！歡迎來到資料庫章節。無論你是叫外賣、查詢銀行餘額，還是串流影片，你其實都在與資料庫互動。本章的重點在於了解海量數據是如何被組織、保護並高效檢索的。這是幾乎所有現代數位應用的基石！如果術語看起來很陌生，請別擔心；我們會將所有內容拆解成易於消化的部分。

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8.1 資料庫概念

基於檔案系統 (File-Based Systems) 的問題

在資料庫普及之前，企業通常使用基於檔案的方法 (file-based approach)來儲存資料——這本質上就是由不同部門管理許多獨立的檔案（就像各自分散的試算表）。
這種方法有嚴重的局限性：

• 資料冗餘 (Data Redundancy)：相同的資料被多次儲存於不同的檔案中。（例如：客戶地址同時儲存在「銷售檔案」和「會計檔案」中。）
• 資料不一致 (Data Inconsistency)：由於資料重複，更新時可能無法同步應用到所有地方，導致資訊矛盾。（例如：銷售檔案顯示舊地址，但會計檔案卻有新地址。）
• 難以共享：資料散落在各處，不同程式或部門很難同時存取。
• 缺乏安全性：很難在眾多獨立檔案中應用一致的安全性規則。

關聯式資料庫簡介

關聯式資料庫 (Relational Database)（即我們學習的類型）透過將資料儲存在邏輯連結的結構化表格中，解決了上述基於檔案方法的局限。

核心資料庫術語（資料的語言）

掌握這些術語至關重要，因為它們在考試題目中會交替使用：

• 實體 (Entity)：記錄資料的對象，可以是人、地點、物件、事件或概念。（例如：客戶 CUSTOMER、產品 PRODUCT、訂單 ORDER。）
• 表格 (Table/Relation)：儲存單一實體的資料。它由列（row）和欄（column）組成。
• 記錄 (Record/Tuple)：表格中的單一橫列，包含與該實體的一個實例相關的所有資料。（例如：某個特定客戶的所有資訊。）
• 欄位 (Field/Attribute)：表格中的單一直行，代表該實體的一個特徵或屬性。（例如：客戶姓名 CustomerName、產品價格 ProductPrice。）

記憶小撇步：聯想一下 Excel 試算表：
表格 (Table) = 整個工作表
記錄 (Record) = 一行
欄位 (Field) = 一欄

理解資料庫鍵值 (Keys)

鍵值是高效識別和連結資料的基礎。

• 主鍵 (Primary Key, PK)：能唯一識別表格中每一筆記錄的欄位（或一組欄位）。
  （例如：CUSTOMER 表中的 CustomerID。）
• 候選鍵 (Candidate Key)：任何可能被用作主鍵的欄位（或欄位組合），因為它們能唯一識別記錄。最終只會選擇其中一個作為主鍵。（例如：CustomerID 或 身分證號碼 NationalInsuranceNumber 都可以是候選鍵。）
• 二級鍵/索引鍵 (Secondary Key/Index Key)：主要用於快速搜尋或排序記錄的欄位。它不必是唯一的。（例如：按姓氏 LastName 搜尋 CUSTOMER 表。）
• 外鍵 (Foreign Key, FK)：某個表格中的欄位，它參照了*另一個*表格中的主鍵。這就是建立關聯的方式！（例如：ORDER 表中包含 CustomerID 作為外鍵，以連結回 Customer 表。）

關係與參照完整性 (Referential Integrity)

關係定義了實體之間如何互動：

• 一對多 (1:M)：最常見的類型。表 A 中的一筆記錄對應表 B 中的多筆記錄。（例如：一位客戶 CUSTOMER 可以下多份訂單 ORDERS。）
• 一對一 (1:1)：表 A 中的一筆記錄對應表 B 中的唯一一筆記錄。（較少見，常用於安全性考量或大型表格分割。）
• 多對多 (M:M)：表 A 中的多筆記錄對應表 B 中的多筆記錄。這無法直接在關聯式資料庫中實作；必須使用一個新的中間（連結）表，將其拆解為兩個 1:M 的關係。（例如：多位學生 STUDENTS 可以選修多門課程 COURSES。）

