《数据库存储结构》课件

数据库存储结构数据库存储结构是数据库设计的核心要素之一，它定义了数据在数据库中的组织方式有效的存储结构可以提高数据访问效率、降低存储成本并增强数据库的可扩展性by课程目标理解数据库存储结构掌握数据库设计方法了解数据库系统中数据的组织方式学习数据库设计原则和方法掌握关系数据库的基本概念和结构应用关系模式范式化理论进行数据库设计数据库系统概述数据库系统是用于管理和访问数据的软件系统它提供了数据存储、管理、查询和更新等功能数据库系统通常包含数据库管理系统，数据库本身，以及应用程序和用DBMS户数据模型概念模型逻辑模型概念模型是数据库设计的第一步逻辑模型是数据库设计的第二步，描述了用户对现实世界的理解，将概念模型转换为特定的数据，并抽象成数据库中的概念模型，例如关系模型物理模型物理模型是数据库设计的最后一步，将逻辑模型转换为物理存储结构，考虑了数据的物理存储方式关系模型基本概念关系元组属性候选键一个关系对应一张表，表示实每一行代表一个实体，称为元每一列代表一个属性，描述实唯一标识元组的属性集，可以体集组体的特性有多个候选键关系数据库基本结构表行列关系数据库的核心是表，每个表代表一个实表中的每一行代表实体集中的一个实体表中的每一列代表实体的一个属性体集表的定义和操作表定义1表是关系数据库中最基本的数据结构通过语句定义表结构，包括表名、列名、数据类型和约束等SQL数据插入2使用语句将数据插入到表中，可以指定要插入的列名和数据值确保插入数据类型与表定义一致INSERT数据查询3使用语句从表中查询数据可以根据条件筛选、排序和分组数据，并使用聚合函数计算统计信息SELECT数据更新4使用语句更新表中已存在的数据指定要更新的列名、新值和筛选条件，确保更新操作的正确性UPDATE数据删除5使用语句从表中删除数据指定要删除的条件，例如行号或特定值，谨慎操作避免误删数据DELETE视图的定义和操作定义1基于基础表创建虚拟表更新2视图不存储数据操作3通过视图访问数据视图可以简化数据访问，提供数据安全性，还能隐藏复杂查询逻辑视图类似于对数据的逻辑抽象，为用户提供特定视角的数据视图索引的定义和操作索引的概念索引是数据库中用于快速查找数据的结构，类似于字典的目录索引的类型主要有两种类型主键索引和非主键索引主键索引用于唯一标识数据行，非主键索引则允许重复值索引的创建可以使用语句创建索引，例如语句SQL CREATEINDEX索引的使用数据库系统会自动利用索引来优化查询，提高查询效率索引的维护索引需要定期维护，以确保其有效性和完整性数据的完整性约束数据一致性实体完整性12保证数据在数据库中的一致性，避免错误或不完整的数据输每个表中必须有一个主键，用来唯一标识每个记录入参照完整性域完整性34在不同表之间建立关联关系，确保关联关系的完整性确保每个属性的值都符合其定义的域约束数据库设计原则最小化冗余数据一致性数据冗余会浪费存储空间，降低保证数据的一致性和完整性，避数据更新效率，导致数据不一致免数据冲突和错误可扩展性安全性数据库设计应考虑未来的扩展需保护数据安全，防止非法访问和求，以适应数据量的增长和功能数据丢失，确保数据的完整性和的扩展保密性数据库设计方法需求分析1明确用户需求，定义业务规则概念设计2建立概念数据模型，描述数据之间的关系逻辑设计3将概念模型转换为逻辑数据模型，选择合适的数据库管理系统物理设计4确定数据库的物理存储结构，选择合适的存储方式数据库设计方法是一个系统化的过程，从需求分析开始，逐步细化数据库的设计关系模式范式化理论

