数据库管理基础作业指导书

数据库管理基础作业指导书TOC\o"1-2"\h\u4372第一章数据库管理系统概述 249961.1数据库管理系统简介 2287951.2数据库管理系统的功能与特点 256131.2.1功能 2299581.2.2特点 37203第二章关系数据库基础 33832.1关系数据库基本概念 324322.2关系数据库的数据模型 4124672.3关系数据库的数据操作 41829第三章SQL语言基础 5170513.1SQL语言概述 5110153.2数据定义语言（DDL） 5235023.3数据操纵语言（DML） 67171第四章数据库设计 7291084.1数据库设计概述 7173774.2数据库设计步骤 7207454.3ER图与数据库设计 826168第五章数据库安全性 9229555.1数据库安全性概述 9275225.2访问控制与权限管理 986645.3数据加密与完整性保护 927124第六章数据库事务管理 1010826.1数据库事务概述 104546.2事务的并发控制 10305836.3事务的持久性与恢复 1117183第七章数据库备份与恢复 1190937.1数据库备份概述 1113267.2数据库备份策略 12256827.3数据库恢复技术 1221629第八章数据库功能优化 13198168.1数据库功能优化概述 13286288.2索引与查询优化 13257858.2.1索引优化 1398558.2.2查询优化 1484438.3数据库功能监控与调优 14201148.3.1功能监控 1464938.3.2功能调优 1432318第九章数据库应用开发 1439.1数据库应用开发概述 14104739.2数据库应用开发工具 1595449.3数据库应用开发实例 151509第十章数据库管理与维护 162920110.1数据库管理与维护概述 16562210.2数据库监控与管理 163115910.3数据库故障处理与维护 17第一章数据库管理系统概述1.1数据库管理系统简介数据库管理系统（DatabaseManagementSystem，简称DBMS）是一种用于管理数据库的软件系统。它提供了对数据库进行定义、创建、操作、维护和控制的一系列功能，使得用户可以方便地使用和管理数据资源。数据库管理系统是计算机科学中一个重要的分支，广泛应用于各种企业和组织中，以支持数据管理和信息处理的需求。数据库管理系统主要由以下四个部分组成：（1）数据库：存储数据的集合，用于保存和管理信息。（2）数据库管理系统内核：负责数据库的创建、维护和操作，包括数据存储、索引、查询处理、事务管理等功能。（3）数据库应用层：为用户提供操作数据库的界面和工具，如SQL查询语言、图形界面等。（4）数据库管理系统配置文件：包含系统参数设置和用户权限管理等信息。1.2数据库管理系统的功能与特点1.2.1功能数据库管理系统的主要功能包括以下几个方面：（1）数据定义：DBMS提供了数据定义语言（DDL），用于创建和修改数据库结构，如表、视图、索引等。（2）数据操作：DBMS提供了数据操作语言（DML），用于插入、更新、删除和查询数据库中的数据。（3）数据完整性：DBMS通过完整性约束机制，保证数据的正确性和一致性。（4）数据安全性：DBMS提供了用户权限管理和访问控制功能，保护数据免受非法访问和破坏。（5）数据备份与恢复：DBMS支持数据的备份和恢复，以应对系统故障和数据丢失等意外情况。（6）数据库事务管理：DBMS通过事务机制，保证数据库操作的原子性、一致性、隔离性和持久性。1.2.2特点数据库管理系统的特点如下：（1）高效性：DBMS采用优化的数据存储和查询算法，提高了数据处理的效率。（2）可扩展性：DBMS支持大型数据库的管理，可适应不断增长的数据量。（3）数据独立性：DBMS实现了数据的物理独立性和逻辑独立性，使得应用程序与数据库结构之间的依赖性降低。（4）易用性：DBMS提供了丰富的用户界面和工具，降低了用户使用数据库的难度。（5）可靠性：DBMS具有完善的错误处理和恢复机制，保证数据库系统的稳定运行。