شرح مادة عال 380 (CSC 380) قواعد البيانات - جامعة الملك سعود

مادة عال 380 (CSC 380)، قواعد البيانات (Introduction to Database Concepts)، من اكثر المواد التي تنفعك خارج الجامعة قبل داخلها. اي تطبيق ويب فتحته اليوم، اي صفحة منيو في تطبيق توصيل، اي سجل اكاديمي على نظام بانر، خلفها قاعدة بيانات. لو فهمت عال 380 صح، انت فتحت لنفسك بابا واسعا في تطوير الويب، تطبيقات الجوال، علم البيانات، وحتى الذكاء الاصطناعي.

المادة في قسم علوم الحاسب بجامعة الملك سعود تبني فوق ما تعلمته في عال 212 (تراكيب البيانات). الاشجار التي درستها هناك (B-Tree تحديدا) وجداول الهاش هي نفس الادوات التي يستخدمها محرّك قاعدة البيانات في الداخل. الفرق ان عال 380 ترفع المستوى من “كيف اخزن بيانات في الذاكرة” الى “كيف اخزن ملايين السجلات على القرص واستعلم عنها بكفاءة”.

ليش عال 380 مهمة لمسارك الوظيفي؟

قواعد البيانات مهارة افقية تنفعك في كل مسار تختاره بعد التخرج:

• تطوير الويب وتطبيقات الجوال: اي تطبيق فيه تسجيل دخول او عربة شراء يحتاج قاعدة بيانات. شركات مثل جاهز و حلول تطلب SQL في كل اعلان وظيفي تقريبا
• علم البيانات: قبل ما تتعلم Python و Pandas، لازم تعرف SQL. هي اللغة التي تستخرج فيها البيانات
• مشاريع التخرج: تقريبا كل مشروع تخرج يحتوي على قاعدة بيانات. الطالب الذي يفهم التطبيع و JOINs يكون مشروعه اقوى
• المقابلات الوظيفية: سؤال JOIN واحد كافي ليفرّق بين خريج فاهم وخريج حافظ

نظرة عامة على محتوى عال 380

الاسابيع	الموضوع	المفاهيم الرئيسية
1	مقدمة في انظمة قواعد البيانات	DBMS, schema, instance, ANSI/SPARC
2-3	نموذج الكيان والعلاقة (ER Model)	Entities, attributes, relationships, cardinality
4	النموذج العلائقي (Relational Model)	Tables, primary key, foreign key, integrity
5	تحويل ER الى علائقي	Mapping rules
6	الجبر العلائقي (Relational Algebra)	σ, π, ⨝, ∪, ∩, −
7-8	لغة SQL: DDL و DML الاساسية	CREATE, ALTER, DROP, SELECT, INSERT
9	SQL متقدمة: JOINs و Aggregates	INNER/LEFT JOIN, GROUP BY, HAVING
10-11	الاعتماديات الدالية والتطبيع	1NF, 2NF, 3NF, BCNF
12	المعاملات (Transactions) و ACID	COMMIT, ROLLBACK, isolation levels
13	التزامن (Concurrency Control)	Locking, deadlock
14	الفهرسة وتنظيم الملفات	B-Tree index, Hash index
15	مراجعة شاملة ومشروع نهائي	تصميم قاعدة بيانات كاملة

1. نموذج الكيان والعلاقة (ER Model)

قبل ما تكتب اي SQL، لازم ترسم. نموذج ER هو اللغة المرئية التي تستخدمها لتصميم قاعدة البيانات على الورق قبل ما تنفذها.

المكونات الاساسية

• Entity (كيان): شيء له وجود مستقل في النظام. مثل: طالب، مادة، استاذ، قاعة
• Attribute (سمة): خاصية للكيان. مثلا الطالب له: الرقم الجامعي، الاسم، التخصص، المعدل
• Relationship (علاقة): ربط بين كيانين. مثل: الطالب يسجل في مادة

انواع السمات

• Simple vs Composite: الاسم سمة مركّبة (اول + اخير)، الرقم الجامعي سمة بسيطة
• Single-valued vs Multi-valued: التخصص قيمة واحدة، ارقام الجوال متعددة
• Stored vs Derived: تاريخ الميلاد مخزّن، العمر مشتق يحسب من تاريخ الميلاد
• Key Attribute: سمة مميّزة لكل كيان مثل الرقم الجامعي

