数据库管理系统课件

数据库管理系统本课程将深入探讨数据库管理系统的核心概念、关键技术和应用实践，为同学们构建扎实的数据库基础，并为未来从事相关领域工作奠定坚实基础数据库管理系统概述数据库管理系统是用于创建、维护和访问数据库的软件系统DBMS它是连接用户与数据库的桥梁，负责管理数据库中的数据，并提供各种功能以方便用户使用数据库数据库的定义和作用定义作用数据库是按照数据结构组织、存储和管理数据的集合，它通常存储在一数据库在现代信息系统中扮演着至关重要的角色，它具有以下主要作用个或多个计算机文件中，并可以通过数据库管理系统DBMS进行访问和操作•数据存储和管理•数据共享和访问控制•数据完整性和一致性保证•数据安全性保护•数据分析和决策支持数据库管理系统的特点和功能数据管理数据访问和操作数据完整性和安全性并发控制和恢复数据库管理系统负提供了各种工具和语实现了数据完整性和允许多个用户同时访DBMS DBMS DBMSDBMS责存储、组织和管理大量数言，例如结构化查询语言安全性的机制，以防止数据问和修改数据库它提供了据它提供了一种结构化的，用于访问和操作数丢失、损坏或未经授权的访并发控制机制，确保数据的SQL方法来存储和检索数据，从据库中的数据用户可以使问它使用访问控制、数据一致性和完整性，即使在多而确保数据的一致性、完整用这些工具来查询数据、插加密和备份恢复等功能来确个用户同时进行操作的情况性和安全性入新数据、更新现有数据和保数据安全可靠下删除数据数据模型

2.数据模型是描述数据结构、数据之间关系以及数据约束的抽象表示，它是数据库设计的核心它定义了数据的组织方式，为数据库系统提供了一种统一的视角，方便用户理解和操作数据层次模型采用树状结构来组织数据，每个节点代表一个记录类型，节点之间用父子关系连接，类似于文件系统的目录结构网状模型允许记录之间存在多对多关系，使用网状结构来组织数据，增加了数据之间的联系，但也会带来数据冗余和复杂性关系模型采用二维表的形式来组织数据，将数据存储在表格中，每个表格代表一个关系，表中的行代表记录，列代表属性面向对象模型以对象为基本单位来组织数据，每个对象包含数据和操作数据的行为，更接近于现实世界的建模方式层次模型定义特点优点缺点层次模型是一种树状结构•简单易懂，易于实现层次模型简单易懂，易于层次模型缺乏灵活性，难的数据模型，其中数据以实现，适合于表示具有层以表示复杂的结构关系•数据结构清晰，便于管层次化的方式组织它将级关系的数据，例如企业当数据结构发生变化时，理数据视为一个由多个层级组织结构或文件系统需要修改整个树形结构，•适合于表示具有层级关组成的树形结构，每个层容易造成数据冗余系的数据级代表一种数据类型或实体每个节点表示一个数据项，并与其父节点存在一对多关系网状模型定义特点网状模型是一种数据模型，它•数据存储灵活，支持多种数允许数据以网络的形式组织，据关系其中每个记录可以与多个其他•能够表示复杂的数据关系记录相关联，形成一个复杂的•数据冗余度较高网络结构这种模型允许数据•数据访问效率可能较低以多种方式连接，并提供灵活的数据存储和访问方式应用网状模型常用于需要表示复杂数据关系的应用，例如航空订票系统，银行系统等它也曾经在一些大型数据库系统中被广泛使用，但随着关系模型的兴起，网状模型的使用逐渐减少关系模型定义优点关系模型是一种数据模型，关系模型简单易懂，易于理它使用二维表来表示数据解和操作它具有数据独立每个表代表一个实体集，表性，数据结构变化不会影响中的每一行代表一个实体，应用程序，并且可以方便地每一列代表一个属性进行数据查询和更新缺点关系模型在处理复杂的数据结构时效率较低，例如，它可能不适合存储层次结构数据或非结构化数据面向对象模型封装继承封装是面向对象编程中的一个继承允许创建一个新的类（子重要概念，它将数据和操作这类），继承自现有的类（父些数据的代码组合在一起，形类），子类可以继承父类的属成一个独立的单元，称为对象性和方法继承是代码复用的封装隐藏了对象的内部细节，一种重要方式，它可以减少重只暴露必要的接口，从而提高复代码，提高代码的效率和可了代码的可维护性和安全性维护性多态多态是指同一个方法或运算符可以根据不同的对象类型，表现出不同的行为多态提高了代码的灵活性和可扩展性，使代码更容易适应变化的需求关系数据库基础