（6）适应性：DBMS可以适应不同类型的应用场景，如关系型数据库、文档型数据库、图形数据库等。第二章关系数据库基础2.1关系数据库基本概念关系数据库是一种基于关系模型的数据库，它以表格的形式组织和存储数据。以下为关系数据库的一些基本概念：（1）表（Table）：关系数据库中的数据以表格形式存储，每个表格称为一个表，表由行和列组成。（2）列（Column）：表中的每一列表示一个数据字段，列也称为属性，列的名称表示数据字段的名称。（3）行（Row）：表中的每一行表示一个数据记录，也称为元组，每个元组包含了一个数据记录的所有字段值。（4）键（Key）：用于唯一标识表中元组的一个或多个列，键分为主键、外键和候选键等。（5）主键（PrimaryKey）：表中用于唯一标识每个元组的列，主键列的值不能为空且不能重复。（6）外键（ForeignKey）：一个表中的某列（或列组合）作为另一个表的主键，这个列（或列组合）称为外键。2.2关系数据库的数据模型关系数据库的数据模型主要包括以下三个方面：（1）数据结构：关系数据库中的数据结构以表格形式表示，包括表、列、行等基本元素。（2）数据操作：关系数据库提供了丰富的数据操作功能，包括数据的插入、删除、更新和查询等。（3）数据约束：关系数据库通过数据约束来保证数据的完整性和一致性，包括实体完整性、参照完整性、用户定义完整性等。以下为关系数据库数据模型的几个关键概念：（1）关系（Relation）：关系表示一个表，它由若干个属性（列）和元组（行）组成。（2）属性（Attribute）：属性表示表中的一个列，每个属性都有一个名称和数据类型。（3）域（Domain）：域表示属性的所有可能取值，每个属性都有一个域。（4）函数依赖（FunctionalDependency）：函数依赖表示属性之间的依赖关系，例如，学号→姓名表示学号决定姓名。2.3关系数据库的数据操作关系数据库的数据操作主要包括以下四个方面：（1）数据插入（Insert）：向表中插入新的元组，例如，使用INSERT语句插入一条新的记录。（2）数据删除（Delete）：从表中删除指定的元组，例如，使用DELETE语句删除一条记录。（3）数据更新（Update）：修改表中指定元组的字段值，例如，使用UPDATE语句更新一条记录。（4）数据查询（Select）：从表中查询满足特定条件的元组，例如，使用SELECT语句查询特定条件的记录。以下为关系数据库数据操作的一些关键概念：（1）SQL（StructuredQueryLanguage）：SQL是一种用于关系数据库操作的编程语言，包括数据定义、数据操作、数据查询等功能。（2）数据定义语言（DDL）：DDL用于定义数据库中的表、视图、索引等结构，例如，使用CREATE、ALTER和DROP等语句。（3）数据操作语言（DML）：DML用于对数据库中的数据进行插入、删除、更新等操作，例如，使用INSERT、DELETE和UPDATE等语句。（4）数据查询语言（DQL）：DQL用于从数据库中查询数据，例如，使用SELECT语句。第三章SQL语言基础3.1SQL语言概述SQL（StructuredQueryLanguage，结构化查询语言）是关系型数据库管理系统（RDBMS）中用于管理和操作数据库的标准语言。SQL语言具有强大的数据查询、数据更新、数据定义和数据控制功能。它是一种非过程化的编程语言，用户只需指定操作的对象和操作要求，无需编写具体的执行过程。SQL语言的主要特点如下：（1）语法简洁明了，易于学习和掌握。（2）支持多种数据库管理系统，如Oracle、MySQL、SQLServer等。（3）支持数据的增、删、改、查等操作。（4）支持事务处理和并发控制。3.2数据定义语言（DDL）数据定义语言（DDL）是SQL语言的一部分，主要用于创建、修改和删除数据库中的表、视图、索引等对象。以下是DDL的基本语法：（1）创建表（CREATETABLE）创建表的基本语法如下：sqlCREATETABLEtable_name(column1datatype,column2datatype,columnNdatatype);其中，`table_name`是表名，`column1`、`column2`、`columnN`是表中的列名，`datatype`是列的数据类型。