數據庫技術案例教程-從MySQL到MongoDB

高等職業(yè)教育校企合作系列教材·大數據技術與應用專業(yè)

數據庫技術案例教程

——從MySQL到MongoDB

方一新?朱?東?王?喜?主編

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內容簡介

當前以云計算、大數據、物聯網為代表的新一代信息技術正在向制造業(yè)加速滲透融合。

高等教育信息技術專業(yè)人才培養(yǎng)只有面向產業(yè)，才能為產業(yè)發(fā)展提供強有力的人才支撐。

本書選擇新能源汽車監(jiān)測應用作為載體，通過一系列典型案例將數據庫技術基礎和核心知

識蘊含其中。本書首先介紹數據庫技術基礎以及應用場景，然后結合項目案例的實際需要，

從關系型數據庫MySQL自然過渡到非關系型數據庫MongoDB。

本書共14個單元。

第一部分為數據庫基礎（第1單元），主要講解數據庫的起源與發(fā)展，以及數據庫基

礎知識。

第二部分為關系型數據庫（第2～9單元），主要介紹MySQL數據庫的基本操作、數

據表的基本操作、數據查詢與更新、視圖、索引與優(yōu)化、數據庫編程，以及備份與恢復。

第三部分為非關系型數據庫（第10～14單元），著重介紹MongoDB的使用，包含集

合與文檔、查詢文檔、聚合查詢，以及索引與優(yōu)化。

本書涵蓋數據庫技術基礎、關系型數據庫MySQL的使用、非關系型數據庫MongoDB

的使用，適合作為高職院校計算機專業(yè)的數據庫課程教材，也可作為數據庫技術愛好者的

參考用書。

圖書在版編目（CIP）數據

數據庫技術案例教程:從MySQL到MongoDB/方一新,朱東,王喜

主編.—北京：中國鐵道出版社有限公司,2020.8

高等職業(yè)教育校企合作系列教材.大數據技術與應用專業(yè)

