《数据库的构建》课件

数据库的构建欢迎来到数据库构建的课程！本课程将深入探讨数据库的各个方面，从基础概念到高级技术，助您掌握数据库设计、实现、安全和维护的关键技能我们将通过理论学习、案例分析和实践操作，让您全面了解数据库的世界，并为您的职业发展打下坚实的基础在本课程中，您将学习如何进行需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计，以及如何使用常见的数据库管理系统（DBMS）软件此外，还将涉及数据库的安全、维护和优化，以及大数据、NoSQL和人工智能等新技术与趋势希望通过本课程的学习，您能够成为一名优秀的数据库专家课程概述课程目标主要内容学习成果本课程旨在帮助学生掌握数据库构建的本课程的主要内容包括数据库基础、需完成本课程后，学生应能够

1.掌握数核心概念和技术，培养学生独立完成数求分析、概念设计、逻辑设计、物理设据库的基本概念和原理；

2.能够独立完据库设计、实现和维护的能力通过学计、数据库实现、数据库安全和数据库成数据库设计；

3.熟悉常见的DBMS软习，学生应能够理解数据库的基本原理维护与优化此外，还将介绍大数据、件；

4.了解数据库安全和性能优化的相、掌握数据库设计的方法、熟悉常见的NoSQL和人工智能等新技术与趋势每关知识；

5.了解大数据、NoSQL和人工DBMS软件，并了解数据库安全和性能优个部分都包含理论学习、案例分析和实智能等新技术与趋势通过本课程的学化的相关知识践操作，以帮助学生全面理解和掌握相习，学生将为未来的职业发展打下坚实关知识的基础第一部分数据库基础1数据库定义2数据库特点3应用领域数据库是按照数据结构来组织、存数据结构化、数据共享性高、数据企业管理、金融、电信、交通、医储和管理数据的仓库其概念已经独立性高、数据冗余度低、易于扩疗、教育、科研等领域不仅是存储数据的集合，更是一种展、数据安全性高有组织、可管理、可共享的数据资源什么是数据库？定义特点应用领域数据库（Database，DB）是按照数据数据结构化数据库中的数据按照某种数据库技术广泛应用于各个领域，例如结构来组织、存储和管理数据的仓库结构组织起来，方便用户查询和管理企业管理企业可以使用数据库来管数据库是长期存储在计算机内、有组织数据共享性高数据库中的数据可以被理客户信息、产品信息、订单信息等的、可共享的数据集合数据库中的数多个用户共享，提高了数据的利用率金融银行可以使用数据库来管理账户据可以按照某种逻辑关系组织起来，方数据独立性高数据库中的数据独立于信息、交易信息等电信电信公司可便用户查询和管理数据库技术是计算应用程序，应用程序不需要关心数据的以使用数据库来管理用户信息、通话记机科学的一个重要分支，广泛应用于各存储方式数据冗余度低数据库中的录等交通交通部门可以使用数据库个领域数据冗余度低，减少了存储空间的浪费来管理车辆信息、航班信息等医疗易于扩展数据库可以方便地进行扩医院可以使用数据库来管理病人信息、展，以适应不断增长的数据量数据安病历信息等教育学校可以使用数据全性高数据库提供了多种安全机制，库来管理学生信息、课程信息等科研保护数据的安全性科研机构可以使用数据库来管理实验数据、研究成果等数据库管理系统（）DBMS概念功能常见DBMS软件数据库管理系统（DBMS）是管理数据库的软件数据定义DBMS提供了数据定义语言（DDL）常见的DBMS软件包括MySQL一种开源的系统它提供了一系列功能，包括数据定义、数，用于定义数据库的结构，包括表、视图、索引关系数据库管理系统Oracle一种商业的关据操纵、数据控制和数据维护DBMS是数据库等数据操纵DBMS提供了数据操纵语言（系数据库管理系统SQL