（2）修改表（ALTERTABLE）修改表的基本语法如下：sqlALTERTABLEtable_nameADDcolumnNdatatype;其中，`table_name`是要修改的表名，`columnN`是要添加的列名，`datatype`是列的数据类型。（3）删除表（DROPTABLE）删除表的基本语法如下：sqlDROPTABLEtable_name;其中，`table_name`是要删除的表名。3.3数据操纵语言（DML）数据操纵语言（DML）是SQL语言的一部分，主要用于对数据库中的数据进行增、删、改、查等操作。以下是DML的基本语法：（1）插入数据（INSERTINTO）插入数据的基本语法如下：sqlINSERTINTOtable_name(column1,column2,,columnN)VALUES(value1,value2,,valueN);其中，`table_name`是表名，`column1`、`column2`、`columnN`是表中的列名，`value1`、`value2`、`valueN`是对应的列值。（2）删除数据（DELETE）删除数据的基本语法如下：sqlDELETEFROMtable_nameWHEREcondition;其中，`table_name`是表名，`condition`是删除条件。（3）更新数据（UPDATE）更新数据的基本语法如下：sqlUPDATEtable_nameSETcolumn1=value1,column2=value2,,columnN=valueNWHEREcondition;其中，`table_name`是表名，`column1`、`column2`、`columnN`是表中的列名，`value1`、`value2`、`valueN`是对应的列值，`condition`是更新条件。（4）查询数据（SELECT）查询数据的基本语法如下：sqlSELECTcolumn1,column2,,columnNFROMtable_nameWHEREcondition;其中，`table_name`是表名，`column1`、`column2`、`columnN`是表中的列名，`condition`是查询条件。第四章数据库设计4.1数据库设计概述数据库设计是数据库管理系统中的一项关键任务，它涉及到将现实世界中的信息需求转化为数据库结构的过程。数据库设计不仅要求构建一个能够有效存储和管理数据的数据库系统，而且还要保证该系统能够满足用户的信息处理需求，并具有良好的功能。数据库设计的目标是创建出一个结构合理、冗余最小、易于维护和扩展的数据库。4.2数据库设计步骤数据库设计是一个复杂的过程，通常包括以下步骤：（1）需求分析：需求分析是数据库设计的起点，主要任务是与用户沟通，了解并分析用户的信息需求和处理需求。这一步骤的输出通常是数据字典和需求规格说明书。（2）概念设计：在需求分析的基础上，进行概念设计，使用ER模型（实体关系模型）或UML（统一建模语言）等工具来描述数据及其之间的关系。概念设计的目的是建立一个独立于特定DBMS的概念模型。（3）逻辑设计：逻辑设计是将概念模型转换为特定DBMS支持的逻辑模型的过程。在这一步中，需要确定数据表的结构、定义数据类型、完整性约束以及索引等。（4）物理设计：物理设计是在逻辑模型的基础上，考虑实际的存储设备和DBMS特性，设计数据库的物理存储结构。物理设计涉及到文件组织、存储分配、索引策略等。（5）数据库实施：根据物理设计的结果，在选定的DBMS上创建数据库，并实现数据的加载和应用程序的编码。（6）数据库测试和调试：在数据库实施完成后，需要进行测试和调试，以保证数据库系统的正确性和功能。（7）数据库维护：数据库交付使用后，还需要进行持续的维护和优化，以适应不断变化的用户需求和处理环境。4.3ER图与数据库设计ER图（EntityRelationshipDiagram）是数据库概念设计中常用的工具，它通过实体（Entity）、关系（Relationship）和属性（Attribute）三个基本元素来描述现实世界中的信息结构。