الـ Cardinality (نسبة العلاقة)

كل علاقة لها نسبة تحدد كم كيان مشارك من كل طرف:

النوع	المعنى	مثال
1:1	واحد لواحد	كل طالب له بطاقة جامعية واحدة
1:N	واحد لمتعدد	استاذ واحد يدرّس عدة مواد
M:N	متعدد لمتعدد	الطالب يسجل عدة مواد، والمادة فيها عدة طلاب

2. النموذج العلائقي (Relational Model)

نموذج ER ممتاز للتصميم، لكن قاعدة البيانات الفعلية تخزن البيانات في جداول. النموذج العلائقي يحوّل الرسم الى جداول مرتبطة بمفاتيح.

المفاهيم الاساسية

• Relation (علاقة): الجدول نفسه
• Tuple (صف): سجل واحد في الجدول
• Attribute (عمود): حقل في الجدول
• Domain: القيم المسموحة لكل عمود (مثل INT بين 0 و 100)

المفاتيح (Keys)

النوع	الوصف
Primary Key	معرّف فريد لكل صف، لا يقبل null
Candidate Key	اي عمود (او مجموعة) يصلح ليكون primary
Foreign Key	يربط الجدول بـ primary key في جدول اخر
Composite Key	مفتاح مكوّن من عمودين او اكثر

قواعد السلامة (Integrity Constraints)

ثلاث قواعد لازم تحفظها لانها تجي في كل اختبار:

1. Entity Integrity: Primary Key لا يكون null ابدا
2. Referential Integrity: Foreign Key اما يطابق primary key موجود او يكون null
3. Domain Integrity: كل قيمة لازم تكون داخل الـ domain المحدد

-- مثال: جدول الطلاب مع قيود السلامة
CREATE TABLE Students (
    StudentID INT PRIMARY KEY,           -- مفتاح اساسي
    Name VARCHAR(100) NOT NULL,          -- لا يقبل فارغ
    GPA DECIMAL(3,2) CHECK (GPA <= 5.0), -- قيد المجال
    DeptID INT,
    FOREIGN KEY (DeptID) REFERENCES Departments(DeptID)
);

3. الجبر العلائقي (Relational Algebra)

الجبر العلائقي هو الاساس النظري لـ SQL. كل استعلام تكتبه بـ SQL يحوّله المحرك الى عمليات جبر علائقي قبل التنفيذ.

العمليات الاساسية

الرمز	الاسم	الوظيفة
σ (سيغما)	Selection	اختيار صفوف بشرط
π (باي)	Projection	اختيار اعمدة محددة
⨝	Join	دمج جدولين بشرط
∪	Union	دمج صفوف جدولين
∩	Intersection	الصفوف المشتركة
−	Difference	الصفوف في الاول دون الثاني
×	Cartesian Product	كل صف مع كل صف
ρ	Rename	اعادة تسمية

امثلة عملية

Selection σ: اعطني الطلاب اللي معدلهم اعلى من 4.0

σ GPA > 4.0 (Students)

Projection π: اعطني فقط اسماء ومعدلات الطلاب

π Name, GPA (Students)

Join ⨝: اربط جدول الطلاب مع جدول الاقسام

Students ⨝ Students.DeptID = Departments.DeptID Departments

التركيب: اسماء الطلاب اللي معدلهم اعلى من 4.5 في قسم علوم الحاسب

π Name (σ GPA > 4.5 ∧ DeptName='CS' (Students ⨝ Departments))

4. لغة SQL: الجزء الاول، DDL

SQL تنقسم لجزئين رئيسيين: DDL (Data Definition Language) لتعريف البنية، و DML (Data Manipulation Language) للتعامل مع البيانات.

