113 調查局特考三等 資訊科學組 資料庫應用 考古題詳解

核心觀念

本題比較關聯式 SQL 資料庫與 NoSQL 資料庫，重點不在判定哪一類「全面較好」，而是依資料結構、交易需求、規模與維運條件，選擇合適的資料管理方式。

SQL 資料庫通常以表格、欄位、資料列及關聯表示資料，並以結構描述（schema）規定資料型別與限制。NoSQL 是多種非關聯式資料庫的統稱，常見模型包括鍵值、文件、寬欄與圖形資料庫；其資料模型與一致性保證依產品和設定而異，不能一概而論。

解題方法

依題目指定的六個面向逐項比較。作答時先交代兩類資料庫的典型特性，再說明各特性帶來的優勢、代價及適用情境；尤其要避免將「SQL 等同於只能垂直擴充」或「NoSQL 等同於沒有一致性」等概括說法當成絕對規則。

六方面比較與申論

一、資料模型的靈活性

• **SQL 優點：**資料表與欄位結構明確，可透過主鍵、外鍵及資料型別描述資料關係與限制。結構固定時，資料格式一致、容易維持規範。
• **SQL 缺點：**新增欄位或變更資料結構，通常需調整 schema 與相關應用程式；若資料型態多變、欄位經常增減，變更成本較高。
• **NoSQL 優點：**文件型或鍵值型資料庫常可依紀錄保存不同欄位，適合資料結構快速演變，或不同來源資料格式不一致的情況。
• **NoSQL 缺點：**結構限制較少，資料格式與欄位規範可能由應用程式承擔；若缺乏驗證機制，容易出現欄位不一致或資料品質下降。
• **申論：**靈活不代表不需要資料設計。資料關係複雜、格式穩定時，SQL 的明確結構有助管理；格式多樣且變動頻繁時，NoSQL 通常較有彈性。

二、資料庫的可擴展性

• **SQL 優點：**成熟的 SQL 系統可採索引、讀取副本、分區及分片等方式擴充；垂直擴充也常見，適合交易關係複雜且須維持一致性的系統。
• **SQL 缺點：**跨節點分片與資料重分布可能增加設計與維運複雜度，分散式交易也可能帶來額外成本。
• **NoSQL 優點：**許多 NoSQL 系統以分散式架構為設計目標，可透過增加節點進行水平擴充，適合資料量或流量快速成長的服務。
• **NoSQL 缺點：**水平擴充不會自動解決資料分布、熱點、跨分片查詢與一致性等問題，仍須依工作負載設計。
• **申論：**可擴展性取決於資料庫產品、部署架構與查詢型態。比較時應說明水平與垂直擴充的取捨，不宜直接斷言 SQL 無法水平擴充。

三、資料庫的可用性

• **SQL 優點：**可透過複寫、備援、故障移轉及叢集等方式提高服務可用性，適用於停機成本高的系統。
• **SQL 缺點：**高可用架構需要設定與監控；若要求分散式環境下同時維持強一致性，故障時的處理可能影響可用性或回應時間。
• **NoSQL 優點：**許多分散式 NoSQL 系統以多節點與資料複寫支援容錯；部分系統可在節點故障時仍提供服務。
• **NoSQL 缺點：**複寫延遲、網路分割或節點故障時，不同副本可能暫時呈現不同資料；高可用不等於資料必然即時一致。
• **申論：**可用性要連同故障時的資料一致性、復原時間與復原點需求一起評估。不能只以「有複寫」推論系統一定符合所有可用性需求。

四、資料的一致性和完整性

核心觀念

本題考查概念式資料庫設計，重點是辨認實體、屬性、主鍵、弱實體、關係，以及以基數比和參與度表示業務限制。題目不是選擇題，故無選項分析。

繪圖時可採 Chen ER 表示法：實體用矩形、弱實體用雙矩形、關係用菱形、識別關係用雙菱形；主鍵加底線，弱實體的部分鍵用虛線底線。基數比可標 $1:1$、$1:N$ 或 $M:N$；完全參與以雙線表示，部分參與以單線表示。

解題方法與合理假設

先將題幹名詞分成「有自身資料、可獨立辨識的對象」與「描述對象間的連結」，再依唯一性判定主鍵。床位以「房間＋床位代號」辨識，因此建模為弱實體；員工電話可多支，建模為多值屬性。房間入住與照護安排的性別及房型限制，屬於額外語意限制，不能只靠一般基數比完整表達。

為使圖示具體，採以下假設：

1. 每名長者在本題所述期間只分配一張床；每張床最多分配一名長者。
2. 每名長者至少有一位緊急聯絡人；同一聯絡人可聯絡多名長者。
3. 每名長者有一筆最近看診日期、下次預約日期及看診醫生資料；尚未預約時，下次預約日期可為空。
4. 長者關係以兩名長者間的關係表示，關係種類由「夫妻、兄弟、姊妹等」記載，視為對稱關係。
5. 每間房都配置一名照護員；照護員依題述規則照顧一間四床房或兩間二床房。

實體、屬性與鍵

可在答案紙上先畫出下列實體及屬性：

• 長者（強實體）：身分證字號（主鍵）、姓名、性別、生日。
• 緊急聯絡人（強實體）：身分證字號（主鍵）、姓名、電話。
• 房間（強實體）：房號（主鍵）、房型（2 床型／4 床型）。
• 床位（弱實體）：床位代號（部分鍵；A、B、C、D）。其完整識別鍵為「房號＋床位代號」。
• 照護員（強實體）：員工編號、員工身分證字號、姓名、性別、住址、E-mail、電話（多值屬性）。員工編號與員工身分證字號皆唯一，兩者均可作候選鍵；圖中選員工編號為主鍵，並將身分證字號標為唯一鍵。
• 醫生（依醫院識別的實體）：醫院名稱、醫生編號、醫生姓名、科別。主鍵是醫院名稱＋醫生編號，兩者合組底線。