3.关系数据库是目前最流行的数据库类型，它以数据之间的关系来组织和存储数据本章将深入讲解关系数据库的基础知识，包括关系概念、关系代数和结构化查询语言SQL关系概念关系元组属性关系数据库中的关系是一种二维表，元组是关系中的每一行，表示一个实属性是关系中的每一列，表示一个数包含行（元组）和列（属性），用来体的信息例如，一个学生关系中的据项，例如学生的姓名、学号、专业存储和管理数据每个关系都有一个元组表示一个学生的所有信息，如姓等每个属性都有一个唯一的名称，唯一的名称，用于区分不同的表名、学号、专业等并有对应的域，即属性可以取值的范围关系代数关系代数运算基本运算符关系代数与SQL关系代数是一套基于集合论的运算符关系代数的基本运算符包括选择关系代数是理解语言的基础SQL集合，用于操作关系数据库中的数据（）、投影（）、并集（∪）、交语句的执行实际上是基于关系代σπSQL它提供了一组通用的数据操作方法，集（）、差集（）、笛卡尔积（）数运算的关系代数提供了对数据操∩-×用于查询、修改和管理关系数据库中和自然连接（⋈）这些运算符用于作的抽象描述，而则提供了更具SQL的数据从关系中提取特定数据，组合关系或体的语法和接口创建新关系结构化查询语言SQL是一种用于管提供了强大的支持定义数据SQL SQL SQL理关系型数据库的标查询功能，可以从数库结构，包括创建、准化语言，是数据库据库中检索、插入、修改和删除表、视图开发的核心技能更新和删除数据和索引等数据库设计

4.数据库设计是构建高效、可靠和可扩展数据库的关键步骤它涉及将业务需求转化为数据库结构，确保数据存储、访问和维护的最佳实践需求分析与概念设计需求收集需求分析从用户和业务部门收集有关对收集到的需求进行分析和数据需求的信息，例如数据整理，识别数据之间的关系类型、数据关系、数据量、和约束，并确定数据库的范数据访问频率等可以使用围和目标需要考虑数据一问卷调查、访谈、用例分析致性、完整性、安全性等因等方法进行需求收集素概念设计基于需求分析的结果，建立数据库的概念模型，描述数据对象及其之间的关系可以使用实体关系图图来表示概念模型，-E-R并进行数据建模逻辑设计关系模式设计确定实体和属性，并根据实体之间的联系建立关系模式例如，学生实体可以包含学号、姓名、性别等属性，而课程实体可以包含课程号、课程名等属性学生和课程之间可以建立选课关系模式，包含学号和课程号等属性数据完整性约束定义数据完整性约束，确保数据的一致性和正确性例如，主键约束可以保证每条记录的唯一性，外键约束可以保证数据之间的一致性数据依赖分析分析数据之间的依赖关系，例如函数依赖、多值依赖等数据依赖分析可以帮助优化关系模式，减少冗余，提高数据一致性范式设计根据范式理论，对关系模式进行规范化设计，消除冗余，提高数据一致性和效率常用的范式包括第一范式、第二范式、第三范式等物理设计物理设计是将逻辑模物理设计需要考虑硬物理设计还需要考虑型转换为实际的数据件资源，例如存储空数据备份和恢复方案，库系统实现，涉及选间、、内存、网以及数据库安全措施，CPU择合适的数据库管理络带宽等，以确保数以保障数据的完整性系统、确定数据存储据库系统能够高效运和可靠性结构、索引方案、安行全策略等数据库事务与并发控制

5.数据库事务与并发控制是数据库管理系统的核心概念，它们确保了数据的一致性和完整性事务并发控制事务是数据库管理系统执行的一并发控制是指在多个用户同时访系列操作，这些操作作为一个整问数据库时，如何保证数据的一体要么全部完成，要么全部失败致性和完整性的机制事务概念定义原子性一致性123事务是一组逻辑上相关的操作，要事务中的所有操作必须作为一个不事务执行前后，数据库必须处于一么全部执行，要么全部不执行，以可分割的单元执行，要么全部成功，致状态，即数据必须满足预定的完保证数据的一致性和完整性例如，要么全部失败这保证了数据的完整性约束例如，银行转账后，源银行转账操作，包括从源账户扣款整性，即使出现错误，也不会导致账户和目标账户的余额之和应该保和向目标账户加款，这两个操作必数据不一致持一致须同时成功或失败，否则会导致数据不一致隔离性持久性45多个事务并发执行时，相互之间不能互相干扰，每个事事务一旦成功提交，其对数据库的修改将永久保存，即务都应该感觉自己是在独占地访问数据库这保证了数使发生系统故障，也不会丢失这保证了数据的可靠性，据的正确性，避免了由于并发访问导致的数据错误防止数据丢失事务的特性ACID原子性一致性隔离性持久性Atomicity