《关系数据理论》课件：探索数据库的核心概念

关系数据理论探索数据库的核心概念本课程将带领您深入理解关系数据理论，这是数据库管理系统的基础理论，为我们构建和管理数据提供了坚实的理论基础课程大纲数据库基础概念关系数据模型关系代数与SQL介绍数据库的基本概念，深入探讨关系数据模型，介绍关系代数的基本运算包括数据库的定义、类包括关系、属性、元组等符和SQL语言的语法，以型、应用场景等概念，以及关系型数据库及如何使用它们进行数据的特点查询和操作数据库设计与完整性讲解数据库设计理论，包括数据建模、范式理论、数据完整性约束等数据库的基本概念数据组织和管理数据模型12数据库是用于存储、组织和管数据模型是描述数据组织结构理大量数据的系统它为数据和数据之间关系的抽象模型提供结构和一致性，使信息易常见的数据库模型包括关系模于访问、更新和检索型、层次模型和网络模型数据库管理系统（）3DBMSDBMS是用于管理数据库的软件系统它提供了一套工具，用于创建、维护和访问数据库例如MySQL、Oracle和SQL Server数据库的定义定义特点数据库是一个组织化的集合，用于存储和管理相关数据的结构化•结构化数据以特定的模式组织，方便查找和更新集合它就像一个电子化的仓库，存放着大量的信息，方便我们•持久化数据被保存在存储介质中，即使程序关闭，数据也不高效地访问和利用这些信息会丢失•共享性多个用户可以同时访问和使用数据库中的数据•安全性数据库系统提供安全措施，防止数据被非法访问或修改数据库与文件系统的区别数据组织数据访问数据共享数据共享数据库采用结构化的方式组织文件系统使用简单的层次结构数据库支持多个用户同时访问文件系统通常允许单个用户或数据，例如表格形式，每个表组织数据，数据以文件形式存和修改数据，并提供并发控制少量用户同时访问数据，没有格对应一个实体，包含不同的储，通过路径访问，数据之间和事务管理机制来保证数据的内置的并发控制机制，数据一属性，并且数据之间存在逻辑没有明显的逻辑联系一致性和完整性致性和完整性依赖于用户管联系理数据库的主要功能数据存储数据库的核心功能是存储大量数据，并以结构化的方式进行组织和管理数据库提供了一种安全可靠的方式来保存和管理各种类型的数据，包括文本、数字、图像、音频和视频等数据检索用户可以使用数据库管理系统DBMS检索存储在数据库中的数据DBMS提供了强大的查询语言，例如SQL，允许用户根据特定条件搜索、筛选和排序数据，以获取所需的信息数据更新除了检索数据，数据库还允许用户更新存储在数据库中的数据用户可以修改、添加或删除数据，以确保数据库中存储的信息保持最新和准确数据管理数据库提供了一套工具和机制来管理数据，例如数据备份和恢复、权限管理、数据完整性验证等这些功能有助于确保数据的安全性和完整性，以及数据访问的控制和管理关系数据模型

2.关系数据模型是现代数据库的核心，它以数学中的关系代数为基础，将数据组织成二维表格的形式，称为关系关系模型的优势在于其清晰简洁，易于理解和操作数据结构关系主键外键关系是一种二维表格，主键是关系中的一个或外键是指关系中的一个用于存储数据它由行多个属性，用于唯一标或多个属性，它们引用（元组）和列（属性）识每个元组它可以是另一个关系的主键外组成，每个属性都有一单个属性，也可以是多键用于建立关系之间的个唯一的名称关系数个属性的组合主键确连接，以维护数据完整据模型使用关系来表示保每个元组在关系中都性和一致性外键约束和存储数据，它是现代是唯一的，并为数据检可以确保数据在关系之数据库管理系统中广泛索和更新提供了重要的间的一致性，并防止数使用的模型基础据不一致性的发生关系中的基本概念元组1关系中的每一行称为一个元组，代表一个数据记录，每个元组包含了有关某个实体的全部信息例如，在学生关系中，每个元组代表一个学生，包含学生的学号、姓名、性别等信息属性2关系中的每一列称为一个属性，代表数据记录的一个特征，每个属性对应一个数据域，也就是