參照完整性 (Referential Integrity)：此規則確保表格之間的關係是一致的。它防止你建立一筆連結到不存在記錄的資料（例如：你不能為一個在 CUSTOMER 表中不存在的 CustomerID 建立訂單）。

實體關係圖 (E-R Diagrams)

E-R 圖是設計師用來記錄資料庫結構的視覺化工具，顯示涉及的實體以及它們之間的關係。

• 實體通常以矩形表示。
• 關係以連結實體的線條表示，通常會使用特殊的符號（如 Crow’s Foot 或 Chen 標記法）來標示基數 (Cardinality，即 1:M, 1:1)。

正規化 (Normalisation: 1NF, 2NF, 3NF)

正規化是為了有效組織資料庫、減少冗餘並提高資料完整性的過程。它包含一系列稱為正規形式 (Normal Forms, NF) 的步驟。我們重點關注前三個。

第一正規化 (1NF)

若要符合 1NF，表格必須：

1. 不包含重複群組（即單一儲存格中不能有多個值）。
2. 所有屬性（欄位）都包含不可分割的值（原子值）。

步驟：如果學生修了三門課，你不能將所有三門課的代碼列在同一個欄位中。你必須為每一門課建立一筆新記錄，或者將資料拆分到多個表格中。

第二正規化 (2NF)

若要符合 2NF，表格必須：

1. 已經符合 1NF。
2. 所有非主鍵屬性必須完全依賴於整個主鍵。這只有在主鍵是複合鍵（由兩個或多個欄位組成）時才需要考量。

步驟：如果你的主鍵是 (OrderID, ItemNumber)，而 ItemName 只依賴於 ItemNumber（主鍵的一部分），你必須將 ItemName 移至獨立的 ITEM 表中。

第三正規化 (3NF)

若要符合 3NF，表格必須：

1. 已經符合 2NF。
2. 沒有遞移依賴 (transitive dependencies)。這意味著非主鍵屬性不能依賴於其他非主鍵屬性。

步驟：在一個表格中，如果 CityName 決定了 PostCode，且 PostCode 不是主鍵，這就是遞移依賴。你必須將 CityName 和 PostCode 移到一個獨立的 POSTCODE 表中。

正規化口訣：
1NF：無重複群組。
2NF：依賴於完整 (W)的主鍵 (W-hole key)。
3NF：除了主鍵外不依賴其他 (No non-key depends on another non-key)。

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8.2 資料庫管理系統 (DBMS)

資料庫管理系統 (Database Management System, DBMS) 是一種作為使用者/應用程式與資料庫資料之間接口的軟體。它負責處理所有複雜的組織、安全和儲存任務。

DBMS 的功能

DBMS 透過提供以下幾項核心功能，解決了基於檔案系統的限制：

• 資料管理：高效儲存、檢索、更新和管理資料的整體能力。
• 資料字典 (Data Dictionary/Metadata)：儲存資料結構的定義（元數據）。它包含表格名稱、欄位名稱、資料類型、主鍵和關係等資訊。它是資料庫的藍圖。
• 資料建模與邏輯綱要 (Data Modelling & Logical Schema)：提供建立資料庫結構（綱要）的工具，將資料的邏輯組織方式與實體儲存方式分開。
• 資料完整性：確保資料準確、一致且可靠（例如使用參照完整性規則）。
• 資料安全性：透過以下方式保護資料：
  • 存取權限：為個人或使用者群組分配特定權限（讀取、寫入、刪除）。
  • 備份程序：提供儲存資料庫副本的機制，以便在發生災難後進行復原。

你知道嗎？ 資料完整性至關重要。如果你的資料庫允許價格欄位填入文字或負數，系統將會崩潰或產生不可靠的結果！

DBMS 軟體工具

DBMS 為使用者和開發人員提供多種工具：

• 開發人員介面：一套工具（通常是圖形化介面），允許開發人員定義表格、設定關係、管理安全性和執行查詢。
• 查詢處理器 (Query Processor)：DBMS 的核心。它將使用者的查詢（如 SQL 語句）翻譯成電腦可以執行的底層操作，以檢索或修改資料。