Server一种商业的系统的核心组成部分，负责管理和维护数据库中DML），用于对数据库中的数据进行增、删、改关系数据库管理系统，由Microsoft开发的数据、查操作数据控制DBMS提供了数据控制语PostgreSQL一种开源的关系数据库管理系统言（DCL），用于控制用户对数据库的访问权限MongoDB一种开源的NoSQL数据库管理系数据维护DBMS提供了数据维护功能，包括统备份、恢复、性能优化等数据模型层次模型层次模型是一种树状结构的数据模型，数据按照层次关系组织起来层次模型的优点是结构简单、查询效率高，缺点是灵活性差、扩展性差网状模型网状模型是一种图状结构的数据模型，数据之间可以存在多个关系网状模型的优点是灵活性高、扩展性好，缺点是结构复杂、查询效率低关系模型关系模型是一种基于关系的数据模型，数据按照关系组织起来关系模型的优点是结构简单、灵活性高、扩展性好，缺点是查询效率相对较低对象关系模型对象关系模型是一种结合了关系模型和对象模型的数据模型对象关系模型的优点是既具有关系模型的优点，又具有对象模型的优点，缺点是结构复杂、实现难度高关系数据库定义特点关系数据库是基于关系模型构建数据以表格形式存储，易于理解的数据库它使用表格（关系）和管理数据之间通过关系联系来表示数据，并使用行（元组），可以方便地进行关联查询提和列（属性）来组织数据关系供了丰富的查询语言（如SQL）数据库通过关系运算来实现数据，方便用户查询和管理数据具的查询和管理有良好的数据完整性和一致性，保证数据的质量优势结构清晰，易于理解和管理数据完整性和一致性高，保证数据的质量提供了丰富的查询语言，方便用户查询和管理数据广泛应用于各个领域，具有成熟的技术和生态系统数据库设计过程概述需求分析1确定数据库需要存储哪些数据，以及如何使用这些数据需求分析是数据库设计的第一步，也是最重要的一步需求分析的质量直接影响到数据库设计的质量概念设计2构建一个独立于DBMS的概念模型，描述数据的结构和关系概念设计的结果是一个E-R图，E-R图描述了实体、属性和关系逻辑设计3将概念模型转换为DBMS支持的逻辑模型，如关系模式逻辑设计的结果是一组关系模式，关系模式描述了表的结构和关系物理设计4确定数据库的物理存储结构，包括表空间、索引、分区等物理设计的目的是提高数据库的性能和可靠性第二部分需求分析需求分析是数据库设计的第一步，也是最重要的一步它旨在确定数据库需要存储哪些数据，以及如何使用这些数据需求分析的质量直接影响到数据库设计的质量一个好的需求分析可以确保数据库能够满足用户的需求，并且具有良好的性能和可维护性一个糟糕的需求分析会导致数据库无法满足用户的需求，并且存在性能问题和维护困难因此，在进行数据库设计之前，必须认真进行需求分析需求分析需要与用户进行充分的沟通，了解用户的需求和期望需求分析还需要对业务流程进行分析，了解数据的来源和流向需求分析的结果应该是一个清晰、完整、准确的需求规格说明书，作为数据库设计的依据需求分析的重要性为什么需要需求分析？需求分析的目标确保数据库能够满足用户的需求避免数据库设计出现偏差确定数据库需要存储哪些数据确定如何使用这些数据确定提高数据库的性能和可维护性减少数据库开发和维护的成本数据的来源和流向确定数据的完整性和一致性要求确定数据库的性能要求确定数据库的安全要求需求收集方法访谈问卷调查与用户进行面对面的交流，了解用户的通过问卷的形式收集用户的需求问卷1需求和期望访谈是一种常用的需求收调查适用于用户数量较多的情况，可以2集方法，可以获取到比较详细和深入的快速收集到大量的需求信息需求信息观察文档分析观察用户的工作过程，了解用户的实际4分析现有的文档，了解系统的功能和数需求观察适用于用户无法清晰表达自3据文档分析适用于系统已经存在的情己的需求的情况，可以获取到比较真实况，可以了解系统的历史和现状的需求信息用例分析1什么是用例？