《數據庫原理》(李芳芳)課件概要

數據庫原理本課程將帶您深入探索數據庫原理，從數據模型到數據庫設計，再到數據庫管理系統，全面了解數據庫系統的核心概念和關鍵技術，為您的未來學習和職業(yè)發(fā)展奠定堅實基礎。課程簡介課程目標掌握數據庫基本概念和技術，能夠進行數據庫設計、開發(fā)和管理課程內容涵蓋數據模型、關系代數、SQL語言、數據庫設計、數據庫管理系統等重要內容課程安排理論講解、案例分析、實踐練習相結合，并提供豐富的課外學習資源數據庫概述定義數據庫是存儲和管理數據的系統，用于組織、訪問和維護數據特點數據持久化、數據共享、數據一致性、數據完整性應用廣泛應用于各種領域，如電子商務、金融、醫(yī)療、教育等數據模型層次模型數據以樹形結構組織，具有層次關系網狀模型數據以網狀結構組織，允許一對多和多對多關系關系模型數據以二維表格形式組織，易于理解和操作關系數據模型1關系一個關系對應一個二維表，表中的每一行代表一個元組，每一列代表一個屬性2域屬性的值來自一個有限的集合，稱為域3鍵關系中的一個屬性或屬性集，可以唯一標識一個元組4完整性約束對關系數據的限制，保證數據的一致性和完整性關系代數選擇從關系中選擇滿足特定條件的元組投影從關系中選擇指定的屬性列并將兩個關系中所有元組合并，并去除重復元組差從第一個關系中刪除與第二個關系中相同的元組笛卡爾積將兩個關系的所有元組進行組合，生成所有可能的元組對連接將兩個關系連接，滿足特定條件的元組才能組合除從第一個關系中找到滿足特定條件的元組，并排除不滿足條件的元組關系演算元組關系演算以元組為基本單位，使用謂詞邏輯表達式來描述關系域關系演算以域為基本單位，使用謂詞邏輯表達式來描述關系SQL語言1數據定義語言(DDL)用于創(chuàng)建、修改和刪除數據庫對象2數據操作語言(DML)用于對數據庫中的數據進行插入、刪除、修改和查詢操作3數據控制語言(DCL)用于控制數據庫的訪問權限和安全性4事務控制語言(TCL)用于管理事務的執(zhí)行，保證數據的一致性數據庫設計1需求分析收集和分析用戶的需求，確定數據庫的功能和結構2概念設計用概念數據模型來描述數據庫的結構和約束3邏輯設計將概念數據模型轉換為關系數據模型4物理設計確定數據庫的存儲結構、訪問路徑和安全策略5實現根據設計結果，使用數據庫管理系統創(chuàng)建數據庫6測試對數據庫進行測試，確保其功能正常7維護對數據庫進行維護，保證其穩(wěn)定性和安全性范式理論第一范式(1NF)所有屬性值都是不可分割的原子值第二范式(2NF)滿足1NF，并且非鍵屬性完全依賴于候選鍵第三范式(3NF)滿足2NF，并且非鍵屬性不依賴于其他非鍵屬性巴斯-科德范式(BCNF)所有屬性都完全依賴于候選鍵第四范式(4NF)滿足3NF，并且不存在多值依賴第五范式(5NF)滿足4NF，并且不存在連接依賴數據庫設計方法實體關系模型(ERM)用實體、屬性和關系來描述數據數據流圖(DFD)用圖形來描述數據在系統中的流動關系模型用關系、屬性、鍵和完整性約束來描述數據數據庫管理系統的體系結構用戶界面提供用戶與數據庫系統交互的接口1數據定義模塊用于創(chuàng)建、修改和刪除數據庫對象2數據操作模塊用于對數據進行插入、刪除、修改和查詢操作3存儲管理模塊負責數據的存儲、組織和管理4事務管理模塊負責事務的執(zhí)行，保證數據的一致性5數據庫系統的安全性1授權為不同用戶分配不同的訪問