ISBN978-7-113-27138-1

Ⅰ.①數…Ⅱ.①方…②朱…③王…Ⅲ.①關系數據庫系統(tǒng)-

高等職業(yè)教育-教材Ⅳ.①TP311.132.3

中國版本圖書館CIP數據核字(2020)第142470號

書名：數據庫技術案例教程——從MySQL到MongoDB

作者：方一新朱東王喜

策劃：翟玉峰編輯部電話：（010）83517321

責任編輯：翟玉峰?徐盼欣

封面設計：鄭春鵬

責任校對：張玉華

責任印制：樊啟鵬

出版發(fā)行：中國鐵道出版社有限公司（100054，北京市西城區(qū)右安門西街8號）

網址：/51eds/

印刷：三河市航遠印刷有限公司

版次：2020年8月第1版?2020年8月第1次印刷

開本：787mm×1092mm1/16?印張：15.25?字數：345千

書號：ISBN978-7-113-27138-1

定價：45.00元

版權所有侵權必究

凡購買鐵道版圖書，如有印制質量問題，請與本社教材圖書營銷部聯系調換。電話：（010）63550836

打擊盜版舉報電話：（010）51873659

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前言

數據庫技術課程是軟件技術等計算機相關專業(yè)的核心基礎課程，如何將數據庫技術

的相關內容有機組合起來，讓學生在學習過程中能夠扎實掌握基本的數據庫原理，能夠

熟練地操作數據庫管理系統(tǒng)，并且能夠激發(fā)學生的熱情和動力，體會到學習的樂趣，是

本書重點關注的內容。

1．結構

本書采用模塊化的編寫思路，共分為14個單元和45個任務。全書學習內容分成三

部分：數據庫基礎、關系型數據庫和非關系型數據庫。

（1）數據庫基礎

單元1：介紹數據庫的基本概念、數據庫技術的發(fā)展過程、根據需求繪制E-R圖，

以及將E-R圖轉換為關系模式。

（2）關系型數據庫

單元2：介紹MySQL開發(fā)環(huán)境的搭建，以及數據庫的創(chuàng)建與管理。

單元3：數據表是數據庫的核心內容，本單元主要介紹在MySQL數據庫管理系統(tǒng)中

創(chuàng)建數據表、為表中字段設置合適的數據類型，以及各種約束條件。

單元4、5：查詢和更新是數據庫最常用的操作，也是數據庫學習的核心內容，這兩

個單元介紹如何對表中數據進行增刪改操作，對數據表進行各種條件查詢、連接查詢、

嵌套查詢等，以及對表中數據進行統(tǒng)計分析。

單元6～8：這3個單元主要介紹如何對數據庫中各種操作進行封裝以及優(yōu)化，提高

數據庫的使用效率。

單元9：數據庫在使用過程中難免會出現各種不可控因素，本單元介紹備份和恢復，

以在實際使用數據庫時保證數據的安全。

（3）非關系型數據庫

單元10：非關系型數據庫與傳統(tǒng)關系型數據庫在設計理念、使用方式上有很大區(qū)別，

本單元主要介紹非關系型數據庫的基本概念，以及MongoDB的安裝和配置。

單元11：文檔與集合是MongoDB的核心內容，所有數據都是通過文檔與集合存儲的，

本單元介紹文檔與集合的使用。

單元12、13：這兩個單元介紹集合中數據的查詢、聚合統(tǒng)計等非關系型數據庫最常

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用的操作，以及非關系型數據庫的很多優(yōu)點。

單元14：本單元介紹索引和優(yōu)化，這是提高MongoDB性能的重要方式。

2．使用

本書的參考學時為92學時，建議采用理論實踐一體化教學模式，教學單元與學時安

排如下：

單元單元名稱學時安排

單元1認識數據庫8

單元2數據庫的基本操作8

單元3數據表的基本操作8

單元4數據查詢14

單元5數據更新10

單元6視圖6

單元7MySQL索引與優(yōu)化4

單元8數據庫編程10

單元9MySQL備份與恢復4

單元10MongoDB入門4

單元11文檔與集合4

單元12查詢文檔4

單元13聚合查詢4

單元14MongoDB索引與優(yōu)化4

課時總計92

本書提供了所有案例的源代碼，以方便學生更好地完成數據庫的學習，從而更有效

地提高學生的學習積極性和學習效果。本書配套的資源包、運行腳本、教學課件等，可

登錄進行下載。

本書適合作為高職院校計算機專業(yè)的數據庫課程教材，也可作為數據庫技術愛好者

的參考用書。

本書由方一新、朱東、王喜任主編，由盛永華、劉文軍、雷暉任副主編，并聯合江

蘇一道云科技發(fā)展有限公司共同編寫而成。

本書在編寫過程中力求內容準確、完善，但限于編者水平及時間，書中不妥或疏漏

之處在所難免，殷切希望廣大讀者批評指正。

編者

2020年3月

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目錄

單元1?認識數據庫14．設計的規(guī)范化與反規(guī)范化17

任務1.1數據庫的起源與發(fā)展1單元小結19

技術要點1課后習題19

．數據庫的發(fā)展史

11單元2?數據庫的基本操作20

．數據庫應用

24任務2.1?設置數據庫開發(fā)環(huán)境20

3．常見的數據庫管理系統(tǒng)4

技術要點20

4．數據庫管理工具9

1．安裝與配置MySQL20

5．如何學習數據庫9

2．配置MySQL管理工具30

任務1.2?基本概念9

3．MySQL體系結構32

技術要點

10任務2.2?創(chuàng)建數據庫33

1．信息..10

技術要點33

2．數據..10

1．系統(tǒng)數據庫33

．數據處理

3102．存儲引擎36

．數據庫

4103．創(chuàng)建數據庫37

．數據庫管理系統(tǒng)

5104．數據庫對象38

．數據庫系統(tǒng)

610任務2.3?管理數據庫42

．

7SQL12技術要點42

任務1.3?數據描述12

1．查看數據庫42

技術要點

122．選擇數據庫43

．現實世界

1123．刪除數據庫43

．信息世界

2124．HELP命令43

．計算機世界

3135．修改數據庫45

任務1.4?數據模型13任務2.4?MySQL錯誤代碼.

