(2024年)数据库系统原理及应用

数据库系统原理及应用12024/3/26数据库系统概述关系数据库原理数据库设计方法与步骤数据库应用实例分析数据库新技术与新趋势数据库安全与保护策略contents目录22024/3/26数据库系统概述0132024/3/26数据结构化数据库中的数据按照一定的数据模型组织、描述和存储，具有较高的结构化程度。数据库定义数据库是一个长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的、统一管理的大量数据的集合。数据独立性数据库中的数据独立于应用程序，即数据的逻辑结构、存储结构以及存取方式的改变不会影响应用程序。数据可控性数据库管理系统提供了数据安全性、完整性、并发控制等功能，确保数据的可控性。数据共享性数据库中的数据可以被多个用户、多个应用程序共享使用。数据库定义与特点42024/3/26早期的数据处理方式是人工管理，数据不保存，数据处理方式简单。人工管理阶段随着计算机技术的发展，数据以文件的形式存储在计算机中，实现了数据的长期保存和共享。文件系统阶段20世纪60年代后期出现了数据库技术，数据库系统提供了数据的结构化存储、共享、安全性和完整性等功能。数据库系统阶段数据库技术发展历程52024/3/26数据库系统组成与结构数据库系统由数据库、数据库管理系统（DBMS）、应用程序和数据库管理员（DBA）等组成。数据库系统组成数据库系统的结构通常分为三级模式结构，包括外模式、模式和内模式。其中，模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图；外模式是模式的子集，是用户的数据视图；内模式是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。数据库系统结构62024/3/26关系数据库原理0272024/3/26关系模型定义关系模型是一种基于集合论和谓词逻辑的数学模型，用于描述和处理数据。它采用二维表格（即关系）来表示数据，并通过一系列的关系运算来操作数据。关系数据结构关系模型中的数据结构包括关系模式、关系实例和属性。关系模式定义了关系的结构，包括属性名和属性类型；关系实例是关系模式的一个具体取值，即一个具体的二维表格；属性是关系中的列，用于存储数据。关系的完整性约束为了保证数据的正确性和一致性，关系模型引入了一系列完整性约束，如实体完整性、参照完整性和用户定义的完整性等。关系模型基本概念82024/3/26关系代数关系代数是一种基于集合运算的代数系统，用于描述和操作关系数据。它提供了一组基本的关系运算，如选择、投影、连接、并、差等，通过这些运算可以组合出更复杂的关系操作。关系演算关系演算是一种基于谓词逻辑的查询语言，用于描述和操作关系数据。它提供了两种形式的关系演算：元组关系演算和域关系演算。元组关系演算以元组为单位进行操作，而域关系演算以属性为单位进行操作。关系代数与关系演算92024/3/26SQL概述SQL（StructuredQueryLanguage）是一种用于管理和操作关系数据库的标准化语言。它提供了丰富的数据定义、数据操纵和数据控制功能，是数据库领域中使用最广泛的语言之一。SQL基本语法SQL的基本语法包括数据定义语句（DDL）、数据操纵语句（DML）和数据控制语句（DCL）。DDL用于定义数据库对象，如创建表、修改表和删除表等；DML用于操作数据库中的数据，如插入数据、更新数据和删除数据等；DCL用于控制对数据库对象的访问权限，如授权和撤销权限等。SQL高级特性除了基本语法外，SQL还支持许多高级特性，如子查询、连接查询、聚合函数、视图、存储过程和触发器等。这些特性可以进一步提高数据库的查询效率和数据处理能力。SQL语言基础102024/3/26规范化是数据库设计中的一个重要步骤，旨在消除数据库结构中的冗余和不一致性，提高数据库的性能和可维护性。规范化的目的是将原始的关系模式转换为更高级别的范式，使得数据库结构更加清晰、简洁和高效。规范化概念及目的规范化的过程包括一系列步骤，每个步骤都对应一个特定的范式。常见的范式有第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、Boyce-Codd范式（BCNF）等。每个范式都有特定的规则和约束条件，需要满足这些条件才能将关系模式转换为更高级别的范式。规范化过程及范式关系数据库规范化理论112024/3/26数据库设计方法与步骤03122024/3/26收集和分析用户需求通过访谈、问卷调查、原型评估等方式，收集用户对数据库应用系统的需求，并进行分类、整理和分析。编写需求规格说明书将收集到的用户需求进行规范化描述，形成需求规格说明书，为后续设计提供依据。确定数据库应用系统的范围和边界明确系统涉及的业务领域、用户群体、功能需求等。需求分析阶段132024/3/26123根据应用需求和数据特点，选择合适的数据模型，如关系模型、层次模型、网状模型等。