在ER图中，实体是现实世界中可以区分的对象，关系是实体之间的联系，属性是实体的特性。通过ER图，设计者可以直观地表示实体及其相互关系，进而转化为数据库的逻辑结构。ER图在数据库设计中的应用步骤通常包括：（1）确定实体：根据需求分析的结果，确定系统中的实体及其属性。（2）确定实体之间的关系：分析实体之间的联系类型，如一对一（1:1）、一对多（1:N）或多对多（M:N）关系。（3）绘制ER图：使用ER图符号表示实体、关系和属性，以及它们之间的连接。（4）优化ER图：对初步设计的ER图进行优化，消除冗余和改善结构。（5）转换ER图为逻辑模型：将ER图转换为特定DBMS支持的逻辑模型，如关系模型。通过上述步骤，ER图帮助设计者构建出一个清晰、合理的数据库概念模型，为后续的逻辑设计和物理设计奠定了基础。第五章数据库安全性5.1数据库安全性概述数据库安全性是数据库管理系统中的一个环节。信息技术的飞速发展，数据库系统已经成为企业、部门以及个人信息存储的重要载体。数据库安全性主要包括数据保密性、数据完整性、数据可用性和数据合法性四个方面。数据保密性是指保证数据不被未授权的用户访问；数据完整性是指保护数据不被非法篡改；数据可用性是指保证数据在需要时能够被授权用户访问；数据合法性是指保证数据的来源和去向合法。5.2访问控制与权限管理访问控制和权限管理是数据库安全性保障的核心技术。访问控制主要包括身份认证、授权管理和访问控制策略。身份认证是指对用户进行身份验证，保证合法用户才能访问数据库系统。授权管理是指为合法用户分配相应的操作权限，以满足其对数据库资源的合理需求。访问控制策略则是根据用户身份和权限，对数据库资源进行访问控制。身份认证可以通过密码、数字证书、生物识别等多种方式实现。授权管理通常采用角色based访问控制（RBAC）模型，将用户划分为不同的角色，并为角色分配相应的权限。访问控制策略包括自主访问控制（DAC）、强制访问控制（MAC）和基于属性的访问控制（ABAC）等。5.3数据加密与完整性保护数据加密是数据库安全性保障的重要手段。数据加密技术主要包括对称加密、非对称加密和混合加密。对称加密使用相同的密钥进行加密和解密，加密速度快，但密钥分发困难。非对称加密使用一对密钥，分别用于加密和解密，解决了密钥分发问题，但加密速度较慢。混合加密则结合了对称加密和非对称加密的优点，提高了数据安全性。数据完整性保护主要包括数据校验、数字签名和哈希算法等技术。数据校验是在数据传输或存储过程中，对数据进行完整性检查的一种手段。数字签名技术可以保证数据的来源合法性和完整性，防止数据被非法篡改。哈希算法则可以将数据转换为固定长度的哈希值，用于验证数据的完整性。为了提高数据库安全性，还需要采取以下措施：（1）定期对数据库系统进行安全检查，发觉并及时修复安全漏洞；（2）建立完善的数据库备份和恢复策略，保证数据在意外情况下能够迅速恢复；（3）强化网络安全防护，防止网络攻击；（4）建立安全审计机制，对数据库操作进行实时监控和记录。第六章数据库事务管理6.1数据库事务概述数据库事务是数据库管理系统执行过程中的一个逻辑工作单位，它由一系列操作组成，这些操作要么全部执行，要么全部不执行，以保证数据库的一致性和完整性。事务是数据库管理系统实现数据并发控制、持久性和恢复的基础。事务具有以下四个基本特性：（1）原子性（Atomicity）：事务中的所有操作要么全部成功执行，要么全部失败回滚，不会出现部分成功的情况。（2）一致性（Consistency）：事务执行的结果使数据库从一个一致性状态转移到另一个一致性状态。（3）隔离性（Isolation）：事务的执行不能被其他事务干扰，即事务之间相互独立。（4）持久性（Durability）：事务一旦提交，其结果将永久保存在数据库中。6.2事务的并发控制事务的并发控制是为了在多个事务同时访问数据库时，保证事务的隔离性和一致性。并发控制的主要方法有以下几种：（1）锁机制：通过加锁和开启来控制事务对数据库的访问。锁的类型包括共享锁（S锁）和排他锁（X锁）。