權限2加密對敏感數據進行加密，防止非法訪問3審計記錄用戶對數據庫的操作，方便追蹤和審計4備份與恢復定期備份數據庫，以便在數據丟失時進行恢復數據庫系統的并發(fā)控制1鎖機制使用鎖來控制對數據的訪問，防止并發(fā)沖突2時間戳機制使用時間戳來區(qū)分不同事務的操作順序3多版本并發(fā)控制(MVCC)為每個事務維護一個數據快照，從而實現并發(fā)訪問數據庫恢復技術日志文件記錄事務的操作，以便在發(fā)生故障時恢復數據檢查點記錄數據庫狀態(tài)，以便恢復到特定的時間點恢復過程根據日志文件和檢查點，將數據庫恢復到故障發(fā)生前的狀態(tài)數據倉庫與數據挖掘數據庫技術發(fā)展趨勢云數據庫將數據庫服務部署到云平臺，提供可擴展性和靈活性分布式數據庫將數據庫分布在多個節(jié)點上，提高性能和可用性NoSQL數據庫非關系型數據庫，適用于處理非結構化數據大數據技術處理海量數據，支持數據分析和挖掘課程總結本課程系統地介紹了數據庫原理和關鍵技術，為您的后續(xù)學習和職業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎。希望您通過學習本課程，能夠熟練掌握數據庫相關知識，并應用于實際工作中。參考書目1.《數據庫系統概論》(第四版)，王珊，薩師煊，清華大學出版社2.《數據庫原理》(第五版)，王珊，薩師煊，清華大學出版社3.《數據庫系統概念》(第六版)，AbrahamSilberschatz，HenryF.Korth，S.Sudarshan，機械工業(yè)出版社數據庫發(fā)展歷程11960年代早期的文件系統，數據存儲和管理較為簡單21970年代層次模型和網狀模型出現，提供了更復雜的結構和功能31980年代關系模型成為主流，SQL語言成為標準41990年代分布式數據庫、對象關系數據庫等技術發(fā)展521世紀云數據庫、NoSQL數據庫等新技術涌現數據庫系統結構用戶層提供用戶與數據庫系統的交互界面數據管理層負責數據存儲、組織和管理操作系統層提供系統資源管理和調度硬件層提供物理存儲和計算資源數據模型的分類概念模型描述現實世界的抽象模型1邏輯模型描述數據在計算機中的存儲和組織方式2物理模型描述數據在物理存儲設備上的實際存儲方式3概念數據模型概念數據模型是數據庫設計的第一個階段，用以描述現實世界中數據的結構和關系。常用的概念數據模型包括實體關系模型(ERM)和面向對象模型(OOM)。ERM使用實體、屬性和關系來描述數據，而OOM使用對象、類和繼承來描述數據。概念數據模型的目標是建立一個清晰、完整和一致的數據模型，為后續(xù)的邏輯設計和物理設計提供基礎。關系數據模型的基本概念1關系關系是指一個二維表格，表中的每一行代表一個元組，每一列代表一個屬性。關系是關系數據模型的基本組成部分。2域域是指一個屬性的取值范圍，它是一個有限的集合。例如，學生的姓名可以是一個域，取值為所有可能的姓名。3鍵鍵是指一個屬性或屬性集，可以唯一標識一個元組。關系中的鍵分為主鍵、候選鍵和外鍵。4完整性約束完整性約束是指對關系數據的限制，用于保證數據的一致性和完整性。常用的完整性約束包括主鍵約束、外鍵約束、唯一性約束和非空約束。關系代數的基本運算選擇(σ)選擇運算用于從一個關系中選擇滿足特定條件的元組。投影(π)投影運算用于從一個關系中選擇指定的屬性列。并(∪)并運算用于將兩個關系中所有元組合并，并去除重復元組。