用例是描述用户如何使用系统来完成特定任务的一种方法用例包括用例名称、参与者、前置条件、后置条件、主流程和备选流程2如何编写用例确定用例的参与者确定用例的前置条件确定用例的主流程确定用例的备选流程编写用例的描述数据流程图（）DFDDFD的组成元素如何绘制DFD外部实体表示系统之外的实体，如确定系统的外部实体确定系统的数用户、其他系统等数据流表示数据流确定系统的处理过程确定据的流动方向处理过程表示对数系统的数据存储绘制DFD图据进行处理的过程数据存储表示数据的存储位置需求规格说明书内容结构引言描述文档的目的、范围和目标读者总体描述描述系统的总体功能和性能详细需求描述系统的详细功能和性能需求数据需求描述系统的数据需求接口需求描述系统的接口需求安全需求描述系统的安全需求编写要点清晰使用简洁明了的语言，避免使用模糊不清的术语完整包含所有必要的需求信息准确需求信息必须准确无误一致需求信息必须保持一致可验证需求信息必须可以验证第三部分概念设计概念设计是数据库设计的核心环节，它着重于构建一个独立于具体数据库管理系统（DBMS）的、对现实世界数据及其关系的抽象描述在这一阶段，我们主要使用实体-关系模型（E-R模型）来表达数据需求，并通过E-R图来直观地展示实体、属性以及它们之间的关系概念设计的质量直接影响到后续逻辑设计和物理设计的效率和质量，因此需要认真对待通过深入分析需求规格说明书，识别出关键实体及其属性，并确定实体之间的各种关系，最终形成一个完整、准确且易于理解的概念模型，为数据库的后续设计奠定坚实的基础实体关系模型（模型）-E-R实体属性关系实体是现实世界中可以区分的对象，如属性是实体的特征，如学生的姓名、年关系是实体之间的联系，如学生选修课学生、课程、教师等在E-R图中，实龄、性别等在E-R图中，属性用椭圆程、教师教授课程等在E-R图中，关体用矩形表示形表示，并用线连接到实体系用菱形表示，并用线连接到实体图的绘制E-R符号介绍绘制步骤矩形表示实体椭圆形表示属性确定实体确定属性确定关系菱形表示关系线连接实体连接实体、属性和关系完善E-R图、属性和关系实体的识别如何识别实体？分析需求规格说明书，找出需要存储的对象将对象抽象为实体确保实体具有唯一的标识符常见实体类型人员如学生、教师、客户等物品如商品、设备、书籍等地点如学校、医院、银行等事件如订单、会议、考试等属性的确定属性类型主键的选择简单属性不能再分解的属性，如姓名、年龄等复合属性主键是唯一标识实体的属性主键必须是唯一的主键不能为可以分解为多个简单属性的属性，如地址（可以分解为国家、省空主键应该尽可能短主键应该尽可能稳定份、城市、街道等）单值属性一个实体只有一个值的属性，如姓名、年龄等多值属性一个实体可以有多个值的属性，如电话号码、兴趣爱好等关系的确定一对一关系一个实体只能与另一个实体建立关系，反之亦然例如，一个人只能有一个身份证号，一个身份证号只能对应一个人一对多关系一个实体可以与多个实体建立关系，但另一个实体只能与一个实体建立关系例如，一个班级可以有多个学生，但一个学生只能属于一个班级多对多关系一个实体可以与多个实体建立关系，另一个实体也可以与多个实体建立关系例如，一个学生可以选修多门课程，一门课程可以被多个学生选修模型实例E-R1案例分析以学生选课系统为例，分析实体、属性和关系实体学生、课程属性学生姓名、学生学号、课程名称、课程编号关系学生选修课程2实践练习根据实际需求，绘制E-R图可以选择自己熟悉的系统进行练习，如图书管理系统、客户关系管理系统等第四部分逻辑设计逻辑设计是数据库设计的重要阶段，它在概念设计的基础上，将实体-关系模型（E-R模型）转换为数据库管理系统（DBMS）所支持的关系模式这一阶段的核心任务包括关系模式转换、关系范式化、反范式化考虑、数据完整性约束、索引设计和视图设计通过逻辑设计，可以确保数据库的数据结构合理、数据完整性得到保障、查询效率得到优化，从而为数据库的物理设计和实现奠定坚实的基础逻辑设计需要充分考虑DBMS的特性和限制，以及实际应用的需求，权衡各种因素，做出合理的决策，以实现数据库的最佳性能和可维护性关系模式转换E-R图转换为关系模式将实体转换为关系模式将属性转换为关系模式的属性将关系转换为关系模式的外键转换规则实体转换为一个关系模式，实体的属性作为关系模式的属性，实体的唯一标识符作为关系模式的主键一对一关系