ConsistencyIsolation Durability事务是一个不可分割的工多个并发事务之间相互隔事务一旦提交，其对数据作单元事务中的所有操事务执行前后的数据必须离，互不影响一个事务库的修改就是永久性的，作要么全部成功，要么全保持一致事务执行结束的执行不会影响其他事务即使系统发生故障，这些部失败如果其中任何一后，数据库必须处于一个的执行结果例如，多个修改也不会丢失例如，个操作失败，整个事务都一致的状态，不能出现数用户同时对同一个账户进数据库崩溃后，事务提交会回滚到初始状态，保证据不完整或冲突的情况行转账操作，每个事务都的数据仍然能够被恢复数据的一致性例如，银行转账事务，必应该独立完成，不会互相须保证转账前后两个账户干扰的金额加起来保持一致并发控制技术封锁时间戳乐观并发控制封锁是一种最常用的并发控制技术，它时间戳法是另一种常用的并发控制技乐观并发控制是一种假设冲突很OCC通过对数据进行加锁，来保证数据的一术，它通过为每个事务分配一个时间少发生的并发控制方法在中，事OCC致性封锁可以分为两种类型共享锁戳，来保证数据的一致性当多个事务务会先读取数据，然后进行修改，最后和排他锁共享锁允许多个事务同时读同时访问同一个数据时，系统会根据时在提交时才会检查是否发生了冲突如取数据，但不能修改数据；排他锁只允间戳来判断哪个事务应该优先执行，以果发生了冲突，则事务会回滚，否则会许一个事务修改数据，其他事务无法读避免数据冲突提交取或修改该数据数据库索引索引是数据库管理系统中用于提高查询速度的重要数据结构类似于书籍的目录，索引提供了一种快速查找数据的方法，避免了对整个数据库进行扫描，从而大幅提升查询效率索引的作用索引的类型索引的主要作用是提高查询速度，常用的索引类型包括树索引、B通过建立索引，数据库系统可以哈希索引、全文索引等不同的快速定位到目标数据，从而减少索引类型适用于不同的查询场景，查询时间选择合适的索引类型可以有效提升查询效率索引的作用快速查找提高性能减少磁盘I/O索引就像一本书的目录，可以快速定通过索引，数据库可以快速访问数据，索引减少了数据库访问磁盘的次数，位到想要的信息，提高查询效率减少查询时间，提高系统性能从而降低了磁盘，提高了数据库的I/O性能索引的类型主键索引主键索引是数据库中最重要的索引类型之一它用于唯一标识数据库中的每条记录主键索引确保数据完整性和数据一致性每个表只能有一个主键索引唯一索引唯一索引用于确保列中的所有值都是唯一的它类似于主键索引，但允许为空值唯一索引可以用于防止重复数据输入，确保数据的唯一性普通索引普通索引是用于加快数据检索速度的索引类型它可以创建在任何列上，但不能保证列中的值是唯一的普通索引可以提高查询效率，但不能保证数据完整性全文索引全文索引用于快速搜索文本数据它会对文本内容进行索引，以便用户可以快速查找包含特定关键词的数据全文索引通常用于搜索引擎和文档管理系统索引的实现树哈希索引位图索引B123树是一种平衡的多路搜索树，它哈希索引使用哈希函数将关键字映位图索引使用位向量来表示数据的B可以高效地存储和检索数据树射到一个哈希值，然后将哈希值存集合位图索引可以快速查找数据，B的每个节点可以包含多个关键字和储在哈希表中哈希索引可以快速并支持范围查询和集合运算位图指向子节点的指针在数据库中，查找数据，但它不支持范围查询索引通常用于存储布尔值或枚举类树通常用于实现索引，因为它可型的值B以快速查找数据并支持范围查询数据库安全与备份恢复数据库安全与备份恢复是保障数据完整性和可用性的关键环节，