该属性可能取值的范围例如，在学生关系中，“学号”是一个属性，它的数据域是所有可能的学号主码3关系中的一个或多个属性组合，用来唯一标识关系中的每一个元组，通常选择能唯一标识一个记录的最小属性集作为主码例如，在学生关系中，学号可以作为主码，因为每个学生的学号都是唯一的候选码4关系中能唯一标识元组的属性集称为候选码一个关系可以有多个候选码，其中选择一个作为主码例如，在学生关系中，学号和身份证号码都可以作为候选码关系型数据库的特点结构化数据关系模型数据完整性SQL语言关系型数据库以表格的形式存数据通过关系模型进行组织，关系型数据库提供了一系列完关系型数据库使用结构化查询储数据，每个表格代表一个实关系模型利用表格来表示实体整性约束，例如主键约束、外语言（SQL）进行数据操作，体，并包含多个属性这种结之间的关系，每个表格代表一键约束和数据类型约束，以确SQL提供了丰富的语法来进行构化的组织方式使数据易于管个实体，并包含多个属性这保数据的一致性和准确性数据插入、更新、删除和查询理和查询种模型确保了数据的一致性和等操作完整性关系代数

3.关系代数是一种基于集合论的数学方法，用于描述对关系数据库中的数据的操作它提供了一组基本运算符，可以用来组合、筛选和修改关系数据，从而实现各种复杂的查询关系代数基本运算符并集交集差集笛卡尔积Union IntersectionDifference CartesianProduct合并两个关系，将它们的所有只保留两个关系中共同存在的从第一个关系中去除出现在第元组集合在一起，并消除重复元组二个关系中的元组创建所有可能的元组对，每个的元组元组来自不同的关系复杂查询的实现组合运算符1并、交、差、笛卡尔积等选择运算2筛选满足特定条件的元组投影运算3选择关系中的特定属性关系代数的复杂查询通过组合基本运算符来实现例如，通过选择运算可以筛选满足特定条件的元组；投影运算则可以从关系中选择特定的属性；而组合运算符则可以将多个运算符连接起来，实现更复杂的查询需求关系代数的表达能力完备性简洁性关系代数的运算符集是完备的，关系代数提供了一种简洁而直观这意味着任何关系运算都可以用的表达查询的方式它使用符号这些基本运算符来表达例如，表示各种操作，使查询更容易理可以用投影和选择运算来实现交解和编写集、并集和差集等操作非过程性关系代数是一种非过程性的语言，它描述了要获得的结果，而不是如何获得结果的步骤这使得查询更加独立于数据存储方式和物理实现细节结构化查询语言（）SQLSQL（Structured QueryLanguage，结构化查询语言）是用于访问和操作关系数据库的标准语言它是关系型数据库管理系统的基础，几乎所有关系型数据库都支持SQL的基本语法SQL基本结构语句类型SQL语句通常由以下几个部分组成SQL语句主要分为以下几种类型•关键字指示要执行的操作，如SELECT、INSERT、•数据查询语句用于检索数据，如SELECT语句UPDATE和DELETE•数据插入语句用于向表中添加数据，如INSERT语句•表名指定要操作的表•数据更新语句用于修改表中的数据，如UPDATE语句•列名指定要操作的列•数据删除语句用于从表中删除数据，如DELETE语句•条件用于筛选数据，通常使用WHERE子句•数据定义语句用于定义数据库对象，如CREATE、ALTER•排序使用ORDER BY子句对结果集进行排序和DROP语句语句SELECT基本语法选择列12SELECT语句用于从数据库表中检索数据其基本语法如下使用SELECT子句指定要检索的列名可以使用星号*来选择所有列SELECT column1,column2,...FROM table_nameWHERE condition;指定表名过滤条件34使用FROM子句指定要检索数据的表名使用WHERE子句指定过滤条件，只检索满足条件的行、和语句INSERT UPDATEDELETE语句语句语句INSERT