《数据库基础理论》课件

数据库基础理论本课件旨在系统地介绍数据库的基础理论知识，涵盖数据库的基本概念、系统结构、关系模型、语言、数据库设计、安全性、事务管理、索引以及SQL性能优化等方面通过本课件的学习，您将对数据库有一个全面而深入的了解，为将来从事数据库相关工作打下坚实的基础课程内容由浅入深，从理论到实践，结合实际应用案例，帮助您更好地掌握数据库的核心技术让我们一起开启数据库学习之旅！数据库基本概念数据库是按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库它是一个长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的、统一管理的数据集合数据库技术是计算机科学的重要分支，广泛应用于各种信息系统理解数据库的基本概念对于学习后续的数据库知识至关重要本节将详细介绍数据库的定义、组成部分以及数据库系统的目标数据组织长期存储12数据库通过特定的数据模型组数据库中的数据可以长期保存织数据，便于存储和检索，不会因为计算机关机而丢失共享访问3多个用户可以同时访问数据库中的数据什么是数据库数据库不仅仅是数据的简单集合，更是一个复杂的数据管理系统它可以提供数据的存储、检索、更新和删除等功能，同时保证数据的完整性、一致性和安全性数据库是信息系统的核心组成部分，为各种应用提供数据支持数据库的发展经历了多个阶段，从最初的文件系统到现在的关系数据库、数据库等，技术不断进步，以适应不断变化的应用需NoSQL求数据存储数据管理数据库负责存储各种类型的数据，包括文本、数字、图像等数据库提供数据的组织、检索、更新和删除等功能数据库的组成部分一个完整的数据库系统通常由硬件、软件、数据和用户组成硬件包括计算机、存储设备等；软件包括数据库管理系统（）和各种应用软件；数据是数据库中存储的各种信DBMS息；用户包括数据库管理员、应用程序员和最终用户各个组成部分协同工作，共同完成数据库系统的各项功能数据库管理员负责数据库的维护和管理，应用程序员负责开发基于数据库的应用，最终用户通过应用访问数据库硬件1服务器、存储设备、网络设备等软件2数据库管理系统（）、应用软件等DBMS数据3数据库中存储的各种信息数据库系统的目标数据库系统的主要目标是提供高效、可靠、安全的数据管理服务具体来说，包括数据的完整性、一致性、安全性、可恢复性和可扩展性数据库系统需要保证数据在各种情况下都能正确存储和访问，防止数据丢失或损坏为了实现这些目标，数据库系统采用了各种技术和方法，例如事务管理、并发控制、备份恢复等这些技术保证了数据库系统的稳定运行和数据的安全性数据完整性保证数据的准确性和一致性数据安全性防止未经授权的访问和修改数据库系统结构数据库系统结构包括二级存储结构、逻辑结构和物理结构二级存储结构指的是数据库在磁盘等外部存储设备上的组织方式；逻辑结构指的是数据库中数据的组织方式，例如关系模型、层次模型和网络模型；物理结构指的是数据在磁盘上的实际存储方式理解数据库系统结构对于优化数据库性能和提高数据访问效率至关重要不同的结构会影响数据的存储和检索效率，需要根据实际应用选择合适的结构二级存储结构逻辑结构磁盘上的数据组织方式数据的逻辑组织方式，如关系模型物理结构数据在磁盘上的实际存储方式二级存储结构二级存储结构是数据库在磁盘等外部存储设备上的组织方式常见的二级存储结构包括顺序存储、索引存储和散列存储顺序存储按照数据的顺序存储，索引存储通过索引加快数据访问速度，散列存储通过散列函数将数据映射到存储位置选择合适的二级存储结构需要根据数据的访问模式和存储需求进行权衡例如，如果需要频繁访问特定数据，可以选择索引存储；如果数据访问模式比较随机，可以选择散列存储索引存储2通过索引加快访问速度顺序存储1按照数据顺序存储散列存储3通过散列函数映射数据逻辑结构逻辑结构是数据库中数据的组织方式，常见的逻辑结构包括关系模型、层次模型和网络