（2）乐观并发控制：在事务执行过程中，不立即加锁，而是在事务提交时检查是否有冲突。若有冲突，则回滚事务。（3）悲观并发控制：在事务执行过程中，提前加锁，以防止其他事务对相同数据的访问。这种方法会增加系统的开销，但可以提高事务的隔离性。（4）时间戳方法：为每个事务分配一个唯一的时间戳，根据时间戳的顺序来控制事务的执行顺序。6.3事务的持久性与恢复事务的持久性是指一旦事务提交，其结果将永久保存在数据库中，即使系统发生故障也不会丢失。为了实现事务的持久性，数据库管理系统通常采用以下技术：（1）写前日志（WriteAheadLogging,WAL）：在事务执行过程中，先将事务的操作记录到日志文件中，然后执行事务。当事务提交时，将日志记录写入数据库。这样，即使系统发生故障，也可以根据日志恢复事务。（2）检查点（Checkpoint）：定期在数据库中设置检查点，将内存中的脏页（已修改但未写入磁盘的数据页）写入磁盘。当系统发生故障时，可以从最近的检查点开始恢复。（3）备份与恢复：定期对数据库进行备份，当系统发生故障时，可以通过备份恢复数据库。事务的恢复是指在系统发生故障后，将数据库恢复到一致性的状态。恢复过程主要包括以下步骤：（1）分析日志文件，确定事务的状态（提交或回滚）。（2）对未提交的事务进行回滚，撤销其操作。（3）对已提交但未写入磁盘的事务，重新执行其操作。（4）对已写入磁盘但未设置检查点的事务，从检查点开始重新执行。第七章数据库备份与恢复7.1数据库备份概述数据库备份是保证数据库安全性和完整性的重要手段，其主要目的是在数据库遭受意外损失、数据损坏或系统故障时，能够快速恢复数据。数据库备份主要包括数据备份和日志备份两种类型。数据备份是指将数据库中的数据文件复制到其他存储介质上，以保证数据的完整性和一致性。数据备份可以分为全量备份、增量备份和差异备份三种方式。全量备份是指备份整个数据库的所有数据；增量备份是指仅备份自上次备份以来发生变化的数据；差异备份是指备份自上次全量备份以来发生变化的数据。日志备份是指将数据库的事务日志文件复制到其他存储介质上。事务日志记录了数据库中所有修改操作的历史，通过日志备份可以恢复数据库到某一特定时间点的状态。7.2数据库备份策略数据库备份策略的制定需要根据数据库的大小、业务需求、数据重要性等因素综合考虑。以下是一些常见的数据库备份策略：（1）定期备份：根据数据库的使用频率和数据变化程度，设定固定的备份周期，如每日、每周或每月进行一次全量备份。（2）实时备份：对于关键业务数据库，可以采用实时备份策略，即实时监控数据库的修改操作，并将变化的数据实时备份到其他存储介质。（3）多级备份：结合全量备份、增量备份和差异备份，制定多级备份策略。首先进行全量备份，然后根据数据变化情况，定期进行增量备份或差异备份。（4）远程备份：将备份数据存储在远程服务器或云存储上，以避免本地故障导致数据丢失。（5）异地备份：在地理位置上相隔较远的两个或多个数据中心之间进行数据备份，以提高数据的安全性和恢复能力。7.3数据库恢复技术数据库恢复技术是指在数据库遭受损失、损坏或系统故障后，利用备份的数据和日志，将数据库恢复到正常状态的过程。以下是一些常见的数据库恢复技术：（1）数据恢复：通过备份数据文件，将数据库恢复到备份时刻的状态。数据恢复可以采用全量恢复、增量恢复和差异恢复三种方式。（2）日志恢复：利用事务日志文件，将数据库恢复到特定时间点的状态。日志恢复适用于恢复过程中需要精确到某一时间点的数据。（3）热备份恢复：在数据库运行过程中，实时备份数据和日志，当发生故障时，可以利用热备份的数据和日志快速恢复数据库。（4）冷备份恢复：在数据库停止运行的情况下，进行数据备份和恢复。冷备份恢复适用于数据库故障后需要重新部署的场景。（5）双机热备：通过部署两台服务器，实时同步数据，当一台服务器发生故障时，另一台服务器可以立即接管业务，实现快速恢复。（6）数据迁移：在数据库版本升级或硬件更换等场景下，将数据从旧数据库迁移到新数据库。数据迁移需要保证数据的完整性和一致性。通过以上备份和恢复策略，可以有效地保证数据库的安全性和可靠性，降低因数据丢失或损坏带来的风险。