Databases

歡迎來到資料庫的世界！

在本章中，我們將探索電腦如何儲存和管理海量的資訊。無論是你最喜歡的串流平台如何追蹤你的播放清單，還是學校如何管理數千名學生的記錄，資料庫（Databases）都是背後的核心引擎。看完這些筆記後，你將會學會如何有效地組織數據，以及如何使用程式碼與資料庫進行「對話」！

8.1 資料庫概念

在現代資料庫出現之前，人們使用檔案系統（File-based approach）。想像一下如果你手上有幾十個獨立的試算表或文字檔，這會導致嚴重的問題：

• 數據冗餘（Data Redundancy）： 同一份數據被儲存在多個地方（例如：你的地址同時出現在「圖書館」檔案和「學費」檔案中）。
• 數據不一致（Data Inconsistency）： 如果你搬家了卻只更新其中一個檔案，這些檔案之間的資料就會產生衝突！
• 數據依賴（Data Dependency）： 數據與建立它的特定軟體緊密綁定。

關聯式資料庫解決方案：
關聯式資料庫（Relational Database）透過將數據組織成相互連結的表格來解決這些問題。這不僅減少了冗餘，還確保了數據的準確性（即數據完整性，Data Integrity）。

關鍵術語（資料庫的語言）

別擔心，如果這些術語起初看起來很生硬，它們其實只是你已知事物的不同稱呼而已！

• 實體（Entity）： 用來儲存數據的物件或概念（例如：學生、書籍、課程）。你可以把它想像成資料表的「標題」。
• 資料表（Table）： 儲存特定實體所有數據的地方。
• 欄位/屬性（Field / Attribute）： 實體的一個特徵（例如：學生姓名、出生日期）。這些就是資料表中的直行（columns）。
• 記錄/元組（Record / Tuple）： 一組關於特定個體的欄位資訊（例如：關於某一位特定學生的所有資訊）。這些就是資料表中的橫列（rows）。
• 主鍵（Primary Key）： 每一筆記錄的唯一識別碼。就像你的身份證號碼一樣，沒有兩個人可以擁有相同的號碼！
• 候選鍵（Candidate Key）： 任何因為具有唯一性，而「有可能」成為主鍵的欄位。
• 外鍵（Foreign Key）： 出現在另一個資料表中，用來連結兩個資料表的主鍵。
• 次鍵（Secondary Key）： 經過索引處理的欄位，用來加快搜尋速度（例如：以姓氏而非學號進行搜尋）。

實體關係圖（E-R Diagrams）

我們使用 E-R 圖來視覺化資料表之間的連結。其中最重要的是關係（Relationship）：

• 一對一（1:1）： 一個丈夫擁有一位妻子（在大多數系統中！）。
• 一對多（1:M）： 一位母親可以擁有多個孩子。
• 多對多（M:M）： 多個學生選修多門科目。

小撇步： 在關聯式資料庫中，我們無法直接處理多對多關係。我們通常會使用第三個「連結」資料表，將其拆解為兩個一對多關係！

正規化過程（Normalisation）

正規化只是一個聽起來很高級的詞，意指「組織你的數據以避免混亂」。我們分三個步驟來完成：

1. 第一正規化（1NF）：
如果資料表中沒有重複的資料群組，且所有屬性都是原子的（Atomic）（意即每個儲存格只包含一個數據，不可再分——不能是列表！），該表即符合 1NF。

2. 第二正規化（2NF）：
首先必須符合 1NF。接著，每個非主鍵欄位必須完全依賴於整個主鍵。只有當你擁有「複合鍵」（由兩個欄位組成的唯一主鍵）時，這點才重要。

3. 第三正規化（3NF）：
必須符合 2NF。此外，不能有遞移相依（Transitive dependencies）。這意味著一個非主鍵欄位不能依賴於另一個非主鍵欄位。
例子：如果「社團會費」依賴於「社團名稱」，但「社團名稱」不是主鍵，你需要把它們移到一個獨立的資料表中！

重點總結： 正規化能提升資料庫效率，減少重複數據，並確保當你在一個地方修改資料時，整體數據保持一致。

8.2 資料庫管理系統（DBMS）

DBMS 是位於使用者與數據之間的軟體。把它想像成一位圖書館員：你向館員借書，他們知道書在哪裡，並且知道如何安全地取得它。

DBMS 的功能：

• 數據字典（Data Dictionary）： 儲存「元數據」（關於數據的數據）的檔案，例如資料表名稱、欄位類型和關聯關係。
• 數據管理（Data Management）： 處理數據在磁碟上的實際儲存方式。
• 數據完整性（Data Integrity）： 確保規則被遵守（例如：如果學生還未歸還圖書館的書，你就不能刪除該學生的資料）。
• 數據安全性（Data Security）： 管理誰可以查看或編輯資料庫的哪些部分（存取權限）。
• 查詢處理器（Query Processor）： 理解你的 SQL 指令並找到對應數據的部分。

DBMS 中的軟體工具：

• 開發者介面（Developer Interface）： 允許程式設計師輕鬆建立資料表和表單。
• 邏輯綱要（Logical Schema）： 整個資料庫設計的總體視圖。

重點總結： DBMS 處理了安全與組織的「繁重工作」，讓使用者不必擔心儲存的技術細節。

8.3 結構化查詢語言（SQL）

SQL 是與資料庫溝通的標準語言，主要分為兩大部分：

1. 數據定義語言（DDL）

用於建立或更改資料庫的結構。

• CREATE DATABASE： 建立一個新的資料庫檔案。
• CREATE TABLE： 定義一個新資料表及其欄位。
例子：
CREATE TABLE Students (
StudentID INTEGER PRIMARY KEY,
FirstName VARCHAR(20),
DateOfBirth DATE
);
• ALTER TABLE： 用於在現有資料表中新增或刪除欄位。

2. 數據操縱語言（DML）

用於管理資料表內部的數據。

• SELECT： 最常用的指令，用於提取數據。
• INSERT INTO： 新增一列數據。
• UPDATE： 修改現有的數據。
• DELETE FROM： 移除數據。

編寫 SELECT 查詢

把 SELECT 查詢想成一個篩選器。其基本結構為：
SELECT [欄位] FROM [資料表] WHERE [條件] ORDER BY [欄位];

例子：找出所有 12 年級的學生，並按姓名排序：
SELECT FirstName, LastName
FROM Students
WHERE YearGroup = 12
ORDER BY LastName ASC;

連結（Joins）與聚合函數（Aggregates）

• INNER JOIN： 用於結合兩個資料表，前提是它們有相符的欄位（通常為主鍵與外鍵）。
• SUM, COUNT, AVG： 這些是「聚合」函數，用於對數據進行數學運算。
例子： SELECT COUNT(*) FROM Students; （這會計算資料表中有多少名學生）。

快速回顧：
• DDL = 建立「水桶」（結構）。
• DML = 管理水桶裡的「水」（數據）。
• 使用 WHERE 來篩選結果。
• 使用 INNER JOIN 來連結資料表。

你知道嗎？ SQL 是當今就業市場中最熱門的技能之一。掌握它，你就已經領先群雄了！

最終總結

資料庫遠比簡單的檔案強大。透過使用關聯模型，我們能讓數據保持組織與安全。正規化保持了資料表的整潔，DBMS 確保了數據安全，而 SQL 讓我們能在瞬間找到所需的資訊。不用擔心 SQL 語法一開始看起來很挑剔——電腦是非常講求字面意義的！只要記住「Select-From-Where」的模式，很快你就會成為資料庫專家。