模型关系模型使用表格来组织数据，层次模型使用树形结构来组织数据，网络模型使用图状结构来组织数据关系模型是目前最流行的数据库模型，具有简单、灵活和易于理解的优点层次模型和网络模型在某些特定应用中仍然有其优势，例如需要表示复杂关系的数据关系模型1使用表格组织数据层次模型2使用树形结构组织数据网络模型3使用图状结构组织数据物理结构物理结构是数据在磁盘上的实际存储方式物理结构包括数据的存储格式、存储位置和存储顺序等选择合适的物理结构可以提高数据的存储效率和访问速度常见的物理结构包括堆文件、索引文件和散列文件堆文件按照数据的插入顺序存储数据，索引文件通过索引加快数据访问速度，散列文件通过散列函数将数据映射到存储位置堆文件按照插入顺序存储数据索引文件通过索引加快访问速度散列文件通过散列函数映射数据关系模型关系模型是目前最流行的数据库模型，它使用表格来组织数据每个表格称为一个关系，表格中的每一行称为一个元组，表格中的每一列称为一个属性关系模型具有简单、灵活和易于理解的优点，广泛应用于各种信息系统理解关系模型的定义、基本操作和完整性约束对于学习后续的语言和数据库设计至关重要本节将详细介绍关系模型的各个方面SQL表格元组属性关系模型使用表格组织数据表格中的每一行称为一个元组表格中的每一列称为一个属性关系的定义关系是一个表格，由行和列组成每一行称为一个元组，代表一个实体或对象；每一列称为一个属性，代表实体或对象的特征关系必须满足一定的条件，例如每个属性必须有唯一的名字，每个元组必须是唯一的关系模型的严格定义保证了数据的规范性和一致性关系模型还定义了各种操作，例如选择、投影、连接等，用于操作关系中的数据12元组属性代表一个实体或对象代表实体或对象的特征N条件关系必须满足一定的条件关系的基本操作关系模型定义了各种基本操作，用于操作关系中的数据常见的操作包括选择、投影、连接、并、交、差等选择操作用于选择满足特定条件的元组，投影操作用于选择特定的属性，连接操作用于将两个关系连接起来这些基本操作是语言的基础，通过组合这些操作可以实现复杂的数据查询和处理理解这些操作对于编写高效的语句至关重要SQL SQL投影2选择特定的属性选择1选择满足条件的元组连接将两个关系连接起来3关系的完整性约束关系的完整性约束用于保证数据的准确性和一致性常见的完整性约束包括实体完整性、参照完整性和用户自定义完整性实体完整性要求每个关系必须有主键，且主键不能为空；参照完整性要求关系之间的引用必须有效；用户自定义完整性可以根据实际应用定义各种约束条件完整性约束是数据库系统的重要组成部分，可以防止数据错误和不一致数据库系统会自动检查完整性约束，并在违反约束时拒绝操作实体完整性参照完整性用户自定义完整性主键不能为空引用必须有效根据应用定义约束条件语言SQL（）是结构化查询语言，是用于访问和SQL StructuredQuery Language管理数据库的标准语言语言可以用于查询、插入、更新和删除数据，SQL以及定义和管理数据库的结构语言具有简单、灵活和功能强大的特点SQL，被广泛应用于各种数据库系统理解语言的组成和各种语句的用法对于进行数据库开发和管理至关重要SQL本节将详细介绍语言的各个方面SQL查询数据插入数据12使用语句查询数据使用语句插入数据SELECT INSERT更新数据3使用语句更新数据UPDATE语言的组成SQL语言主要由数据查询语言（）、数据操作语言（）、数据定义SQL DQL DML语言（）和数据控制语言（）组成用于查询数据，用于DDL DCLDQL DML插入、更新和删除数据，用于定义和管理数据库的结构，用于控制DDL DCL数据库的访问权限了解语言的组成有助于更好地理解语言的功能和使用方法不同的SQL SQL语言用于完成不同的任务，需要根据实际需求选择合适的语言DQLDML数据查询语言数据操作语言DDL数据定义语言语句SELECT语句是语言中最常用的语句，用于查询数据库中的数据语句可SELECT