数据库原理课件

数据库原理课程导引欢迎来到数据库原理课程！本课程是国家级一流课程，专为提升学生的数据系统工程能力而设计在数字化时代，数据库技术已成为信息系统的核心基础设施，广泛应用于各行各业数据库的定义与发展1数据库基本定义2关系模型里程碑现代信息基础设施数据库是按照数据结构来组织、存1970年，IBM的Edgar F.Codd博储和管理数据的仓库它是一个有士提出了关系数据模型，这一理论组织、可共享的数据集合，能够为突破推动了整个数据库行业的快速多个用户和应用程序提供高效的数发展，奠定了现代关系数据库系统据访问服务的理论基础数据库系统组成用户层包括最终用户、应用程序开发人员和数据库管理员，他们通过不同的接口与数据库系统进行交互，完成数据的查询、更新和管理工作层DBMS数据库管理系统是核心软件层，负责处理用户请求、管理数据存储、维护数据一致性，并提供安全控制、并发控制和恢复机制存储层物理存储层包括数据文件、索引文件和日志文件等，这些文件存储在磁盘或其他存储设备上，是数据持久化的基础数据库管理系统（）概述DBMS核心功能主流产品对比DBMS数据库管理系统是管理和控制数据库的核心软件系统它提供数当前市场上的主流DBMS产品各有特色Oracle以其强大的企据定义、数据操作、数据控制等基本功能，同时确保数据的安全业级功能著称，MySQL因开源和易用性广受欢迎，华为性、完整性和一致性GaussDB代表了云原生数据库的新趋势DBMS还负责处理并发访问、事务管理、故障恢复等复杂任务，SQL Server在Windows环境下表现优异，PostgreSQL以其先为用户和应用程序提供统

一、高效的数据访问接口进的技术特性赢得开发者青睐选择合适的DBMS需要考虑性能、成本、技术支持等多个因素数据库应用系统案例银行核心系统电子商务平台社交网络银行核心系统处理账户管电商平台管理商品信息、用社交平台存储用户档案、社理、交易处理、风险控制等户数据、订单处理、支付记交关系、内容发布、互动数关键业务，要求极高的可靠录等复杂业务数据系统需据等需要支持亿级用户规性、安全性和性能系统需要应对促销期间的流量激增，模，处理实时消息推送和个要支持7×24小时不间断运保证用户体验和数据一致性性化推荐算法行，处理海量并发交易企业物资管理《数据库原理及应用案例教程》中的企业物资管理系统展示了数据库在企业管理中的典型应用，包括库存管理、采购管理、供应商管理等功能模块数据库的主要类型层次数据库采用树状结构组织数据，每个记录只能有一个父记录优点是结构简单，查询效率高；缺点是灵活性差，难以表示复杂的数据关系适用于组织结构等层次分明的数据网状数据库允许一个记录有多个父记录，形成网状结构比层次数据库更灵活，能表示复杂关系；但结构复杂，维护困难在早期的大型机系统中应用较多关系数据库基于关系模型，使用二维表格存储数据具有理论基础扎实、操作简单、标准化程度高等优点目前应用最广泛，支持SQL标准查询语言数据库NoSQL非关系型数据库，包括文档数据库、键值数据库、图数据库等具有高性能、易扩展、模式灵活等特点，适用于大数据和云计算环境云数据库新趋势GaussDB云原生架构华为云GaussDB采用云原生设计理念，实现存储计算分离、弹性扩缩容等特性支持多种部署模式，能够根据业务需求动态调整资源配置，大幅降低运维成本智能运维AI集成人工智能技术，提供智能参数调优、故障自愈、性能诊断等功能通过机器学习算法分析系统运行状态，实现预测性维护和自动化运维管理企业级特性支持金融级的高可用性、数据安全性和一致性保障提供多活容灾、数据加密、审计日志等企业级功能，满足关键业务系统的严格要求数据库中的数据模型概念模型描述现实世界中的数据和关系逻辑模型将概念模型转换为具体的数据结构物理模型定义数据的存储和访问方式数据模型是数据库设计的核心工具，它帮助我们从抽象的业务需求逐步转换为可实现的数据库结构概念模型关注业务规则和数据关系，逻辑模型确定数据的组织方式，物理模型则考虑存储效率和访问性能关系模型因其理论基础扎实、操作简单而成为应用最广泛的数据模型数据模型举例模型特点关系模型应用E-R实体