CREATE: انشاء الجداول

-- انشاء جدول الاقسام
CREATE TABLE Departments (
    DeptID INT PRIMARY KEY,
    DeptName VARCHAR(50) NOT NULL,
    Building VARCHAR(50)
);

-- انشاء جدول المواد مع foreign key
CREATE TABLE Courses (
    CourseID VARCHAR(10) PRIMARY KEY,
    Title VARCHAR(100) NOT NULL,
    Credits INT CHECK (Credits BETWEEN 1 AND 6),
    DeptID INT,
    FOREIGN KEY (DeptID) REFERENCES Departments(DeptID)
);

ALTER و DROP: التعديل والحذف

-- اضافة عمود جديد
ALTER TABLE Students ADD Email VARCHAR(100);

-- حذف عمود
ALTER TABLE Students DROP COLUMN Email;

-- حذف الجدول كاملا (انتبه!)
DROP TABLE Students;

5. لغة SQL: الجزء الثاني، DML

هنا تتعامل مع البيانات نفسها: ادراج، استعلام، تعديل، حذف.

SELECT الاساسي

-- اختيار كل البيانات
SELECT * FROM Students;

-- اختيار اعمدة محددة بشرط
SELECT Name, GPA
FROM Students
WHERE GPA > 4.0
ORDER BY GPA DESC;

INSERT و UPDATE و DELETE

-- ادراج صف جديد
INSERT INTO Students (StudentID, Name, GPA, DeptID)
VALUES (442100123, 'محمد العتيبي', 4.5, 1);

-- تحديث صف
UPDATE Students
SET GPA = 4.75
WHERE StudentID = 442100123;

-- حذف صف بشرط
DELETE FROM Students
WHERE GPA < 2.0;

الدوال التجميعية (Aggregate Functions)

-- متوسط، عدد، اكبر، اصغر، مجموع
SELECT
    COUNT(*) AS عدد_الطلاب,
    AVG(GPA) AS المعدل_العام,
    MAX(GPA) AS اعلى_معدل,
    MIN(GPA) AS اقل_معدل
FROM Students;

GROUP BY و HAVING

-- عدد الطلاب ومتوسط معدلهم في كل قسم
SELECT DeptID, COUNT(*) AS عدد, AVG(GPA) AS متوسط
FROM Students
GROUP BY DeptID
HAVING AVG(GPA) > 3.5;

6. JOINs: ربط الجداول

JOIN هو اهم عملية في SQL. كثير من الطلاب يواجهون صعوبة في فهم الفروقات بين انواع الـ JOIN في البداية. الحل التمرين على بيانات حقيقية مع رسم Venn diagrams.

INNER JOIN

يجيب فقط الصفوف اللي تطابق في الجدولين:

SELECT s.Name, c.Title, e.Grade
FROM Students s
INNER JOIN Enrollments e ON s.StudentID = e.StudentID
INNER JOIN Courses c ON e.CourseID = c.CourseID
WHERE c.CourseID = 'CSC380';

LEFT JOIN

يجيب كل صفوف الجدول الايسر، حتى لو ما في تطابق في الايمن:

-- كل الطلاب حتى لو ما سجلوا اي مادة
SELECT s.Name, c.Title
FROM Students s
LEFT JOIN Enrollments e ON s.StudentID = e.StudentID
LEFT JOIN Courses c ON e.CourseID = c.CourseID;

مثال متكامل

-- الطلاب الذين معدلهم فوق 4 ولم يسجلوا في عال 380
SELECT s.Name, s.GPA
FROM Students s
LEFT JOIN Enrollments e
    ON s.StudentID = e.StudentID AND e.CourseID = 'CSC380'
WHERE s.GPA > 4.0 AND e.StudentID IS NULL;

7. التطبيع (Normalization)

كثير من الطلاب يواجهون صعوبة في التطبيع لانه موضوع نظري يحتاج تفكير منطقي اكثر منه حفظ. لكن لما تفهم الفكرة الاساسية، الباقي يصير سهل.

ليش نحتاج التطبيع؟

التطبيع يحل ثلاث مشاكل تجي مع الجداول السيئة:

• Insertion Anomaly: ما تقدر تضيف بيانات جديدة بدون بيانات تانية
• Update Anomaly: تحديث قيمة يستلزم تعديلها في عدة صفوف
• Deletion Anomaly: حذف صف يضيع معه معلومات مهمة

مثال عملي: جدول قبل التطبيع

تخيّل جدول Enrollments فيه كل شيء:

StudentID	StudentName	CourseID	CourseTitle	Instructor	Grade
441001	احمد	CSC380	Database	د.سالم	A
441001	احمد	CSC212	DataStruct	د.فهد	B+
441002	سارة	CSC380	Database	د.سالم	A+

المشاكل:

• اسم الطالب مكرر مع كل تسجيل
• لو تغيّر اسم الكورس، تحدّث في عدة صفوف
• لو حذفنا اخر طالب في كورس، فقدنا معلومات الكورس

1NF (First Normal Form)

كل خانة فيها قيمة ذرية واحدة فقط (ما في قوائم او قيم متعددة).