差(-)差運算用于從第一個關系中刪除與第二個關系中相同的元組。笛卡爾積(×)笛卡爾積運算用于將兩個關系的所有元組進行組合，生成所有可能的元組對。關系代數的復合運算關系代數的復合運算是指將多個基本運算組合起來，實現更復雜的查詢。例如，可以使用選擇、投影和連接運算來查詢滿足特定條件的元組，并將結果投影到指定的屬性列上。復合運算能夠有效地處理復雜的查詢需求，提高查詢效率。元組關系演算元組關系演算是關系演算的一種形式，它以元組為基本單位，使用謂詞邏輯表達式來描述關系。在元組關系演算中，關系被看作是一組元組，每個元組包含一組屬性值。謂詞邏輯表達式用于描述關系中元組的性質，例如，可以描述元組中某個屬性的值等于某個特定值，或者描述元組之間滿足某個特定關系。元組關系演算提供了一種簡潔而強大的方法來描述關系查詢。域關系演算域關系演算是關系演算的另一種形式，它以域為基本單位，使用謂詞邏輯表達式來描述關系。在域關系演算中，關系被看作是一個域集合，每個域包含一組值。謂詞邏輯表達式用于描述關系中域的性質，例如，可以描述某個域的值等于某個特定值，或者描述不同域之間的關系。域關系演算提供了一種基于域的語義來描述關系查詢。SQL語言的基本結構1數據定義語言(DDL)用于創(chuàng)建、修改和刪除數據庫對象，例如表、視圖、索引等。2數據操作語言(DML)用于對數據庫中的數據進行插入、刪除、修改和查詢操作。3數據控制語言(DCL)用于控制數據庫的訪問權限和安全性，例如授權、撤銷等。4事務控制語言(TCL)用于管理事務的執(zhí)行，保證數據的一致性，例如提交、回滾等。SQL語言的查詢操作SQL語言的查詢操作是數據庫操作中最常用的功能之一，用于從數據庫中檢索滿足特定條件的數據。SQL語言提供豐富的查詢語句，可以實現各種復雜的查詢，例如條件查詢、排序查詢、分組查詢等。通過使用SQL語言的查詢操作，用戶可以輕松地獲取所需的數據，并用于分析、統計和決策等用途。SQL語言的修改操作SQL語言的修改操作用于對數據庫中的數據進行更新，包括插入新數據、刪除現有數據和修改現有數據等。通過使用SQL語言的修改操作，用戶可以維護數據庫數據的完整性和一致性，并確保數據的準確性和及時性。修改操作需要謹慎使用，以免造成數據的丟失或錯誤。數據庫設計的基本過程1需求分析收集和分析用戶的需求，確定數據庫的功能和結構。需求分析是數據庫設計的第一步，也是最重要的一步。只有明確用戶的需求，才能設計出滿足用戶需求的數據庫。2概念設計用概念數據模型來描述數據庫的結構和約束。概念設計是將需求分析的結果轉換為抽象的數據庫模型，用以描述數據的邏輯結構和關系。3邏輯設計將概念數據模型轉換為關系數據模型。邏輯設計是將概念數據模型轉換為具體的數據庫模型，用以描述數據庫的物理結構和實現方式。4物理設計確定數據庫的存儲結構、訪問路徑和安全策略。物理設計是將邏輯設計的結果轉換為具體的數據庫實現方案，包括確定數據存儲方式、索引建立方式、安全策略等。數據依賴理論數據依賴理論是關系數據庫設計中的重要理論基礎，它描述了數據之間存在的依賴關系。數據依賴是指數據之間存在的某種約束關系，例如，如果學生的信息表中包含學生的姓名和學號，那么學生的姓名依賴于學生的學號，因為同一個學生的學號是唯一的，而學生的姓名可能相同。范式理論范式理論是關系數據庫設計中的重要理論，它提供了衡量關系數據模型質量的標準。