《探索数据库》课件

探索数据库欢迎来到“探索数据库”的旅程，我们将一起深入了解数据库的世界，揭开其背后的奥秘课程简介目标内容形式帮助学生理解数据库的基本概念、原理涵盖数据库基础知识、关系数据库、理论讲解、案例分析、实验练习、课后和应用，掌握数据库设计、开发和管理SQL语言、数据库设计、数据库管理、作业等的基本技能常见数据库类型、数据库发展趋势等数据库发展概况早期的文件系统1数据以简单的文件形式存储，难以管理和维护层次数据库模型2将数据组织成树状结构，具有良好的层次关系关系数据库模型3以表格形式存储数据，易于理解和操作，成为主流数据库模型面向对象数据库模型4支持复杂数据类型和继承机制，更适合处理非结构化数据数据库技术经历了从简单文件系统到关系数据库模型，再到面向对象数据库模型的演进过程随着数据量的不断增长和应用场景的扩展，出现了各种新型数据库模型，例如NoSQL数据库、图数据库等，以满足不同的需求数据库基础概念数据数据库12数据是描述客观世界中事物的数据库是按照一定结构组织起符号表示它可以是数字、文来、存储在计算机系统中的、字、图像、音频、视频等各种可供多种用户共享的、具有较形式高的数据独立性和数据一致性的数据集合数据库管理系统3数据库管理系统DBMS是用于管理和操作数据库的软件系统它提供数据存储、检索、更新、删除等功能，以及数据安全、完整性和并发控制等功能数据模型层次模型网状模型关系模型层次模型使用树状结构来表示数据之间的关系，网状模型使用图结构来表示数据之间的关系，关系模型使用二维表来表示数据，每个表代表每个节点代表一个记录类型，节点之间通过父节点代表数据记录，边代表记录之间的关系，一个实体，表中的每一行代表一个实体的实例，子关系连接，数据以树状结构存储例如，一一个记录可以有多个父节点和子节点，数据以表中的每一列代表一个属性关系模型采用数个公司的人员信息可以存储为一个层次模型，网状结构存储例如，一个大学的课程和学生学理论作为基础，具有结构清晰、易于理解、部门是根节点，每个部门包含多个员工信息可以存储为一个网状模型，一个学生可以易于维护等优点例如，一个公司的人员信息选修多门课程，一门课程可以被多个学生选修可以存储在一个关系模型中，每个员工的信息对应一行数据，员工编号、姓名、年龄等属性对应不同的列关系数据模型关系数据模型是数据库关系数据模型使用主键关系数据模型可以使用中最常用的数据模型之和外键来建立表之间的实体关系图ERD来描一，它使用表格来表示联系，保证数据的完整述数据库结构，方便理数据之间的关系，简单性和一致性，可以有效解和设计数据库易懂，易于操作地防止数据冗余和冲突关系数据库体系结构用户层1应用程序和用户数据库管理系统DBMS2管理和控制数据库数据库系统层3存储和管理数据操作系统层4管理系统资源硬件层5存储设备和网络关系数据库体系结构由多个层次组成，这些层次相互依存，共同构成一个完整的数据库系统用户层是用户与数据库交互的界面，通过应用程序或命令行工具访问数据库数据库管理系统DBMS是数据库系统的核心，负责管理和控制数据库，包括数据定义、数据操纵、数据控制等功能数据库系统层是数据的物理存储层，负责数据的存储、检索、更新和删除操作操作系统层为数据库系统提供运行环境，管理系统资源，如内存、磁盘、CPU等硬件层提供物理存储设备和网络连接，为数据库系统提供基础支撑关系代数和关系演算关系代数关系演算关系代数是一种基于集合论的查询语言，使用一组运算符对关系关系演算是一种基于谓词逻辑的查询语言，使用谓词和量词来表进行操作，以检索、更新和删除数据主要运算符包括选择达查询条件它提供了一种更抽象的查询方式，更接近于自然语（σ）、投影（π）、并集（∪）、交集（∩）、差集（−）、笛卡言表达关系演算分为元组关系演算和域关系演算两种形式关尔积（×）、自然连接（⋈）等关系代数提供了一种形式化的查系演算可以转化为关系代数，在理论上等价询方法，便于理解和优化数据库查询语言概述SQL结构化查询语言核心功能优势SQL