歡迎來到選修單元 A：資料庫！

嗨，未來的電腦科學家們！這個單元非常關鍵，因為資料庫是現代世界的隱形引擎。每當你登入社交媒體、查看成績或在網上購物時，你其實都在與複雜的資料庫系統進行互動。

在本章中，我們將跨越簡單的試算表，學習如何高效且安全地建構、管理並查詢海量且互相關聯的資料。如果聽到正規化 (normalization) 之類的術語覺得很頭痛，別擔心，我們會用淺顯易懂的生活例子將其拆解！

1. 資料管理基礎

1.1 資料 (Data) 與資訊 (Information)

首先，讓我們釐清這兩個經常被混用的術語：

  • 資料 (Data)： 原始、未經處理的事實與數字（例如：1987、Smith、$500.00）。
    • \n
  • 資訊 (Information)： 經過處理、組織並結構化後，具有意義的資料（例如：Smith 先生，1987 年出生，本月收入為 $500.00）。

1.2 資料庫方案與平面檔案 (Flat Files)

在專用資料庫系統出現之前，人們使用平面檔案（如簡單的文字檔或基礎試算表）來儲存資料。

平面檔案的局限性（為什麼我們需要資料庫）：
  • 資料冗餘 (Data Redundancy)： 同一份資訊（如客戶地址）被儲存了多次，浪費空間。
  • 資料不一致 (Data Inconsistency)： 如果地址被儲存了 10 次，但其中 3 次更新錯誤，資料就會變得不可靠。
  • 資料依賴性 (Data Dependence)： 資料結構與存取它的應用程式緊密連結，導致更新非常困難。
  • 安全性有限： 很難控管誰能看到特定的欄位或記錄。

現代的資料庫管理系統 (DBMS) 通過集中化資料、控制存取權限並定義不同資料間的明確關係，解決了這些問題。

快速複習：重點摘要 1

DBMS 實現了可控、一致且結構化的儲存，擺脫了平面檔案冗餘所帶來的困擾。

2. 關聯式資料庫結構 (RDBMS)

你將要學習的最常見資料庫類型是關聯式資料庫管理系統 (RDBMS)。該系統將資料組織成多個資料表（稱為關聯），並通過共用的鍵值將其連結起來。

2.1 核心資料庫術語

想像一個單一的試算表（即資料表 Table），其中行和列有特定的稱呼：

  • 資料表 (Table/Relation)： 由相關資料組成的集合，按行和列進行組織。（例如：STUDENTS 資料表）
  • 欄位 (Field/Attribute)： 資料表中的「列」，定義了特定的資料項目。（例如：Student_ID, Name, Date_of_Birth）
  • 記錄 (Record/Tuple)： 資料表中的「行」，代表一組完整且相關的資料。（例如：某位特定學生的所有資料）

2.2 理解鍵值 (Keys)

鍵值對於強制執行結構和連結資料表至關重要。它們是能夠唯一識別記錄或建立關係的屬性（欄位）。

a) 主鍵 (Primary Key, PK)

一個（或一組）能唯一識別資料表中每一筆記錄的欄位。

  • 規則： PK 不能為空（實體完整性 Entity Integrity）且必須是唯一的。
  • 類比：你的專屬學生證號碼。
b) 外鍵 (Foreign Key, FK)

資料表中的一個欄位，指向另一個資料表的主鍵。這就是建立關係的方式。

  • 類比：學生清單（在 STUDENTS 資料表中）包含一個 "Course_ID"。這個 Course_ID 就是外鍵，連結回 COURSES 資料表中唯一的 Course_ID 主鍵。
  • 你知道嗎？ 外鍵在它自己的資料表中不需要是唯一的，因為許多學生可以選修同一門課程。
c) 複合鍵 (Composite Key)

由兩個或多個欄位組成的聯合主鍵。當單一欄位不足以提供唯一性時就會用到。

  • 範例：在追蹤註冊情況的資料表中，可能需要 (Student_ID + Course_ID) 的組合來唯一識別一筆註冊紀錄。

3. 資料完整性與一致性

3.1 資料完整性 (Data Integrity)