-联系模型是最常用的概念数据模型，通过实体、属性和联关系模型将数据组织成二维表格形式，每个表格称为关系，表格系三个基本概念来描述现实世界的数据结构实体表示具有共同的行称为元组，列称为属性关系模型具有简单、规范、易于理特征的对象集合，属性描述实体的特性，联系表示实体之间的关解和操作的特点联关系模型支持强大的查询语言SQL，提供了完整的数据操作能E-R图是E-R模型的图形化表示方法，使用矩形表示实体，椭圆表力通过规范化理论，可以消除数据冗余，保证数据一致性，这示属性，菱形表示联系这种直观的表示方法便于需求分析和系使得关系模型成为现代数据库系统的主流选择统设计关系数据库基础关系元组二维表格，表示实体集合表中的一行，代表一个实体实例•表名唯一标识•每行数据唯一•列的顺序无关紧要•不允许重复行•行的顺序无关紧要•原子性要求主码属性唯一标识元组的属性组合表中的一列，描述实体特征•候选码中选择一个•具有特定数据类型•保证实体完整性•有值域约束•建立表间联系•可设置约束条件关系代数与关系演算选择操作投影操作连接操作从关系中选择满足条件的从关系中选择若干属性列将两个关系按照连接条件元组例如从员工表中选组成新关系如从员工表组合成新关系员工表与择工资大于5000的员工记中选择姓名和部门列，用π部门表通过部门编号连接，录，使用σ工资5000员姓名,部门员工表示获取员工的详细部门信息工表示集合操作包括并、交、差运算如将两个分公司的员工表合并（并运算），或找出同时在两个项目组工作的员工（交运算）概念结构设计与图E-R需求收集通过访谈、问卷调查、文档分析等方法收集用户需求，明确系统要管理的数据对象和业务规则，为概念设计奠定基础实体识别从需求中抽象出主要的数据对象，确定实体的属性和标识符实体应该是独立存在、具有业务意义的对象关系确定分析实体之间的联系，确定联系的类型（一对

一、一对多、多对多）和联系的属性，建立完整的E-R模型模型验证检查E-R模型的完整性和正确性，确保模型能够满足所有业务需求，并与用户确认模型的准确性需求分析方法系统需求调研用例分析方法通过多种方式全面了解用户需采用用例驱动的分析方法，识求，包括业务流程分析、现有别系统的主要参与者和用例场系统调研、用户访谈等需要景通过用例图和用例规约，识别数据需求、功能需求和性明确系统的边界和功能范围，能需求，为后续设计提供依确保需求的完整性和一致性据需求文档化将收集到的需求进行结构化整理，形成需求规格说明书文档应包括功能需求、数据需求、性能需求、安全需求等方面，为设计阶段提供明确指导逻辑结构设计模型转换E-R将概念模型转换为关系模型关系优化消除冗余，规范化处理模型验证确保逻辑模型的正确性逻辑结构设计是将E-R模型转换为关系模型的过程实体转换为关系表，属性转换为表的字段，联系根据类型转换为外键约束或独立的关系表设计原则包括保持数据完整性、减少数据冗余、提高查询效率设计目标是建立结构清晰、易于维护、性能良好的逻辑数据模型，为物理设计和系统实现奠定基础物理结构设计存储结构选择性能优化策略根据数据访问模式选择合适的存储结构B+树索引适用于范围通过索引设计提高查询性能，合理设置缓冲区大小，选择适当的查询和排序操作，哈希表适用于等值查询，分区表适用于大数据页面大小和填充因子考虑数据压缩技术减少存储空间和I/O开量的水平拆分销聚簇索引可以提高范围查询性能，但会影响插入性能非聚簇索针对具体应用场景进行优化，如OLTP系统注重并发性能，引适用于多种查询模式，但需要额外的存储空间选择时需要权OLAP系统注重查询性能通过分区、分表等技术实现水平扩衡查询性能和存储开销展，满足大数据量处理需求关系规范化第一范式（）第二范式（）1NF2NF要求关系中的每个属性都是原子的，不在1NF基础上，消除部分函数依赖非可再分消除重复组和多值属性，确保主属性必须完全依赖于主键，不能只依每个字段只包含单一值赖于主键的一部分异常分析第三范式（）3NF识别和消除插入异常、删除异常和更新在2NF基础上，消除传递函数依赖非异常，通过规范化过程减少数据冗余，主属性不能依赖于其他非主属性，只能提高数据一致性直接依赖于主键规