高級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)第一章簡(jiǎn)介

高級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)第一章簡(jiǎn)介CATALOGUE目錄數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型與關(guān)系模型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)組成和功能數(shù)據(jù)庫(kù)安全性與完整性保護(hù)并發(fā)控制與恢復(fù)技術(shù)簡(jiǎn)介分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概述總結(jié)與展望01數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概述定義數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（DatabaseSystem，簡(jiǎn)稱(chēng)DBS）是由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理員和用戶等部分組成的存儲(chǔ)、管理、處理和維護(hù)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。特點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)共享性高、數(shù)據(jù)獨(dú)立性高、數(shù)據(jù)由DBMS統(tǒng)一管理和控制等。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)定義與特點(diǎn)123數(shù)據(jù)不保存、應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)不共享、數(shù)據(jù)不具有獨(dú)立性。人工管理階段數(shù)據(jù)可以長(zhǎng)期保存、由文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)共享性差，冗余度大、數(shù)據(jù)獨(dú)立性差。文件系統(tǒng)階段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)的共享性高，冗余度低，易擴(kuò)充、數(shù)據(jù)獨(dú)立性高、數(shù)據(jù)由DBMS統(tǒng)一管理和控制。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)階段數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)發(fā)展歷程分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點(diǎn)上，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有獨(dú)立處理的能力，可以執(zhí)行局部應(yīng)用，同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)也能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)執(zhí)行全局應(yīng)用。多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)是多媒體技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的一種新型數(shù)據(jù)庫(kù)。它存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類(lèi)型包括文本、圖像、聲音、視頻等多媒體數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)量大、處理復(fù)雜等特點(diǎn)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)分支，它適用于處理不斷更新的快速變化的數(shù)據(jù)及具有時(shí)間限制的事務(wù)處理。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間和數(shù)據(jù)的一致性要求很高。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法相結(jié)合的產(chǎn)物。高級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域02數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)外模式也稱(chēng)用戶模式，是數(shù)據(jù)庫(kù)用戶能夠看見(jiàn)和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。模式也稱(chēng)邏輯模式，是數(shù)據(jù)庫(kù)中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。內(nèi)模式也稱(chēng)存儲(chǔ)模式，是數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部的表示方式。三級(jí)模式結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性，即當(dāng)模式改變時(shí)，只要修改外模式/模式映像，就可以使外模式保持不變，從而應(yīng)用程序不必修改。保證了數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性，即當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)改變時(shí)，只要修改模式/內(nèi)模式映像，就可以使模式保持不變，從而應(yīng)用程序也不必修改。兩級(jí)映像與數(shù)據(jù)獨(dú)立性模式/內(nèi)模式映像外模式/模式映像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單一的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，由數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理，用戶通過(guò)客戶端應(yīng)用程序訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。集中式數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分布在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，每個(gè)服務(wù)器都可以獨(dú)立地處理本地?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)其他服務(wù)器中的數(shù)據(jù)。分布式數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)客戶端應(yīng)用程序負(fù)責(zé)與用戶交互，服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理?？蛻舳送ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器，向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求并接收響應(yīng)。客戶端/服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)用戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，Web服務(wù)器再與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器交互，最終將結(jié)果返回給瀏覽器。