SQLSELECT以指定要查询的属性、要查询的表格和查询的条件通过灵活使用语句，可以SELECT实现各种复杂的数据查询需求语句支持各种子句，例如子句用于指定查询条件，子句SELECT WHEREORDER BY用于指定排序方式，子句用于分组查询掌握这些子句的用法对于编写高GROUP BY效的语句至关重要SELECT指定属性选择要查询的属性指定表格选择要查询的表格指定条件使用子句指定查询条件WHERE、和语句INSERT UPDATE DELETE语句用于向数据库中插入新的数据，语句用于更新数据库中已有的数据，语句用于删除数据库中的数据这些语句是数INSERT UPDATEDELETE据操作语言（）的核心组成部分，用于对数据库中的数据进行修改DML在使用这些语句时需要注意数据的完整性和一致性，防止数据错误和不一致数据库系统提供了事务管理机制，可以保证数据操作的原子性、一致性、隔离性和持久性UPDATE2更新已有的数据INSERT1插入新的数据DELETE3删除数据数据库设计数据库设计是指根据应用需求设计数据库的结构，包括确定实体、属性、关系和约束数据库设计的目标是保证数据的完整性、一致性、安全性和高效性一个好的数据库设计可以提高数据的存储效率和访问速度，降低系统的维护成本数据库设计通常包括概念设计、逻辑设计和物理设计三个阶段概念设计主要确定实体和属性，逻辑设计主要确定关系和约束，物理设计主要确定存储格式和存储位置概念设计1确定实体和属性逻辑设计2确定关系和约束物理设计3确定存储格式和存储位置概念设计概念设计是数据库设计的第一个阶段，主要目标是确定实体和属性实体是指应用中需要管理的各种对象，例如用户、商品、订单等；属性是指实体的特征，例如用户的姓名、地址、电话等概念设计需要充分了解应用需求，确定哪些实体和属性需要存储在数据库中概念设计可以使用实体关系模型（）来描述使用实体、属性和关系来表示应用中的数据可以帮助设计师更好地理ERM ERMERM解应用需求，并将其转化为数据库的结构实体属性关系应用中需要管理的各种对象实体的特征实体之间的联系逻辑设计逻辑设计是数据库设计的第二个阶段，主要目标是确定关系和约束关系是指表格，用于存储实体的数据；约束是指完整性约束，用于保证数据的准确性和一致性逻辑设计需要将概念设计的结果转化为数据库的逻辑结构逻辑设计可以使用关系模式来描述关系模式包括表格的名字、属性的名字和属性的数据类型关系模式可以帮助设计师更好地理解数据库的逻辑结构，并将其转化为语句SQL表格用于存储实体的数据约束用于保证数据的准确性和一致性物理设计物理设计是数据库设计的第三个阶段，主要目标是确定存储格式和存储位置存储格式是指数据在磁盘上的存储方式，例如文本格式、二进制格式等；存储位置是指数据在磁盘上的存储位置，例如哪个磁盘、哪个目录等物理设计需要考虑数据的存储效率和访问速度，以及系统的硬件环境物理设计可以使用存储模式来描述存储模式包括数据的存储格式、存储位置和索引等存储模式可以帮助设计师更好地理解数据库的物理结构，并进行性能优化存储格式1数据在磁盘上的存储方式存储位置2数据在磁盘上的存储位置索引3用于加快数据访问速度数据库安全性数据库安全性是指保护数据库中的数据免受未经授权的访问、修改和破坏数据库安全性是数据库系统的重要组成部分，需要采取各种措施来保证数据的安全常见的安全措施包括授权管理、数据备份和恢复、数据加密等数据库安全性的目标是保证数据的保密性、完整性和可用性保密性是指防止未经授权的用户访问数据，完整性是指防止未经授权的用户修改数据，可用性是指保证授权用户可以正常访问数据授权管理数据备份数据加密控制用户的访问权限防止数据丢失保护数据的保密性授权管理授权管理是指控制用户对数据库的访问权限数据库系统通常提供各种权限，例如权限、权限、权限和权限数据SELECT