范化案例分析原始表结构学生成绩表包含学号、姓名、课程号、课程名、学分、成绩等字段，存在数据冗余和更新异常问题分解过程将原表分解为学生表、课程表和选课表三个关系，消除数据冗余规范化结果分解后的表结构符合3NF要求，有效减少了数据冗余，提高了数据一致性通过规范化分解，学生信息只在学生表中存储一次，课程信息只在课程表中存储一次，选课关系单独存储这样避免了学生信息和课程信息的重复存储，当需要修改学生姓名或课程名称时，只需要在相应的表中修改一次即可，大大提高了数据维护的效率和一致性反规范化与性能权衡3x15%查询性能提升存储空间增加适度的反规范化可以减少表连接操作，显数据冗余导致的额外存储开销通常在可接著提高查询性能受范围内2x维护复杂度需要额外的同步机制来保证冗余数据的一致性在实际企业应用中，完全规范化的数据库可能面临性能瓶颈通过适度的反规范化，如在订单表中冗余客户名称，可以避免频繁的表连接操作，显著提高查询效率但这需要在数据一致性和查询性能之间找到平衡点，并建立相应的数据同步机制语言简介SQL结构化查询语言标准ANSI/ISOSQL（Structured QuerySQL是国际标准化组织制定的标Language）是专门用于管理关准语言，具有良好的跨平台兼容系数据库的标准化语言它提供性虽然各数据库厂商在标准基了数据定义、数据操作、数据控础上有所扩展，但核心语法保持制等完整的数据库操作能力，是一致，便于开发人员掌握和使数据库应用开发的核心工具用广泛应用支持几乎所有主流关系数据库系统都支持SQL语言，包括Oracle、MySQL、SQL Server、PostgreSQL等这使得SQL成为数据库领域最重要的技能之一的数据定义SQL1CREATE TABLE创建新表结构，定义列名、数据类型、约束条件等例如创建学生表，包括学号、姓名、年龄等字段，并设置主键约束2ALTER TABLE修改现有表结构，可以添加列、删除列、修改列定义、添加约束等ALTER操作需要谨慎，特别是在生产环境中3DROP TABLE删除表结构和所有数据这是不可逆操作，执行前必须确认数据已备份可以使用CASCADE选项同时删除相关的约束和视图的数据操作SQL查询插入更新SELECT INSERTUPDATE用于从表中检索数据，支向表中添加新记录可以修改表中现有记录的数据持条件过滤、排序、分组插入单条记录或批量插入通常配合WHERE子句使用，等操作可以进行单表查多条记录，支持从其他表指定要更新的记录条件，询和多表连接查询，是使查询结果插入数据避免误更新所有记录用最频繁的SQL语句删除DELETE从表中删除记录同样需要使用WHERE子句指定删除条件，DELETE操作会触发相关的完整性约束检查复杂查询SQL子查询技术多表连接子查询是嵌套在其他SQL语句中的SELECT语句，可以出现在内连接返回两表中匹配的记录，外连接可以保留某一表的所有记SELECT、WHERE、FROM等子句中相关子查询和非相关子查录交叉连接产生笛卡尔积，自连接用于表内记录的比较询各有应用场景集合操作符UNION合并多个查询结果，INTERSECT求交集，例如查询工资高于部门平均工资的员工，需要使用相关子查询获EXCEPT求差集这些操作为复杂数据分析提供了强大工具取每个部门的平均工资进行比较子查询提供了强大的数据筛选和比较能力函数与表达式SQL聚合函数字符串函数COUNT统计记录数量处理文本数据的专用函数•SUM计算数值总和•CONCAT字符串连接•AVG计算平均值•SUBSTRING子串提取•MAX/MIN获取最值•LENGTH获取长度数学函数日期函数数值计算和处理处理日期时间数据•ROUND四舍五入•NOW获取当前时间•ABS绝对值•DATEDIFF计算日期差•POWER幂运算•DATE_FORMAT格式化视图与索引视图定义视图是虚拟表，基于一个或多个基本表的查询结果它简化了复杂查询，提供了数据安全性，允许不同用户看到不同的数据视角索引原理索引是数据库中用于快速定位数据的数据结构B+树索引支持范围查询，哈希索引适用于等值查询，位图索引适用于低基数数据性能优化合理创建索引可以显著提升查询性能，但会增加存储开销和维护成本需要根据查询模式和数据特征选择合适的索引策略索引类型及原理主索引与唯一索引组合索引策略主索引基于主键创建，保证实组合索引涉及多个列，遵循最体完整性唯一索引确保索引左前缀原则索引列的顺序影列的值唯一性，但允许空值响查询效率，应该将选择性高两者都能显著提高查询性能，的列放在前面，常用于并提供数据约束功能WHERE条件的列优先考虑索引操作语法CREATE