UPDATEDELETEINSERT语句用于向数据库表中添加新记UPDATE语句用于修改数据库表中已存在DELETE语句用于从数据库表中删除记录它接受一个表名和要插入的值列表作为的记录它接受一个表名、更新条件和更新录它接受一个表名和删除条件作为参数参数值列表作为参数数据库设计理论数据库设计理论是关系型数据库的核心，它为建立结构合理、数据完整、易于维护的数据库提供了理论基础数据库设计理论涵盖数据建模、范式理论和规范化设计过程等关键概念数据建模定义实体识别关系数据建模的第一步是定义实体，关系描述了实体之间如何关联，实体代表着现实世界中的对象，例如学生和课程之间存在选课关例如学生、课程、教师等实体系，学生和教师之间存在授课关的定义包含实体的属性，属性是系关系的定义包含关系的类型用来描述实体特征的，例如学生和参与关系的实体关系的类型的姓名、学号、性别等可以是一对

一、一对多或多对多创建实体关系图实体关系图（ERD）是一种图形化工具，用来表示实体和关系之间的关系ERD可以帮助理解数据模型，并为数据库设计提供基础范式理论数据库设计数据冗余数据结构范式理论是关系数据库范式理论旨在通过减少范式理论通过规范数据设计中的核心概念，它数据冗余来提高数据库结构，确保数据在逻辑提供了一套规则来指导效率和完整性，从而降上的一致性，防止数据数据库设计，以确保数低维护成本，提高数据异常和错误据的一致性和完整性一致性规范化设计过程确定关系1首先，需要根据业务需求，确定数据模型中涉及的实体和关系，并将其表示为关系模式这包括定义每个实体的属性及其类型，以及实体之间的关联关系识别候选键2对于每个关系模式，需要确定所有候选键，即能够唯一标识元组的属性集候选键的选择需要考虑数据完整性和效率，确保数据的一致性和可靠性消除数据冗余3在识别完候选键后，需要进行规范化设计，消除数据冗余，避免数据更新异常和存储空间浪费规范化设计可以将一个关系分解成多个关系，每个关系都符合一定的规范数据完整性数据完整性是数据库设计和管理中至关重要的概念，确保数据的一致性、准确性和可靠性它通过一系列规则和机制来维护数据的完整性，防止数据错误或丢失以下列出几种常见的数据完整性类型实体完整性参照完整性12确保每个关系中的每个元组维护关系之间连接的完整性，（行）都具有唯一的标识符，确保外键值匹配主表中的主键即主键，防止重复记录的出值，避免数据不一致和错误引现用用户定义完整性3根据具体应用场景，由用户自定义的约束，例如数据类型、值范围、格式等，确保数据符合业务规则和特定要求实体完整性实体完整性是关系数据主关键字可以是单个属实体完整性约束保证了库中最重要的完整性约性，也可以是多个属性关系中数据的唯一性，束之一，它确保每个关的组合，它们的值必须防止重复数据和数据不系中的每个元组都有一是唯一的，并且不能为一致，维护数据的完整个唯一的标识符，这个NULL性和正确性标识符称为主关键字参照完整性定义作用参照完整性是指在关系数据库参照完整性可以保证数据的逻辑中，确保数据的一致性和完整完整性，避免数据之间出现矛盾性，防止数据之间出现不一致或或冲突它可以帮助维护数据库错误的情况它要求外键的值必的可靠性和一致性，避免数据丢须在与其关联的主键表中存在，失或错误或者为NULL实现参照完整性通常由数据库管理系统DBMS通过约束来实现这些约束定义了外键和主键之间的关系，确保外键的值与主键表中的值一致用户定义完整性定义示例12用户定义完整性是指由用户定义的例如，在一个学生数据库中，我们约束，用来确保数据的一致性和正可以定义一个约束，要求所有学生确性这些约束通常是针对特定业的年龄必须大于18岁这个约束务规则或需求而制定的，并通过数就是用户定义的完整性约束，它确据库管理系统DBMS来实施保所有学生记录中的年龄都符合这个规则类型3用户定义的完整性约束可以是多种形式，例如•检查约束Check Constraint:用于验证数据值是否符合特定条件，例如年龄大于18岁•唯一性约束Unique Constraint:用于确保数据列中的值是唯一的，例如学生的学号•默认值约束Default Constraint:用于设置数据列的默认值，例如学生的默认性别为“男”事务管理