INSERTUPDATEDELETE库管理员可以根据用户的角色和需求，授予不同的权限授权管理可以防止未经授权的用户访问和修改数据，保证数据的安全性授权管理可以使用角色来简化角色是指一组权限的集合，可以将角色授予用户，从而简化授权管理的过程例如，可以创建一个名为销售员的角色“”，授予其权限，然后将该角色授予所有的销售员用户SELECT授予权限根据用户的角色和需求授予权限使用角色将一组权限集合成角色，简化授权管理数据备份和恢复数据备份是指将数据库中的数据复制到另一个存储设备，以防止数据丢失数据恢复是指将备份的数据恢复到数据库中，以恢复数据数据备份和恢复是数据库安全性的重要组成部分，可以保证数据在发生故障时可以快速恢复数据备份可以分为全备份、增量备份和差异备份全备份是指备份数据库中的所有数据，增量备份是指备份上次备份以来修改的数据，差异备份是指备份上次全备份以来修改的数据选择合适的备份策略需要根据数据的变化频率和恢复时间要求进行权衡2增量备份备份上次备份以来修改的数据全备份1备份所有数据差异备份备份上次全备份以来修改的数据3数据加密数据加密是指将数据库中的数据转换为密文，以防止未经授权的用户读取数据数据加密可以保护数据的保密性，即使数据被盗取，也无法被读取数据加密可以使用各种加密算法，例如对称加密算法和非对称加密算法数据加密需要在性能和安全性之间进行权衡加密强度越高，安全性越高，但性能也会受到影响需要根据实际应用的需求选择合适的加密算法和加密强度加密算法1使用加密算法将数据转换为密文密钥管理2安全地管理加密密钥数据库事务管理数据库事务是指作为单个逻辑单元执行的一系列操作事务具有原子性、一致性、隔离性和持久性（）四个特性原子性是指事务中的所有操作要么全部成功，要么ACID全部失败；一致性是指事务执行前后数据库的状态保持一致；隔离性是指多个事务并发执行时互不干扰；持久性是指事务提交后对数据库的修改永久有效事务管理是数据库系统的重要组成部分，可以保证数据的正确性和一致性数据库系统提供了各种机制来支持事务管理，例如并发控制、隔离级别和日志等原子性一致性所有操作要么全部成功，要么全部失事务执行前后数据库的状态保持一致败隔离性多个事务并发执行时互不干扰事务的特性事务的特性是事务管理的核心原子性保证了事务的完整性，防止部分ACID操作成功部分操作失败导致数据不一致；一致性保证了数据的正确性，防止事务执行前后数据不一致；隔离性保证了并发执行的事务互不干扰，防止数据冲突；持久性保证了事务提交后对数据库的修改永久有效，防止数据丢失理解事务的特性对于编写正确的数据库应用至关重要需要根据实际应ACID用的需求，合理地使用事务管理机制，保证数据的正确性和一致性原子性一致性隔离性保证事务的完整性保证数据的正确性保证并发执行的事务互不干扰并发控制并发控制是指管理多个事务并发执行的机制由于多个事务可能同时访问和修改相同的数据，如果没有并发控制，可能会导致数据冲突和不一致并发控制的目标是保证并发执行的事务互不干扰，同时提高系统的吞吐量常见的并发控制机制包括锁机制和多版本并发控制（）锁机制通过对数据加锁来防止并发访问，通过维护数据的多个MVCC MVCC版本来实现并发控制选择合适的并发控制机制需要根据实际应用的需求进行权衡锁机制MVCC通过对数据加锁来防止并发访问通过维护数据的多个版本来实现并发控制隔离级别隔离级别是指事务之间互相隔离的程度标准定义了四种隔离级别读未提SQL交（）、读已提交（）、可重复读（Read UncommittedRead Committed）和串行化（）读未提交隔离级别最低，事Repeatable