INDEX创建索引，DROP INDEX删除索引，ALTER INDEX修改索引创建索引时可以指定升序或降序，设置填充因子，选择存储选项等参数文件组织与存储结构聚簇索引结构散列存储结构数据行按照索引键的顺序物理存储，每个顺序存储结构使用哈希函数将记录分布到不同的存储位表只能有一个聚簇索引适合范围查询和记录按照某种顺序（通常是主键）物理存置，提供O1的等值查询性能但不支持排序操作，但会影响插入性能和其他索引储，适合范围查询和顺序访问插入和删范围查询，哈希冲突需要特殊处理机制的维护成本除操作可能需要移动大量记录，维护成本较高数据库事务基础原子性（）Atomicity事务是不可分割的最小工作单元一致性（）Consistency事务执行前后数据库保持一致状态隔离性（）Isolation并发事务之间相互隔离不受干扰持久性（）Durability事务提交后修改永久保存到数据库ACID特性确保了数据库在并发环境下的可靠性原子性保证事务要么全部成功要么全部失败，一致性维护数据的业务规则，隔离性防止并发冲突，持久性确保数据不会因系统故障而丢失典型的事务操作流程包括开始事务、执行操作、检查结果、提交或回滚等步骤并发控制技术锁机制类型并发问题分析排他锁（X锁）用于写操作，同时只允许一个事务持有共享锁丢失更新发生在两个事务同时修改同一数据项时脏读是读取了（S锁）用于读操作，多个事务可以同时持有意向锁提高锁检未提交的数据，不可重复读是同一事务内多次读取结果不一致查效率，多粒度锁平衡并发性和开销锁的粒度可以是行级、页级或表级行级锁提供最好的并发性但幻读是在事务执行过程中，其他事务插入了新记录，导致查询结开销最大，表级锁开销最小但并发性最差选择合适的锁粒度需果集发生变化这些问题需要通过适当的隔离级别和锁策略来解要权衡性能和并发需求决事务隔离级别数据库系统的恢复技术事务日志检查点机制记录所有数据修改操作的详细信息，包定期将内存中的脏页面写入磁盘，并记括修改前后的数据值日志采用预写式录检查点位置这样可以缩短系统重启策略，确保在数据页面写入磁盘前，相时的恢复时间，只需要从最近的检查点应的日志记录已经安全存储开始重做日志即可重做机制回滚操作系统故障重启后，使用REDO日志重新当事务需要撤销时，使用UNDO日志将执行已提交但未写入磁盘的事务操作数据恢复到事务开始前的状态回滚操重做过程确保已提交事务的修改不会因作必须保证原子性，要么完全成功要么系统故障而丢失完全失败数据库完整性约束实体完整性参照完整性要求关系的主键不能为空值，确外键约束确保引用关系中的外键保每个实体都有唯一标识主键值必须在被引用关系中存在，或约束是最基本的完整性约束，数者为空值参照完整性维护表间据库系统会自动检查和维护这一关系的一致性，防止数据孤儿记约束条件录的产生用户自定义完整性根据具体应用需求定义的约束条件，如检查约束、唯一约束等这些约束体现了特定业务规则，如年龄必须在合理范围内、邮箱格式必须正确等触发器与存储过程详细讲解触发器定义触发器是特殊的存储过程，在特定数据库事件发生时自动执行包括BEFORE、AFTER和INSTEAD