StructuredQuery Language•数据定义语言DDL:创建、修改和删SQL具有易学易用、标准化、高效灵活等是一种标准化的数据库查询语言，用于访除数据库对象，例如表、视图、索引特点，使其成为关系数据库管理系统中不问和操作关系数据库中的数据等可或缺的一部分•数据操纵语言DML:插入、更新和删除数据•数据控制语言DCL:控制对数据的访问权限•数据查询语言DQL:查询数据数据定义语言SQL创建表修改表使用CREATE TABLE语句定义表使用ALTER TABLE语句修改表结构，包括列名、数据类型、约结构，例如添加或删除列、修改束等例如CREATE TABLE数据类型、添加约束等例如Students学号INT PRIMARYALTER TABLEStudents ADDKEY,姓名VARCHAR20,专业COLUMN电话VARCHAR20;VARCHAR30;删除表使用DROP TABLE语句删除表例如DROP TABLEStudents;数据操纵语言SQL1INSERT2UPDATE用于向数据库表中插入新数据用于修改数据库表中已存在的记录例如，`INSERT INTO数据记录例如，`UPDATECustomers CustomerID,Customers SETCustomerName,ContactName=AlfredContactName VALUESSchmidt WHERE10,Alfreds Futterkiste,CustomerID=10;`Maria Anders;`3DELETE用于删除数据库表中已存在的数据记录例如，`DELETE FROMCustomersWHERE CustomerID=10;`查询语句基础SQLSELECT语句SELECT语句用于从数据库表中检索数据它包含三个主要部分SELECT子句指定要检索的列，FROM子句指定要检索数据的表，WHERE子句指定检索数据的条件FROM语句FROM子句指定要检索数据的表名可以指定多个表名，用于连接多个表WHERE语句WHERE子句用于过滤数据，仅检索满足指定条件的数据它使用比较运算符和逻辑运算符来构建条件ORDER BY语句ORDER BY子句用于对检索到的数据进行排序它指定要排序的列名和排序方式（升序或降序）查询语句进阶SQL子查询1子查询是将一个查询语句嵌套在另一个查询语句中，用于获取数据并进一步筛选或处理子查询可以用于多种场景，例如根据条件筛选数据、获取相关信息，以及比较数据值连接查询2连接查询用于将多个表中的数据合并到一起，并根据连接条件进行筛选连接查询可以分为内连接、左外连接、右外连接和全连接，它们分别以不同的方式处理连接条件聚合函数3聚合函数用于对数据进行统计分析，例如计算数据的总和、平均值、最大值、最小值等常用的聚合函数包括SUM、AVG、MAX、MIN、COUNT等分组查询4分组查询用于将数据按照特定的字段进行分组，并对每个组的数据进行统计分析分组查询通常与聚合函数一起使用，例如统计每个部门的员工人数数据库完整性约束实体完整性参照完整性域完整性确保每个关系中每个元确保关系之间引用关系确保数据值的类型和范组都有唯一的标识符，的正确性，避免数据不围符合预定义的域，保以确保数据的一致性和一致或丢失证数据的合法性和有效可靠性性数据库视图虚拟表数据隔离数据简化视图是基于基本表或其他视图的虚拟表，它视图可以隐藏基本表的结构和数据，只向用视图可以将复杂的数据查询简化为简单的语不存储实际数据，而是包含对基本表的查询户展示特定的数据，从而提高数据安全性句，方便用户使用例如，可以创建一个视语句通过视图可以简化用户对数据的访问，例如，可以创建视图只允许用户访问特定部图来显示所有客户的订单信息，而无需用户提高数据的安全性门的员工信息，而无法查看其他部门的信息编写复杂的查询语句数据库事务概念特性ACID数据库事务是指一组逻辑上相关的操