瀏覽器/服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)常見(jiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)類(lèi)型03數(shù)據(jù)模型與關(guān)系模型數(shù)據(jù)模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)特征的抽象，用來(lái)描述數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)聯(lián)系、數(shù)據(jù)操作以及數(shù)據(jù)一致性約束的概念工具的集合。數(shù)據(jù)模型定義數(shù)據(jù)模型可以分為層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ偷?。其中，關(guān)系模型是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型分類(lèi)數(shù)據(jù)模型概念及分類(lèi)關(guān)系模型基本原理關(guān)系模型基本概念關(guān)系模型由關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)系操作集合和關(guān)系完整性約束三部分組成。在關(guān)系模型中，現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體以及實(shí)體間的各種聯(lián)系均用關(guān)系來(lái)表示。關(guān)系模型特點(diǎn)關(guān)系模型具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰，操作方便、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，關(guān)系模型還支持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性約束，保證了數(shù)據(jù)的正確性和一致性。關(guān)系代數(shù)關(guān)系代數(shù)是一種抽象的查詢(xún)語(yǔ)言，用對(duì)關(guān)系的運(yùn)算來(lái)表達(dá)查詢(xún)。關(guān)系代數(shù)運(yùn)算包括選擇、投影、連接、除法等基本操作。關(guān)系演算關(guān)系演算是一種以數(shù)理邏輯為基礎(chǔ)的形式化查詢(xún)語(yǔ)言，包括元組關(guān)系演算和域關(guān)系演算兩種。關(guān)系演算可以表達(dá)復(fù)雜的查詢(xún)需求，并且具有強(qiáng)大的表達(dá)能力。關(guān)系代數(shù)與關(guān)系演算04數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)組成和功能數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）是一種用于存儲(chǔ)、檢索和管理數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)。定義發(fā)展歷程核心功能從文件系統(tǒng)到層次模型、網(wǎng)狀模型，再到關(guān)系模型的發(fā)展過(guò)程。數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)控制和管理等。030201數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)概述存儲(chǔ)管理器概述負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)庫(kù)中的物理存儲(chǔ)，確保數(shù)據(jù)的持久性和可靠性。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)將邏輯數(shù)據(jù)映射到物理存儲(chǔ)介質(zhì)上，如磁盤(pán)、SSD等。索引管理創(chuàng)建和維護(hù)索引，以加速數(shù)據(jù)的檢索速度。事務(wù)管理確保并發(fā)事務(wù)的正確執(zhí)行，維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性和完整性。存儲(chǔ)管理器組件及功能查詢(xún)處理器概述將用戶提交的查詢(xún)語(yǔ)句轉(zhuǎn)換為內(nèi)部表示形式，便于后續(xù)處理。查詢(xún)解析查詢(xún)優(yōu)化查詢(xún)執(zhí)行01020403按照查詢(xún)執(zhí)行計(jì)劃從數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索數(shù)據(jù)，并返回給用戶。負(fù)責(zé)解析和執(zhí)行用戶提交的查詢(xún)請(qǐng)求。選擇最優(yōu)的查詢(xún)執(zhí)行計(jì)劃，以提高查詢(xún)效率。查詢(xún)處理器組件及功能05數(shù)據(jù)庫(kù)安全性與完整性保護(hù)用戶身份鑒別存取控制策略審計(jì)追蹤加密存儲(chǔ)安全性控制策略和方法通過(guò)用戶名和密碼、生物特征等方式驗(yàn)證用戶身份，防止非法用戶訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。記錄用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的所有操作，以便事后分析和追查潛在的安全問(wèn)題?；谟脩羯矸莺徒巧?，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同級(jí)別的訪問(wèn)控制，包括讀取、修改、刪除等操作。對(duì)敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密存儲(chǔ)，確保即使數(shù)據(jù)被竊取也無(wú)法輕易解密。參照完整性維護(hù)不同表之間數(shù)據(jù)的一致性，確保外鍵列中的數(shù)據(jù)必須對(duì)應(yīng)另一張表的主鍵列中的有效值。用戶自定義完整性根據(jù)應(yīng)用需求，定義特定的規(guī)則來(lái)約束數(shù)據(jù)的有效性和正確性，如唯一性約束、檢查約束等。實(shí)體完整性確保數(shù)據(jù)庫(kù)表中的每一行數(shù)據(jù)都代表一個(gè)唯一的實(shí)體，通常通過(guò)主鍵約束實(shí)現(xiàn)。完整性約束條件分類(lèi)視圖機(jī)制在安全性保護(hù)中應(yīng)用數(shù)據(jù)隱藏通過(guò)視圖只展示部分?jǐn)?shù)據(jù)列或行，隱藏敏感信息，防止用戶直接訪問(wèn)底層表數(shù)據(jù)。權(quán)限控制基于視圖進(jìn)行權(quán)限控制，只授予用戶訪問(wèn)視圖的權(quán)限，而不是直接訪問(wèn)底層表的權(quán)限，從而限制用戶的訪問(wèn)范圍。簡(jiǎn)化復(fù)雜查詢(xún)視圖可以封裝復(fù)雜的SQL查詢(xún)語(yǔ)句，使用戶只需通過(guò)簡(jiǎn)單的查詢(xún)語(yǔ)句即可獲取所需數(shù)據(jù)，同時(shí)保護(hù)底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不被直接暴露。數(shù)據(jù)抽象視圖提供了一種數(shù)據(jù)抽象層，允許開(kāi)發(fā)人員不直接與底層數(shù)據(jù)表交互，而是通過(guò)視圖進(jìn)行操作，提高了數(shù)據(jù)的安全性和可維護(hù)性。06并發(fā)控制與恢復(fù)技術(shù)簡(jiǎn)介03并發(fā)控制的難度需要權(quán)衡系統(tǒng)的吞吐量和事務(wù)的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)考慮死鎖和活鎖等問(wèn)題。01事務(wù)并發(fā)執(zhí)行帶來(lái)的問(wèn)題多個(gè)事務(wù)同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致、丟失更新等問(wèn)題。02并發(fā)控制的需求確保事務(wù)的隔離性，即并發(fā)執(zhí)行的事務(wù)不會(huì)互相干擾，保證數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性。并發(fā)控制問(wèn)題描述鎖機(jī)制01通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象加鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制，包括共享鎖和排他鎖。