ReadSerializable务可以读取其他事务未提交的数据；串行化隔离级别最高，事务串行执行，互不干扰选择合适的隔离级别需要在性能和一致性之间进行权衡隔离级别越高，一致性越高，但性能也会受到影响需要根据实际应用的需求选择合适的隔离级别隔离级别描述读未提交可以读取其他事务未提交的数据读已提交只能读取其他事务已提交的数据数据库索引数据库索引是指对数据库表中的一列或多列的值进行排序的一种存储结构，用于提高数据检索的速度索引类似于书籍的目录，可以帮助数据库系统快速找到所需的数据，而无需扫描整个表格索引是数据库性能优化的重要手段合理地使用索引可以显著提高数据查询的速度，降低系统的响应时间但是，索引也会增加数据的存储空间，并且在数据更新时需要维护索引，因此需要权衡索引的使用提高检索速度增加存储空间索引可以帮助数据库系统快速找索引会增加数据的存储空间到所需的数据维护成本数据更新时需要维护索引索引的概念索引是一种特殊的数据结构，用于存储表中一列或多列的值，并按照一定的顺序排列索引可以包含表格中所有的数据，也可以只包含部分数据当查询语句中包含索引列时，数据库系统可以使用索引快速找到匹配的数据，而无需扫描整个表格索引可以分为和两种类型决定了数据在磁盘上的物理存储顺序，每个表只能有一clustered indexnon-clustered indexClustered index个；是一种独立的存储结构，可以有多个clustered indexNon-clustered indexnon-clustered index存储结构加快查询12索引是一种特殊的数据结构索引可以帮助数据库系统快速找到数据索引的类型常见的索引类型包括索引、索引和索引索引是一种树形结构，适用于范围查询和排序；索引B-tree Hash Full-text B-tree Hash是一种散列结构，适用于等值查询；索引适用于全文搜索Full-text选择合适的索引类型需要根据查询的类型和数据的特点进行权衡例如，如果需要频繁进行范围查询，可以选择索引；如果需要B-tree频繁进行等值查询，可以选择索引；如果需要进行全文搜索，可以选择索引HashFull-textB-tree索引1适用于范围查询和排序Hash索引2适用于等值查询Full-text索引3适用于全文搜索索引的构建和优化索引的构建是指创建索引的过程可以使用语句来创建索引，需要指定索引的名称、表格的名称和索引列索引的CREATE INDEX优化是指调整索引的结构和参数，以提高查询的性能常见的优化手段包括重建索引、调整索引列的顺序和删除不必要的索引索引的构建和优化需要根据实际应用的需求进行需要定期检查索引的使用情况，并根据查询的性能进行调整可以使用数据库系统提供的工具来分析查询的性能，并找出需要优化的索引创建索引优化索引使用CREATE INDEX语句创建索引调整索引的结构和参数，提高查询性能数据库性能优化数据库性能优化是指提高数据库系统的性能，例如提高查询速度、降低响应时间、提高吞吐量等数据库性能优化是数据库管理的重要任务，需要综合考虑硬件环境、数据库配置、语句和索引等因素SQL常见的性能优化手段包括查询优化、索引优化和存储优化查询优化是指优化语句，使其更高效地执行；索引优化是指优化索引的结构和参数，以SQL提高查询速度；存储优化是指优化数据的存储方式，以提高存储效率和访问速度查询优化索引优化12优化SQL语句，使其更高效优化索引的结构和参数，以提地执行高查询速度存储优化3优化数据的存储方式，以提高存储效率和访问速度查询优化查询优化是指优化语句，使其更高效地执行查询优化可以使用各种技术，例如SQL使用索引、避免全表扫描、优化操作、使用子查询优化和避免使用游标等查JOIN询优化需要对语句进行分析，找出性能瓶颈，并采取相应的优化措施SQL可以使用数据库系统提供的工具来分析语句的执行计划，并找出性能瓶颈执行SQL计划是指数据库系统执行语句的步骤，可以帮助设计师更好地理解语句的SQL