技術要點14...和消息48

1．概念模型14技術要點48

2．關系模型141．服務器端錯誤代碼和消息48

3．關系數據模型中的范式162．查看錯誤代碼49

I

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數據庫技術案例教程——從MySQL到MongoDB

單元小結492．Select語句規(guī)范68

課后習題49任務4.2?單表條件查詢71

技術要點71

單元3?數據表的基本操作50

1．邏輯運算符71

任務3.1?數據類型50

2．查詢條件71

技術要點50

3．通配符72

1．數值型數據50

4．正則表達式72

2．日期時間類型51

任務4.3?多表連接查詢78

3．字符串類型52

技術要點79

4．二進制類型52

1．內連接79

．序列類型

5522．外連接79

任務3.2?創(chuàng)建數據表53任務4.4?嵌套查詢85

技術要點

53技術要點85

．數據表的結構

1531．嵌套查詢類型85

2．表的命名542．嵌套查詢與連接查詢的

3．語法結構54比較85

4．約束條件54任務4.5?查詢統(tǒng)計91

任務3.3?查看數據表60技術要點91

技術要點601．聚合函數91

1．查看所有數據表602．GROUPBY語句91

2．查看數據表基本結構61任務4.6?組合查詢94

3．查看數據表詳細結構61技術要點94

任務3.4?修改、刪除數據表621．UNION語法結構94

技術要點622．UNION規(guī)則94

1．修改數據表62任務4.7?查詢緩存95

2．刪除數據表63技術要點95

3．修改字段排序631．緩存概述95

4．修改數據表名稱632．配置緩存97

5．刪除外鍵約束63單元小結98

單元小結66課后習題98

課后習題66單元5?數據更新99

單元4?數據查詢67任務5.1?插入數據99

任務4.1?單表查詢67技術要點99

．為表中所有字段插入數據

技術要點67199

．為表中指定字段添加數據

1．SELECT語句語法672100

II

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目?錄?

3．插入多行數據100單元小結129

4．通過Navicat插入數據100課后習題129

5．插入查詢結果101

單元7?MySQL索引與優(yōu)化130

任務5.2?修改數據101

任務7.1?索引130

技術要點102

技術要點130

1．無條件修改102

1．索引的概念130

2．有條件修改102

2．索引的優(yōu)缺點131

3．通過Navicat圖形化向導

3．索引分類131

修改數據102

4．創(chuàng)建索引132

任務5.3?刪除數據103

5．索引的使用133

技術要點103

6．查看索引134

1．刪除數據103

任務7.2?優(yōu)化135

2．通過Navicat刪除數據104

技術要點135

任務5.4?導入與導出105

1．掌握各種SQL語句的

技術要點105

執(zhí)行頻率135

1．通過Navicat圖形工具105

2．分析SQL語句的

2．執(zhí)行腳本導入數據117

執(zhí)行計劃135

3．通過SELECT和LOAD

3．常用的優(yōu)化方法136

語句117

單元小結138

單元小結118

課后習題138

課后習題118

單元8?數據庫編程139

單元6?視圖120

任務8.1?SQL編程基礎139

任務6.1?創(chuàng)建視圖120

技術要點139

技術要點120

1．常量與變量139

1．視圖定義120

2．流程控制142

2．創(chuàng)建視圖121

任務8.2?系統(tǒng)函數145

任務6.2?應用視圖124

技術要點145

技術要點124

1．數學函數145

1．通過視圖查詢數據124

2．日期和時間函數145

2．查看視圖124

3．字符串函數146

任務6.3?管理視圖126

4．系統(tǒng)信息函數146

技術要點126

5．聚合函數146

1．修改視圖126

6．條件判斷函數147

2．刪除視圖127

7．其他函數148

III

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數據庫技術案例教程——從MySQL到MongoDB

任務8.3?自定義函數1536．MongoDB170

技術要點1537．Robo3T工具171

1．自定義函數的創(chuàng)建1538．關系型數據庫與非關系型

2．管理自定義函數153數據庫的區(qū)別171

任務8.4?存儲過程155任務10.2?MongoDB安裝.