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8.3 資料定義語言 (DDL) 與資料操作語言 (DML)

資料庫任務分為兩大類，均使用業界標準語言：結構化查詢語言 (SQL) 來執行。

DDL (Data Definition Language)：用於建立、修改和刪除資料庫的*結構*（空箱子和規則）。

DML (Data Manipulation Language)：用於插入、檢索、修改和刪除定義結構內的*實際資料*。

使用 SQL 的資料定義語言 (DDL)

DDL 指令用來構建資料庫的藍圖。

1. 建立資料庫

CREATE DATABASE SchoolRecords;

2. 建立表格（定義結構）

我們必須為每個屬性指定欄位名稱和合適的資料類型：

• CHARACTER：固定長度字串（例如：儲存兩個字母的國家代碼）。
• VARCHAR(n)：長度不固定的字串，最長 'n' 個字元（最常用於姓名、地址）。
• BOOLEAN：儲存 TRUE 或 FALSE (是/否)。
• INTEGER：整數（用於 ID、計數器）。
• REAL：帶有小數點的數值（用於價格、測量值）。
• DATE：儲存日期。
• TIME：儲存時間值。

DDL 範例：

CREATE TABLE Student (
StudentID INTEGER PRIMARY KEY,
StudentName VARCHAR(50) NOT NULL,
IsEnrolled BOOLEAN
);

3. 修改表格結構 (ALTER TABLE)

我們使用 ALTER TABLE 來變更結構，例如新增約束（如主鍵和外鍵）或新增欄位。

新增外鍵：

ALTER TABLE Enrollment
ADD FOREIGN KEY (CourseID) REFERENCES Course (CourseID);

使用 SQL 的資料操作語言 (DML)

DML 指令管理儲存在表格中的記錄。

資料維護（新增、更改、刪除記錄）

1. 插入資料 (Adding a Record)

INSERT INTO Student (StudentID, StudentName, IsEnrolled)
VALUES (101, 'Alice Smith', TRUE);

2. 更新資料 (Modifying a Record)

WHERE 子句在此處至關重要，用以鎖定特定記錄。沒有它，你將會更新整個表格！（這是一個常犯的錯誤！）

UPDATE Student
SET IsEnrolled = FALSE
WHERE StudentID = 101;

3. 刪除資料 (Removing a Record)

DELETE FROM Student
WHERE StudentID = 101;

查詢資料 (SELECT 語句)

這是最常見的 DML 任務：檢索資訊。AS Level 僅要求涉及最多兩張表格的查詢。

基本檢索 (SELECT, FROM, WHERE)

SELECT StudentName, StudentID
FROM Student
WHERE IsEnrolled = TRUE;

排序結果 (ORDER BY)

SELECT StudentName
FROM Student
ORDER BY StudentName DESC; -- DESC 代表降序

連結兩張表格 (INNER JOIN)

若要從兩張連結的表格中檢索欄位，我們使用 INNER JOIN。必須指定連結條件（主鍵等於外鍵的地方）。

範例：獲取下特定訂單（訂單 ID 為 50）的學生姓名：

SELECT S.StudentName
FROM Student S INNER JOIN Order O
ON S.StudentID = O.StudentID
WHERE O.OrderID = 50;

分組與聚合 (GROUP BY, SUM, COUNT, AVG)

這些函數用於對一組記錄執行計算：

• COUNT：計算列數或非空值的數量。
• SUM：計算數值欄位的總和。
• AVG：計算數值欄位的平均值。
• GROUP BY：當使用聚合函數並根據共同欄位值進行摘要時使用。

範例：計算已入學的學生人數（按入學狀態分組）：

SELECT IsEnrolled, COUNT(StudentID)
FROM Student
GROUP BY IsEnrolled;