數(shù)據(jù)庫原理(李芳芳)ch課件

數(shù)據(jù)庫原理(李芳芳)探討數(shù)據(jù)庫的基本原理和理論,涵蓋數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、查詢優(yōu)化、并發(fā)控制等關(guān)鍵概念,為掌握數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)知識(shí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。緒論什么是數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫是以某種有組織的方式存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的電子系統(tǒng)。它允許用戶快速高效地存儲(chǔ)、管理和訪問信息。為什么需要數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫可以更好地組織和管理信息,提高數(shù)據(jù)的可靠性和安全性,支持復(fù)雜的查詢和分析。什么是數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫是一個(gè)集中化的、可共享的、可持久化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng),用于有效地管理各種類型的數(shù)據(jù)。它能提供安全、可靠、高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問。數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包含一個(gè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS),用于控制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、組織和訪問,確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。廣泛應(yīng)用數(shù)據(jù)庫廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,如企業(yè)管理、電子商務(wù)、社交網(wǎng)絡(luò)、科學(xué)研究等,是現(xiàn)代信息系統(tǒng)的基石。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三大組成部分?jǐn)?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫是存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的核心部分,它按照一定的數(shù)據(jù)模型和結(jié)構(gòu)來有組織地保存數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)DBMS是一種應(yīng)用程序,它管理和控制數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、使用和維護(hù),提供數(shù)據(jù)的安全性和完整性。應(yīng)用程序應(yīng)用程序是與最終用戶交互的軟件,它通過DBMS訪問和操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的管理功能1數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、訪問和維護(hù)。保證數(shù)據(jù)的完整性、安全性和一致性。2權(quán)限管理控制用戶對(duì)數(shù)據(jù)的訪問和操作權(quán)限,確保數(shù)據(jù)安全。實(shí)現(xiàn)個(gè)人隱私和商業(yè)機(jī)密的保護(hù)。3性能管理優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行效率,提高響應(yīng)速度和吞吐量,確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。4并發(fā)控制協(xié)調(diào)多個(gè)用戶同時(shí)訪問數(shù)據(jù),避免數(shù)據(jù)不一致和丟失的問題。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點(diǎn)數(shù)據(jù)共享多個(gè)用戶可以共享和訪問數(shù)據(jù),提高了數(shù)據(jù)使用效率。數(shù)據(jù)安全性通過訪問控制、備份等技術(shù)確保數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。數(shù)據(jù)集成將分散的數(shù)據(jù)集中管理,提高了數(shù)據(jù)的一致性和完整性。數(shù)據(jù)查詢通過SQL語言實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高效查詢和分析,滿足各種信息需求。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展歷程11960s-1970s數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)誕生時(shí)代，出現(xiàn)了網(wǎng)狀模型和層次模型等早期數(shù)據(jù)模型。21970s-1980s關(guān)系數(shù)據(jù)模型被廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開始流行。SQL語言等標(biāo)準(zhǔn)逐漸形成。31980s-1990s數(shù)據(jù)庫技術(shù)飛速發(fā)展，分布式數(shù)據(jù)庫、對(duì)象數(shù)據(jù)庫等新興技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。41990s-今天數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)日益復(fù)雜,面臨大數(shù)據(jù)、NoSQL、云數(shù)據(jù)庫等新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型是描述數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)之間的關(guān)系以及數(shù)據(jù)的語義等的一種抽象模型。它為數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)和參考。常用的數(shù)據(jù)模型包括層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。數(shù)據(jù)模型的概念數(shù)據(jù)模型是描述數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)和相關(guān)操作的一種抽象概念。它定義了數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的存儲(chǔ)方式以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)模型是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ),可幫助開發(fā)人員更好地理解和管理數(shù)據(jù)。常見的數(shù)據(jù)模型包括層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型等。每種模型都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景,開發(fā)人員需要根據(jù)具體需求選擇合適的數(shù)據(jù)模型。常用的數(shù)據(jù)模型實(shí)體-關(guān)系模型該模型基于現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體和實(shí)體之間的關(guān)系進(jìn)行描述,具有良好的可視化特性和直觀性。層次模型采用樹狀結(jié)構(gòu)表示數(shù)據(jù)之間的上下級(jí)關(guān)系,能很好地反映部分到整體的邏輯關(guān)系。網(wǎng)狀模型數(shù)據(jù)之間可以有多種復(fù)雜的聯(lián)系,提供了更加靈活的數(shù)據(jù)組織方式。關(guān)系模型以二維表格的形式組織數(shù)據(jù),具有簡(jiǎn)單、規(guī)范、易擴(kuò)展的特點(diǎn),是目前使用最廣泛的模型。關(guān)系數(shù)據(jù)模型及其特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單關(guān)系數(shù)據(jù)模型采用簡(jiǎn)單的二維表格結(jié)構(gòu),可以很容易地理解和操作。