技術要點155....與配置172

1．存儲過程概述155技術要點172

2．創(chuàng)建和調用存儲過程1551．Windows環(huán)境下MongoDB

任務8.5?事件157安裝與配置172

技術要點1582．Robo3T工具的安裝

1．事件158與配置175

2．創(chuàng)建事件1583．監(jiān)控MongoDB179

單元小結160單元小結180

課后習題160課后習題180

單元9?MySQL備份與恢復161單元11?文檔與集合181

任務9.1?備份161任務11.1?創(chuàng)建數據庫181

技術要點161技術要點181

1．為什么要備份1611．數據庫181

2．備份的類型1612．數據庫類型181

3．根據備份數據或文件1623．命名數據庫的基本要求181

4．備份的步驟1624．數據庫操作命令182

任務9.2?恢復164任務11.2?集合與文檔操作185

技術要點165技術要點185

單元小結1671．文檔185

課后習題1672．集合185

3．向文檔中插入數據186

單元10?MongoDB入門167

4．刪除文檔186

任務10.1?NoSQL概述167

5．更新文檔187

技術要點167

6．固定集合188

1．NoSQL的產生167

單元小結193

2．NoSQL的特點168

課后習題193

3．NoSQL的應用范圍以及

存在問題168單元１2?查詢文檔194

4．NoSQL分類169任務12.1?文檔查詢194

5．數據庫類型的選擇170技術要點194

IV

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目?錄?