作，要么全部成功执行，要•原子性Atomicity:事务是一个不可分割的工作单元，要么么全部失败回滚它保证了数据的一致性和完整性，即使在系统全部执行，要么全部不执行故障或错误发生的情况下•一致性Consistency:事务执行前后，数据必须保持一致状态•隔离性Isolation:多个事务并发执行时，彼此之间互不干扰•持久性Durability:事务一旦提交，其修改结果将永久保存在数据库中数据库并发控制并发控制的目的并发控制的挑战并发控制的方法确保多个用户同时访问多个用户同时访问数据常用的并发控制方法包数据库时，数据的一致库可能会导致数据冲突，括性和完整性例如•锁机制•丢失更新•时间戳机制•脏读•乐观锁•不可重复读•多版本并发控制•幻读（MVCC）数据库锁机制悲观锁乐观锁悲观锁是一种保守的锁机制，它假设乐观锁是一种积极的锁机制，它假设数据可能会被并发修改，因此在访问数据不会被并发修改，因此在访问数数据之前，会先获取锁，以防止其他据之前，不会获取锁只有在提交事事务访问这种机制可以有效防止脏务时，才会检查数据是否被修改如读和丢失修改，但会降低并发性能果数据被修改，则事务会回滚这种常见的悲观锁包括排他锁、共享锁和机制可以提高并发性能，但不能完全意向锁防止脏读和丢失修改常见的乐观锁包括版本号锁、时间戳锁和标记锁锁粒度锁粒度是指锁定的数据范围，可以是表级锁、页级锁、行级锁或字段级锁锁粒度越小，并发性能越高，但冲突检测的成本也越高锁粒度越大，并发性能越低，但冲突检测的成本也越低数据库日志机制日志文件恢复过程事务日志审计日志记录数据库所有更新操作，包在数据库崩溃或数据丢失的情用于记录事务操作，确保数据跟踪数据库操作，记录用户访括数据插入、更新和删除，以况下，使用日志文件恢复数据完整性，实现原子性和持久性问、数据修改等信息，用于安及事务开始和结束库到一致状态全审计和问题追踪数据库备份与恢复备份策略备份工具制定合理的备份策略，包括备份频率、备份范围、备份方式和选择合适的备份工具，例如MySQL的mysqldump工具、备份存储方式等，确保数据安全和可恢复性Oracle的RMAN工具等，以简化备份操作和提高备份效率1234备份类型恢复操作常用的备份类型包括完全备份、增量备份和差异备份根据不当数据丢失或损坏时，需要进行数据恢复根据备份类型和工同需求选择合适的备份类型，以平衡备份效率和恢复速度具进行恢复操作，并确保数据完整性和一致性数据库安全性数据机密性数据完整性12确保只有授权用户可以访问敏感数据，防止未经授权的访问或泄确保数据的准确性和一致性，防止数据被篡改或丢失例如，使露例如，使用加密技术对敏感数据进行保护，并限制对数据的用事务处理机制来保证数据的完整性，并进行数据备份和恢复访问权限数据可用性数据访问控制34确保数据库始终处于可用的状态，即使出现故障或攻击，也能保控制用户对数据库的访问权限，并对用户进行身份验证和授权证数据的正常访问例如，使用冗余备份和容错机制来提高数据例如，使用数据库用户管理系统来管理用户权限，并使用密码验库的可用性证等方式来确保用户身份的合法性数据库性能优化技术索引优化查询优化12索引是数据库中用于提高数据检索速度的关键技术通过建立索引，数优化查询语句是提高数据库性能的关键通过分析查询语句，找出性能据库可以快速定位到目标数据，从而提高查询效率合理设计索引，并瓶颈，并使用合适的优化技巧，可以有效地提高查询速度例如，使用根据实际情况进行索引优化，是提高数据库性能的重要手段索引、减少数据扫描范围、优化连接操作等数据结构优化硬件优化34合理选择数据结构可以有效地提高数据库性能例如，对于频繁查询的数据库性能也与硬件配置密切相关使用更快的CPU、更多的内存、字段，可以使用更小的数据类型，或者使用压缩技术来减少存储空间更快的磁盘等硬件设备，可以有效地提升数据库性能此外，还可以使此外，还可以根据数据特点选择合适的数据模型，例如关系型数据库、用数据库集群等技术来提高数