床位必須隸屬某一房間，不能脫離房間單獨辨識，因此是弱實體；「房間—設有—床位」為識別關係型態。每間房有 2 個或 4 個床位，床位只屬於一間房。

關係型態、基數比與參與度

核心觀念

本題考查 WAL（Write-Ahead Logging）與交易復原：

1. 寫入資料前，對應的 LOG 必須先寫入硬碟。
2. 交易提交時，至少須將該交易的 LOG 強制寫入硬碟；髒資料頁不必立即寫回硬碟。
3. Checkpoint 會將目前的 LOG 與記憶體中的資料緩衝區寫回硬碟。
4. 系統復原時：

• 已提交交易的結果予以保留。
• 未完成交易的更新予以撤銷。
• 已 rollback 的交易不保留其更新。

採用標準 LOG 順序，且將交易提交視為強制寫入目前尚未落盤的 LOG。

解題方法

依排程逐步計算資料值：

• 初始值：$X=100,\;Y=425,\;Z=800$
• $T_0$：讀取 $Y=425$，計算 $a=425\times10=4250$，寫回 $Y$
• $T_1$：讀取 $Y=4250$，計算 $c=4250+30=4280$，寫回 $Y$
• $T_2$：讀取 $X=100$，計算 $b=100+100=200$，寫回 $X$
• $T_3$：讀取 $Z=800$，之後讀取 $Y=4280$，計算 $e=4280+800=5080$，寫回 $Y$，但尚未提交

（1）時間序 8 之後、時間序 9 之前

記憶體中的資料

時間序 8 已執行：

T0: begin
T0: read(Y,a) → a=425
T0: a=a×10 → a=4250
T0: write(a,Y) → Y=4250
T0: commit

因此記憶體資料為：

其中 $Y=4250$ 尚未寫回硬碟。

硬碟中的資料

作業系統尚未主動寫回資料緩衝區，因此硬碟仍為初始值：

記憶體中的 LOG

截至時間序 8 的 LOG 為：

[start,T0]
[read,T0,Y]
[start,T2]
[read,T2,X]
[start,T1]
[write,T0,Y,425,4250]
[commit,T0]

硬碟中的 LOG

因為 $T_0$ 執行 commit，LOG 被強制寫入硬碟，因此硬碟中的 LOG 亦為：

[start,T0]
[read,T0,Y]
[start,T2]
[read,T2,X]
[start,T1]
[write,T0,Y,425,4250]
[commit,T0]

（2）時間序 16 之後、時間序 17 之前

時間序 9 至 15 執行結果如下：

T1: read(Y,c) → c=4250
T1: c=c+30 → c=4280
T2: b=b+100 → b=200
T2: write(b,X) → X=200
T3: begin
T1: write(c,Y) → Y=4280
T3: read(Z,d) → d=800

核心觀念

本題考功能相依的最小集合、候選鍵與 3NF 分解。

• 最小集合：右側每個屬性皆為單一屬性；左側不可再刪除任何屬性；且不可刪除任何一條相依而改變原相依集合所能推出的結果。
• 候選鍵：能決定關聯中所有屬性的最小屬性集合。
• 3NF：對每個非平凡 FD $X\to A$，至少符合其一：$X$ 是超鍵，或 $A$ 是主屬性（出現在某個候選鍵中）。

解題方法

先將所有右側屬性拆成單一屬性，再檢查各 FD 的左側是否可約簡、是否有冗餘相依。接著以「未出現在任何 FD 右側的屬性必須在每個候選鍵中」為切入點求鍵，最後以最小集合中的 FD 建立 3NF 關聯，並加入候選鍵所在的關聯以確保無損分解。

以下以簡寫表示屬性：

• $T$：球隊編號；$TN$：球隊名稱；$S$：學校名稱；$G$：比賽場次
• $P$：球員編號；$PN$：球員姓名；$Pos$：位置；$ID$：球員學號；$Gr$：年級
• $Sc$：得分數；$F$：犯規數

（1）求 $F$ 的最小集合

先拆開右側：

檢查左側約簡：

• $SP\to PN,ID,Gr$ 中，$S$ 或 $P$ 均不能刪除，因為沒有其他 FD 能單獨推出球員屬性。
• $SID\to PN,P,Gr$ 中，$S$、$ID$ 均不能刪除。
• $TGP\to Pos,Sc,F$ 中，$T,G,P$ 均不能刪除。
• $T\to TN,S$ 的左側已是單一屬性。

檢查冗餘 FD：上述各相依均不能由其餘 FD 推出。例如 $SID\to P$ 不能由 $SP\to ID$ 推出，因為 $SP$ 只能決定 $ID$，不能反向決定 $P$；同理 $SP\to ID$ 也不能由 $SID\to P$ 推出。

故最小集合為：

（2）候選鍵

未出現在任何 FD 右側的屬性為 $T,G$，因此任何候選鍵都必須包含球隊編號與比賽場次。

由 $TGP\to Pos,Sc,F$ 可知，還必須取得 $P$ 才能決定比賽資料中的位置、得分數與犯規數。候選鍵有兩種取得 $P$ 的方式：

以及

因 $T\to S$，包含 $T$ 後可取得 $S$。故可用 $P$ 或 $ID$ 配合 $S$ 取得另一個球員識別屬性，分別形成：