7.事务管理是数据库系统中至关重要的一个概念，它确保数据操作的原子性、一致性、隔离性和持久性（ACID），以维护数据完整性和一致性原子性事务中的所有操作必须作为一个整体执行，要么全部成功，要么全部失败一致性事务必须使数据库从一个一致性状态转换到另一个一致性状态，保证数据完整性和有效性隔离性多个事务并发执行时，每个事务都必须独立运行，不受其他事务的影响持久性一旦事务成功提交，对数据库的修改就必须永久保存，即使发生系统故障也不会丢失事务的特性原子性一致性隔离性持久性Atomicity ConsistencyIsolation Durability事务中的操作要么全部执行成事务执行完成之后，数据库状多个事务并发执行时，彼此之一旦事务成功提交，对数据库功，要么全部失败，保证数据态必须从一个一致状态转换到间相互隔离，一个事务的执行的修改将永久保存，即使系统的一致性另一个一致状态，不会违反数不会影响其他事务，保证每个崩溃也不会丢失据完整性约束事务都像在单独的环境中执行一样并发控制机制锁定机制时间戳机制乐观并发控制（OCC）锁定机制是一种最常见的并发控制方法时间戳机制通过为每个事务分配一个时间乐观并发控制是一种基于假设的并发控制它通过在数据项上设置锁来防止多个事务戳来进行并发控制事务在访问数据时，方法它假设冲突发生的概率较低，因此同时访问和修改相同的数据锁分为两种会检查数据项的时间戳，如果时间戳与当在事务提交之前不会进行锁定当事务提类型共享锁（读锁）和排他锁（写前事务的时间戳一致，则允许访问；否交时，系统会检查数据是否被修改过，如锁）则，说明数据已经被其他事务修改，需要果被修改，则回滚事务；否则，提交事等待或进行回滚操作务•共享锁允许多个事务同时读取数据，但不允许修改数据•排他锁只允许一个事务访问和修改数据，其他事务必须等待恢复机制数据恢复软件数据库备份数据复制数据恢复软件能够从损坏或丢失的数据中恢定期备份数据库是恢复数据的关键备份可数据复制在多个服务器之间同步数据，这样复数据，例如从硬盘故障、意外删除或病毒以存储在不同的位置，例如本地硬盘、网络即使一个服务器出现故障，数据仍然可以在感染中恢复这些软件使用各种技术来扫描服务器或云存储，以防止数据丢失其他服务器上访问磁盘和重建丢失的数据数据库安全性数据库安全性是数据库管理系统DBMS中不可或缺的一部分，它确保数据的机密性、完整性和可用性这意味着保护数据免受未经授权的访问、修改或破坏，同时允许授权用户访问和使用数据身份认证访问控制审计机制用户在访问数据库之前访问控制机制用于限制审计机制记录用户对数必须进行身份验证，以用户对数据库资源的访据库的访问和操作，以验证其身份并授权其访问权限，确保只有授权便追踪和分析潜在的安问权限常用的认证方的用户可以访问和操作全风险审计日志可以法包括用户名和密码、特定数据例如，可以帮助识别异常活动、追生物识别技术等根据用户角色或职位来查安全漏洞，并提供必设置不同的访问权限要的证据来进行安全调查身份认证用户名和密码双因素认证这是最常见和最基本的身份认证除了用户名和密码外，用户还需方法，用户需要提供正确的用户要提供额外的身份验证信息，例名和密码才能访问数据库这种如手机短信验证码或电子邮件验方法简单易用，但安全性相对较证码这种方法可以提高安全低，容易受到密码破解的攻击性，因为即使攻击者获取了用户名和密码，也无法访问数据库生物识别认证使用用户的生物特征进行身份验证，例如指纹、面部识别、虹膜扫描等这种方法安全性更高，但可能需要特殊的硬件设备访问控制基于角色的访问控制基于列的访问控制RBAC