据库的扩展性NoSQL数据库等关系数据库设计方法需求分析1明确数据库要存储哪些数据，以及数据之间的关系概念设计2建立数据库的概念模型，描述数据类型、属性、实体、关系逻辑设计3将概念模型转化为关系模型，确定关系模式和属性物理设计4选择存储结构、索引方法、访问路径等，优化性能关系数据库设计是一个系统化的过程，它涉及多个步骤，从需求分析到物理实现，确保数据库能够满足业务需求并高效运行关系数据库设计案例通过一个实际的案例来演示关系数据库设计过程，例如设计一个图书馆管理系统数据库这个案例将包括以下步骤•确定需求明确图书馆管理系统的功能需求，包括图书信息管理、借阅管理、读者信息管理等•识别实体根据需求识别出图书馆管理系统中的主要实体，例如图书、读者、借阅记录等•设计实体关系图（ERD）绘制实体之间的关系，并确定属性和主键•创建数据库表根据ERD创建数据库表，并定义数据类型和约束条件•编写SQL语句使用SQL语言操作数据库，实现数据的插入、删除、修改和查询•测试和优化对数据库进行测试，确保其符合设计要求，并根据实际情况进行优化面向对象数据库概述面向对象数据库主要特性面向对象数据库OODBMS是基于面向对象编程范式的一种数据库管•对象存储数据以对象的形式存储，对象包含属性和方法理系统它以对象为基本数据单位，使用封装、继承和多态等面向对象•复杂数据类型支持复杂数据类型，例如图形、音频和视频特性来组织和管理数据•继承和多态支持继承和多态，使数据模型更加灵活和可扩展•对象标识每个对象都有唯一的标识符，用于区分不同的对象数据库概述XML定义优势XML数据库是一种专门为存储和管理XML数据而设计的数据库系XML数据库具有以下优势统它提供了对XML数据的存储、查询、检索、更新和删除等操•灵活的数据模型作，并支持XML数据模型和标准•可扩展性强•数据共享和互操作性•与其他系统集成文档数据库概述概念优势文档数据库以文档的形式存储数文档数据库提供灵活的数据模型，据，文档通常使用JSON、XML易于扩展，并支持快速读取和写或YAML等格式表示它们擅长入操作它们在需要快速数据访处理非结构化或半结构化数据，问和处理非结构化数据的应用程例如文本、图像和视频序中非常有用应用场景常见的应用场景包括内容管理系统、电子商务平台、社交媒体和物联网应用程序列族数据库概述数据组织高性能可扩展性列族数据库将数据存储列族数据库能够快速读列族数据库支持水平扩在列族中，每个列族包取和写入大量数据，适展，通过增加节点来扩含多个列这种组织方合需要高性能数据操作展容量，能够应对海量式适合存储半结构化和的场景，例如实时数据数据存储和计算的需求非结构化数据，并支持分析和监控快速读取特定列图数据库概述节点和边灵活的模式图数据库以节点（实体）和边与关系型数据库相比，图数据库（关系）表示数据，能够有效地拥有灵活的模式，允许在数据结存储和查询复杂关系的数据构中添加新的关系，无需修改数据模型高效的查询图数据库使用图遍历算法，可以快速查询节点之间的复杂关系，适用于社交网络、推荐系统等应用时间序列数据库概述时间序列数据库简介主要特点时间序列数据库专门用于存储和查询随时间变化的数据，例如传•高性能时间范围查询感器数据、股票价格、网站流量和用户活动它们优化的数据结•高效的数据压缩和存储构和查询语言允许高效地处理大量数据，并支持对数据进行时间•支持时间聚合和统计分析维度上的分析•可扩展性强，适用于大规模数据存储分布式数据库概述数据分布事务管理查询处理分布式数据库将数据分布在多个节点上，以分布式数据库必须确保事务的原子性、一致分布式数据库中的查询处理需要考虑数据分提高性能和可用性数据可以根据不同的策性、隔离性和持久性（ACID）这通常通布和节点之间的通信查询优化器必须根据略进行分片，例如哈希分片、范围分片或混过分布式事务协调器来实现，例如两阶段提数据位置和网络延迟进行优化，以确保高效合分片交（2PC）协议的查询执行大数据与数据库发展大数据时代