数据库原理(李芳芳)ch课件

数据库原理李芳芳老师课程介绍课程介绍本课程主要内容涵盖数据库的基本概念、原理和应用。通过本课程的学习，学生将能够掌握数据库系统的基本原理、数据建模、数据库设计、数据库操作语言SQL等知识，并能运用所学知识进行实际应用。课程目标培养学生对数据库系统的基本理解，掌握数据库设计与开发的基本技能，能够独立完成简单的数据库应用开发。数据库概述数据库是存储和管理数据的集合，是计算机应用系统的核心组成部分。数据库管理系统DBMS负责管理数据库，提供数据操作接口，保障数据安全和完整性。现代数据库系统具有多种类型，如关系型数据库、面向对象数据库、NoSQL数据库等。数据库系统的发展历史1早期文件系统数据存储在独立的文件中，缺乏数据共享和完整性。2层次数据库模型数据以树状结构组织，支持数据共享和完整性，但灵活性有限。3网状数据库模型数据以网状结构组织，允许复杂的数据关系，但数据操作复杂。4关系数据库模型数据以表格形式组织，支持数据完整性和一致性，易于理解和操作。5面向对象数据库模型数据以对象形式组织，支持复杂的数据类型和继承，适合处理非结构化数据。6分布式数据库模型数据分布在多个节点上，支持数据分布和并行处理。7云数据库模型数据存储在云平台上，提供可扩展性和高可用性，适合大规模数据处理。数据模型数据模型的定义数据模型是对数据结构和数据之间关系的抽象描述，它为数据库设计提供蓝图。数据结构数据模型描述数据的组织方式，例如表、字段、数据类型等。数据关系数据模型描述数据之间的联系，例如一对一、一对多、多对多等关系。关系数据模型数据结构关系模型将数据存储在表中，每个表代表一个实体或实体集合。每个表包含行（元组）和列（属性），属性具有数据类型。数据操作关系模型使用关系代数运算来对数据进行操作，如选择、投影、连接等，提供一致的操作方式。数据完整性关系模型强调数据完整性，通过主键、外键等约束来确保数据的准确性和一致性，提高数据质量。数据独立性关系模型支持数据独立性，将数据逻辑结构与物理存储方式分离，方便维护和修改。关系数据库的三级结构外模式用户看到的数据视图，针对特定应用的需要，是数据的逻辑表示。模式数据库的整体逻辑结构，描述数据库中所有数据元素的类型、名称和相互关系。内模式数据库的物理结构，描述数据存储在磁盘上的物理组织方式。数据库系统的体系结构11.外层用户界面和应用程序接口，提供用户与数据库交互的方式。22.中间层数据库管理系统（DBMS）的核心，负责管理数据、执行查询、维护数据完整性。33.内层数据存储层，负责将数据存储在物理介质上，如硬盘或内存。数据库管理系统定义数据库管理系统(DBMS)是专门用于管理数据库的软件系统。它提供数据存储、检索、更新、维护等功能。功能DBMS主要负责管理数据库中的数据，包括数据的存储、检索、更新、删除、备份和恢复等。它还提供数据完整性、安全性、并发控制和恢复等功能。数据库系统的功能数据存储和管理数据库系统提供数据存储、组织和管理功能。它确保数据的完整性、一致性和安全性。数据访问和检索用户可以通过数据库管理系统访问和检索存储在数据库中的数据，方便地获取所需信息。数据控制和维护数据库系统允许管理员执行各种任务，包括数据备份、恢复、安全控制以及性能优化。数据共享和集成数据库系统可以支持多个应用程序共享同一数据源，实现数据的一致性和协同工作。数据库设计的基本原则数据独立性数据独立性是指数据库中的数据和应用程序之间的独立性，包括物理独立性和逻辑独立性。数据一致性数据一致性是指数据库中数据的正确性和完整性，确保数据的一致性和准确性，避免出现错误和矛盾。数据安全性数据安全性是指保护数据库中数据免受非法访问、修改和破坏，包括用户身份验证、数据加密和访问控制。数据完整性数据完整性是指数据的完整性和准确性，确保数据满足预定义的规则和约束，避免出现数据丢失或错误。数据库设计的一般过程1需求分析明确用户需求，定义数据库目标。2概念结构设计建立信息模型，描述数据之间的关系。3逻辑结构设计选择数据模型，将概念模型转换为逻辑模型。4物理结构设计将逻辑模型转换为物理存储结构。数据库设计是一个系统工程，需要遵循一定的步骤和原则，以确保数据库的正确性、完整性和一致性。数据库设计方法11.实体关系模型法E-R模型是一种用图形符号描述数据结构和数据间联系的方法，它为数据库设计提供了良好的方法.22.关系代数法它是一种基于集合论和关系代数的数据库设计方法，通过对关系进行操作来实现数据的查询和维护.33.关系规范化方法通过将关系分解成更小的关系，消除数据冗余，提高数据一致性，保证数据完整性.44.面向对象设计方法该方法将数据和操作封装在一起，更符合人们的思维习惯，可用于设计复杂的数据模型.概念结构设计概念模型用E-R图描述信息世界中的实体和实体间的关系，独立于具体的DBMS和编程语言独立性强概念模型独立于具体的DBMS和编程语言，便于不同用户理解和沟通。设计过程首先进行需求分析，然后建立E-R图，最后进行概念模型的规范化。