CBACRBAC是最常见的访问控制方法之一它将用户分配到不同的角CBAC允许用户只访问数据表中的特定列例如，可以限制某些色，每个角色都有特定的权限集通过控制角色的权限，可以有用户只能查看数据表中的“姓名”和“地址”列，而不能查看“电话号效地管理用户对数据库的访问权限例如，可以创建一个“管理码”列这对于保护敏感信息非常有用员”角色，赋予其对数据库的完全控制权，而一个“普通用户”角色只能访问特定的数据表审计机制日志记录访问控制安全事件记录所有对数据库的操记录所有访问数据库的记录所有异常事件，例作，包括用户登录、数用户及其权限，以及访如用户登录失败、数据据访问、数据修改等问的时间、内容等被修改等数据库性能优化数据库性能优化是确保数据库系统高效运行的关键，涉及多个方面针对数据访问、查询执行和存储结构等环节进行优化，可显著提升系统性能，满足日益增长的数据处理需求索引机制SQL语句优化索引是加速数据检索的重要手优化SQL语句可以提升查询效段，通过建立索引，可快速定位率，例如选择合适的索引，使用数据，减少磁盘访问次数，提高预编译语句，避免不必要的重复查询速度计算等物理设计优化对数据库表结构、存储模式和硬件配置进行优化，例如选择合适的存储引擎，调整数据分布等索引机制加速数据检索提高查询效率12索引就像书籍的目录，它可以通过索引，数据库系统能够快帮助数据库系统快速定位所需速找到与查询条件匹配的记数据，而无需扫描整个数据录，从而显著提高查询性能表索引存储了数据表中特定尤其是在大型数据库中，索引列的值及其对应记录的地址，的使用可以大幅减少查询时使数据库能够快速查找匹配特间，提高数据库系统的响应速定条件的数据度优化数据排序3索引还可以帮助数据库系统对数据进行排序，从而加速需要排序操作的查询例如，在进行按照特定列排序的查询时，数据库系统可以通过索引快速获取排序结果语句优化SQL查询计划索引语句重写优化器会生成查询计使用索引可以加速数据将复杂的SQL语句转换划，选择最有效的执行检索，但会影响数据更为更有效的等价语句策略新物理设计优化索引机制数据分区集群配置索引类似于书籍的目录，它可以帮助数据库将大型数据表拆分成多个较小的分区，可以使用多个服务器构建数据库集群，可以提高快速定位特定数据通过创建索引，数据库提高查询性能，并降低对存储空间的需求数据库的可用性和可扩展性集群配置可以可以有效地提高查询速度，尤其是在处理大分区策略可以基于时间、范围或哈希值等条平衡负载、提高数据冗余度，并增强容错能量数据时件进行力数据库系统架构集中式架构分布式架构所有数据和功能都集中在一个服务器数据和功能分散在多个服务器上，提上，通常用于小型数据库或单用户应高了可扩展性和性能，适用于大型数用程序据库或需要高可用性的应用程序集中式架构单一数据库集中式管理所有数据存储在一个单一数据库服务器上这简化了管理和维护，所有数据库操作和管理任务都集中在一个地方，提高了管理效率，但可能导致性能瓶颈和单点故障但可能导致管理人员负担过重简化部署扩展性有限部署和维护相对容易，适合小型数据库或对性能要求不高的应用随着数据量增加，性能可能会下降，难以扩展以满足不断增长的需求分布式架构数据分片服务复制将数据拆分成多个片段，分别存将关键服务复制到多个服务器储在不同的服务器上，提高数据上，确保服务的高可用性，即使存储和访问效率部分服务器出现故障，也能继续提供服务负载均衡将来自用户的请求分配到不同的服务器上，均衡服务器的负载，提高整体系统性能云数据库服务优势类型提供商云数据库服务提供了一种灵活、可扩展且云数据库服务提供多种类型，包括关系型领先的云服务提供商，如Amazon Web经济高效的方式来管理和访问数据它消数据库、NoSQL数据库、数据仓库和数Services AWS、Microsoft Azure除了对昂贵硬件和专业人员的依赖，简化据湖等用户可以根据应用场景和需求选和Google CloudPlatform GCP，都了数据管理，并允许用户根据需求轻松扩择最合适的数据库类型提供了强大的云数据库服务，为用户提供展资源了各种选择。