1．查詢結果顯示模式1943．聯集合查詢211

2．簡單查詢196任務13.2..map-reduce217

3．條件查詢196技術要點217

4．多條件查詢1971．MapReduce概述217

5．限制返回結果記錄數1972．MapReduce方法218

6．排序197單元小結221

任務12.2?游標204課后習題221

技術要點204

單元14?MongoDB

1．游標的概念204

索引與優(yōu)化222

2．聲明游標204

任務14.1?索引222

3．使用游標204

技術要點222

單元小結208

1．索引222

課后習題208

2．查詢分析224

單元13?聚合查詢2093．索引限制225

任務13.1?聚合管道209任務14.2?優(yōu)化230

技術要點209技術要點230

1．aggregate()209單元小結233

2．聚合管道210課后習題233

V

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單元1

認識數據庫

在日常工作和生活中，很多時候都會用到數據庫。在網頁上瀏覽新聞、通過電子郵箱收發(fā)郵件、

通過手機銀行轉賬等操作都是在和數據庫打交道。數據庫是一個存儲數據的倉庫，為了方便數

據的存儲和管理，將數據按照特定的規(guī)則存儲在磁盤上，通過數據庫管理系統(tǒng)有效地組織和管

理數據庫中的數據。目前，市場上已經有很多優(yōu)秀的數據庫管理系統(tǒng)，比如關系型的Oracle、

MySQL、SQLServer等，以及非關系型的MongoDB、HBase等。

學習目標

【知識目標】

了解數據庫的起源與發(fā)展。

了解常用的關系型與非關系型數據庫產品。

掌握數據庫基礎知識。

【能力目標】

能繪制E-R圖。

能將E-R圖轉換成關系模式。

任務1.1數據庫的起源與發(fā)展

任務描述

視頻

數據庫技術是從20世紀中葉開始興起的一門信息管理學科，是計算

機科學中非常重要的一個分支。隨著計算機應用的飛速發(fā)展，數據處理越

來越占主導地位，數據庫技術的應用也越來越廣泛。數據管理是數據庫最

核心的任務，主要內容包括數據的分類、組織、編碼、存儲、查詢和維

護。從數據管理的角度看，數據庫技術到目前共經歷了3個階段，分別是

任務1.1數據庫的

人工管理階段、文件系統(tǒng)階段和數據庫系統(tǒng)階段。起源與發(fā)展

技術要點

1．數據庫的發(fā)展史

（1）人工管理階段

人工管理階段是在20世紀50年代，當時計算機的主要用途是科學計算，從硬件看，沒有

1

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數據庫技術案例教程——從MySQL到MongoDB

磁盤等存儲設備；從軟件看，沒有操作系統(tǒng)，更沒有管理數據的應用軟件，應用程序管理數

據，數據不共享，沒有獨立性。

在人工管理階段（見圖1-1），數據管理的特點如下：

a數據不長期保存在計算機中。

b沒有對數據進行統(tǒng)一管理的軟件系統(tǒng)。

c數據是面向程序的，一組數據只對應一個應用程序，數據不能共享，程序之間存在大量

重復數據。

????1???1

????2???2

??

????n???n

圖1-1?人工管理階段

（2）文件系統(tǒng)階段

文件系統(tǒng)階段是從20世紀50年代到60年代中期，這一階段計算機不僅應用于科學計算，

還大量應用于信息管理，計算機硬件有了磁盤等外存設備。

文件系統(tǒng)階段與人工管理階段相比有了很大進步，但是數據仍然大量冗余，數據之間的聯

系也比較弱，如圖1-2所示。

應用程序1文件1

應用程序2文件2

…文件系統(tǒng)…

應用程序n文件n

圖1-2?文件系統(tǒng)階段

在文件系統(tǒng)階段，數據管理的特點如下：

a數據可以長期保存在計算機的外存設備上。

b數據由專門的數據管理軟件——文件系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。

c數據與程序間有一定的獨立性，數據可以共享。

隨著數據管理規(guī)模的擴大，數據量急劇增加，文件系統(tǒng)逐漸暴露出一些問題：

a數據冗余度大。

b數據獨立性低。

2

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單元1?認識數據庫

c數據一致性差。

（3）數據庫系統(tǒng)階段

數據庫系統(tǒng)階段是從20世紀60年代至今，這一時期由于計算機技術的迅速發(fā)展，磁盤存

儲技術取得重大進展，計算機被廣泛應用于管理中。大容量和快速存取的磁盤技術為數據庫技

術的發(fā)展提供了非常好的條件，數據庫系統(tǒng)階段如圖1-3所示。

程序2

程序n

程序1…

統(tǒng)一存取

n

圖1-3?數據庫系統(tǒng)階段

在數據庫系統(tǒng)階段，數據管理的特點如下：

a數據結構化。

b數據獨立性高。

c數據共享性高、冗余度低。

d具有統(tǒng)一的數據管理和控制功能。

數據庫系統(tǒng)的出現使信息系統(tǒng)從以加工數據的程序為中心，轉向以共享數據庫為中心。這

樣既便于數據的集中管理，又有利于應用程序的開發(fā)和維護，提高了數據的利用率和相容性，

提高了決策的可靠性。

數據庫技術發(fā)展三個階段的特點比較如表1-1所示。

表1-1?數據庫技術發(fā)展三個階段的特點比較

比較項目人?工?管?理文?件?系?統(tǒng)數據庫系統(tǒng)

硬件技術無存儲設備小容量磁盤大容量磁盤

軟件技術無操作系統(tǒng)文件系統(tǒng)數據庫管理系統(tǒng)

