数据库理论(数据库)

时间：2022-11-18 00:30:01 | 来源：信息时代

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    数据库理论 : 数据库与数据库管理系统的相关理论和研究。数据库技术自20世纪60年代发展至今经历了多个发展阶段,并且克服了多重困难,取得了辉煌的成果,在这中间数据库理论为它的发展作出了重大的贡献。数据库理论在数据库技术发展中起着基础性与指导性作用,特别是在若干个历史发展转折点所起作用更为明显。
(1)在20世纪70年代初,关系数据库创立的初期,数据库理论为建立完整的关系数据库理论并为关系数据库的实际应用做出了贡献,由于关系数据库有坚实理论的支撑,使其发展近40年来依然具有强大生命力。
(2)在20世纪80年代出现的多种数据模型为数据库的不同领域应用提供了基础,如面向对象模型、谓词模型、语义模型、函数模型以及NF2模型等。
(3)在20世纪90年代发展起来的演绎数据库、知识库以及面向对象数据库系统都有完整的理论体系与理论基础支持。
(4)在20世纪末发展起来的数据仓库OLAP技术以及数据挖掘中,在模型建立、算法求解及优化等方面都得益于理论的引导与支持。
(5)近年来,数据库理论在Web数据库发展、搜索引擎、信息检索以及新的数据模型研究中均发挥重要作用。
在数据库中理论支持分三个层次,其最基础层是数学理论与算法理论等基础理论,而中层是适应各种不同环境的数据模型,主要是概念模型与逻辑模型,而建立在数据模型上的是各种类型的数据库理论,其中最为完善的是建立在关系模型之上的关系数据库理论,此外,还有其他相关的数据库理论,如演绎数据库、知识库及面向对象数据库理论等,这三个层次的关系可以用图1表示。

图1 数据库理论的三个层次

在数据库理论中数学的作用是至关重要的,数学作为一种工具在数据库研究中发挥了基础性作用,在数据库理论中主要发挥作用的数学分支是离散数学与算法理论。它们对数据模型的研究与创立起着关键的作用,它们还对各种类型数据库理念的建立起着指导作用。
离散数学是以离散型对象作为研究目标的数学分支,其中使用最多的是其中的集合论(包括关系、函数等)、代数系统(包括群、环、域及格等)、图论(包括树)以及数理逻辑(包括命题逻辑、一阶谓词逻辑及非经典逻辑等)等。
算法理论是研究能行性的数学理论,它包括算法求解、可计算性理论以及计算复杂性理论等内容。算法理论对数据库中的算法研究,包括提高存/取速度、节省存储空间、方便用户使用等研究起到重要指导作用。在数据库中的一些重要算法,如查询优化算法、魔集算法以及一些并行算法研究等都是算法理论中的重要研究范例。
此外,在基础理论中还包括一些基础性方法,如面向对象方法等内容。
对数据库中的数据模型作研究,建立抽象层次的数据模型,特别是其中的概念模型与逻辑模型也是数据库理论的重要贡献,它包括ER模型、扩充ER模型、关系数据模型、面向对象数据模型、对象关系数据模型、函数数据模型、谓词数据模型、NF2数据模型、层次数据模型及网状数据模型等。
在数据模型基础上所建立起来的数据库系统也需有相应的理论支撑,它们包括关系数据库理论、演绎数据库及知识库理论、数据仓库及面向对象数据库理论等。其理论研究内容包括计算模型的研究、算法研究及优化研究等。
近年来数据库理论研究逐渐延伸到非传统领域中,如对新的数据模型研究,时态数据模型、时空数据模型、模糊数据模型研究,对信息安全模型的研究,信息检索研究与搜索引擎、数据挖掘中数学模型及相关算法研究,数据库中并行理论与算法研究等,Web数据模型及相关算法研究以及有关网格计算的研究,而理论中所涉及的数学也逐渐扩充,它至少包括如概率论、模糊数学、数论、组合数学及petri网等内容。
在数据模型研究中基础理论起着关键作用,具体表现在:
(1)在关系模型中应用关系理论对模型作研究,建立起一套完整的关系模型数学理论,如关系代数、关系演算等。
(2)在谓词模型中就用数理逻辑中的一阶逻辑理论对模型作研究建立起一套完整的谓词模型数学理论,如DATALOG语言等。
(3)在面向对象模型中应用面向对象方法对模型作研究从而建立起一套面向对象数据模型体系。
(4)在函数模型中应用函数理论对模型作研究,从而建立起一套基于函数的数据模型。
(5)应用图论中的树与二级树对层次与网状模型的建立起到了重要的支撑作用。
(6)此外应用时态逻辑、模糊数学等理论,建立起了时态数据模型与模糊数据模型。
在各种数据库系统研究中,基础理论也起着重要作用,它们包括:
(1)关系数据库系统中的规范化理论及查询优化的研究。
(2)演绎数据库及知识库中的系统构架及推演算法研究。
(3)数据仓库及数据挖掘中数据抽取及挖掘算法的研究。
(4)数据库安全领域研究中信息安全模型及算法的研究。
数据库理论是数据库学科发展的重要方面,对其研究将会有力地促进数据库应用的发展,与计算机其他学科一起共同推进计算机科学与技术的发展。