11.消除数据冗余

22.提高数据完整性规范化减少数据冗余，提高数据一致性，节省存储空间范式化保证数据完整性，避免数据异常，提高数据质量

33.优化查询效率

44.简化数据库维护减少数据冗余，提高查询效率，降低数据库系统开销规范化的数据库结构简化维护，便于管理和修改数据第一范式、第二范式第一范式第二范式每个属性值都是不可分割的原子值，即属性不可再分解成更小的满足第一范式，并且所有非主键属性都完全依赖于主键属性例如，一个订单表中，订单编号是主键，订单日期和客户信息都例如，一个学生姓名属性不应该再被分解成姓和名两个属性完全依赖于订单编号第三范式、BCNF第三范式范式化BCNF第三范式要求任何非主键属性都直接依赖于比第三范式更严格，要求所有属性都直范式化是数据库设计的重要原则，可以减少BCNF主键，消除传递依赖接依赖于主键，消除所有非平凡多值依赖数据冗余，提高数据一致性和完整性数据库物理存储结构物理存储结构文件系统数据存储数据库物理存储结构是指数据在计算机存储文件系统是操作系统管理和组织文件的一种数据库中的数据通常存储在文件中，文件存设备上的组织方式它决定了数据的物理存方法，它提供了一种将数据组织成文件的结储在存储设备上，例如磁盘、固态硬盘或云储位置、访问方式和数据访问速度构存储文件系统文件系统组织磁盘存储管理用户界面层次结构文件系统是一个组织和管理文文件系统将逻辑文件映射到物用户可以通过文件系统提供的文件系统使用树状结构来组织件和目录的层次结构，它允许理磁盘块，并提供诸如数据分接口，例如命令行或图形用户文件和目录，这使得查找和管用户方便地访问和存储数据配、访问控制和数据恢复等功界面，创建、删除、重命名、理数据更加容易能移动和访问文件和目录文件的存储组织顺序存储链接存储12数据按逻辑顺序存储在连续的物理地址空间，提高数据访问数据记录分散存储，通过指针链接，灵活插入和删除，但访效率，但插入和删除操作较慢问速度受指针链接影响索引存储哈希存储34建立索引，提供数据访问的快速路径，提高查询效率，但需使用哈希函数将数据映射到地址空间，快速定位数据，但可要额外的空间存储索引能出现哈希冲突堆文件随机存储数据记录存储位置无规律，按数据到达顺序存储快速访问无需预先分配存储空间，动态分配空间，提高空间利用率文件组织数据记录存储在一个文件中，可以是单个文件，也可以是多个文件顺序文件顺序访问高效插入顺序文件是一种简单的数据存储插入新数据时，需要将新数据追方式，数据按顺序存储，需要从加到文件末尾头到尾读取删除效率低应用场景删除数据需要将删除的数据之后适用于数据量较小且很少修改的的记录移动到前面，效率较低场景，例如日志文件或备份文件聚簇索引文件结构特点优点缺点聚簇索引文件，数据记录的物聚簇索引提供快速顺序访问，更新数据可能需要移动数据记理存储顺序与索引顺序一致适合需要顺序读取数据的应用录，影响效率插入数据可能索引项包含数据记录的物理地，如数据库的顺序扫描由于需要移动数据记录，效率较低址，无需额外查找即可访问数数据和索引存储在一起，节省不支持多个聚簇索引，每个据了存储空间，提高了访问效率表最多只能创建一个聚簇索引二叉树索引文件结构特点二叉树索引文件使用二叉树结构组织索引项，每个节点包含一个关键字和指向数据记录的指针二叉树的左右子树分别存储小于和大于当前节点关键字的索引项树索引文件B+结构数据存储搜索磁盘访问树是一种平衡多路搜索树，数据记录存储在叶子节点，非搜索从根节点开始，沿树结构树结构降低了磁盘访问次数B+B+结构类似于二叉搜索树，但每叶子节点仅存储索引向下遍历，直到找到目标记录，提高查询效率个节点可以包含多个关键字和指针哈希文件哈希函数哈希表12通过哈希函数将数据映射到索数据存储在哈希表中，利用哈引地址，提高检索效率希函数进行快速查找冲突解决应用场景34解决哈希函数映射冲突，例如适合随机访问和快速查找，例线性探测、二次探测如数据库索引、缓存数据库系统体系结构分层式体系结构客户机/服务器体系结构将数据库系统分为多个层次，每将数据库系统分为客户机和服务个层次负责特定的功能例如器，客户机负责用户界面和数据物理层、逻辑层、视图层请求，服务器负责数据存储和处理分布式数据库体系结构云数据库体系结构将数据库分散在多个节点上，每将数据库服务托管在云平台上，个节点存储一部分数据，可以提用户可以按需使用数据库资源，高性能和可用性无需管理服务器和硬件数据存储介质硬盘磁带光盘硬盘是计算机系统中用于存储数据的关键部磁带是一种传统的存储介质，用于长期备份光盘是使用激光技术写入数据的存储介质件它们通常采用磁性介质或闪存技术来存和存档它们具有高容量和低成本的特点，它们通常用于存储音频、视频和软件等内容储数据但访问速度较慢数据备份和恢复备份定期备份数据，以防数据丢失或损坏，确保数据安全恢复当数据丢失或损坏时，从备份数据中恢复数据，以恢复到之前的状态策略制定合理的备份和恢复策略，包括备份频率、备份方式、备份介质等测试定期测试备份和恢复过程，确保备份和恢复功能正常数据库性能优化查询优化存储优化系统优化网络优化优化查询语句，减少数据库的合理的存储结构和数据组织，优化数据库系统参数，例如内优化网络连接，减少网络延迟查询时间，提升系统性能例可以减少磁盘操作，提高数存分配、连接池大小等，可以，可以提高数据库性能I/O如使用索引、优化语句等据库性能例如使用合适的索提高系统性能SQL引、存储结构等磁盘优化I/O减少磁盘访问次数提高磁盘访问速度索引可以帮助数据库系统快速定位数据使用合适的索引可以有使用高速磁盘，如固态硬盘，可以显著提高磁盘访问速度SSD效减少磁盘访问次数优化查询语句，避免不必要的磁盘访问可以使用查询计划分析优化磁盘调度算法，减少磁盘寻道时间和旋转延迟工具来优化查询性能内存管理优化缓存机制内存分配策略内存池缓存机制可将频繁访问的数据存储在内存中合理的内存分配策略，可以避免内存碎片，使用内存池可以减少内存分配和释放的开销，减少磁盘访问，提高数据读取速度提高内存使用效率，提高程序性能查询优化查询计划索引使用12数据库管理系统根据查询语句生成执行计划利用索引加速数据查找，减少磁盘访问数据缓存查询语句优化34将常用数据缓存在内存中，提高数据访问速度优化查询语句结构，例如使用索引、连接优化等。