鎖機(jī)制可以有效防止數(shù)據(jù)不一致和丟失更新等問(wèn)題，但可能導(dǎo)致死鎖和活鎖。時(shí)間戳排序方法02為每個(gè)事務(wù)分配一個(gè)唯一的時(shí)間戳，根據(jù)時(shí)間戳的順序來(lái)決定事務(wù)的執(zhí)行順序。時(shí)間戳排序方法可以避免死鎖和活鎖問(wèn)題，但需要復(fù)雜的時(shí)間戳管理和沖突解決機(jī)制。鎖機(jī)制與時(shí)間戳排序方法的比較03鎖機(jī)制簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但可能導(dǎo)致死鎖和活鎖；時(shí)間戳排序方法可以避免死鎖和活鎖，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且需要額外的時(shí)間戳管理開(kāi)銷(xiāo)。鎖機(jī)制和時(shí)間戳排序方法故障類(lèi)型包括事務(wù)故障、系統(tǒng)故障和介質(zhì)故障等。事務(wù)故障可能導(dǎo)致事務(wù)非正常終止；系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)處于不一致?tīng)顟B(tài)；介質(zhì)故障可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。恢復(fù)策略根據(jù)故障類(lèi)型采取相應(yīng)的恢復(fù)策略，如事務(wù)回滾、系統(tǒng)重啟和數(shù)據(jù)恢復(fù)等。事務(wù)回滾可以撤銷(xiāo)未完成事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改；系統(tǒng)重啟可以恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)到一致性狀態(tài)；數(shù)據(jù)恢復(fù)可以從備份中恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。技術(shù)手段包括日志技術(shù)、備份技術(shù)和恢復(fù)技術(shù)等。日志技術(shù)可以記錄事務(wù)的操作和數(shù)據(jù)庫(kù)的狀態(tài)變化，用于故障恢復(fù)；備份技術(shù)可以定期備份數(shù)據(jù)庫(kù)，防止數(shù)據(jù)丟失；恢復(fù)技術(shù)可以根據(jù)日志和備份恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)到一致性狀態(tài)。故障恢復(fù)策略和技術(shù)手段07分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概述VS分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是一個(gè)集成多個(gè)物理上分散而邏輯上集中的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的集合，這些數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接并協(xié)調(diào)工作，以實(shí)現(xiàn)全局應(yīng)用的數(shù)據(jù)管理和處理任務(wù)。特點(diǎn)物理分布性、邏輯整體性、站點(diǎn)自治性、數(shù)據(jù)共享性、通信網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)性等。定義分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)定義和特點(diǎn)異構(gòu)型分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)各個(gè)站點(diǎn)使用不同的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)模型，需要解決數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和互操作問(wèn)題。網(wǎng)格型分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)各個(gè)站點(diǎn)之間構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，沒(méi)有明顯的層次關(guān)系，站點(diǎn)之間可以直接通信和協(xié)作。層次型分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)按照層次結(jié)構(gòu)組織站點(diǎn)，上層數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)下層數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)有管理和控制作用。同構(gòu)型分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)各個(gè)站點(diǎn)使用相同的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)模型，便于數(shù)據(jù)共享和互操作。分布式數(shù)據(jù)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)類(lèi)型查詢(xún)處理分布式查詢(xún)處理需要解決站點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信、查詢(xún)分解與合并、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)全局查詢(xún)的正確執(zhí)行。查詢(xún)優(yōu)化分布式查詢(xún)優(yōu)化需要考慮各個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)分布、處理能力、通信開(kāi)銷(xiāo)等因素，以選擇最優(yōu)的查詢(xún)執(zhí)行計(jì)劃，提高查詢(xún)效率。優(yōu)化策略包括基于代價(jià)的查詢(xún)優(yōu)化、半連接查詢(xún)優(yōu)化、并行查詢(xún)優(yōu)化等。分布式查詢(xún)處理和優(yōu)化策略08總結(jié)與展望分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)成為主流，能夠處理海量數(shù)據(jù)和高并發(fā)請(qǐng)求。多模型數(shù)據(jù)庫(kù)支持多種數(shù)據(jù)模型，如關(guān)系型、鍵值對(duì)、文檔、圖等，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。智能化數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的自動(dòng)優(yōu)化、智能查詢(xún)和故障預(yù)測(cè)等功能。高級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)云計(jì)算提供了彈性可擴(kuò)展的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，使得數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以更加靈活地部署和擴(kuò)展。云計(jì)算技術(shù)大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)于處理海量數(shù)據(jù)提供了有效的手段，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的性能和擴(kuò)展性提出了更高的要求。大數(shù)據(jù)技術(shù)人工智能技術(shù)在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以更加智能化地管理和優(yōu)化數(shù)據(jù)。人工智能技術(shù)010203新興技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)影響分析隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加，數(shù)據(jù)隱私和安全問(wèn)題越來(lái)越突出，