带来了海量数据，传统数据库难为了应对大数据挑战，涌现出许多新兴数据云计算技术的兴起推动了云数据库的快速发以应对数据规模和速度的挑战，促使数据库库类型，例如分布式数据库、NoSQL数据展，提供弹性可扩展的数据库服务，满足各技术不断发展，以满足大数据存储、处理和库、数据仓库和数据湖等，扩展了数据库的种业务需求，降低了数据库管理成本分析需求功能和应用领域云数据库概述定义类型云数据库是指通过云计算服务提供的云数据库主要分为关系型数据库数据库服务，用户无需自行购买和维（RDS）、NoSQL数据库、数据仓护服务器硬件和软件，只需根据需求库等类型，可以满足不同场景下的数选择不同的云数据库服务，按需付费据存储和处理需求即可它可以根据实际需求灵活扩展，并拥有高可用性、可扩展性和安全性等优势优势•成本效益•可扩展性•高可用性•安全性•易于管理数据仓库与数据挖掘数据仓库是一种面向主题的、集成化的、非数据挖掘是从大量的、不完整的数据中提取数据仓库与数据挖掘可以帮助企业更好地理易失性的、时变的数据集合，用于支持管理隐含的、先前未知的、有潜在价值的信息和解数据、发现规律、预测趋势，从而做出更决策知识的过程明智的决策数据分析与可视化数据分析可视化数据分析是通过对数据的收集、整理、分析，发现数据背后的规律数据可视化是将数据以图表、图形、地图等形式进行呈现，使数据和价值的过程它可以帮助我们更好地理解数据，做出更明智的决更易于理解和分析它可以帮助我们更好地理解数据的趋势、模式策常见的分析方法包括统计分析、机器学习、深度学习等和关系，从而做出更有效的决策常见的可视化工具包括Tableau、Power BI、D

3.js等数据库发展趋势云原生数据库无服务器数据库随着云计算的普及，云原生数据库成为了主流趋势它们具有可无服务器数据库提供了一种按需付费的服务模式，无需管理服务扩展性、弹性、高可用性等优势，能够满足现代数据应用的需求器和基础设施，简化了数据库管理，降低了成本分布式数据库人工智能与数据库分布式数据库将数据分布在多个节点上，提高了数据存储容量、人工智能技术正逐渐应用于数据库领域，例如自动优化、自动调处理能力和容错性，适合处理海量数据优、智能查询等，提高了数据库的效率和性能数据管理职业发展发展方向提升技能数据管理职业发展路径多元化，可以根据个人兴趣和技能选择不持续学习和提升专业技能是数据管理职业发展的关键，例如同的方向，包括•掌握数据库技术•数据分析师•精通数据分析工具•数据工程师•学习数据挖掘和机器学习•数据库管理员•培养数据可视化能力•数据科学家•提升沟通表达能力•数据架构师课程小结学习成果实践应用本课程涵盖了数据库技术的核心概课程中穿插了大量的案例和练习，念和应用，从数据库基础到高级概使您能够将理论知识应用到实际问念，以及各种类型的数据库系统题中，并加深对数据库技术的理解通过学习，您将掌握数据库设计、通过动手操作，您将积累宝贵的实SQL语言、事务处理、并发控制践经验，提升数据库开发和管理的等关键知识，为未来在数据管理和能力分析领域发展奠定坚实基础未来展望数据库技术不断发展，新技术层出不穷未来，您需要持续学习和掌握新知识，并积极参与数据库领域的实践，不断提升自身专业技能，以适应不断变化的技术环境作业任务数据库设计SQL查询练习数据库性能优化设计一个简单的数据库，例如学生信息管理完成一系列SQL查询练习，包括简单查询、分析一个给定数据库的性能瓶颈，并提出相系统，并完成相关SQL语句练习复杂查询、数据更新和数据删除应的优化方案参考文献王珊，陈明宏.数据库系Silberschatz,A.,W3Schools:SQL统概论第5版.北京:Korth,H.F.,Tutorial.清华大学出版社,

2017.Sudarshan,S.https://www.w3scDatabase Systemhools.com/sql/Concepts7th ed..McGraw-Hill,

2019.。