數(shù)據(jù)獨(dú)立關(guān)系模型通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序的分離,提高了數(shù)據(jù)的獨(dú)立性。數(shù)據(jù)一致性關(guān)系模型通過數(shù)據(jù)完整性約束來確保數(shù)據(jù)的一致性和正確性。查詢靈活關(guān)系代數(shù)和關(guān)系演算提供了靈活的查詢機(jī)制,可以滿足各種復(fù)雜的查詢需求。關(guān)系代數(shù)基本運(yùn)算關(guān)系代數(shù)包括選擇、投影、并、交、差等基本運(yùn)算,可用于定義復(fù)雜的查詢。符號(hào)表達(dá)通過使用符號(hào)如σ、π、×、∪、∩、-等,可以用簡(jiǎn)潔的方式表達(dá)復(fù)雜的數(shù)據(jù)操作。代數(shù)變換關(guān)系代數(shù)查詢可以通過代數(shù)變換進(jìn)行優(yōu)化,提高查詢效率。關(guān)系演算1元組關(guān)系演算定義在關(guān)系上的一階謂詞邏輯2域關(guān)系演算在關(guān)系中定義約束條件3表達(dá)能力兩種演算語言具有等價(jià)的表達(dá)能力關(guān)系演算是通過構(gòu)建一組邏輯公式來查詢關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。元組關(guān)系演算和域關(guān)系演算是兩種主要的關(guān)系演算形式。前者定義在關(guān)系上的一階謂詞邏輯,后者則在關(guān)系中定義約束條件。盡管語法不同,但兩種關(guān)系演算語言具有等價(jià)的表達(dá)能力。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是指根據(jù)用戶的需求和系統(tǒng)的性能需求,設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的、高效的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。它包括概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)階段。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11.分析需求深入了解用戶需求22.確定實(shí)體識(shí)別系統(tǒng)中的核心實(shí)體33.定義屬性為實(shí)體確定相關(guān)屬性44.建立聯(lián)系分析實(shí)體之間的相互關(guān)系概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的第一步,旨在針對(duì)業(yè)務(wù)需求,建立高層次的數(shù)據(jù)模型。其主要任務(wù)包括分析需求、確定實(shí)體、定義屬性以及建立實(shí)體之間的聯(lián)系。這個(gè)階段的設(shè)計(jì)成果為后續(xù)的邏輯和物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定實(shí)體和屬性根據(jù)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定數(shù)據(jù)庫中的實(shí)體及其屬性。建立實(shí)體關(guān)系確定實(shí)體之間的聯(lián)系,如一對(duì)多、多對(duì)多等關(guān)系。選擇合適數(shù)據(jù)類型為每個(gè)屬性選擇合適的數(shù)據(jù)類型,如整型、字符型等。定義主鍵和外鍵確定每個(gè)實(shí)體的主鍵,并建立實(shí)體間的外鍵關(guān)系。物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1硬件選型根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的硬件平臺(tái),如服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等,確保系統(tǒng)有足夠的計(jì)算和存儲(chǔ)能力。2系統(tǒng)部署將數(shù)據(jù)庫及其相關(guān)軟件部署在選定的硬件平臺(tái)上,并進(jìn)行調(diào)優(yōu)以達(dá)到最佳性能。3性能監(jiān)控通過性能監(jiān)控工具持續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,發(fā)現(xiàn)并解決性能瓶頸。數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)字典概述數(shù)據(jù)字典是一個(gè)集中管理數(shù)據(jù)庫模式信息的系統(tǒng),描述了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)元素的屬性和相互關(guān)系。數(shù)據(jù)元素描述數(shù)據(jù)字典記錄了數(shù)據(jù)元素的名稱、類型、長(zhǎng)度、取值范圍等基本特性,為數(shù)據(jù)使用者提供參考。數(shù)據(jù)模式信息數(shù)據(jù)字典保存了數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)信息,有利于數(shù)據(jù)庫的維護(hù)和優(yōu)化。數(shù)據(jù)庫正規(guī)化理論第一范式確保每個(gè)屬性都是原子性的,不可再分。消除重復(fù)數(shù)據(jù),消除部分依賴。第二范式建立在第一范式的基礎(chǔ)上,消除部分函數(shù)依賴,確保數(shù)據(jù)表中的所有屬性完全依賴于主鍵。第三范式在第二范式的基礎(chǔ)上,消除傳遞函數(shù)依賴,確保數(shù)據(jù)表中的列只依賴于主鍵,而不依賴于其他非主鍵屬性。SQL語言SQL(StructuredQueryLanguage)是一種用于管理和操作關(guān)系數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)語言。它提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操縱和數(shù)據(jù)查詢功能。SQL語言的概念SQL(StructuredQueryLanguage)是一種專門用于管理關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的編程語言。它提供了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、刪除、修改和查詢的功能,并支持定義數(shù)據(jù)庫對(duì)象和控制訪問權(quán)限等管理功能。SQL已成為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。SQL語句的分類1數(shù)據(jù)定義語句(DDL)用于定義和管理數(shù)據(jù)庫對(duì)象,如創(chuàng)建、修改和刪除表、視圖、索引等。2數(shù)據(jù)操縱語句(DML)用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改查等基本操作,如INSERT、UPDATE、DELETE、SELECT等。3數(shù)據(jù)控制語句(DCL)用于管理數(shù)據(jù)庫的訪問權(quán)限和安全性,如GRANT、REVOKE等。4嵌入式SQL語句SQL語句可以嵌入到宿主語言(如Java、C++等)中使用。數(shù)據(jù)定義語言(DDL)1創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫對(duì)象DDL用于定義和管理數(shù)據(jù)庫對(duì)象,如表、視圖、索引等?？蓜?chuàng)建、修改和刪除數(shù)據(jù)庫對(duì)象。2控制數(shù)據(jù)庫權(quán)限D(zhuǎn)DL可分配和撤銷用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫對(duì)象的訪問權(quán)限,控制數(shù)據(jù)庫的安全性。3定義數(shù)據(jù)類型DDL可為數(shù)據(jù)庫對(duì)象中的數(shù)據(jù)項(xiàng)指定數(shù)據(jù)類型,確保數(shù)據(jù)完整性。4維護(hù)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)DDL可對(duì)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和優(yōu)化,確保數(shù)據(jù)庫的高效運(yùn)行。數(shù)據(jù)操縱語言(DML)INSERT用于向數(shù)據(jù)庫表中插入新的數(shù)據(jù)記錄。UPDATE用于修改數(shù)據(jù)庫表中已存在的數(shù)據(jù)記錄。DELETE用于從數(shù)據(jù)庫表中刪除已存在的