OF三种类型，分别在操作前、操作后和替代操作时触发自动化操作触发器实现数据的自动维护和业务逻辑的自动执行例如，当员工工资发生变化时，自动更新相关的统计信息和发送通知消息，确保数据一致性存储过程优势存储过程将复杂的业务逻辑封装在数据库中，提高执行效率，减少网络传输，增强安全性支持参数传递、条件控制和异常处理等编程特性工资变更触发器示例创建工资变更触发器，当员工工资更新时自动记录变更历史、更新部门总工资、检查工资合理性，并在超出预算时发出警告信息数据库安全管理访问控制权限管理审计机制通过用户认证和授权精细化的权限管理包详细记录数据库的访机制控制数据库访括对象权限、操作权问和操作日志，包括问实现基于角色的限和数据权限可以登录尝试、数据修访问控制（RBAC），控制到表级、列级甚改、权限变更等审为不同用户分配不同至行级的访问权限，计日志用于安全分的权限级别，确保数实现最小权限原则析、合规检查和事故据的机密性和完整调查性加密保护对敏感数据进行加密存储和传输，防止数据泄露包括透明数据加密、列级加密和通信加密等多层次的安全保护措施数据备份与恢复全备份增量备份差异备份恢复操作完整备份数据库的所有数据和只备份自上次备份以来发生变备份自上次全备份以来的所有演示完整的备份恢复流程，包结构提供最可靠的恢复基化的数据占用空间小，备份变化恢复时只需要全备份和括备份验证、恢复点选择、数础，但占用存储空间大，备份速度快，但恢复时需要按顺序最后一次差异备份，简化了恢据一致性检查等关键步骤制时间长通常定期执行全备份应用所有增量备份，恢复过程复过程，是折中的备份策略定灾难恢复计划，定期进行恢作为基准相对复杂复演练数据库维护与管理任务日常维护工作自动化运维日志文件管理包括日志截断、归档和清理，防止日志文件无限增利用数据库管理工具实现自动化运维，包括自动备份、性能调长空间管理涉及数据文件扩展、索引重建、碎片整理等操作，优、故障告警等功能减少人工操作错误，提高运维效率和系统确保数据库性能稳定可靠性性能监控包括CPU使用率、内存消耗、磁盘I/O、网络流量等指建立完善的监控体系和告警机制，实现7×24小时无人值守运标的实时监控通过性能基线和趋势分析，及时发现和解决性能维通过脚本自动化和智能运维平台，大幅降低数据库管理的复瓶颈问题杂度和成本数据库系统的体系结构单机架构传统的集中式架构，所有组件部署在单一服务器分布式架构数据分布在多个节点，提供水平扩展能力云数据库架构基于云计算的弹性、可扩展数据库服务数据库体系结构的演进反映了计算技术的发展趋势单机架构简单可靠但扩展性有限，分布式架构提供了更好的性能和可用性但增加了复杂性云数据库架构结合了分布式技术和云计算优势，华为云GaussDB等产品代表了云原生数据库的发展方向，提供存储计算分离、自动扩缩容、智能运维等先进特性分布式数据库原理数据分区数据复制水平分区和垂直分区策略提高可用性和读性能•范围分区按值域划分•主从复制模式•哈希分区保证负载均衡•多主复制架构•列分区提高查询效率•同步和异步复制应用场景一致性协议银行跨地数据同步案例分布式事务处理机制•总行与分行数据一致性•两阶段提交协议•实时交易处理•Paxos共识算法•灾难恢复机制•CAP理论权衡主流数据库产品全景数数Oracle MySQLSQL ServerPostgreS据库据库QL微软的关系数企业级关系数世界上最流行据库产品，与最先进的开源据库的领导的开源关系数Windows生关系数据库，者，提供完整据库，以其易态系统深度集以其丰富的功的企业级功用性、高性能成提供完整能特性和标准能，包括高可和成本效益著的商业智能解兼容性著称用性、数据仓称广泛应用决方案，支持复杂数据库、商业智能于Web应在.NET开发类型、全文搜等在大型企用、电子商务环境和索、地理信息业应用中占据平台和中小型Microsoft技系统等高级功重要地位，特企业系统中，术栈中具有天能，在科研和别是在金融、拥有庞大的开然优势创新项目中备电信等关键行发者社区受青睐业数据库新技术趋势云原生数据库基于云计算架构设计的新一代数据库，具有弹性扩展、按需付费、自动运维等特点云原生数据库将计算与存储分离，实现真正的资源弹性和高可用性智能运维AI人工智能技术在数据库管理中的深度应用，包括智能参数调优、故障预测、性能优化等AI能够分析历史数据和实时状态，提供智能化的运维建议和自动化处理边缘数据库随着物联网和边缘计算的发展，边缘数据库成为新兴技术方向在网络边缘提供数据处理能力，减少延迟，支持实时决策和离线操作数据库即服务DBaaS模式将数据库作为云服务提供，用户无需关心底层基础设施，专注于业务逻辑开发这种模式大大降低了数据库使用和维护的门槛。