مخالف للـ 1NF: عمود “ارقام الجوال” فيه 0501,0502,0503 كنص واحد.

موافق للـ 1NF: جدول منفصل للجوالات حيث كل صف فيه رقم واحد.

2NF (Second Normal Form)

شرط: في 1NF + كل سمة غير مفتاحية تعتمد على كل المفتاح المركّب وليس جزء منه.

في جدول Enrollments السابق، المفتاح المركّب هو (StudentID, CourseID). لكن:

• StudentName يعتمد على StudentID فقط
• CourseTitle يعتمد على CourseID فقط

هذا اعتماد جزئي، لازم نقسّم.

3NF (Third Normal Form)

شرط: في 2NF + لا يوجد اعتماد متعدّي (Transitive Dependency).

مثلا في جدول الطلاب: لو عندنا StudentID → DeptID → DeptName، فـ DeptName يعتمد على DeptID وليس مباشرة على StudentID. هذا اعتماد متعدّي يخالف 3NF.

BCNF (Boyce-Codd Normal Form)

شرط اقوى من 3NF: لكل اعتماد دالي X → Y، يجب ان X يكون مفتاحا مرشحا (Candidate Key).

التحلل (Decomposition) — مثال كامل

الجدول الاصلي:

Enrollments(StudentID, StudentName, CourseID, CourseTitle, Instructor, Grade)

بعد التطبيع لـ 3NF نقسّمه الى ثلاث جداول:

-- جدول الطلاب
Students(StudentID, StudentName)

-- جدول المواد
Courses(CourseID, CourseTitle, Instructor)

-- جدول التسجيل (يربط الطالب بالمادة)
Enrollments(StudentID, CourseID, Grade)

الان كل بيانات الطالب في مكان واحد، كل بيانات المادة في مكان واحد، والعلاقة بينهم في جدول ثالث.

ربط مهم: مفاهيم العلاقات والمجموعات التي تستخدمها هنا (الاعتماد الدالي مثلا) تعتمد على ما درسته في عال 281 الرياضيات المتقطعة.

8. المعاملات و ACID (Transactions)

المعاملة هي سلسلة عمليات تنفّذ كوحدة واحدة. اشهر مثال: تحويل مبلغ من حساب الى حساب اخر.

-- تحويل 1000 ريال من حساب رقم 1 الى حساب رقم 2
BEGIN TRANSACTION;
    UPDATE Accounts SET Balance = Balance - 1000 WHERE AccID = 1;
    UPDATE Accounts SET Balance = Balance + 1000 WHERE AccID = 2;
COMMIT;
-- لو حصل خطا في اي خطوة: ROLLBACK

لو وقع السيرفر بعد السطر الاول وقبل الثاني، عندك مشكلة كبيرة: مبلغ خرج من حساب لكن ما دخل في حساب. ACID هو الضمان ضد هذا.

خصائص ACID الاربع

الخاصية	الاسم	المعنى
Atomicity	الذرية	اما كل العمليات تنجح، او كلها تتراجع
Consistency	الاتساق	البيانات تنتقل من حالة صحيحة لحالة صحيحة
Isolation	العزل	المعاملات المتزامنة لا تتداخل
Durability	الديمومة	بعد COMMIT، التغيير محفوظ حتى لو سقط النظام

مستويات العزل (Isolation Levels)

ترتيب من الاضعف للاقوى:

1. READ UNCOMMITTED: اقرا حتى البيانات غير المؤكدة (Dirty Read)
2. READ COMMITTED: اقرا فقط بعد COMMIT
3. REPEATABLE READ: نفس القراءة تعطي نفس النتيجة في المعاملة
4. SERIALIZABLE: كانه ما في معاملات متزامنة (الاقوى لكن الابطا)

9. الفهرسة (Indexing)

تخيّل تبحث عن طالب برقمه الجامعي في جدول فيه مليون سجل. بدون فهرس، قاعدة البيانات تقرا كل سجل لحد تلاقيه (O(n)). مع فهرس، تلاقيه في O(log n) او حتى O(1).