逻辑结构设计关系模式设计逻辑结构设计阶段将概念模型转换为关系模型。该阶段主要工作是确定关系模式，包括关系名、属性名、属性类型、主键等。数据类型选择根据业务需求选择合适的属性数据类型，如整数、字符串、日期等，确保数据存储的准确性和效率。完整性约束定义数据完整性约束，如主键约束、外键约束、唯一性约束等，以确保数据的一致性和完整性。物理结构设计存储结构物理结构设计确定数据在存储介质上的组织方式。例如，选择索引、文件组织方式、存储空间分配等。不同存储结构对数据访问速度和存储空间利用率有不同影响。访问路径定义数据访问路径，即如何查找和访问存储在数据库中的数据。访问路径包括索引、指针等，影响数据检索效率。合理设计访问路径可以提高数据检索速度。安全控制物理结构设计还需考虑安全控制，例如数据加密、访问控制等。安全控制确保数据安全，防止未经授权的访问和修改。数据库操作语言SQL数据定义语言(DDL)创建、修改和删除数据库对象，例如表、视图、索引等。数据操纵语言(DML)对数据库中的数据进行插入、删除、更新和查询操作。数据控制语言(DCL)管理数据库访问权限和安全控制，例如授权、撤销等。SQL语句的分类1数据定义语言DDLDDL用于定义数据库的结构，包括创建、修改和删除表、视图、索引、存储过程等。2数据操纵语言DMLDML用于对数据库中的数据进行增、删、改、查操作，例如插入、更新、删除和查询数据。3数据控制语言DCLDCL用于控制数据库的访问权限，例如授予或撤销用户的权限。4事务控制语言TCLTCL用于管理数据库事务，例如提交、回滚、保存点等操作。数据定义语言DDL数据结构定义创建、修改和删除数据库中的表、视图、索引和其他数据库对象。数据类型定义定义数据库中存储数据的类型，例如整型、字符串、日期、时间等。约束定义定义数据完整性约束，确保数据的一致性和完整性。授权管理控制用户对数据库对象的访问权限，维护数据安全。数据操纵语言DML数据查询DML允许用户查询和检索数据库中的数据，例如SELECT语句。数据更新DML用于修改现有的数据，例如INSERT、UPDATE和DELETE语句。数据操作DML提供了一套操作数据库数据的命令，例如添加、删除、修改和查询。数据控制语言DCL数据访问控制DCL用于控制用户对数据库的访问权限，包括增删改查等操作。权限管理DCL允许管理员授予或撤销用户对数据库对象的访问权限。角色管理DCL支持创建角色并分配权限，简化权限管理，提高效率。事务管理事务管理是数据库系统中至关重要的概念，它确保了数据操作的原子性、一致性、隔离性和持久性，即ACID特性。1原子性事务中的所有操作要么全部成功，要么全部失败。2一致性事务执行后，数据库必须处于一致状态。3隔离性多个事务并发执行时，彼此之间相互隔离。4持久性事务一旦成功提交，其修改将永久保存。事务的ACID特性原子性(Atomicity)事务是一个不可分割的工作单元。事务中的所有操作要么全部成功，要么全部失败。一致性(Consistency)事务必须确保数据库从一个一致状态到另一个一致状态。隔离性(Isolation)多个事务并发执行时，一个事务的执行不会影响其他事务的执行。持久性(Durability)事务一旦提交，其结果将永久保存在数据库中。并发控制1数据一致性多个用户同时访问数据库，防止数据不一致。2锁机制对数据进行加锁，防止其他用户修改数据。3时间戳记录数据更新时间，确保数据一致性。4乐观锁不加锁，在提交更新之前检查数据是否被修改。数据库安全性数据完整性数据完整性是指数据的准确性、一致性和完整性。数据完整性约束包括实体完整性约束、参照完整性约束和用户自定义完整性约束。数据机密性数据机密性是指保护数据不被未经授权的访问、使用或泄露。数据库系统采用加密、访问控制等技术确保数据机密性。数据可用性数据可用性是指数据能够被授权用户及时、有效地访问。数据库系统通过备份、恢复、容错等技术保证数据可用性。数据库系统的恢复机制日志文件日志文件记录数据库操作信息，用于恢复数据库。备份文件备份文件是数据库的副本，用于恢复数据。恢复过程恢复过程使用日志文件和备份文件，将数据库恢复到一致状态。数据库备份与恢复1备份定期备份数据库数据可以确保数据安全。完整备份增量备份差异备份2恢复从备份中恢复数据可以还原数据库到之前的状态。恢复数据文件恢复日志文件恢复到特定时间点3策略制定合理备份和恢复策略以确保数据安全。备份频率备份介质恢复测试数据库系统的应用企业管理企业管理系统（ERP）广泛应用于企业资源管理，例如财务、采购、销售等。电子商务电子商务平台依赖数据库管理大量用户数据，商品信息和交易记录，以实现高效运营。金融行业银行、证券等金融机构使用数据库管理客户信息，交易记录，以及风险控制模型。医疗保健医疗机构利用数据库管理患者病历，诊断信息，药物信息，以及医疗影像数据。分布式数据库系统数据分布分布式数据库将数据分布在多个节点上。每个节点管理一部分数据。高可用性多个节点共同工作，如果一个节点出现故障，其他节点可以继续提供服务。可扩展性可以