SQL执行过程，并进行优化使用索引使用索引加快查询速度避免全表扫描避免扫描整个表格优化JOIN操作优化表格之间的连接操作索引优化索引优化是指优化索引的结构和参数，以提高查询速度索引优化可以使用各种技术，例如重建索引、调整索引列的顺序、删除不必要的索引和使用覆盖索引等索引优化需要对索引进行分析，找出性能瓶颈，并采取相应的优化措施重建索引是指重新创建索引，可以整理索引的结构，提高查询效率调整索引列的顺序是指调整索引列的顺序，使其更符合查询的需求删除不必要的索引是指删除不再使用的索引，可以减少存储空间和维护成本使用覆盖索引是指索引包含了查询所需的所有列，可以避免回表查询，提高查询效率调整列顺序2使其更符合查询需求重建索引1整理索引的结构删除不必要索引减少存储空间和维护成本3存储优化存储优化是指优化数据的存储方式，以提高存储效率和访问速度存储优化可以使用各种技术，例如数据压缩、分区表和读写分离等数据压缩可以减少存储空间，提高效率；分区表可以将大表分割成多个小表，提高查询I/O效率；读写分离可以将读操作和写操作分离到不同的数据库服务器，提高并发处理能力选择合适的存储优化技术需要根据实际应用的需求进行权衡例如，如果存储空间有限，可以选择数据压缩；如果需要频繁查询大表，可以选择分区表；如果需要处理高并发的读写操作，可以选择读写分离技术描述数据压缩减少存储空间，提高I/O效率分区表将大表分割成多个小表，提高查询效率数据库应用案例数据库技术广泛应用于各种信息系统，例如电商系统、社交媒体系统和医疗信息系统等不同的应用对数据库的需求不同，需要根据实际情况选择合适的数据库系统和设计方案通过学习这些应用案例，可以更好地理解数据库技术的应用和实践电商系统需要处理大量的商品信息、用户信息和订单信息，对数据库的性能和安全性要求很高；社交媒体系统需要处理大量的用户信息、关系信息和内容信息，对数据库的扩展性和并发处理能力要求很高；医疗信息系统需要处理大量的患者信息、病历信息和药品信息，对数据库的可靠性和安全性要求很高电商系统社交媒体系统医疗信息系统处理商品、用户和订单处理用户、关系和内容处理患者、病历和药品信息信息信息电商系统数据库电商系统数据库需要存储商品信息、用户信息、订单信息、支付信息和物流信息等商品信息包括商品名称、价格、描述和库存等；用户信息包括用户、用户名、密码、地址和电话等；订单信息包括订单、用户、商品、数量和总金额等；支付信息包括支ID ID ID ID付、订单、支付方式和支付金额等；物流信息包括物流、订单、物流公司和物流单号等ID ID ID ID电商系统数据库需要保证数据的完整性和一致性，例如订单信息和支付信息必须一致，商品信息和库存信息必须一致还需要保证数据的安全性，例如用户密码需要加密存储，支付信息需要防止篡改商品信息用户信息订单信息商品名称、价格、描述和库存等用户ID、用户名、密码、地址和电话等订单ID、用户ID、商品ID、数量和总金额等社交媒体数据库社交媒体数据库需要存储用户信息、关系信息和内容信息等用户信息包括用户、用户名、昵称、头像和个人简介等；关系信息包括用户之间的关注关系、好ID友关系和群组关系等；内容信息包括帖子、用户、内容、发布时间和点赞IDID数等社交媒体数据库需要保证数据的可扩展性和并发处理能力，以支持大量的用户和内容可以使用数据库来存储关系信息和内容信息，例如使用NoSQL Redis存储用户的关注列表，使用存储帖子内容MongoDB用户信息关系信息用户ID、用户名、昵称、头像和用户之间的关注关系、好友关系和个人简介等群组关系等内容信息帖子、用户、内容、发布时间和点赞数等IDID医疗信息系统数据库医疗信息系统数据库需要存储患者信息、病历信息、药品信息和医生信息等患者信息包括患者ID、姓名、性别、年龄和联系方式等；病历信息包括病历ID、患者ID、诊断结果、治疗方案和用药记录等；药品信息包括药品ID、药品名称、生产厂家、规格和价格等；医生信息包括医生ID、姓名、职称、科室和联系方式等医疗信息系统数据库需要保证数据的可靠性和安全性，以保护患者的隐私需要采取严格的访问控制措施，并对敏感数据进行加密存储还需要定期备份数据，以防止数据丢失患者信息1患者ID、姓名、性别、年龄和联系方式等病历信息2病历ID、患者ID、诊断结果、治疗方案和用药记录等药品信息3药品ID、药品名称、生产厂家、规格和价格等。