資料完整性指的是資料庫中資料的準確性、完整性和一致性。一個健康的資料庫需要高水平的完整性。

  • 實體完整性 (Entity Integrity)： 確保每一筆記錄都有唯一的識別碼（主鍵不能為 NULL）。
  • 域完整性 (Domain Integrity)： 確保輸入到欄位的資料符合可接受的邊界（例如：年齡必須 > 0）。

3.2 參照完整性 (Referential Integrity, RI)

這是 RDBMS 中最重要的概念之一。參照完整性確保了資料表之間的關係始終保持一致。

  • 規則： 任何外鍵的值，要麼必須與參照資料表中的主鍵值相符，要麼必須為 NULL。
  • 常見錯誤： 當「主要」資料表中的記錄仍有外鍵參照時，直接刪除該記錄。這會產生「懸空參照」或「孤兒記錄」。

範例： 如果你從 COURSES 資料表中刪除了 'CS101' 課程，但 STUDENTS 資料表中還有 50 位學生將 'CS101' 列為他們的課程，你就違反了參照完整性。

4. 資料庫設計：正規化 (Normalization)

正規化是一套系統化的流程，用於組織資料表和欄位，以最大限度地減少冗餘和依賴。它使資料庫設計更高效、更易於維護且更可靠。

如果一開始覺得很複雜，別擔心。把正規化想像成整理一個凌亂、擁擠的檔案櫃，讓所有東西都存放在正確且專門的地方。

4.1 正規化形式 (Normal Forms, NF)

4.1.1 第一正規化 (1NF)

要求： 消除重複群組（儲存格內的清單），並確保資料是原子性 (atomic) 的。

  • 原子性資料： 每一欄必須只包含一個值，且該值不可再細分（例如：姓名應拆分為「姓」和「名」欄位）。
  • 目標： 每一行與每一列的交叉點只包含一個不可分割的值。

如果你有一個儲存格列出了「課程 A, 課程 B, 課程 C」，這就不符合 1NF。你必須將這些拆分到不同的記錄或另一個連接表 (junction table) 中。

4.1.2 第二正規化 (2NF)

要求： 必須先符合 1NF，且所有非主鍵屬性必須完全依賴於整個主鍵。

  • 這僅在你有複合鍵時才適用。
  • 目標： 確保你沒有在該資料表中儲存僅與複合鍵「部分」相關的資料。如果有，請將其移至單獨的資料表中。

步驟範例：
1. 資料表：ORDERS (OrderID, ProductID, Product_Name, Product_Price)
2. 主鍵為 (OrderID + ProductID)。
3. 注意：Product_Name 和 Product_Price 僅依賴於 ProductID，而非整個主鍵。
4. 解決方案： 建立一個獨立的 PRODUCTS 資料表 (ProductID, Product_Name, Product_Price) 並連結回 ORDERS 表。現在 ORDERS 表就符合 2NF 了。

4.1.3 第三正規化 (3NF)

要求： 必須先符合 2NF，且消除遞移依賴 (transitive dependencies)。

  • 遞移依賴： 一個非主鍵屬性決定了另一個非主鍵屬性 (A -> B -> C，但 A 是主鍵)。資料並不直接依賴於主鍵，而是依賴於另一個非主鍵欄位。
  • 目標： 確保所有欄位僅依賴於主鍵，與其他無關。

範例：
1. 資料表：EMPLOYEES (Employee_ID, Employee_Name, Department_ID, Department_Manager)
2. Employee_ID 是主鍵。
3. Department_Manager 依賴於 Department_ID，而非 Employee_ID。這就是遞移依賴。
4. 解決方案： 建立一個獨立的 DEPARTMENTS 資料表 (Department_ID, Department_Manager) 並連結回去。現在 EMPLOYEES 表就符合 3NF 了。

記憶口訣 (3NF)： 每個非主鍵屬性必須提供關於鍵的資訊，且是完整的主鍵，除了主鍵之外什麼都沒有。

快速複習：正規化

我們進行正規化至 3NF，目的是防止冗餘、最小化更新/刪除異常，並確保資料一致性。

5. 資料庫查詢：結構化查詢語言 (SQL)