它涉及到一系列措施和技术，用于保护数据库免受各种威胁，并确保在发生数据丢失或故障的情况下能够快速恢复数据数据库安全机制数据库备份技术数据库安全机制主要包括访问控数据库备份技术是指定期将数据制、数据加密、审计跟踪、入侵库数据复制到其他存储介质的过检测等，旨在防止未经授权的访程，以在发生数据丢失或故障时问、数据泄露、恶意攻击等安全能够快速恢复数据常用的备份风险方式包括完全备份、增量备份、差异备份等数据库安全机制访问控制数据加密审计跟踪数据备份与恢复访问控制是数据库安全机数据加密通过使用加密算审计跟踪记录所有对数据数据备份是数据安全的重制的核心，它通过限制用法将数据转换为不可读的库的操作，包括用户登录、要手段，它将数据库中的户对数据的访问权限来保形式，从而保护数据在传数据访问、数据修改等数据复制到其他位置，以护数据安全常见的访问输和存储过程中的安全性通过审计跟踪，可以监控防数据丢失数据恢复则控制方式包括基于角色的常见的加密算法包括、数据库的活动，识别潜在是在数据丢失后，使用备AES访问控制（）和基和数据库系统的安全威胁，并追溯数据份数据恢复数据定期备RBAC DESRSA于策略的访问控制通常提供数据加密功能，泄露的责任份和恢复数据，可以有效（）根据用以确保数据的机密性地防止数据丢失造成的损PBAC RBAC户的角色分配不同的权限，失而则根据预定义的PBAC策略来控制访问权限数据库备份技术定期备份增量备份备份策略备份测试定期备份是确保数据安全性的增量备份只备份自上次完整备备份策略应根据数据的敏感性定期测试备份是确保备份有效重要措施建议每天或每周进份后修改过的文件，这可以节和重要性进行制定例如，对性的关键步骤定期测试备份行一次完整的数据库备份，以省时间和存储空间增量备份于关键业务数据，应使用多个可以确保数据可以成功恢复，防止数据丢失或损坏定期备可以快速恢复数据，因为它只备份方法，并存储在不同地并验证备份策略的有效性测份可以有效地恢复数据，并防包含自上次完整备份后的更点，以确保数据安全性和可恢试备份可以帮助识别备份过程止数据丢失造成重大损失改增量备份通常与定期完整复性中的问题，并及时解决问题，备份相结合，以确保数据的完以确保数据的安全性和可恢复整性性数据库故障处理数据库备份是应对故数据库故障发生后，数据库故障可能导致障的关键手段，定期需要根据备份文件进数据损坏或系统崩溃，备份数据库可以帮助行数据库恢复，恢复需要进行数据库修复快速恢复数据，降低过程中要注意版本一修复过程可能需要专数据丢失的风险备致性、数据完整性和业的工具和技术，需份方式包括全备份、安全性恢复过程可要根据故障类型选择增量备份和差异备份，能需要专业人员进行合适的修复方法需要根据实际情况选操作，需要提前做好择合适的备份策略准备数据仓库与数据挖掘数据仓库是用于支持企业决策分析的主题型、集成的、非易失性的数据集合它是将来自多个数据源的数据整合在一起，以支持分析和报告，并提供更全面的业务视图数据挖掘是指从大型数据集（包括数据仓库）中发现有用模式和知识的过程，这些模式和知识可以用于改善决策、预测趋势和提高业务效率数据仓库概念定义特点数据仓库是一个面向主题的、集成的、非易失性的、随时•面向主题数据仓库以主题为中心，例如客户、产品、间变化的数据集合，用于支持管理决策销售等•集成数据来自多个来源，并被整合到一个统一的架构中•非易失性数据仓库中的数据不会被修改或删除，而是以历史数据的方式存储•随时间变化数据仓库存储不同时间段的数据，以便进行历史分析数据仓库的结构主题层维度层事实层123主题层是数据仓库的最高层级，它维度层描述了主题层的各个方面，事实层包含了主题层的核心数据，包含了业务主题相关的各种数据例如，产品主题可以包含维度品通常是度量指标，例如，订单主例如，一个电子商务企业的数据仓牌、类别、价格等维度层通题的事实层包含指标订单数量、库可能包含主题层产品、客户、常是低粒度的数据，用于分析和报订单金额、订单日期等事实层订单等告的数据通常是高粒度的，用于分析和建模数据挖掘技术关联规则挖掘分类发现数据集中不同属性之间的关联关系例如，购买牛奶的顾将数据分类到预先定义的类别中例如，将客户分类为高价值客也倾向于购买面包或低价值客户聚类预测将数据分成多个组，使得组内的相似度较高，组之间的相似度根据历史数据预测未来趋势例如，预测未来几周的销售额较低例如，将客户群分成不同的细分市场数据库概述NoSQL数据库，也被称为非关系型数据库，是一种非结构化的数据库管理NoSQL系统，它与传统的关系型数据库不同，它不依赖于固定的表结构，而SQL是使用各种数据模型来存储和管理数据灵活性和可扩展性高性能数据库提供了更大的灵数据库通常使用分布式NoSQL