选择数据模型运用选定的数据模型，设计数据库的概念模型，包括实体、属性、关系等元素的定义和描述。设计概念模型通过专家评审、用户确认等方式，对概念模型进行验证和修改，确保其满足应用需求和设计目标。验证概念模型概念结构设计阶段142024/3/26转换概念模型将概念模型转换为逻辑模型，即数据库的逻辑结构，包括表、字段、索引等数据库对象的定义和描述。优化逻辑结构根据数据库的性能要求和应用特点，对逻辑结构进行优化，如合并表、建立索引、调整字段类型等。设计数据完整性约束根据应用需求和业务规则，设计数据完整性约束，如主键约束、外键约束、检查约束等。逻辑结构设计阶段152024/3/26根据数据库管理系统的特点和性能要求，选择合适的物理存储结构，如数据文件、日志文件、索引文件等的组织方式和存储位置。选择物理存储结构根据数据库的性能和可靠性要求，设计物理存储参数，如缓冲区大小、磁盘I/O参数、并发控制参数等。设计物理存储参数根据设计的物理结构和参数，实施数据库的物理设计，并进行后续的维护和管理，确保数据库的稳定运行和性能优化。实施和维护物理结构物理结构设计阶段162024/3/26数据库应用实例分析04172024/3/26企业级应用案例介绍DB2数据库以其高并发、高可用性和可扩展性等特点，被电信行业用于支撑计费系统、客户关系管理系统等关键业务。DB2在电信行业的应用Oracle数据库以其高性能、高可靠性和安全性被广泛应用于金融行业的核心业务系统，如银行的核心交易系统、证券交易系统等。Oracle数据库在金融行业的应用SQLServer数据库在制造业中得到了广泛应用，支持企业的生产管理、物料管理、质量管理等业务流程。SQLServer在制造业的应用182024/3/26MySQL在Web应用中的普及MySQL数据库以其开源、易用和性能稳定等特点，成为Web应用中最流行的数据库之一，被广泛应用于网站后台管理系统、电子商务平台等。MongoDB在大数据Web应用中的应用MongoDB是一种面向文档的NoSQL数据库，适用于处理大量非结构化数据，被广泛应用于大数据Web应用，如社交媒体、实时分析等。PostgreSQL在复杂Web应用中的优势PostgreSQL是一种功能强大的开源关系型数据库，支持复杂的数据类型和存储过程，适用于构建复杂的Web应用，如内容管理系统、在线学习平台等。Web应用案例介绍192024/3/26SQLite在移动端应用的普及SQLite是一种轻量级的关系型数据库。适用于移动端应用。可嵌入到移动应用程序中。提供本地数据存储功能Realm在跨平台移动端应用的优势Realm是一种高性能、跨平台的移动端数据库解决方案，支持实时数据同步和离线数据存储，适用于构建复杂的跨平台移动端应用。Couchbase在移动端大数据处理中的应用Couchbase是一种面向文档的NoSQL数据库，适用于处理大量非结构化数据和实时数据同步，被广泛应用于需要处理大量数据的移动端应用，如移动社交应用、移动游戏等。移动端应用案例介绍202024/3/26数据库新技术与新趋势05212024/3/26采用分布式架构，将数据分散存储在多个数据库节点上，提高数据处理能力和可扩展性。分布式数据库架构数据分片与复制分布式事务处理通过数据分片技术将数据分散到不同节点，同时采用数据复制技术确保数据的高可用性和容错性。支持跨多个数据库节点的分布式事务处理，保证数据的完整性和一致性。030201分布式数据库技术222024/3/2603数据仓库与数据挖掘构建数据仓库，整合多源数据，运用数据挖掘技术发现数据中的潜在规律和趋势。01大数据存储采用分布式文件系统或NoSQL数据库等技术，实现大规模数据的存储和管理。02大数据处理运用MapReduce、Spark等大数据处理框架，对数据进行批处理、流处理等操作，挖掘数据价值。大数据存储与处理技术232024/3/26利用机器学习等技术对数据库性能进行自动优化，提高查询效率和数据吞吐量。智能数据库优化实现数据库的自动配置、监控、调优和故障恢复等自治管理能力，降低运维成本。数据库自治管理结合人工智能技术对数据库中的数据进行深度分析和挖掘，发现数据中的隐藏信息和价值。智能数据分析人工智能在数据库领域应用242024/3/26数据库安全与保护策略06252024/3/26用户身份鉴别通过用户名/密码、数字证书等方式验证用户身份，防止非法用户访问。访问控制根据用户角色和权限，限制对数据库对象的访问和操作，确保数据不被越权访问。数据加密对敏感数据进行加密存储和传输，保护数据在存储和传输过程中的安全性。审计追踪记录用户对数据库的访问和操作日志，以便事后分析和追溯。数据库安全性控制方法262024/3/26实体完整性约束确保数据库表的主键字段不为空，保证实体的唯一性。参照完整性约束在相关联的表之间建立外键约束，保证数据的一致性和完整性。用户自定义完整性约束根据业务需求，设置特定的规则或条件，限制数据的输入和更新。级联操作与触发器通过级联操作或触发器实现数据的自动更新和维护，保证数据的完整性和一致性。数据库完整性约束条件设置272024/3/26通过事务的原