范式是關系數據庫中數據表結構的一種規(guī)范，其目的是為了消除數據冗余，提高數據一致性和完整性，簡化數據庫操作，提高數據庫性能。數據庫范式理論共分五個層次，分別是第一范式、第二范式、第三范式、巴斯-科德范式和第五范式。數據庫設計方法及步驟實體關系模型(ERM)用實體、屬性和關系來描述數據，是常用的數據庫設計方法之一。數據流圖(DFD)用圖形來描述數據在系統中的流動，有助于理解數據處理過程。關系模型用關系、屬性、鍵和完整性約束來描述數據，是關系型數據庫的基礎。數據庫系統的體系結構用戶界面提供用戶與數據庫系統交互的接口，包括圖形界面、命令行界面等。1數據定義模塊用于創(chuàng)建、修改和刪除數據庫對象，例如表、視圖、索引等。2數據操作模塊用于對數據進行插入、刪除、修改和查詢操作，例如SQL語句的執(zhí)行。3存儲管理模塊負責數據的存儲、組織和管理，包括數據的物理存儲結構、索引管理等。4事務管理模塊負責事務的執(zhí)行，保證數據的一致性，包括事務的提交、回滾、并發(fā)控制等。5數據庫系統的功能模塊數據庫系統通常包含多個功能模塊，以實現不同的功能。例如，數據定義模塊用于創(chuàng)建、修改和刪除數據庫對象；數據操作模塊用于對數據進行插入、刪除、修改和查詢操作；存儲管理模塊負責數據的存儲、組織和管理；事務管理模塊負責事務的執(zhí)行，保證數據的一致性；安全性模塊負責數據庫的安全性，防止非法訪問和數據泄露。數據庫系統的安全性需求機密性確保只有授權用戶才能訪問數據，防止數據泄露。完整性確保數據不被非法修改，防止數據被篡改?？捎眯源_保數據庫系統能夠正常運行，并提供可靠的服務。訪問控制技術1基于角色的訪問控制(RBAC)將用戶劃分到不同的角色，每個角色擁有不同的權限。2基于策略的訪問控制(PBAC)根據預定義的策略來控制用戶的訪問權限。3基于屬性的訪問控制(ABAC)根據用戶、資源和環(huán)境的屬性來控制用戶的訪問權限。備份與恢復技術備份定期備份數據庫，以便在數據丟失時進行恢復?；謴透鶕浞輸祿?，將數據庫恢復到故障發(fā)生前的狀態(tài)。并發(fā)控制的基本概念并發(fā)控制是指在多個用戶同時訪問數據庫時，保證數據的一致性和完整性。并發(fā)控制的目的是防止多個用戶同時修改同一數據，導致數據沖突。常用的并發(fā)控制技術包括鎖機制、時間戳機制和多版本并發(fā)控制(MVCC)等。并發(fā)控制的常用方法鎖機制使用鎖來控制對數據的訪問，防止并發(fā)沖突。鎖機制分為共享鎖和排他鎖，共享鎖允許多個事務同時讀取數據，而排他鎖只允許一個事務修改數據。時間戳機制使用時間戳來區(qū)分不同事務的操作順序，確保數據的一致性。時間戳機制可以有效地解決并發(fā)沖突問題，但需要維護時間戳信息，增加了系統開銷。多版本并發(fā)控制(MVCC)為每個事務維護一個數據快照，從而實現并發(fā)訪問。MVCC可以有效地提高并發(fā)性能，但需要維護多個數據版本，增加了系統存儲空間。數據庫恢復機制數據庫恢復機制是指在數據庫系統發(fā)生故障時，將數據庫恢復到故障發(fā)生前的狀態(tài)。數據庫恢復機制通常依賴于日志文件，日志文件中記錄了事務的操作，以便在發(fā)生故障時恢復數據。此外，數據庫恢復機制還需要使用檢查點，檢查點記錄了數據庫狀態(tài)，以便恢復到特定的時間點。事務的ACID特性原子性(Atom