應用目的科學計算科學計算、數據管理大規(guī)模數據管理

數據處理批處理聯機實時處理、批處理批處理、聯機實時處理、分布處理

面向對象特定應用程序特定應用程序多個應用程序

共享無共享共享性差、冗余大共享大、冗余低

獨立性依賴于程序獨立性差高度獨立

結構化無結構記錄內有結構，整體無整體結構化，用數據模型描述

數據控制應用程序控制應用程序控制數據庫管理系統(tǒng)控制

3

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數據庫技術案例教程——從MySQL到MongoDB

2．數據庫應用

工作中使用的大部分軟件都是需要用數據庫在后臺存儲數據的，比如，電商平臺需要存儲

客戶信息、商品信息、訂單信息等；汽車監(jiān)控平臺需要存儲汽車位置信息、車輛狀態(tài)信息等。

數據庫根據其數據的存儲方式可以分為關系型數據庫和非關系型數據庫。

（1）關系型數據庫的特點及其使用場景

關系型數據庫的優(yōu)點：

a復雜查詢：可以用SQL語句方便地在一個表以及多個表之間進行非常復雜的數據查詢。

b事務支持：使得對于安全性能很高的數據訪問要求得以實現。

關系型數據庫的缺點：

c不擅長大量數據的寫入處理。

d字段不固定時應用不方便。

e不擅長對需要快速返回結果的簡單查詢進行處理。

關系型數據庫的使用場景：

a需要做復雜處理的數據。

b數據量不是特別大的數據。

c對安全性要求高的數據。

d數據格式單一的數據。

（2）非關系型數據庫的特點及其使用場景

非關系型數據庫的優(yōu)點：

a簡單易部署，基本都是開源軟件，不需要像使用Oracle、SQLServer那樣花費成本購買

使用。

b非關系型數據庫將數據存儲于緩存之中，而非像關系型數據庫一樣將數據存儲在硬盤

中，因此查詢速度遠優(yōu)于關系型數據庫。

c非關系型的存儲格式可以是鍵值對，也可以是文檔形式、圖片形式等，所以可以存儲基

礎類型以及對象或者集合等各種格式，而關系型數據庫則只支持基礎類型。

d各個數據都是獨立設計的，很容易把數據分散在多個服務器上，故減少了每個服務器上

的數據量，即使要處理大量數據的寫入，也變得更加容易，數據的讀入操作當然也同樣容易。

非關系型數據庫的缺點：

a無法對表進行復雜的計算。

b不支持連接等功能。

非關系型數據庫的使用場景：

a大容量數據存儲。

b格式多樣的數據存儲。

c擅長處理查詢速度要求快的數據存儲。

3．常見的數據庫管理系統(tǒng)

常見的關系型數據庫有Oracle、SQLServer、MySQL等。常見的非關系性數據庫有MongoDB、

HBase等，如圖1-4所示。

4

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單元1?認識數據庫

MySQL

Oracle

㈧?????

SQLServer

...

MongoDB

???????

...

??????ネ?㈧?

Redis

Memcached

????㈧?????????

...

HBase

??????

...

Neo4J

?????

...

圖1-4?常見的數據庫管理系統(tǒng)

（1）MySQL

MySQL是用戶非常多的一種關系型數據庫管理系統(tǒng)，如圖1-5所示。由于其體積小、速度

快、總體擁有成本低，且開放源碼，一般中小型企業(yè)經常會選擇MySQL作為系統(tǒng)后臺數據庫。

其具有卓越的性能，搭配PHP和Apache可組成良好的開發(fā)環(huán)境。

圖1-5?MySQL

MySQL的優(yōu)點：

a體積小、速度快、總體擁有成本低。

b支持多種操作系統(tǒng)。

c是開源數據庫，提供用于C、C++、Java、PHP、Python的接口，支持多種語言連接操作。

dMySQL的核心程序采用完全的多線程編程。線程是輕量級的進程，它可以靈活地為用

戶提供服務，而不過多占用系統(tǒng)資源。

eMySQL有一個非常靈活而且安全的權限和密碼系統(tǒng)。當客戶與MySQL服務器連接時，

之間所有的密碼傳送被加密，而且MySQL支持主機認證。

f支持大型的數據庫，可以方便地支持具有上千萬條記錄的數據庫，并可以針對不同的應

用進行相應修改。

g擁有非?？焖俣曳€(wěn)定的基于線程的內存分配系