SQL (Structured Query Language) 是與關聯式資料庫進行互動和管理的標準語言。對於檢索、插入、修改和刪除資料至關重要。

5.1 資料操作語言 (DML)

DML 指令用於處理資料表內儲存的資料。

a) SELECT (檢索資料)

用於從一個或多個資料表中檢索記錄。這是最常見的指令。

語法結構：
SELECT [欄位] FROM [資料表] WHERE [條件] ORDER BY [欄位]

範例 1 (基本檢索)： 檢索所有學生姓名。
SELECT Name FROM Students;

範例 2 (條件檢索)： 檢索年齡大於 18 歲的學生姓名。
SELECT Name FROM Students WHERE Age > 18;

b) INSERT (新增資料)

用於向資料表中新增記錄（行）。

語法結構：
INSERT INTO [資料表] (欄位1, 欄位2, ...) VALUES (值1, 值2, ...);

範例：
INSERT INTO Courses (Course_ID, Title) VALUES ('CSHL', 'HL Computer Science');

c) UPDATE (修改現有資料)

用於變更資料表中現有記錄的值。使用 WHERE 子句時請務必小心！

語法結構：
UPDATE [資料表] SET [欄位] = [新值] WHERE [條件];

範例： 將 'CSHL' 課程名稱改為 'Advanced Comp Sci'。
UPDATE Courses SET Title = 'Advanced Comp Sci' WHERE Course_ID = 'CSHL';

d) DELETE (移除資料)

用於從資料表中移除記錄（行）。

語法結構：
DELETE FROM [資料表] WHERE [條件];

範例： 移除 ID 為 999 的學生。
DELETE FROM Students WHERE Student_ID = 999;

常見錯誤： 在 UPDATE 或 DELETE 指令中忘記寫 WHERE 子句。如果忘記，操作將會影響資料表中的每一筆記錄！

5.2 資料表連結 (Joining Tables)

使用 RDBMS 的主要原因是能夠利用外鍵連結（Join）多個資料表的資料。

INNER JOIN 會結合兩張資料表中，在特定欄位（通常是 PK/FK 對）有相符值的記錄。

範例： 檢索學生姓名以及他們所選修的課程名稱。
SELECT S.Name, C.Title
FROM Students S
INNER JOIN Courses C ON S.Course_ID = C.Course_ID;

6. 資料庫安全性與存取權限

資料庫通常儲存敏感資訊（個人資料、財務記錄）。安全性至關重要，包括物理和邏輯兩方面的防禦措施。

6.1 邏輯安全措施

  • 使用者認證： 要求唯一的使用者名稱和強密碼來存取資料庫系統。
  • 存取權限 (Permissions)： 定義特定使用者或使用者群組可以執行哪些操作（例如：Jane 只能 SELECT 資料；Bob 可以 INSERT 和 UPDATE）。這通常由 SQL 的 GRANT 和 REVOKE 指令控制。
  • 檢視表 (Views)： View 是基於 SQL 查詢結果的虛擬資料表。它允許你限制使用者能看到的欄位和行，而無需給予底層資料表的完整存取權。（例如：老師的 View 只顯示學生姓名和分數，隱藏地址和病歷。）
  • 加密： 將敏感資料（如密碼）以加密格式儲存，這樣即使資料庫被駭，資料也無法讀取。

6.2 物理措施與災難恢復

  • 備份 (Backups)： 定期將整個資料庫複製到安全的異地位置，以便在系統故障或毀損時進行恢復。
  • 交易記錄 (Transaction Logs)： 記錄對資料庫執行的每一項操作。如果發生當機，這些記錄允許資料庫回滾未完成的交易或還原最近的變更。
  • 冗餘 (Redundancy)： 使用重複的硬體（如 RAID 系統），確保單一組件故障不會導致資料遺失或系統停機。

你現在已經掌握了關聯式資料庫的結構與核心原則，這是幾乎所有現代大型應用程式的基礎！請記住，良好的資料庫設計（正規化）是建立可靠、高效系統的關鍵。繼續練習那些 SQL 查詢語法吧！