可以在任意一个关系模式中添加外键，指向另一个关系模式的主键一对多关系在“多”的一方添加外键，指向“一”的一方的主键多对多关系需要创建一个新的关系模式，包含两个关系模式的主键作为外键，以及关系的属性关系范式第一范式（1NF）关系模式的属性都是不可再分的如果一个属性可以分解为多个属性，则不满足第一范式第二范式（2NF）在满足第一范式的基础上，非主属性完全依赖于主键如果非主属性部分依赖于主键，则不满足第二范式第三范式（3NF）在满足第二范式的基础上，非主属性不传递依赖于主键如果非主属性传递依赖于主键，则不满足第三范式范式化过程为什么要范式化？1减少数据冗余避免数据更新异常提高数据查询效率范式化步骤2确定关系模式的主键确定关系模式的非主属性分析非主属性对主键的依赖关系将关系模式分解为满足范式要求的关系模式反范式化考虑什么是反范式化？何时考虑反范式化？为了提高查询效率，允许在关系模式中存在一定的数据冗余查询需要关联多个表查询需要计算大量的聚合函数数据更反范式化是范式化的逆过程新频率较低数据冗余带来的存储空间浪费可以接受数据完整性约束实体完整性参照完整性用户自定义完整性关系模式的主键不能为关系模式的外键必须是用户根据实际需求定义空实体完整性约束保另一个关系模式的主键的完整性约束用户自证了每个实体都有唯一，或者为空参照完整定义完整性约束可以保的标识符性约束保证了关系模式证数据的有效性和一致之间的引用关系是有效性的索引设计索引的作用索引类型提高数据查询效率加速数据排聚集索引索引的顺序与数据的序保证数据唯一性物理存储顺序一致非聚集索引索引的顺序与数据的物理存储顺序不一致唯一索引索引的属性值必须唯一复合索引索引包含多个属性索引设计原则为经常查询的属性创建索引为经常排序的属性创建索引为经常连接的属性创建索引限制索引的数量避免在经常更新的属性上创建索引视图设计什么是视图？视图的优势视图的设计原则视图是从一个或多个表中导出的虚拟表简化复杂查询提高数据安全性隐藏视图应该尽可能简单视图应该尽可能视图不存储数据，只存储查询语句数据细节提高数据访问效率少视图应该尽可能安全视图应该尽可能高效第五部分物理设计物理设计是数据库设计的最后阶段，它关注于如何在特定的数据库管理系统（DBMS）上实现逻辑设计的结果这一阶段的主要任务包括存储结构选择、表空间设计、分区设计、物理存储参数设置和性能优化考虑物理设计的目的是根据实际应用的需求，选择合适的存储结构，合理地分配存储空间，优化数据库的性能，提高数据库的可靠性和可维护性物理设计需要充分了解DBMS的特性和限制，以及硬件环境的配置，权衡各种因素，做出合理的决策，以实现数据库的最佳性能和可扩展性存储结构文件组织方法记录存储堆文件组织数据随机存储，没有特定长记录存储每个记录的长度都是定的顺序顺序文件组织数据按照固定的变长记录存储每个记录的特定的顺序存储索引文件组织数长度都是可变的据通过索引进行组织和存储表空间设计什么是表空间？表空间是数据库中用于存储数据的逻辑容器一个数据库可以包含多个表空间一个表空间可以包含多个表和索引表空间设计原则将不同的数据类型存储在不同的表空间中将频繁访问的数据存储在高速存储介质上将不经常访问的数据存储在低速存储介质上合理设置表空间的大小分区设计分区的优势分区策略分区实现方法提高数据查询效率提高数据管理效率范围分区按照属性值的范围进行分区水平分区将表的数据水平分割成多个方便数据备份和恢复列表分区按照属性值的列表进行分部分，存储在不同的物理文件中垂直区哈希分区按照属性值的哈希值进分区将表的属性垂直分割成多个部分行分区，存储在不同的物理文件中物理存储参数块大小填充因子空间管理块是数据库存储数据的填充因子是指数据块中数据库需要对存储空间最小单位合理设置块数据的填充程度合理进行管理，包括空间的大小可以提高数据I/O设置填充因子可以减少分配、回收和碎片整理效率数据块的分裂和合并性能优化考虑I/O优化减少磁盘I/O次数使用高速存储介质合理设置块大小使用数据压缩CPU优化减少CPU计算量优化SQL语句使用缓存使用并行处理内存优化合理分配内存减少内存占用使用内存缓存避免内存泄漏第六部分数据库实现数据库实现是将逻辑设计和物理设计转化为实际可运行的数据库系统的过程这一阶段涉及选择合适的数据库管理系统（DBMS）、创建数据库、导入数据、实现索引、实现视图、创建存储过程和触发器、以及进行用户和权限管理通过数据库实现，可以将设计好的数据库结构和数据存储到DBMS中，并提供各种功能供用户使用数据库实现需要熟悉DBMS的各种功能和特性，以及相关的编程技术，才能确保数据库系统能够稳定、高效地运行，并满足用户的需求选择合适的DBMS评估标准功能DBMS是否满足应用的功能需求性能DBMS的性能是否满足应用的需求可靠性DBMS的可靠性是否满足应用的需求安全性DBMS的安全性是否满足应用的需求成本DBMS的成本是否在预算范围内易用性DBMS是否易于使用和管理常见DBMS比较MySQL开源、免费、性能好、易用Oracle商业、功能强大、性能好、可靠性高SQL Server商业、功能强大、易用、与Windows集成PostgreSQL开源、免费、功能强大、可靠性高MongoDB开源、免费、NoSQL、适用于大数据数据库创建创建数据库创建表设置约束使用DBMS提供的命令或工具创建数据库使用SQL语句创建表需要指定表的名使用SQL语句设置约束包括主键约束需要指定数据库的名称、字符集、排称、属性、数据类型、约束等、外键约束、唯一约束、非空约束、检序规则等查约束等数据导入数据准备导入方法数据验证将数据转换为DBMS支持的格式清洗数使用DBMS提供的命令或工具导入数据验证导入的数据是否正确验证数据的完据，去除重复、错误和不完整的数据使用SQL语句导入数据使用编程语言编整性和一致性写程序导入数据索引实现创建索引索引维护使用SQL语句创建索引需要指定索引的名称、表名、属性定期重建索引，以提高查询效率监控索引的使用情况，及等时调整索引策略视图实现创建视图视图的使用和维护使用SQL语句创建视图需要指定视图的名称、查询语句等使用视图进行查询修改视图的定义删除视图存储过程和触发器创建存储过程使用SQL语句创建存储过程存储过程是一组预编译的SQL语句，可以提高数据库的性能创建触发器使用SQL语句创建触发器触发器是在特定事件发生时自动执行的SQL语句，可以用于实现数据完整性约束、审计等功能应用场景存储过程用于实现复杂的业务逻辑触发器用于实现数据完整性约束、审计、日志记录等功能用户和权限管理创建用户分配权限角色管理使用DBMS提供的命令使用SQL语句分配权限创建角色，将权限分配或工具创建用户需要可以分配给用户不同给角色，然后将角色分指定用户的用户名、密的权限，如SELECT、配给用户可以简化权码等INSERT、UPDATE、限管理DELETE等第七部分数据库安全数据库安全是保护数据库免受未经授权的访问、使用、修改、破坏或泄露的过程数据库安全涉及到多个方面，包括身份认证、访问控制、数据加密、审计和备份与恢复一个安全的数据库系统可以保证数据的机密性、完整性和可用性，防止数据丢失、损坏或泄露，从而维护组织的利益和声誉数据库安全是一个持续的过程，需要定期进行评估和改进，以应对不断变化的安全威胁同时，还需要加强用户的安全意识培训，提高用户的安全防范能力数据库安全概述安全威胁未经授权的访问恶意软件攻击SQL注入攻击拒绝服务攻击内部人员威胁物理安全威胁安全目标机密性保护数据的机密性，防止未经授权的访问完整性保护数据的完整性，防止数据被篡改可用性保证数据的可用性，确保用户可以正常访问数据访问控制身份认证授权机制验证用户的身份常用的身份认证方法包括用户名/密码、数字控制用户对数据库的访问权限可以使用角色来简化权限管理证书、生物识别等数据加密加密算法加密实现对称加密算法使用相同的密钥进行加密和解密，如AES、DES对敏感数据进行加密存储对网络传输的数据进行加密使用等非对称加密算法使用不同的密钥进行加密和解密，如RSA SSL/TLS协议保护网络连接、DSA等哈希算法将数据转换为固定长度的哈希值，用于验证数据的完整性，如MD