在实际应用中，应根据具体情况选择合适的备份和恢复策略。第八章数据库功能优化8.1数据库功能优化概述数据库功能优化是提高数据库系统运行效率、减少资源消耗的重要手段。数据库功能优化主要包括以下几个方面：数据库设计优化、索引优化、查询优化、存储优化、并发控制优化等。通过对数据库功能进行优化，可以提高数据处理速度，降低系统响应时间，提升用户体验。8.2索引与查询优化8.2.1索引优化索引是数据库中一种特殊的数据结构，用于提高数据检索速度。合理创建和使用索引是提高数据库查询功能的关键。以下是一些索引优化的策略：（1）选择合适的索引类型：根据数据表的特点和查询需求，选择合适的索引类型，如B树索引、哈希索引、全文索引等。（2）避免过多索引：过多索引会增加数据库的存储空间和维护成本，降低查询效率。应根据实际需求创建索引。（3）索引字段选择：选择查询频率高、区分度大的字段创建索引，以提高查询速度。（4）索引维护：定期对索引进行维护，如重建索引、删除无用的索引等。8.2.2查询优化查询优化是提高数据库查询功能的重要手段。以下是一些查询优化的策略：（1）合理使用WHERE子句：尽量减少WHERE子句中的条件数量，避免使用复杂的表达式和函数。（2）使用索引字段：在查询中使用索引字段，可以加快查询速度。（3）避免全表扫描：尽量使用索引扫描，避免全表扫描。（4）使用合适的JOIN类型：根据实际需求选择合适的JOIN类型，如INNERJOIN、LEFTJOIN等。（5）避免使用子查询：尽量使用JOIN代替子查询，以提高查询效率。8.3数据库功能监控与调优数据库功能监控与调优是保证数据库系统稳定、高效运行的重要环节。以下是一些功能监控与调优的策略：8.3.1功能监控（1）监控硬件资源：定期检查CPU、内存、磁盘等硬件资源的利用率，保证资源充足。（2）监控数据库状态：通过查看数据库的运行日志、系统视图等，了解数据库的运行状态。（3）监控SQL语句：分析SQL语句的执行计划，找出功能瓶颈。8.3.2功能调优（1）调整数据库参数：根据数据库的实际情况，调整数据库的配置参数，如缓存大小、连接池配置等。（2）优化SQL语句：对功能较差的SQL语句进行优化，提高执行效率。（3）数据分区：对于大量数据的表，可以采用数据分区技术，提高查询速度。（4）读写分离：根据业务需求，采用读写分离策略，减轻数据库的压力。（5）定期维护：定期对数据库进行维护，如清理无用的数据、重建索引等。第九章数据库应用开发9.1数据库应用开发概述数据库应用开发是指利用数据库技术，结合业务需求，开发出满足用户信息管理需求的软件系统。数据库应用开发涉及数据库设计、应用系统设计、编程实现等多个环节。其主要目的是保证数据的完整性、一致性、安全性和高效性，为用户提供便捷、可靠的数据管理服务。9.2数据库应用开发工具数据库应用开发工具是辅助开发者在数据库应用开发过程中提高效率、降低难度的软件。以下是一些常用的数据库应用开发工具：（1）数据库设计工具：如PowerDesigner、ERwin、OracleDesigner等，用于设计数据库模型，数据库表结构。（2）数据库开发环境：如SQLServerManagementStudio、OracleSQLDeveloper、MySQLWorkbench等，用于执行SQL语句、管理数据库对象、调试程序。（3）数据库编程语言：如SQL、PL/SQL、TSQL等，用于编写数据库存储过程、触发器、函数等。（4）应用程序开发工具：如VisualStudio、Eclipse、NetBeans等，用于编写应用程序代码，实现与数据库的交互。（5）数据库连接池技术：如DBCP、C3P0、Druid等，用于管理数据库连接，提高系统功能。9.3数据库应用开发实例以下是一个简单的数据库应用开发实例，以图书管理系统为例：（1）需求分析：分析图书管理系统的业务需求，确定系统需要管理哪些数据，如图书信息、读者信息、借阅信息等。（2）数据库设计：设计数据库模型，包括图书表、读者表、借阅表等，确定各表之间的关系。（3）创建数据库：根据设计的数据库模型，创建数据库及表结构。（4）编写应用程序代码：（1）实现图书信息的增删改查功能