NoSQL活性，可以存储各种类型的数架构，可以提高数据读取和写据，如、等，并且可入的速度，适用于高并发和高JSON XML以轻松扩展以应对不断增长的吞吐量的应用数据量和访问量成本效益数据库通常使用开源软件，并且可以运行在廉价的硬件上，降NoSQL低了数据库的总体成本数据库概述NoSQL键值数据库文档数据库图数据库列族数据库键值数据库是最简单的文档数据库以或图数据库将数据存储为节点列族数据库以列族形式存储JSON XML数据库类型，它以等文档形式存储数据它支和边的集合，用于表示实体数据，每个列族包含多个列NoSQL键值对的形式存储数据数持灵活的数据结构和快速数和它们之间的关系它适用它适用于数据分析和存储大据访问速度快，但缺乏结构据检索于社交网络、推荐系统等应量时间序列数据的应用化查询功能用场景典型的数据库NoSQLMongoDB Cassandra Redis是一个面向文档的数是一个分布式、高可用性是一个内存中的键值存储数据库，MongoDB NoSQLCassandraRedis据库，使用格式存储数据它以的数据库，使用键值存储模型以极快的读写速度著称它经常用于JSON NoSQL灵活的模式和高性能而闻名，适用于它非常适合处理大量数据和高并发访缓存、消息队列和实时分析等场景需要快速插入、查询和更新数据的应问，在社交媒体和电商平台中广泛应用程序用数据库的应用场景NoSQL高并发读写海量数据存储灵活的数据模型例如社交媒体平台，需要处理大量例如大型电商网站，每天都会产生例如物联网设备产生的数据，往往的用户请求和数据更新，海量的用户行为数据和商品信息，具有多样性和非结构化的特点，NoSQL数据库的水平扩展能力可以有效地数据库能够有效地存储和数据库的灵活数据模型可NoSQL NoSQL应对这种高并发场景管理这些数据，提供快速查询和分以方便地存储和管理这类数据，无析能力需严格的预定义结构数据库管理与维护数据库管理与维护是确保数据库高效运行和数据安全的重要环节它涉及一系列操作，包括性能优化、容量规划、数据库管理工具的应用等，旨在提升数据库性能、保障数据完整性和安全性性能优化优化查询语句使用优化数据库结构合优化数据库配置调索引、视图、存储过理设计数据库表结构，整数据库参数，例如程等技术，减少数据避免冗余数据，减少缓存大小、连接池设库查询时间，提高查数据存储空间，提升置等，提高数据库的询效率数据访问速度性能表现容量规划评估现有容量预测未来需求制定容量规划方案首先要评估当前数据库的容量，包括根据业务发展趋势和数据增长情况，根据评估结果和预测需求，制定容量存储空间、处理能力和网络带宽等预测未来一段时间的数据库容量需求规划方案方案应包括数据库硬件配可以通过监控工具或数据库管理系统可以参考历史数据、业务计划和行业置、软件版本、存储方案、备份策略提供的报告来收集相关数据趋势等因素进行预测等方面的内容数据库管理工具数据库管理系统DBMS用于创建、维护和管理数据库的软件系统常见的有、、Oracle MySQL、等SQL ServerPostgreSQL数据库设计工具用于设计数据库结构、关系和约束的工具例如、ERwin PowerDesigner等数据库开发工具用于编写语句、存储过程、触发器等数据库对象的工具如SQLSQL、等Developer Toad数据库监控工具用于监控数据库性能、资源使用情况、错误日志等，帮助诊断和解决问题如、等Oracle EnterpriseManager SQLServer ManagementStudio。