5、SHA等审计审计策略审计实现确定需要审计的事件确定审计的范启用数据库的审计功能配置审计参围确定审计的频率数定期分析审计日志备份与恢复备份策略完全备份备份整个数据库增量备份备份上次完全备份或增量备份以来发生变化的数据差异备份备份上次完全备份以来发生变化的数据恢复方法完全恢复使用完全备份进行恢复增量恢复使用完全备份和增量备份进行恢复差异恢复使用完全备份和差异备份进行恢复时间点恢复恢复到指定的时间点第八部分数据库维护与优化数据库维护与优化是确保数据库系统长期稳定、高效运行的关键环节这一阶段涉及日常维护任务、性能调优、数据库扩展、数据迁移和版本升级通过数据库维护与优化，可以及时发现和解决潜在问题，提高数据库的性能和可靠性，适应不断变化的业务需求，从而为组织提供持续的数据支持数据库维护与优化需要熟悉DBMS的各种管理和优化工具，以及相关的技术知识，才能确保数据库系统能够始终保持最佳状态日常维护任务性能监控空间管理日志管理监控数据库的性能指标，如CPU使用率监控数据库的存储空间使用情况及时定期备份数据库的日志文件归档历史、内存使用率、磁盘I/O、SQL执行时间清理无用数据，释放存储空间对表空日志文件分析日志文件，发现潜在问等及时发现性能瓶颈，采取相应的措间进行扩展题施进行优化性能调优SQL优化优化SQL语句的编写方式使用索引避免全表扫描使用连接池索引优化定期重建索引调整索引策略删除无用索引参数调优调整数据库的配置参数，如缓冲区大小、连接数等需要根据实际情况进行调整数据库扩展垂直扩展水平扩展提高数据库服务器的硬件配置，增加数据库服务器的数量可以如CPU、内存、磁盘等可以提提高数据库的并发处理能力高数据库的处理能力读写分离将读操作和写操作分离到不同的数据库服务器上可以提高数据库的并发处理能力数据迁移迁移策略迁移工具注意事项完全迁移将所有数据迁移到新的数据DBMS提供的迁移工具第三方迁移工备份数据测试迁移过程监控迁移进库系统增量迁移只迁移发生变化的具自行编写程序进行数据迁移度验证迁移结果数据停机迁移停止数据库服务，然后进行数据迁移在线迁移在数据库服务运行的情况下进行数据迁移版本升级升级规划升级步骤风险控制评估升级的影响制定备份数据停止数据库制定回滚计划监控升升级计划准备升级环服务升级数据库软件级过程及时处理异常境启动数据库服务情况验证升级结果第九部分新技术与趋势数据库技术不断发展，新的技术和趋势不断涌现了解这些新技术和趋势，可以帮助我们更好地应对未来的挑战本部分将介绍大数据与NoSQL、云数据库和人工智能与数据库等新技术与趋势大数据与NoSQL数据库在大规模数据存储和处理方面具有优势云数据库提供了弹性、可扩展和高可用的数据库服务人工智能与数据库的结合，可以实现数据库的自动化管理和智能化优化大数据与NoSQL1NoSQL数据库类型键值数据库如Redis、Memcached文档数据库如MongoDB、CouchDB列式数据库如HBase、Cassandra图数据库如Neo4j2应用场景大数据存储和处理实时数据分析社交网络物联网云数据库云数据库优势弹性可以根据需求动态调整资源可扩展可以轻松扩展数据库的容量和性能高可用提供了多种高可用方案，保证数据库的稳定运行低成本无需购买和维护硬件设备主流云数据库服务Amazon RDSAzure SQLDatabase GoogleCloud SQLAlibabaCloud RDSTencent CloudCDB人工智能与数据库AI驱动的数据库优化智能查询处理自动索引优化自动SQL优化自动参数调优自然语言查询语义查询智能推荐课程总结关键知识点回顾学习资源推荐QA数据库基础需求分析概念设计逻数据库教材数据库官方文档数据库欢迎大家提问，共同探讨数据库相关问题辑设计物理设计数据库实现数据技术博客数据库技术社区库安全数据库维护与优化新技术与趋势。