B-Tree Index

النوع الافتراضي في معظم قواعد البيانات. شجرة متوازنة (شبيهة بـ AVL التي درستها في عال 212) لكن كل عقدة تحتوي عدة مفاتيح بدل واحد. هذا يقلل عدد القراءات من القرص.

ممتاز لـ:

• البحث بالمساواة: WHERE id = 100
• نطاقات: WHERE GPA BETWEEN 3 AND 4
• الترتيب: ORDER BY name

Hash Index

يستخدم دالة hash (شبيهة بجداول الهاش في عال 212) ويعطي O(1) للبحث.

ممتاز لـ:

• البحث بالمساواة فقط: WHERE id = 100

لا يصلح لـ:

• النطاقات: WHERE GPA > 3 (لان hash يعطل الترتيب)
• الترتيب: ORDER BY name

مقارنة سريعة ومتى تنشئ فهرس

المعيار	B-Tree	Hash
البحث بالمساواة	O(log n)	O(1)
البحث بنطاق	O(log n + k)	لا يدعم
الترتيب	يدعم	لا يدعم

-- انشاء فهرس على عمود يستخدم كثيرا في WHERE
CREATE INDEX idx_student_gpa ON Students(GPA);

-- فهرس مركّب على عمودين
CREATE INDEX idx_enrollment ON Enrollments(StudentID, CourseID);

اخطاء شائعة في عال 380

1. استخدام * في SELECT بدل تحديد الاعمدة: يسحب بيانات زيادة ويبطئ الاستعلام
2. نسيان WHERE في UPDATE او DELETE: يحدّث كل الصفوف، خطا كارثي
3. الاعتماد على ORDER BY بدون فهرس: يبطئ الاستعلام مع البيانات الكبيرة
4. استخدام DISTINCT بشكل عشوائي: غالبا يخفي مشكلة في JOIN غير صحيح
5. الخلط بين 3NF و BCNF: الفرق دقيق لكنه يجي في الاختبار النهائي
6. عدم استخدام المعاملات في عمليات حساسة: اي عملية تحدّث جدولين لازم تكون داخل TRANSACTION
7. انشاء فهرس على كل عمود: يبطئ INSERT و UPDATE بدون داعي

خطة مذاكرة فعالة لـ عال 380

ربط عال 380 بمسارك الاكاديمي

عال 380 بوابة لمواد ومجالات اخرى في خطتك:

• عال 212 (تراكيب البيانات): الفهرسة تستخدم اشجار B-Tree وجداول الهاش التي درستها في عال 212 مباشرة
• عال 281 (الرياضيات المتقطعة): نظرية المجموعات والعلاقات في عال 281 هي الاساس النظري للنموذج العلائقي
• عال 311 (تصميم الخوارزميات): تحسين الاستعلامات موضوع متقدم في عال 311 ويعتمد على ما تعلمته هنا
• مشاريع التخرج وعلم البيانات: SQL هي اللغة الاولى لاي محلل بيانات، وفهمك العميق للتطبيع يخلي مشروع تخرجك اقوى

لو تبي اساس عملي في SQL قبل ما تبدا المادة، راجع دليل SQL للمبتدئين.

خلاصة

عال 380 ليست اصعب مادة في خطة علوم الحاسب، لكنها من اكثر المواد التي تنفعك مباشرة في سوق العمل. اي مشروع تشتغل عليه، اي تطبيق تطوّره، اي تحليل بيانات تسويه، خلفه قاعدة بيانات وخلفها المفاهيم اللي تتعلمها هنا.

التركيز يجب يكون على التطبيق العملي: ركّب MySQL على جهازك، اكتب SQL يومي، ارسم نماذج ER لاي تطبيق تستخدمه، وحل تمارين تطبيع على ورق. الطالب اللي يعدي عال 380 بفهم عميق يفتح لنفسه ابواب شغل قبل ما يتخرج.

افتح اول قاعدة بيانات تجريبية اليوم، اكتب اول SELECT، وابدا.